陳忠清　馮龍健　徐東陽　鄧建秋　夏淋飛

(1.紹興文理學(xué)院　土木工程學(xué)院，浙江　紹興312000;2.紹興文理學(xué)院　巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害實驗中心，浙江　紹興312000)摘　要：沖擊碾壓法具有施工速度快、經(jīng)濟、有效加固深度深且適用范圍廣等特點，既可用于加固處理原位軟弱地基，也可用于加固填土地基.以沖擊碾壓法工作原理為依據(jù)，以功能定理為基礎(chǔ)，通過理論性假設(shè)，從牽引車輸出功率的角度出發(fā)，推導(dǎo)出一種新的沖擊碾壓荷載下沖擊能量的計算方法.該方法在計算沖擊能量方面比其他方法更為便捷，但仍需要進一步得到工程實踐的驗證.

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沖擊碾壓荷載下沖擊能量的計算方法

陳忠清1,2馮龍健1徐東陽1,2鄧建秋1夏淋飛1

(1.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江紹興312000;2.紹興文理學(xué)院巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害實驗中心，浙江紹興312000)摘要：沖擊碾壓法具有施工速度快、經(jīng)濟、有效加固深度深且適用范圍廣等特點，既可用于加固處理原位軟弱地基，也可用于加固填土地基.以沖擊碾壓法工作原理為依據(jù)，以功能定理為基礎(chǔ)，通過理論性假設(shè)，從牽引車輸出功率的角度出發(fā)，推導(dǎo)出一種新的沖擊碾壓荷載下沖擊能量的計算方法.該方法在計算沖擊能量方面比其他方法更為便捷，但仍需要進一步得到工程實踐的驗證.

沖擊碾壓法；沖擊能量；計算方法；牽引功率

20世紀(jì)50年代,南非人造出第一臺沖擊碾壓機械，經(jīng)過多年的改進，沖擊碾壓法作為一種填土地基以及淺層原位地基處理方法，在全世界范圍內(nèi)得到越來越廣泛地應(yīng)用[1-2].其應(yīng)用領(lǐng)域包括含路基工程[3-4]、廢棄場地的開發(fā)處置[5]、路面改建工程[6]以及機場工程[7]等，應(yīng)用該技術(shù)處理的土層范圍也由最初的砂土發(fā)展運用到含砂低液限粉土[8]、高填方土石混合物[9]及濱海粉細(xì)砂[10]等土層地區(qū).

沖擊碾壓法，是在1995年香港赤臘角新機場的場道建設(shè)中應(yīng)用之后開始傳入內(nèi)地的.之后，于1999年1月在北京經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)建立了藍(lán)派沖擊壓實技術(shù)開發(fā)有限公司，在全國多個省市推廣應(yīng)用沖擊碾壓技術(shù).例如，上海浦東機場二期工程、新疆且末機場地基處理、淮安民用機場的地基處理、北京八達嶺高速公路二期工程、四川隆納和達渝高速公路、福泉高速公路、重慶萬州五橋機場地基處理等機場場道及公路工程的沖擊壓實處理，引起了國內(nèi)巖土工程界的廣泛關(guān)注[11-14].

沖擊壓實機械工作過程中，壓實輪的勢能和動能呈周期性集中轉(zhuǎn)化為沖擊能作用于地面，連續(xù)壓實路面，大幅度提高了工程效率，具有廣泛的應(yīng)用前景[15].目前國內(nèi)外對于沖擊碾壓法中沖擊能量的分析大多建立在沖擊輪水平恒速及沖擊能量被土完全吸收等的假設(shè)之上，很少有從牽引車功率的角度考慮沖擊能量的轉(zhuǎn)化[16].本文通過對牽引車及沖擊輪工作過程中的能量轉(zhuǎn)化分析，以牽引車勻速運動過程中輸出功率的最小值為已知量，推導(dǎo)出沖擊能的計算公式.該公式旨在為沖擊碾壓法中沖擊能量的計算提供新的方法思路，但還需通過大量的試驗或數(shù)值模擬及工程實踐進行進一步的檢驗和驗證.

1　沖擊輪運動過程假定

以三邊形沖擊輪為例，我們可以將三邊形沖擊輪每邊沖擊地面的工作過程視為一個周期，每個周期分為3個階段，即第1階段：沖擊輪重心的上升階段；第2階段：沖擊輪重心下降階段；第3階段，沖擊輪沖擊地面的階段，如圖2所示.

