海上抛石基床振动密实试验研究

王翔，冯甲鑫，鞠鹏（1.青岛理工大学机械工程学院，山东　青岛　66033；.中交一航局第二工程有限公司，山东　青岛　66071）

海上抛石基床振动密实试验研究

王翔1，2，冯甲鑫2，鞠鹏2
（1.青岛理工大学机械工程学院，山东青岛266033；2.中交一航局第二工程有限公司，山东青岛266071）

海上抛石基床振动密实在国内是一种创新的施工工艺，具有夯实效率高等特点。文章研究了振动锤各参数对抛石基床密实整平的影响，分析了振动锤选型的原则，并通过试验进行了验证。

抛石基床；振动密实；设备选型

振动密实整平就是利用振动密实的原理将原本凹凸不平的块石，通过振动将块石从新排列啮合，使基床表面达到平整的方法。

在国外尤其是日本，在20世纪70年代，就已经将振动密实技术应用于抛石基床的高精度整平的施工，通过近几十年的发展，形成了一系列的振动整平装备。国内振动密实技术主要应用于陆地工程[1]，如公路、铁路路基回填。海上抛石的密实技术主要采用水下爆夯、夯锤的形式，随着国内振动锤设备的应用，将振动锤应用于海上抛石的密实工艺也崭露头角，但是将振动密实技术应用于海上抛石高精度整平还未起步。

1　振动锤各参数对抛石基床振动密实的作用

目前国内振动密实的研究大部分针对土振动理论研究，从原理上分析了振动对土体密实的影响，还没有针对振动锤与块石作用的相关理论，但土的振动密实与块石的振动密实原理基本相同。

1.1振幅

振幅就是振动锤的振动幅度。对于密实块石作用的是全部参振质量的实际工作振幅。参振质量（包括振动锤本体、夯板、连接结构等）的振幅足够大时，才有可能激励块石达到需要的振幅。所谓密实需要的振幅是指至少需破坏块石间弱化摩擦力的作用，使足够大的力能够传递到块石深处，从而产生更好的密实效果。振幅过小会造成表层及较上层过早密实，弱化对深层块石的影响，从而影响密实效果。实验证明振幅对于密实效果影响显著。

振幅对密实效果的影响，由于块石的种类、级配不同，需要的振幅也不相同，但业界普遍认为振幅不能小于3 mm。

1.2密实频率

密实频率的选择原则是使强迫振动的频率尽可能接近块石的自振频率，目的在于引起共振，这时振动衰减最小，且使块石达到最大振幅，密实效果好，但是由于抛石基床的块石大小不尽相同，在实际施工中很难确定最佳的频率[2]。

1.3激振力

基床抛石的块石呈单粒结构，压缩性低，强度高，力学性能稳定，块石之间没有黏聚力，当外力大于块石间的摩擦力时，可以使块石间产生相对移动，此时振动锤的激振力如果大于块石之间的摩擦力，即可以使块石重新排列，缩小孔隙率，实现密实效果。对块石的压力包括全部参振重量产生的激振力（振动锤本体、夯板、连接结构）及其他外力。一般来说，激振力越大振动的密实效果越好[3]。

1.4振动时间

对于振动锤作用块石的密实作用，除了上述参数的影响，振动时间也是非常重要的参数[4]，只有达到了一定的振动时间，振动锤的作用才能传递到抛石基床的深层，从而达到最好的密实效果。通过试验发现振动块石的持续时间3 min时对块石效果最好，如果时间过长，会造成周围块石拱起，影响密实效果。实际施工中的时间控制需要根据典型施工确定。

2　振动整平设备振动锤的选择原则

振动锤的选择直接影响振动整平效率以及成本。

2.1振动锤的选择原则

2.1.1振动整平设备结构

不同的振动整平设备机构，可选择不同类型的振动锤。如果振动锤位于水下工作，则优先选择液压振动锤，充分利用液压振动锤防水的特性，如果振动锤位于水上，液压锤、电动锤均可选择。2.1.2设备自身的性能参数

设备自身的性能参数对于振动锤类型的选择十分重要，可以说对振动整平能力起着至关重要的作用（是否能适应更大抛石高差）。电动锤与液压振动锤的区别，在激振力相同情况下，电动锤是利用低频率、大偏心力矩达到设计的激振力，而液压振动锤是利用高频率、小偏心力矩达到设计的激振力，这就是两种振动锤在参数上的重大区别。偏心力矩对振幅的影响特别大，而振幅对于振动密实是重要的参数。

