宋皓+李彥偉+陳立明+史秀平

0 引言

隨著中國公路、高鐵、水利大壩和機場等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，大厚度攤鋪和壓實工藝得到廣泛應(yīng)用。截至2015年底，全國高速公路總里程已突破12萬km，時速200 km以上高速鐵路突破2.3萬km，均居世界首位。預(yù)計到“十三五”末，高速公路將達16萬km，高鐵3萬km，新增機場50座?？梢?，今后幾年，仍是厚層壓實需求的旺盛期。為了適應(yīng)厚層壓實的需要、提高壓實效率和質(zhì)量，大噸位振動壓路機和垂直振動壓路機等新型壓實設(shè)備應(yīng)運而生。本文擬結(jié)合垂直振動壓路機的工作原理，探討其在厚層壓實方面的應(yīng)用，以期為厚層壓實工程提供有益借鑒[1-3]。

1 垂直振動壓實機理

1.1 定向激振的力學(xué)原理

振動壓路機根據(jù)振動形式可分為定向振動和非定向振動兩種（圖1）。傳統(tǒng)振動壓路機一般采用非定向振動，即所謂的圓周（環(huán)形）振動，其滾輪內(nèi)只有1根偏心軸，由偏心軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的大小一定、方向時刻變化的離心力帶動滾輪實現(xiàn)圓周振動。與傳統(tǒng)非定向振動不同，定向振動壓路機的滾輪內(nèi)對稱滾輪中心線安裝有2根相同的偏心軸，2根偏心軸同步反向高速旋轉(zhuǎn)，各自產(chǎn)生的離心力在兩軸連線方向互相抵消，而在兩軸連線垂直方向相互疊加，周期變化，帶動滾輪僅沿某固定方向交變激振，實現(xiàn)定向振動[4-5]。按合成激振力的方向不同，定向振動可分為垂直振動、水平振動和無級可調(diào)定向振動。應(yīng)用最廣泛的是垂直振動方式，主要用于壓實大厚度鋪層（圖2）；水平振動方式可以用于壓實平整度要求高的普通鋪層、薄層和橋面（圖3）；無級可調(diào)定向振動方式可使一臺壓路機滿足不同壓實場合的需求，也可結(jié)合智能壓實技術(shù)實現(xiàn)壓實能量無級可調(diào)（圖4）。

1.2 垂直振動壓實機理

垂直振動壓實技術(shù)是在普通振動壓實技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新的壓實技術(shù)，它利用定向激振壓實能量利用率高、傳播方向集中等優(yōu)勢克服了圓周振動壓實能量相對分散、危害施工環(huán)境和壓實深度有限的缺點，降低了能耗，提高了壓實效率和深層壓實質(zhì)量[6-7]。其壓實機理如下。

（1）垂直沖擊效應(yīng)。激振力與作用在被壓實材料上的有效作用力不同，壓實質(zhì)量和壓實效率與振動輪壓路機的動量有關(guān)。定向振動壓路機振動輪垂直方向的動量變化大，對被壓實材料的沖量較大，沖擊能量更易于向深層傳播。在壓實能量傳播過程中，被壓實材料的大小顆粒相互擠嵌，使孔隙急劇減少，密實程度逐步增大，被壓實材料的整體承載力逐漸提高。

（2）共振減摩效應(yīng)。當(dāng)垂直定向振動的激振頻率與被壓實材料的固有頻率一致或接近時，會引起被壓實材料內(nèi)部顆粒的共振或接近共振的作用，顆粒間咬合摩擦與滑動摩擦進一步減小，有利于大小顆粒相互間發(fā)生滑移和嵌套，便于提高壓實質(zhì)量和壓實效率。同時，良好的振動減摩作用使垂直方向的振動壓實能量更易發(fā)揮作用，提高了壓實有用功，降低了整體功率消耗。

可見，垂直振動具有的定向沖擊和共振減摩效應(yīng)，在提高了壓實效率和壓實質(zhì)量的同時，也降低了壓實能量沿深度的衰減，利于實現(xiàn)厚層壓實。

2 垂直振動壓路機的發(fā)展

2.1 垂直振動壓路機的發(fā)展歷程

振動壓實技術(shù)的出現(xiàn)是壓實技術(shù)的重大突破。與靜壓實技術(shù)不同，振動壓實效果的提高不再單純依靠自身重量或靜線壓力的增加，其激振能量以空間波（壓縮波和剪切波）和界面波的形式傳播，壓實深度較深，適應(yīng)的被壓實材料種類更廣泛。隨著水利大壩、機場、高鐵等高填方工程的日益增多和道路厚鋪層施工工藝的推廣，傳統(tǒng)振動壓路機壓實能力略顯欠缺，單純依靠增大壓路機噸位適應(yīng)厚層壓實的潛力有限。隨著新的壓實機理出現(xiàn)和壓實技術(shù)的進步，出現(xiàn)了許多新的壓實設(shè)備，如垂直振動壓路機[8-10]。

