李博容，張志峰，倪 超，陳東方，譚凱明，王若飛

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471003)

0 引 言

土是一種松散的顆粒材料，土顆粒之間的接觸強(qiáng)度相對(duì)軟弱，容易發(fā)生相對(duì)滑移。振動(dòng)壓實(shí)過程中，由于土壤的塑性變形以及振動(dòng)鋼輪與土壤接觸的不確定性，使兩者的相互作用表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性[1]。為此，不少學(xué)者一直致力于土壤壓實(shí)特性的研究，并逐漸關(guān)注壓實(shí)機(jī)械對(duì)土壤應(yīng)力應(yīng)變的影響[2-3]。Jude Liu和Radhey L. Kushwaha[4]在室內(nèi)土槽中進(jìn)行了振動(dòng)壓路機(jī)不同行駛速度、不同載荷和不同壓實(shí)次數(shù)的作業(yè)工況下，土壤力和位移動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)研究，為土壤壓實(shí)特性的研究與應(yīng)用提供了試驗(yàn)支持。I S Tyuremnov[5]進(jìn)行了振動(dòng)壓路機(jī)在各種工作模式下振動(dòng)輪垂直振動(dòng)的振幅和加速度試驗(yàn)，可以用于驗(yàn)證振動(dòng)壓路機(jī)在土壤壓實(shí)過程中的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而優(yōu)化壓路機(jī)參數(shù)和土壤壓實(shí)模式。Michael A. Mooney和Robert V. Rinehart[6-7]通過將應(yīng)力和應(yīng)變傳感器放置在垂直均勻和非均勻分層試驗(yàn)臺(tái)的多個(gè)深度，研究了振動(dòng)壓路機(jī)在加載過程中土的應(yīng)力應(yīng)變特性，并將其與所測(cè)得的土壤剛度相關(guān)聯(lián)，擬對(duì)土方工程質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。李晨光[8]針對(duì)壓路機(jī)名義振幅、土壤壓實(shí)度、鋪層沉降量3個(gè)參數(shù)，對(duì)同噸位垂直振動(dòng)壓路機(jī)與圓周振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)性能進(jìn)行對(duì)比。陳世偉，郭健[9-10]基于地面力學(xué)的研究基礎(chǔ)，對(duì)鋼輪與地基相互作用力進(jìn)行理論分析，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，可為優(yōu)化壓路機(jī)的振動(dòng)參數(shù)以及提高現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量提供理論依據(jù)。

振動(dòng)壓實(shí)過程中，土壤的豎向應(yīng)力比較容易測(cè)得，在一定程度上可以間接反映土壤的壓實(shí)特性。故為了探究不同深度處級(jí)配土的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)一步了解振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理，筆者進(jìn)行了級(jí)配土在低頻高幅工況和高頻低幅工況下的豎向應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

此次試驗(yàn)樣機(jī)采用某22 t機(jī)械單驅(qū)單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)，其基本參數(shù)見表1。試驗(yàn)參照GB/T18148-2015《土方機(jī)械壓實(shí)機(jī)械壓實(shí)性能試驗(yàn)方法》[11]及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定樣機(jī)在低頻高幅和高頻低幅工況下的振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)方案，對(duì)級(jí)配土豎向應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。級(jí)配土虛鋪厚度約為70 cm，并調(diào)整含水率為最佳含水率。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)壓實(shí)性能參數(shù)

試驗(yàn)前先對(duì)級(jí)配土進(jìn)行兩遍靜壓，然后在距離土壤表面深度10 cm、20 cm、30 cm、40 cm和50 cm處布置應(yīng)力傳感器(如圖1)，以采集振動(dòng)壓路機(jī)在壓實(shí)過程中級(jí)配土的豎向應(yīng)力。

圖1 傳感器的布置位置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 低頻高幅工況

本試驗(yàn)中樣機(jī)以低頻高幅工況進(jìn)行12遍(前進(jìn)6遍，后退6遍)壓實(shí)作業(yè)，試驗(yàn)測(cè)得樣機(jī)在級(jí)配土中以低頻高幅工況勻速壓實(shí)第3遍和第9遍10 cm層壓應(yīng)力時(shí)域和頻域曲線分布規(guī)律如圖2～3。

圖2 10 cm處第3遍壓實(shí)應(yīng)力曲線及FFT曲線圖

根據(jù)豎向應(yīng)力時(shí)域曲線，在壓實(shí)過程中，級(jí)配土的豎向應(yīng)力總體呈現(xiàn)先增加后減少的拋物線型曲線。當(dāng)振動(dòng)輪靠近級(jí)配土下的應(yīng)力傳感器時(shí)，土壤的豎向應(yīng)力開始增加；當(dāng)振動(dòng)輪處于傳感器正上方時(shí)，土壤的豎向應(yīng)力達(dá)到峰值；當(dāng)振動(dòng)鋼輪遠(yuǎn)離傳感器時(shí)，土壤豎向應(yīng)力開始逐漸減小。

