压实能量与室内振动压实机械参数关系研究

周浩，郭永建，张桂霞，李丽娟

（1.山东建筑大学 交通工程学院，山东 济南250101；2.长安大学 公路学院，陕西 西安710064；3.青岛国信胶州湾交通有限公司，山东 青岛266500；4.山东公路技师学院 土木工程系，山东济南250100；5.山东商业职业技术学院国家农产品物流工程技术中心，山东 济南250013）

压实能量与室内振动压实机械参数关系研究

周浩1，2，郭永建3，张桂霞4，李丽娟5

（1.山东建筑大学 交通工程学院，山东 济南250101；2.长安大学 公路学院，陕西 西安710064；3.青岛国信胶州湾交通有限公司，山东 青岛266500；4.山东公路技师学院 土木工程系，山东济南250100；5.山东商业职业技术学院国家农产品物流工程技术中心，山东 济南250013）

室内振动压实机械参数对道路材料压实效果有直接影响，开展压实能量与室内振动压实机械参数关系研究对制定合理压实方法有重要意义。文章对水泥稳定碎石进行了室内压实试验，结合机械—土弹跳模型计算振动压实能量，阐明了机械参数变化过程中振动压实能量和激振力的变化规律，分析了压实密度与压实机能量的关系以及机械参数对压实能量的影响。结果表明:振动能量可以较好的反映压实能力，振动压实能量宜大于30 J；压实能量随振动频率和激振力的增大而先增大后减小，偏心角增大导致最大振动压实能量降低而最佳激振力不变，偏心块夹角应小于90°，当偏心块夹角增大时，需提高振动频率和减少配重，振动频率范围为24～32 Hz；压实机械的激振力随频率的提高而增大，激振力5000～7000 N为最佳范围。

振动压实；压实能量；偏心块夹角；激振力

Keywords:vibration compaction；compaction energy；eccentric block angle；exciting force

0 引言

公路路基路面现场压实已经普遍采用振动压路机，为了模拟基层水泥稳定碎石的现场压实状态，我国水泥稳定碎石的室内压实试验已经广泛采用振动压实机［1］。其工作原理为:由电动机输出能量，通过传动轴带动偏心激振器，激振器两个的偏心块的转动速度相同方向相反，水平力互相抵消，垂直方向分力带动压头竖向振动，对道路材料进行压实［2］。传统的重型击实，其压实功的计算方法明确；而振动压实机的构造和压实原理均较为复杂，频率、偏心块夹角、压头配重等机械参数可以调节，机械参数对道路材料压实效果有直接影响［3-4］；确定室内振动压实机机械参数的影响，对制定合理压实方法有重要意义［5-6］。由于振动压实机理和参数与重型击实法都相差较大，需从振动参数组合角度出发，确定合理压实方法。洪亮等通过室内试验研究了重型击实和振动压实方法的区别［7］。代红娟等利用振动台法，确定了最佳振幅、频率、振动时间等机械参数影响，以及合理压实厚度［8］；魏文澜进行仿真分析并结合试验研究了振幅对压实效果影响［9］。曹周阳通过室内振动压实试验研究了压实能量与密度的关系，并通过现场压实研究了松铺厚度、碾压遍数、碾压速度和轮迹重叠系数等机械参数对压实的影响［10］。

通过大量的振动压实理论和实践研究，研究者提出了振动压实的常用压实参数，并对机械参数进行了相应的调整［5-8］。但目前的研究，多基于控制变量的压实试验进行单因素回归分析，在特定的机械参数组合条件下有效。而机械的振动状态是多个振动参数耦合作用的结果，机械参数的选择和调整必须考虑到其他参数的影响。基于弹跳模型的振动压实能量可以很好的反映多种机械参数耦合作用下的压实能力，从理论上研究振动压实参数与压实能力的关系［11］；而压实试验表明，压实能量与水泥稳定碎石的压实密度有较好的相关性。压实能量可以沟通机械参数耦合作用与压实效果之间的关系，可以通过研究压实能量与机械参数之间的关系，优化振动压实机械参数，从而更好的指导振动压实实践［12-13］。机械参数对道路材料压实效果有直接影响，确定室内振动压实机机械参数的影响，对制定合理压实方法有重要意义。