垂直振動壓實技術(shù)于20世紀80年代末由日本酒井公司最先應(yīng)用，主要用于水利大壩壓實碾壓混凝土。2000年后，國內(nèi)陸續(xù)有廠家嘗試開發(fā)垂直振動壓路機，但早期的關(guān)鍵技術(shù)相對缺乏，直到近幾年國產(chǎn)垂直振動壓路機才逐步在工程中獲得應(yīng)用。

目前國內(nèi)外的振動壓路機絕大部分是非定向振動（環(huán)形振動）結(jié)構(gòu)，只有極少數(shù)廠家在研制和生產(chǎn)垂直定向振動壓路機，以適應(yīng)不同的工況，其中主要有日本酒井重工業(yè)株式會社、德國寶馬格公司（Bomag）和合肥永安綠地公司。

日本SAKAI重工業(yè)株式會社為了壓實碾壓混凝土，首先研制了垂直振動壓路機，它采用與振蕩壓路機相似的雙軸并聯(lián)式振動結(jié)構(gòu)。通過試驗驗證，用該壓路機壓實一定厚度的土壤，壓實度可達100%。酒井重工業(yè)株式會社為了適應(yīng)中國混凝土大壩建設(shè)的發(fā)展，推出了在碾壓混凝土（RCC）大壩建設(shè)中碾壓層厚度達1 m的SD451型垂直振動壓路機（圖5）。

為了實現(xiàn)智能壓實，Bomag公司將無級可調(diào)定向激振技術(shù)與壓實度在線檢測和智能控制等技術(shù)集成，開發(fā)了智能振動壓路機。這種智能振動壓路機可根據(jù)作業(yè)狀態(tài)的變化自動調(diào)節(jié)激振力方向，從而改變對被壓實材料的作用力。Bomag公司的自動調(diào)幅壓實系統(tǒng)有Variomatic和Variocontrol兩種結(jié)構(gòu)形式，被稱為智能壓實系統(tǒng)，它能根據(jù)被碾壓物料壓實度的變化自動選擇適宜的振幅，優(yōu)化激振力的輸出（圖6、7）。前者用于串聯(lián)式雙鋼輪振動壓路機，后者用于輪胎驅(qū)動的單鋼輪振動壓路機。與常規(guī)振動壓路機相比，自動調(diào)幅壓實系統(tǒng)可對不同鋪層厚度、不同材料類型進行更多樣化的壓實作業(yè)，從而提高施工效率和壓實質(zhì)量。

國內(nèi)垂直振動壓路機的典型代表為合肥永安綠地有限公司的產(chǎn)品。永安綠地公司根據(jù)定向激振的力學(xué)原理攻克了垂直振動壓實設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了結(jié)構(gòu)簡單可靠、性能穩(wěn)定、性價比高的垂直定向振動壓實設(shè)備。目前合肥永安綠地公司已開發(fā)了五大系列十多款垂直定向振動壓路機，廣泛應(yīng)用于公路、高鐵、水利大壩和機場等各項基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中（圖8）。

2.2 垂直振動壓路機的關(guān)鍵技術(shù)

與普通圓周振動壓路機相比，垂直振動壓路機的振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，其核心技術(shù)主要包括垂直定向振動技術(shù)、潤滑和冷卻技術(shù)及減振技術(shù)。

2.2.1 垂直定向振動技術(shù)

垂直定向振動技術(shù)是垂直振動壓路機最為核心的技術(shù)，主要由定向激振系統(tǒng)、同步反向機構(gòu)等部分組成。此結(jié)構(gòu)是在振動輪內(nèi)部對稱位置安裝2組偏心軸，2組偏心矩完全相同的偏心軸在同步反向機構(gòu)驅(qū)動下實現(xiàn)同步反向高速旋轉(zhuǎn)，2個激振力在豎直方向疊加，在水平方向相互抵消，帶動鋼輪沿垂直（豎直）方向線性振動，從而產(chǎn)生垂直振動作用。

2.2.2 潤滑和冷卻技術(shù)

與傳統(tǒng)的圓周振動壓路機相比，同噸位垂直振動壓路機的激振力要大10%左右，再加上同步反向結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要良好的潤滑和冷卻技術(shù)保證激振機構(gòu)的工作可靠性。

2.2.3 減振系統(tǒng)技術(shù)

垂直定向振動壓路機的激振力沿垂直方向交變，對減振系統(tǒng)要求更高，應(yīng)盡量避免振動輪產(chǎn)生的振幅傳遞給壓路機上車部分。減振系統(tǒng)不但影響操作舒適性，更重要的是影響整機可靠性和壓實質(zhì)量。