振動(dòng)輪傳遞給土壤的有效作用力包括靜態(tài)作用力和動(dòng)態(tài)作用力，結(jié)合豎向應(yīng)力頻域曲線，土壤的豎向應(yīng)力由兩部分組成，即靜態(tài)壓應(yīng)力和動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力[12-13]。由于在振動(dòng)壓實(shí)過程中振動(dòng)輪振動(dòng)加速度和激振力之間的相位角小于90°，導(dǎo)致激振力和振動(dòng)輪的慣性力部分抵消，使得動(dòng)態(tài)作用力比靜態(tài)作用力小。故而在頻域曲線中，靜態(tài)應(yīng)力值均大于動(dòng)態(tài)應(yīng)力值。振動(dòng)壓實(shí)的過程中，振動(dòng)輪自身的重量對(duì)土壤的壓實(shí)作用為一靜態(tài)力(0.98 Hz處)，而激振力、振動(dòng)輪和機(jī)架由振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力為一動(dòng)態(tài)力(27.34 Hz處，與振動(dòng)輪激振頻率基本一致)。因此，被壓實(shí)土壤受到靜態(tài)壓應(yīng)力和動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力的共同作用。

壓實(shí)過程中各個(gè)深度處應(yīng)力傳感器測(cè)試結(jié)果見表2。豎向應(yīng)力幅值隨壓實(shí)深度變化曲線如圖4，豎向應(yīng)力幅值隨壓實(shí)遍數(shù)變化曲線如圖5。

圖3 10 cm處第9遍壓實(shí)應(yīng)力曲線及FFT曲線圖

表2 不同深度處級(jí)配土的豎向應(yīng)力值

圖4 豎向應(yīng)力幅值隨壓實(shí)深度變化曲線

圖5 豎向應(yīng)力幅值隨壓實(shí)遍數(shù)變化曲線

綜合圖4、5，土壤的豎向應(yīng)力值隨著深度的增加而減小，曲線基本呈現(xiàn)一種線性衰減的趨勢(shì)，其原因在于應(yīng)力在土壤中的傳播隨深度的增加而衰減，衰減速度隨深度的增加而減小。在同一深度處的豎向應(yīng)力值隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加呈現(xiàn)出鋸齒狀的增加趨勢(shì)，其原因在于土壤在被壓實(shí)的過程中，每遍壓實(shí)都能使土壤的密實(shí)度增加，密實(shí)度的提高更有利于壓力的傳播。

且振動(dòng)鋼輪與土壤的接觸面積減小，接觸壓力提高，使得不同深度處的測(cè)試應(yīng)力值增加。曲線之所以呈現(xiàn)出鋸齒狀，是由于振動(dòng)壓路機(jī)在壓實(shí)的過程中采用前進(jìn)6遍、后退6遍的方式進(jìn)行壓實(shí)。前進(jìn)壓實(shí)的過程中，振動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)方向與鋼輪的旋轉(zhuǎn)方向一致，這就導(dǎo)致振動(dòng)輪對(duì)土壤的最大作用力的位置發(fā)生一定的偏移，并不位于振動(dòng)輪的正下方。故而與豎直方向存在一定夾角，作用力一大部分用于豎直方向的壓實(shí)作用，另一小部分則用于對(duì)土壤的擠推作用。在后退壓實(shí)的過程中，振動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)方向與鋼輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，水平方向上的力可以進(jìn)行一部分的抵消。此時(shí)振動(dòng)輪給予土壤的應(yīng)力或振動(dòng)能量更多，壓實(shí)的作用力位置更加靠近或位于振動(dòng)輪的正下方，更有利于土壤的壓實(shí)。

2.2 高頻低幅工況

本試驗(yàn)中樣機(jī)以高頻低幅工況進(jìn)行12遍(前進(jìn)6遍，后退6遍)壓實(shí)作業(yè)，試驗(yàn)測(cè)得樣機(jī)在級(jí)配土中以高頻低幅工況勻速壓實(shí)第3遍和第9遍20 cm層壓應(yīng)力時(shí)域和頻域曲線分布規(guī)律如圖6、7。

圖6 20 cm處第3遍壓實(shí)應(yīng)力曲線及FFT曲線圖

根據(jù)豎向應(yīng)力時(shí)域曲線，在壓實(shí)過程中，該工況下級(jí)配土的豎向應(yīng)力與低頻高幅工況下的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)出先增加后減小的拋物線規(guī)律。根據(jù)豎向應(yīng)力頻域曲線，土壤的豎向應(yīng)力亦由兩部分組成，即靜態(tài)壓應(yīng)力(0.98 Hz處)和動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力(29.30 Hz處，與振動(dòng)輪激振頻率基本一致)，同樣靜態(tài)應(yīng)力值大于動(dòng)態(tài)應(yīng)力值。

