振动压实技术

软土基振动压实机理分析广东交通职业技术学院赖仲平摘要：振动压路机压实软土地基其质量是比较难控制的，在我国南方地区特别是三角洲冲积平原地区，地质条件复杂，土质为流塑状淤泥。

本文通过分析振动压实机理、软土的剪应力和抗剪强度，如何控制振动压路机频率和振幅以及行驶速度来进行压实。

关键词：振动压路机压实机理高填方路基1.引言由于工程的规模和具体情况不同，回填和铺筑材料的性质不同，施工工艺及铺层厚度不同，压实作业时，必须根据不同的施工条件和施工要求，合理选择压实机械设备。

对于高填土方路基，振动压路机压实效果更显突出。

2.背景：江门市九江大桥（G325线）至江门市区一级公路主要分布于三角洲冲积平原地貌区西江河漫滩和低山丘陵地貌区丘间沟地带，工程地质条件复杂，流塑状淤泥、淤泥质土为欠固结的高灵敏土层，且分布广泛，厚度较大，属软土地基。

根据设计要求，在软基处理完毕后要求填筑路基高度大于4米，最大达8.5米，属高填方路堤。

在高填方路堤的作用下，路基总沉降量大，大部分路段沉降量在1.5～3.0米之间，控制工后沉降难度大，路基软土强度低，控制路基的稳定难度大。

因此本路段的压实工序就更显重要。

为达更高施工质量，运用垂直振动压路机进行压实作业，经检验符合质量标准。

3.振动压路机的压实机理目前关于振动压路机压实机理的研究已经取得了一定进展，工程技术界提出了几种有关振动压实机理的观点，如共振压实观点、最小摩擦力观点等。

这些观点各自可以解释某一类振动压实现象，但是不能全面解释各种振动压实现象，说明这些观点还需完善和补充。

土在压实过程中，无论是静碾压实还是振动压实，只有当土中产生的剪切应力τ大于土的抗剪强度τf时，才能够使土颗粒重新排列，土体压密变实。

即：τ>τ f （1）只要清楚了振动对土剪应力。

和抗剪强度。

的影响，也就清楚了振动压实机理。

3.1 振动对压实材料剪应力τ的影响图1是在土层下200一处静、动压力测试结果，土承受的压力P为静压力P j与动压力P d 之和，即：P＝P j＋P d （2）图１土体深度200m处静、动压力测试结果土体压力p的最大值P max和最小值P min为P max=P j+|P dmax|; P min=P j-|P dmax| (3)振动压实过程中土体承受的最大压力P max。

大于静碾压实过程中土体承受的压力P j：P max>P j (4)即振动压实过程中土体承受的最大剪切应力τmax 大于静碾压实过程中土体承受的剪切应力τf，使式（1）易于成立，压实效果提高。

振动压实对土体中剪切应力的影响与被压实土的种类无关。

3.2 振动对不同压实材料抗剪强度τf的影响振动压实对土体中剪切应力的影响与被压实土的种类无关，但是对土体抗剪强度的影响却与土的种类有着密切的联系。

土的抗剪强度τf 可由库仑定律表示为：τf＝c＋σtgυ（5）式中：C——土的凝聚力；σ——土的法向应力；υ——土的内摩擦角。

软土结构为聚粒结构或絮凝结构，软土颗粒细小，颗粒的矿物成分、颗粒的结构型式以及土一水系统的相互作用和胶结物质的存在，形成了复杂的物理化学现象。

它在压实过程中形成的剪阻力主要是凝聚力C，摩擦角中υ比砂上摩擦角小得多，可以忽略不计。

粘土的抗剪强度可以简化为：τf＝c（6）滑动摩擦力是颗粒接触面粗糙不平形成的微细咬合作用。

颗粒间距离的微弱增长，会使微细咬合作用产生很大的衰减。

如果振动能使颗粒质点间的距离产生微弱的增长，就会使滑动摩擦力减小。

振动压实过程中，振动轮下面的土体颗粒也随着振动。

土体振动加速度才为：v"＝－aΩ²cos(Ωt＋β)（7）式中：a——振幅；Ω——激振频率；β——相位角；t——时间。

土颗粒的惯性力I为：I＝－m kΩ²cos(Ωt＋β)（8）式中：m k——土颗粒质量。

令：e=aΩ²（9）称e为振动强度。

则有：I＝－m k ecos(Ωt＋β)（10）由式（10）可以看出，土颗粒惯性力I与颗粒质量m k和振动强度e成正比。

当振动强度e较小时，或土颗粒质量。

力较小时，土颗粒的惯性力I也较小，它将在自己原来的位置振动。

当振动强度e和土颗粒质量啊足够大时，土颗粒的惯性力I足以克服周围其它土颗粒凝聚力c的作用，使土颗粒偏离自己原来的位置。

具有良好级配的砂土，相邻土体颗粒间的粒径大小不同，即它们的颗粒质量m k不同，因此相邻土颗粒在具有相同振动强度e时，它们具有的惯性力I大小不同。

这种差别必然会使颗粒质点间的距离发生微小的变化，对颗粒间的微细咬合作用产生很大的衰减，导致内摩擦角中υu的减小，即内摩擦力σtgυ减小。

软土的颗粒质量m k。

与砂土颗粒质量比较要小得多，同时它的凝聚力c很大，振动不容易使土颗粒的惯性力I达到足以克服周围其它土颗粒凝聚力c的作用，因此振动对软土的滑动摩擦力影响很小，凝聚力C是软土抗剪强度τf的主要成分，振动对软土抗剪强度τf影响可以忽略不计。