3 垂直振動壓路機的應(yīng)用

垂直振動壓路機主要應(yīng)用于超厚鋪層壓實，如高填方超厚層壓實、水利大壩厚層壓實、大厚度水穩(wěn)基層壓實等。

3.1 高填方

目前公路高填方路段的路基、路面常出現(xiàn)坍散、邊坡溜方、滑坡、不均勻沉降、路面縱裂、凹陷和破碎等病害。引起路基病害的原因較復(fù)雜，高填方路基施工時的壓實度是最主要的影響因素之一。

用傳統(tǒng)的重型壓路機碾壓，一般鋪層厚度是18～20 cm，較難滿足厚層壓實要求。對于大厚鋪層或超厚鋪層路基壓實，振動壓路機通過加大噸位和激振力雖能滿足厚層壓實要求，但壓實效率仍有提高的空間。垂直振動壓路機因其激振方式獨特，相對較小的噸位也可用于大厚層或超厚層高填方路基壓實，壓實有效深度可達0.6～1.0 m。

呼大（呼和浩特—大同）高速公路殺虎口段土方壓實（圖9）的虛鋪層厚度為650～700 mm，設(shè)計要求壓實度為95%以上。

壓實時采用20 t垂直振動壓路機按“小振1遍、大振2遍、再振1遍”的工藝，全部檢測點壓實度高于95%，用較少的壓實遍數(shù)達到了施工要求。

3.2 水利大壩厚層壓實

水利大壩對壩體的抗壓強度、抗凍、抗?jié)B等指標(biāo)要求很高，大振幅的垂直振動壓路機具有壓實度大、壓實均勻等特點，在壓實厚鋪層大壩修筑材料方面優(yōu)勢明顯。

在某水利大壩建設(shè)中，被壓實材料為碾壓混凝土，設(shè)計虛鋪層厚度為70 cm，壓實厚度為60 cm，壓實度大于98%。壓實時采用15 t雙鋼輪垂直振動壓路機按“大振4遍”壓實工藝碾壓（圖10）。工程驗收時，采用可測60 cm深度的核子密實度儀進行壓實度檢測，所有測點壓實度均大于98%，滿足設(shè)計要求。工程業(yè)主也對壓實體進行了抗壓強度、抗凍、抗?jié)B等指標(biāo)檢測，結(jié)果滿足標(biāo)準要求。

3.3 大厚度水穩(wěn)基層壓實

傳統(tǒng)道路基層建設(shè)中分層施工存在層間粘接質(zhì)量不好、施工成本高和施工效率低等缺點。隨著大厚度寬幅攤鋪機技術(shù)的進步和廣泛應(yīng)用，垂直振動壓路機在道路建設(shè)的大厚度基層壓實中顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

某工程為京港澳高速機場連接線，被壓實材料為水泥穩(wěn)定級配碎石，設(shè)計虛鋪厚度為52 cm，壓實后的厚度為40 cm，壓實度要求大于98%。

攤鋪時用DT1800攤鋪機全寬度攤鋪；壓實設(shè)備選用26 t的單鋼輪垂直振動壓路機和14 t雙鋼輪垂直振動壓路機各1臺。壓實時，先用LSV260壓路機靜壓1遍，大振來回2遍，速度控制在1 km·h-1；再用小振來回1遍，速度控制在2～4 km·h-1；最后采用LDH140壓路機靜壓收面（圖11）。

經(jīng)續(xù)砂灌砂法檢測（圖12），該路段壓實度均大于98%；養(yǎng)護7 d后取40 cm芯，抗壓強度等指標(biāo)符合設(shè)計要求。

4 結(jié)語

垂直振動壓實具有壓實深度深、壓實效率高和壓實質(zhì)量好的優(yōu)點。與目前普遍使用的圓周振動壓路機相比，其具有以下特點。

（1）振動波集中定向傳播，壓實能力增強，影響深度增大，提高了可壓實鋪層厚度和壓實效果，具有較高的壓實效率。

（2）振動能量利用率提高，降低了能耗，既可以節(jié)約能源，又可以提高工程經(jīng)濟效益。

（3）定向激振，降低了振動對周邊環(huán)境的不良影響，更加環(huán)保。

（4）以相對較小的噸位達到大噸位普通振動壓路機的壓實效果，無集料過壓破碎風(fēng)險。

垂直振動壓路機已在很多基礎(chǔ)建設(shè)中得到應(yīng)用，隨著大鋪層施工工藝的推廣和垂直振動壓路機技術(shù)標(biāo)準及相關(guān)施工規(guī)范的制訂，垂直振動壓實技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用。

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