1 研究方法

1.1 振动压实能量的计算

通过振动压实弹跳模型，可以计算室内振动压实机的压实能量［3，14］。根据离心力计算，室内振动压实机的激振力由式（1）、（2）表示为

式中:F0为激振力峰值，N；me为偏心距，mm·N；ω为转速，圈／s；F为实时激振力，N；φ为偏心块与水平方向夹角，°。

式中:m2为压实机下车和偏心块质量的总和，kg为压头的加速度，m／s2；M为压实机质量，kg；g为重力加速度，m／s2；t为时间，s。代入初始条件＝0（t＝0）时，得到压实机的加速度可由式（4）表示为

进行积分，可以得到振动压实机的速度和位移，以及压实机触地时的速度，分别可用式（5）～（6）计算为

式（9）中的Se为振幅，根据计算和试验经验记为1.8 mm。

1.2 机械参数分析

根据振动压实模型计算不同机械参数下的振动压实能量和激振力，研究机械参数的影响。参考目前振动压实试验的经验，确定基本机械参数为:配重上3下6，偏心块夹角30°，振动频率28 Hz；各机械参数的范围是:配重从上1下3到上5下12；偏心角为0、30、60、90、120和150°；频率为20～34 Hz，步长为2 Hz［15］。计算过程中对所研究的参数逐步改变其数值，其他参数保持不变，研究机械参数变化过程中振动压实能量和激振力的变化规律。

2 结果与分析

2.1 水泥稳定碎石密度与振动压实能量的关系

基于以上弹跳模型分析，可以计算压实机的机械能。进行水泥稳定碎石室内振动压实试验，并调整室内振动压实机参数，实测压实密度；依据弹跳模型计算不同机械参数条件下的振动压实能量；其结果如图1所示，水泥稳定碎石密度与机械振动能量之间有一定单调正相关性。振动压实能量较大时，压实效果一般较好。振动压实机械参数相对复杂，可以通过弹跳模型研究机械参数对压实能量的影响，优化室内振动压实机机械参数。

图1 水泥稳定碎石密度与振动压实能量关系图

进行控制变量试验时，如果配重做变量则密度与振动压实能量相关性很差；而频率、偏心块夹角做变化量时，密度与振动压实能量的相关性较好。

2.2 压实能量与振动压实机械参数的关系

2.2.1 不同偏心块夹角下振动压实能量与频率的关系

当频率从20 Hz变化到34 Hz时，计算不同压实机械参数组合下的压实能量和激振力，其结果如图2所示。图2（a）中30 Hz条件下压实能量—振动频率曲线的计算数据见表1。

表1 室内振动压实机压实能量结算结果

图2（a）为不同偏心角条件下，机械激振力与偏心块夹角的关系，室内压实机的激振力随偏心块夹角增大而降低，随频率升高而增大。图2（b）为不同偏心角条件下，振动压实能量与振动频率的关系。由图2（b）可知，机械振动压实能量随频率的升高而先上升后降低，偏心块夹角较小时可能会出现再次上升趋势，形状基本接近波浪线。偏心块夹角对振动压实能量—频率曲线的形状的影响较为复杂，随着偏心块夹角的增大最优频率提高而振动压实能量峰值降低；偏心块夹角较大时动压实能量—频率曲线接近二次抛物线，而夹角小时，曲线接近波浪线。

常见机械参数条件下，26～30 Hz是最佳频率；虽然低偏心块夹角条件下（0～30°），振动压实能量在更高频率（34 Hz或更高，偏心块夹角越大，需要的频率越高）上也有较高的压实能量，此时激振力非常大，一般大于10000 N，很容易损坏机械，不建议使用。