综上所述，振动可以显著减小滑动摩擦。

由于滑动摩擦对软土材料的抗剪强度所起的作用，所以振动对软土材料材料的抗剪强度τf是有影响的。

3.3 振幅、激振频率对压实效果的影响正常振动压实过程中，振动轮与土始终接触在一起。

振动轮振幅的大小反映了土体变形的大小，反映了土体动压力的大小。

振幅越大在土体中产生的动压力越大，土体承受的剪应力越大。

由式（9）可知，当激振频率一定时振幅越大振动强度越大，越有利于减小抗剪强度，因此大振幅可以提高压实效果。

但是振幅过大，振动压实过程中振动轮会出现与地面分离的现象，即“跳振”现象。

严重的“跳振”现象会使振动压路机行驶失去方向性，同时也会影响路面的平整度，这对压实是不利的。

图2 振幅a和振动强度e与激振频率Ω的函数关系理论分析和试验结果都表明振动轮与土构成的振动系统是弱非线性振动系统。

振动轮振幅可以近似接线性系统计算。

试验结果表明振动轮与砂土构成的振动系统主共振频率在14Hz附近。

图2是振幅a和振动强度e随激振频率Ω变化的函数曲线。

试验表明增大振动强度e会显著减小砂土的滑动摩擦，但是当振动强度e足够大时，进一步增加振动强度e对减小内摩擦力。

哈中将失去作用，摩擦系数σtgυ趋于常数，如图3所示。

对于砂土，当激振频率在主共振点附近时，由于振动强度e较低，此时振动对减小砂土抗剪强度的作用较小，不利于提高压实效果，提高激振频率门可以显著提高振动强度e，减小土的抗剪强度，提高振动压实效果。

但过份增大激振频率Ω也是不利的。

当振动强度达到一定程度后，土的抗剪强度趋于常数，同时由于激振频率远离主共振点，振幅减小，使土的动压力（即土体承受的剪应力）减小，降低了压实效果。

图3 摩擦系数tgφ与振动强度e的函数关系图4是一定深度土体的抗剪强度τf和剪应力τ与激振频率Ω的函数关系。

当振动频率Ω在抗剪强度τf和剪应力τ，曲线交叉点O的左侧时，即振动频率Ω低于交叉点O所对应的频率Ω0。

时，式1不成立，土体不能被压实。

振动频率Ω高于交叉点O所对应的频率Ω0时，土体才能被压实。

土层厚度越薄，剪应力曲线会平行向上移动，抗剪强度曲线会平行向下移动，两条曲线交点向左侧移动，有利于压实；反之两条曲线交点向右侧移动，当上层厚度达到一定程度时两条曲线将不能相交，则在此厚度上的土体不能被压实。

图4 抗剪强度τf、剪应力τ与激振频率Ω的函数关系曲线4.软土基振动压实技术参数图5 土壤振动区域示意图4.1振动频率。

振动频率是振动器的振动轴每分钟转动的次数。

振动轴通常由液压马达驱动，所以，只需改变液压马达的流量即可改变振动频率。

有些振动压路机附有无级振动频率或超过两个振动频率。

一般土壤和砂石混合料的共振频率是在20～26Hz之间，当土方材料开始被压实后，其自然共振频率也相应地稍微提高。

为了使振动压路机有足够的压实能量，进一步把已被压实的材料的密度再次提高，通常振动压路机工作频率一般设定为压实接近终了时被压实材料的自然共振频率。

压实土方的振动压路机设计频率一般都定在29～33Hz之间。

4.2振动振幅。

激振力与偏心力矩及振动频率成正比。

激振力与振幅之积等于激振压实能量，但激振力与振幅却没有直接的关系。

振幅的含义是振动轮上下移动半个总距离的量，移动量大，作用能量也大。

一般土壤和砂石混合料对压实的要求各异。

高振幅用于较深的压实层，而低振幅用于较浅的压实层。

所以，许多压路机都设有两个振幅4.3碾压速度。

因液压元件的迅速发展，现在的振动压路机的行驶速度均为无级变速。

其碾压速度影响压路机在一定表面区域内的有效压实时间。

在一定的频率下，低速碾压比高速碾压在单位面积上产生的冲击次数多。

对于一定频率的压路机而言，碾压速度太快，冲击间距就会增加，从而导致压实性能的降低或表面不平整度的增加。

根据速度和频率关系与材料种类，碾压土填方速度一般为 3～5km/h。

碾压时，在直线路段和大半径曲线路段，应先压边缘，后压中间；小半径曲线地段因有较大的超高，碾压顺序宜先低（内侧）后高（外侧）。

路堤边缘往往压实不到，仍处于松散状态，雨后容易滑落，故两侧可采取多填宽度40~50cm，压实工作完成后再按设计宽度和坡度予以刷齐整平，也可以采用卷扬机牵引的小型振动压路机从坡脚向上碾压，或采用人工拍实。

参考文献1.《振动压路机与振动压实技术》——人民交通出版社 2001年8月2.《公路压实与实实标准》——人民交通出版社 1995年3.《简明建筑施工机械实用手册》——中国建筑工业出版社 2003年2月4.《工程建设机械》——徐州工程机械研究院。