1.沖擊輪　2.連接裝置　3.舉升機構(gòu)　4.緩沖機構(gòu) 5.機身　6.牽引機構(gòu)　7.牽引車圖1　三邊形沖擊式壓路機結(jié)構(gòu)圖[2]

圖2　 非圓沖擊輪壓實土壤工作原理[2]

對沖擊輪運動作如下假定：

a)沖擊輪的正常工作過程簡化為平面純滾動，并假定地面為水平面.

b)牽引車對沖擊輪的做功僅在第1階段.

c)牽引車在水平面上勻速運動，且水平牽引力Fx=常數(shù).在第1階段，沖擊輪質(zhì)心在水平方向上的運動與牽引車一致，即沖擊輪質(zhì)心速度的水平分量與牽引車的速度相等且為常數(shù).Ⅰ時刻(即第一階段的初始時刻)的下一時刻，沖擊輪的水平方向的速度由零瞬時增大到這個常數(shù)，也就是忽略速度增加的過程.

d)沖擊輪運動整個周期內(nèi)除土體吸收能量的變化外，無其他形式能量的消耗.即，摩擦力與支持力所做的功也全部轉(zhuǎn)化為土的內(nèi)能.

e)沖擊結(jié)束后，沖擊輪相對地面靜止.

為了便于能量的分析，本文僅研究這三個階段的臨界時刻，即對應(yīng)的第Ⅰ個臨界時刻，舉升機構(gòu)尚未對沖擊輪做功的時刻，簡稱Ⅰ時刻；第Ⅱ個臨界時刻，為沖擊輪質(zhì)心運動到最高點的時刻，簡稱Ⅱ時刻；第Ⅲ個臨界時刻，為沖擊輪尚未沖擊地面的時刻(與地面接觸的初始時刻)簡稱Ⅲ時刻.

2　沖擊能量分析

2.1土體吸收的能量分析

上述假定中，沖擊輪所受土體的摩擦力與土體受沖擊輪的摩擦力為作用力與反作用力，由假定d)我們知道，由于不考慮其他形式的能量損失，摩擦力做功使沖擊輪總能量的減少值全部被土體吸收，同理，地面的支持力做功使沖擊輪能量的損失也全被土體吸收，那么，我們可以把沖擊輪與土體看作一個整體，而沖擊輪只是能量的載體，在一個周期內(nèi)它僅起到傳遞能量的作用，在一個周期的初末時刻它自身并不攜帶外來能量(即它只有初始的重力勢能)，所以，我們不需要研究摩擦力及支持力做功，只要研究舉升機構(gòu)對沖擊輪做功所帶來的機械能的變化(以下便于對沖擊輪能量的分析，我們將直接忽略摩擦力與支持力做功).也就是說，舉升機構(gòu)對沖擊輪所做的功最終全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能被土體吸收，即我們可以得到以下關(guān)系式：

E土=WF

(1)

其中E土為土體吸收的能量,WF為舉升機構(gòu)在第1階段對沖擊輪所做的功.

因此，我們可以通過間接分析WF來求未知的E土，那么我們需要對舉升機構(gòu)的做功進行分析.首先，分析第1階段，將舉升機構(gòu)對沖擊輪質(zhì)心的作用力F分解為水平方向的F`X，與豎向的F`y.那么，F(xiàn)`X將引起沖擊輪的轉(zhuǎn)動，F(xiàn)`y將引起沖擊輪質(zhì)心的上升，從而引起沖擊輪重力勢能的變化.

2.2對豎向F`y分量做功分析

Ⅰ時刻可以認(rèn)為沖擊輪相對地面靜止，質(zhì)心的速度為零，其速度的豎向分量也自然為零，在Ⅱ時刻，如果質(zhì)心仍然有豎向分量的速度，那么與質(zhì)心在下一瞬時下降相矛盾，故此時刻質(zhì)心速度也為零.所以，質(zhì)心從Ⅰ時刻到Ⅱ時刻的動能增量為零，也就是說，在這個過程中，豎向F`y對質(zhì)心所做的功全部轉(zhuǎn)化為質(zhì)心重力勢能的增量.