从图2（c）可知，振动压实能量与激振力也呈现波浪线，偏心块夹角对此曲线形状有影响，随偏心块夹角增大，能量峰值降低，但最优激振力基本不变，均为略高于6000 N，这与压实试验的实践经验一致。压实经验表明激振力6000～7000 N时压实效果最好，其原因在于激振力在6000～7000 N时容易获得最大振动压实能量。

由此可知，振动机械存在最佳频率（26～30 Hz）和最佳激振力（6000～7000 N）。最佳振动频率随偏心块夹角的增大而增大，这是因为偏心块夹角增大会减弱振动能力，所以需要通过提高振动频率来补偿，但这种补偿是有限的，当偏心块角度大于30°以后，振动能量会下降。实际振动压实试验经验表明，偏心块夹角一般选择30°为宜，常见范围是0～60°，大于60°时压实效果显著下降，研究结果可以对目前的经验进行理论解释。

图2 不同偏心块夹角下机械参数的影响图

2.2.2 不同配重条件下振动压实能量与频率的关系

图3为在不同配重条件下，振动压实能量与激振力和偏心块夹角的关系曲线。图3（a）说明机械的激振力不受配重的影响，随频率升高而单调增大，且曲线完全一致；从图3（b）可知，振动压实能量与激振力的关系曲线，随激振力的增大先上升后下降，如果配重较低，可能再次上升呈现波浪线形状，随配重增大，振动能量峰值基本不变，但最优激振力变大，一般在5000～7000 N范围内，振动能量较大；当激振力大于10000 N时也会产生较大的振动压实能量，但这对机械损伤较大，不建议采用。

图3 不同配重条件下机械参数影响图

变配重条件下，压实能量—频率曲线，与压实能量—激振力曲线基本一致，不再给出具体关系图。机械振动压实能量随频率的升高而先上升后下降，接近二次抛物线，如果配重较低，曲线可能再次上升，接近波浪线；随着配重的增加，最优频率变大，但最大振动压实能量基本不变。在常见机械参数条件下，频率24～30 Hz为最佳频率范围，虽然振动压实能量在更高频率上也有较高的压实能量，但此时激振力太高可能会损坏机械。

激振力随频率增大而增大，不受配重的影响。最佳振动频率和激振力受到配重的影响，当配重增大时最佳频率增大，这是因为配重增大导致需要压实机的荷载变大，这需要更高的频率来得到更大的激振力进行驱动。在配重很小条件下，34 Hz时可以获得很高的振动能量，但此时激振力10000 N左右；而压实经验表明此条件下，振动试验刚开始振动压实机就进入剧烈振动状态，无法进行压实试验，所以不推荐这种参数组合。配重对激振力无影响；激振力随振动频率的提高而增大，随偏心块角度的增大而减小。如配重增大，则室内振动压实机的最佳振动频率和最佳激振力也变大；如偏心块角度变大，则最佳振动频率变小，但最佳激振力不变。

2.2.3 不同偏心块夹角条件下振动压实能量与配重块的关系

从图4（a）可以看出在固定频率条件下，室内振动压实机的激振力只与偏心块夹角有关，随偏心块夹角的变大而减小。激振力与配重块数目无关，但在激振力固定的条件下，如果配重太大，会导致激振力无法驱动室内压实机振动。计算表明当偏心块角度大于90°时，室内压实机压头的触地速度和的机械总体振动能量会显著减小。

图4（b）表明振动压实能量与配重块有一定关系，但二者关系规律并非单调的关系。当偏心块夹角不大于60°时，室内振动压实机的振动能量随配重块数目的增加而降增加；当偏心块夹角较大（大于90°）时，室内压实机的振动能量随配重质量的增加而降低，且从总体上看，振动压实能量对配重增加的敏感性较低。所以偏心块夹角不宜过大，一般不宜超过60°，偏心块夹角大于60°的时候，需要适当减少配重质量。