圖7 20 cm處第9遍壓實(shí)應(yīng)力曲線及FFT曲線圖

壓實(shí)過程中各個(gè)深度處應(yīng)力傳感器測(cè)試結(jié)果見表3。豎向應(yīng)力幅值隨壓實(shí)深度變化曲線如圖8，豎向應(yīng)力幅值隨壓實(shí)遍數(shù)變化曲線如圖9。

圖8 豎向應(yīng)力幅值隨壓實(shí)深度變化曲線

圖9 豎向應(yīng)力幅值隨壓實(shí)遍數(shù)變化曲線

表3 不同深度處級(jí)配土的豎向應(yīng)力值 /kPa

綜合圖8、9，土隨著深度的增加，土壤豎向應(yīng)力迅速減小，近似負(fù)冪函數(shù)規(guī)律進(jìn)行衰減。同一深度處的豎向應(yīng)力值隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加而增大，淺層土壤處的豎向應(yīng)力增加明顯，隨著深度的增加，豎向應(yīng)力的增加逐漸趨于平緩。

2.3 不同工況下土壤豎向壓力的對(duì)比分析

振動(dòng)壓實(shí)過程中，試驗(yàn)測(cè)得低頻高幅和高頻低幅工況下不同深度處土壤豎向應(yīng)力在時(shí)域和頻域的分布規(guī)律。根據(jù)時(shí)域曲線，級(jí)配土的豎向應(yīng)力均呈現(xiàn)先增加后減少的拋物線型曲線，當(dāng)振動(dòng)輪處于傳感器正上方時(shí)，土壤的豎向應(yīng)力達(dá)到峰值。根據(jù)頻域曲線，級(jí)配土所受的豎向壓應(yīng)力均由振動(dòng)輪自重傳遞給土壤的靜態(tài)壓應(yīng)力和激振力傳遞給土壤的動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力，且靜態(tài)應(yīng)力值大于動(dòng)態(tài)應(yīng)力值。

第三遍壓實(shí)兩工況各層深度的動(dòng)態(tài)應(yīng)力與靜態(tài)應(yīng)力值及其比值見表4。相同振幅下，隨著深度的增加，動(dòng)態(tài)應(yīng)力與靜態(tài)應(yīng)力的比值逐漸增大，這說明動(dòng)態(tài)應(yīng)力對(duì)土壤的壓實(shí)有較大的影響，動(dòng)態(tài)應(yīng)力對(duì)于級(jí)配土壓實(shí)度的提高作用更加明顯。同時(shí)，低頻高幅工況動(dòng)態(tài)應(yīng)力與靜態(tài)應(yīng)力的比值明顯高于頻低幅工況，說明振動(dòng)幅度對(duì)豎向應(yīng)力影響較大，高幅工況下對(duì)級(jí)配土的壓實(shí)效果更加顯著。

表4 第3遍壓實(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)力和靜態(tài)應(yīng)力值

對(duì)比圖4和圖8，土壤的豎向應(yīng)力值均隨著深度的增加而減小。但是，低頻高幅工況曲線基本呈現(xiàn)一種線性衰減的趨勢(shì)。而高頻低幅工況曲線近似負(fù)冪函數(shù)規(guī)律進(jìn)行衰減，其衰減速度明顯快于低頻高幅工況。說明高幅工況對(duì)級(jí)配土的壓實(shí)更加深入，隨著土壤壓實(shí)度和剛度的提高，豎向應(yīng)力可以作用到級(jí)配土更深層。對(duì)比圖5和圖9，同一深度處的豎向應(yīng)力值隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。但是對(duì)比高幅工況，高頻低幅工況的豎向應(yīng)力明顯較小，級(jí)配土更深層的豎向應(yīng)力增加逐漸平緩。在50 cm處，該工況下土壤豎向應(yīng)力基本不發(fā)生變化。故激振力大小對(duì)豎向應(yīng)力影響較大，高幅工況下對(duì)級(jí)配土的壓實(shí)效果更顯著。

3 結(jié) 論

通過試驗(yàn)對(duì)比分析了低頻高幅和高頻低幅工況下級(jí)配土中的豎向應(yīng)力的分布規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 振動(dòng)壓實(shí)過程中，級(jí)配土的豎向應(yīng)力總體呈現(xiàn)先增加后減少的拋物線型曲線，在頂點(diǎn)處豎向應(yīng)力達(dá)到最大。

(2) 振動(dòng)壓實(shí)過程中，土壤的豎向應(yīng)力由靜態(tài)應(yīng)力和動(dòng)態(tài)應(yīng)力構(gòu)成，且靜態(tài)應(yīng)力幅值大于動(dòng)態(tài)應(yīng)力幅值，但是動(dòng)態(tài)應(yīng)力對(duì)土壤的壓實(shí)度提高有較大的影響。

(3) 振動(dòng)壓實(shí)過程中，土壤的豎向應(yīng)力值隨著深度的增加而減小，同一深度處的豎向應(yīng)力隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加而增大。通過對(duì)比，采用低頻高幅工況對(duì)土壤進(jìn)行壓實(shí)的效果更加顯著。