即有如下關(guān)系式：

WFy=mgh

(2)

其中，WFy為F豎向分量F`y所做的功，m為沖擊輪的質(zhì)量，g為重力加速度，h為沖擊輪質(zhì)心第1階段上升的高度.

2.3對水平方向F`X分量做功分析

由于在水平方向上，重力不做功，摩擦力以及支持力也不做功，所以分量F`X在水平方向所做的功，全部轉(zhuǎn)化為沖擊輪的轉(zhuǎn)動動能與平動動能.由上述的假定c)中的沖擊輪質(zhì)心在水平方向上的運動與牽引車一致，我們可以知道，二者在水平方向受力一致，也就是說，牽引車的水平牽引力Fx與分量F`X等.而Fx=常數(shù)，那么分量F`X在水平方向做功為常力做功，其值為力乘以位移.于是我們可以得到如下關(guān)系式：

(3)

對于Fx的求解，因為牽引車做勻速運動，水平牽引力Fx為常量，而總牽引力為變量，僅當(dāng)舉升機構(gòu)不作用沖擊輪時，總牽引力與水平牽引力Fx相等，而此時總牽引力所對應(yīng)的牽引車輸出功率恰為最小值，所以，我們可以得到以下關(guān)系式：

(4)

其中v為牽引車勻速運動是的速率，Pmin為牽引車勻速運動輸出功率的最小值.

我們將(4)式代入(3)式得到：

(5)

3　沖擊能量計算公式的提出

上述已知，F(xiàn)所做的總功WF為F的水平分量Fx所做功WFx與F的豎向分量Fy所做功WFy的代數(shù)和，即

WF=WFx+WFy

(6)

我們分別將(2)、(5)式代入(6)式得到：

(7)

再由(1)式，可得到最終的沖擊能量公式：

(8)

式(8)中：

E土為土體吸收的能量；WF為舉升機構(gòu)在第1階段對沖擊輪所做的功；

m為沖擊輪的質(zhì)量；g為重力加速度；h為沖擊輪質(zhì)心第1階段上升的高度；

Fx為牽引車的水平牽引力；S為沖擊輪在第1階段質(zhì)心的水平位移；

v為牽引車勻速運動是的速率；Pmin為牽引車勻速運動輸出功率的最小值.

對于(8)式中，m，h，S當(dāng)沖擊輪的運動已知是定值，也容易得到.而牽引車勻速行駛的速度v和Pmin為已知量.因此，我們可以通過上式求得沖擊輪運動一周期時，土體吸收的能量.

4　結(jié)　語

本文將沖擊輪的正常工作過程簡化為平面純滾動，并假定牽引車在工作水平面上作勻速運動以及沖擊輪整個運動周期內(nèi)只與土體發(fā)生能量交換，從牽引車的輸出功率入手，推導(dǎo)出了沖擊能量的理論計算公式.該沖擊能量計算公式為沖擊碾壓法沖擊能量的計算提供了新的思路，但還需通過工程實踐、試驗等方法進行進一步的檢驗和驗證，以使其能夠更好地應(yīng)用于工程實踐.

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(責(zé)任編輯王海雷)

On Calculation Method of Impact Energy during Impact Roller Compaction

Chen Zhongqing1,2Feng Longjian1Xu Dongyang1,2Deng Jianqiu1Xia Linfei1

(1. School of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000;2. Centre of Rock Mechanics and Geological Disaster, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000)

Impact roller compaction method, characterized by a quick construction speed cost-effectiveness, deep effective reinforcement depth, and wide adaptability of the construction site, etc., can be used to improve the in-situ soft ground and fill the ground. Based on the principle of impact roller compaction and kinetic energy theorem, a new calculation method of impact energy during impact roller compaction was deduced from the perspective of the operating power tractor with certain theoretical hypothesis. This method, though more convenient for calculating impact energy than other methods, still remains to be verified by engineering practice.

impact roller compaction method; impact energy; calculation method; traction power

2016-04-14

紹興文理學(xué)院科研啟動項目(編號：20155010)；紹興市公益技術(shù)研究項目(編號：2015B70034)

陳忠清(1984-)，男，浙江永康人，博士，講師，主要從巖土工程領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作.

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.08.03

TU472

A

1008-293X(2016)08-0013-04