2.1.3设备成本

相同激振力的液压振动锤的成本相对电动振动锤要高出近一倍。

2.1.4起重能力

如果设计的结构采用船上起重设备进行移位，由于起重能力限制，可优先选用液压振动锤，因同激振力液压振动锤重量要比电动振动锤轻1/3。

2.2振动锤具体型号的选择

关于振动锤参数对振动密实整平抛石基床的影响，首先从原理上分析起重要作用的参数，可借助振动锤打桩的相关公式进行分析。

振动密实整平的原理，类似于振动锤振沉混凝土方桩，端阻力占主要部分，必须保证激振力大于动端阻力。动端阻力计算公式为[5]：

式中：I为振动动量。

从式（1）可以看出，振动动量对于块石的动端阻力影响最大。

根据激振力F、偏心力矩K、角速度ω和振动动量I的计算公式，可以推出式（2）、（3）。

公式（2）得出：在激振力一定的情况下，角速度ω越小，I越大。

公式（3）得出：在激振力一定的情况下，偏心力矩K越大，I越大。

所以在选择振动锤时，要选择频率低，偏心力矩大的振动锤，有利于减小块石的动端阻力，提高抛石基床的密实效果，这与各参数对于振动密实的影响分析是相符的。

目前振动锤主要存在两种类型，液压振动锤和电动振动锤，两种振动锤的原理相同，性能参数不同。在激振力相同情况下，电动锤是利用低频率，大偏心力矩，达到设计的激振力，而液压振动锤是利用高频率，小偏心力矩来达到设计的激振力，这就是两种振动锤在参数上的区别。

总之，振动锤的选择必须综合考虑，忽略任何一个参数，都有可能造成振动密实整平的效果不理想。

3　不同类型振动锤对振动密实压缩量的对比试验

为了更好说明上述振动锤选锤原则的正确性，进行了对比试验研究。

3.1液压振动锤密实试验

3.1.1试验条件

1）块石重量10～100 kg，平均堆厚2.0 m，顶面尺寸为11 m×11 m。

2）采用2台APE200-6振动锤进行密实试验，最大激振力约4 000 kN，夯板尺寸为5.0 m× 2.5 m，试验中采用激振力为150 kN/m2。

3）在水中进行，石料底部为砂层，石料堆积于钢圆筒内，石料处于无约束状态。试验状态见图1。 3.1.2试验结果

图1　液压振动锤工作状态Fig.1　Working positions of hydraulic vibrating hammers

经过试验，并扣除砂层的沉降，统计得石料的平均压缩量为257 mm，夯沉率为13.4%。

3.2电动振动锤密实试验

3.2.1试验条件

1）块石重量为10～100 kg，平均堆厚2.3 m，试验槽长5.625 m，宽4.8 m，高3.3 m。

2）采用DZJ135电动振动锤进行振动密实试验，夯板尺寸为1.41 m×1.41 m，试验中采用的激振力为150 kN/m2。

3）试验在钢制试验槽中进行，石料周围均为钢板，处于约束状态，试验槽底部无沉降。试验状态见图2。

图2　电动振动锤工作状态Fig.2　Working positions of electrical vibration hammers

3.2.2试验结果

经统计石料平均压缩量为336 mm，夯沉率14.6%。

3.3试验中振动锤参数的比较

试验中使用的振动锤分别是双APE200-6液压振动锤联动与DZJ135电动振动锤。参数对比见表1。

表1　参数对比表Table 1　Comparison of parameters

3.4分析

从表1数据可以看出，在单位面积激振力相同的情况下，振动冲量相差近1倍。电动振动锤试验是在试验槽中进行的，试验槽为钢制，且埋入土中，石料为四周约束；液压振动锤试验数据为石料处于无约束状态。电动振动锤试验条件比液压振动锤更为严苛，但夯沉率结果电动振动锤仍略大，从而证明了在激振力相同的情况下振动冲量对振动密实有一定影响。

4　结语

1）进行了振动锤各参数对振动密实的影响分析，为振动密实的机理分析提供了基础。

2）通过对振动锤参数的分析，初步总结出振动锤选锤原则，并结合振动锤打桩公式，分析了对振动密实影响较大的参数。

3）通过试验对比，证明了通过动端阻力公式分析确定振动锤的选锤原则是正确的。

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Experimental study of vibrocompaction of offshore rubble-mound foundation bed

WANG Xiang1,2,FENG Jia-xin2,JU Peng2
（1.College of Mechanical Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao,Shandong 266033,China; 2.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China）

Vibrocompaction of offshore rubble-mound foundation bed is a new technology at home,which is characterized by its higher efficiency of compaction.This paper studies the influence of various parameters of vibro-hammers on the compaction and leveling of rubble-mound foundation bed and analyzes the principle for vibration hammer selection.The results of the study are verified by experiments.

riprap foundation bed;vibrocompaction;equipment selection

U655.3

A

2095-7874（2016）08-0050-04

10.7640/zggwjs201608012

2016-01-15

2016-04-27

浙江省交通运输厅科技计划项目（2015J06，2013W02）；水利部公益性行业项目（201501043）

王翔（1983— ），男，河北保定人，工程师，硕士研究生，研究方向为海上施工装备研究。E-mail：Wangxiang217@126.com