以上振动压实能量与机械参数关系规律，是在振动频率为28 Hz条件下得到的，在其他频率下，具体关系曲线会有所不同；在偏心块为30或60°条件下，如果继续增大配重质量，振动能量也会随配重增大而降低，从而呈现非常缓和的二次抛物曲线。

计算表明文中试验条件下，振动压实能量与激振力无关，不再给出二者关系曲线图。

图4 不同偏心块夹角条件下机械参数的影响图

根据以上分析，压实机振动能量可以较好的表征压实能力，但压实效果和压实能量与机械参数之间并非简单的正负相关关系，而受到其他参数选取的影响，振动压实试验中进行机械参数调整是必须综合考虑机械参数的组合。压实能量与振动频率的关系曲线接近抛物线或波浪线，存在最佳振动频率，具体数值受配重和偏心块夹角的影响，一般情况下最佳频率介于26～30 Hz；随着配重的增加，压实能量存在上升、下降，或先上升后下降三种可能，需要结合频率和偏心块夹角确定；随着偏心块夹角的增大，最大振动能量降低，一般情况偏心块夹角不宜超过90°；偏心块夹角可以影响最佳频率但不影响最佳激振力；压实能量与激振力的关系曲线接近抛物线或波浪线，存在最佳激振力，一般在5000～7000 N。

3 结论

通过上述研究可知:

（1）室内振动压实机的振动能量可以较好的反映压实能力，振动压实能量应大于30 J。最大压实能量随振动频率和激振力的增大而先增大后减小，部分情况下会再次增大。

（2）偏心角增大导致最大振动压实能量降低而最佳激振力不变，偏心块夹角应小于90°，当偏心块夹角增大时，需适当提高振动频率和减少配重。振动频率常见范围是24～32 Hz；当频率提高时，需要适当增大偏心块夹角和配重。可以采用30 Hz以上的振动频率，但需要选择恰当的偏心块夹角和配重，否则振动压实效果很差，且可能损伤压实机械。

（3）压实机械的激振力随频率的提高而增大，随偏心块夹角的提高而减小；激振力5000～7000 N为最佳范围。

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（学科责编：吴芹）

Study on relation between com paction energy and vibration com paction mechanical parameters

Zhou Hao1，2，Guo Yongjian3，Zhang Guixia4，et al.
（1.School of Transportation Engineering，Shandong Jianzhu University，Shandong Jinan，250101，China；2.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering ofMinistry of Education，Chang＇an University，Xi＇an 710064，China；3.Qingdao Guoxin Jiaozhouwan Transportation Co.，Ltd.，Qingdao 266500，China；4.Department of Civil Engineering，Shandong Institute of Highway Technician，Jinan 253032，China）

Mechanical parameters have direct influence on the road material compaction effect，confirming the influence of mechanical parameters is the basis of reasonable indoor vibration compaction method.The indoor vibrate compaction was carried out，and the vibrate compaction energy was calculated based on bouncemodel，the relation between compaction effect and compaction energy was analyzed，and the relation between compaction energy and mechanical parameter was researched in further.The results show that vibration energy can reflect the compaction effect better，and that vibration compaction energy should be greater than 30 J.With the increase of vibration frequency and vibration force，the maximum compaction energy increases first and then decreases，under some cases itmay increase again.Themaximum vibration compaction energy will deceasewhile the best exciting force will remain with the increase of eccentric block angle.The eccentric block angle should be less than 90°，and if the eccentric block angle becomes lager，the frequency should be higher and the balancing weight should be reduced.The normal frequency is 24 Hz～32 Hz.The exciting force increases with the increase of vibrate frequency，and 5000～7000 N is reasonable exciting force range.

TU 414

A

1673-7644（2017）03-0225-05

2017-05-03

山东建筑大学博士基金项目（0000601523）

周浩（1983-），男，讲师，博士，主要从事沥青混合料、半刚性材料等方面的研究.E-mail:zhouhao1983＠126.com