机械式单钢轮振动压路机作业性能研究

宋 楠 ， 张志峰,2 ， 陈东方

（1.长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064；2.长安大学道路施工与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064）

0 引言

单钢轮振动压路机是振动压路机的重要类型，在基础交通建设中广泛应用，主要是用于路基土方的压实。单钢轮振动压路机按照其驱动方式分为机械式和液压式。机械式单钢轮振动压路机的钢轮是其工作装置，主要是通过自重和振动使土方变得密实；橡胶轮胎是其行走装置，驱动机械行走。全液压式的单钢轮振动压路机则能实现全驱，即钢轮存在驱动力。路基在公路结构中起到了非常重要的作用，路基能够支撑路面，避免路面悬空，承受路面向下传递的载荷，并且将载荷向下传递。如果路基土方的压实度不够，那么公路在通行后可能发生不均匀的沉降，进而产生路面塌陷、路面开裂等问题[1]。路基压实作业的施工质量越高，路基对于路面以及路面载荷的承载能力就会越高，路基的稳定性也会越好。研究表明，路基的压实度每提高1%，路基的承载能力就能提高10%[2]。

目前，国内大部分使用机械式单钢轮振动压路机对路基土方压实作业的施工建设，在公路建设完成后，路面都会有一定的裂缝存在[3-6]。这种缺陷的存在会导致公路施工验收受到影响，影响施工单位的经济利益。因此，需要研究这种缺陷产生的原因，以找到相应的解决办法。

1 压实路面产生裂纹的分析

振动钢轮工作时是否存在驱动力会存在非常大的区别，这是由于两种钢轮的受力不同，对地面的作用也不相同。图1是存在驱动力的振动钢轮受力示意图，图2是不存在驱动力的振动钢轮受力示意图。

图1 驱动钢轮作用力

图2 非驱动钢轮作用力

从图1可知，主动轮进行压实时，存在以下作用力：机架对钢轮的作用力Fp1、被压实材料对钢轮的作用力Fc1、地基对钢轮的作用力Fs1、钢轮上分配的载荷Wg1、驱动钢轮行驶的转矩M。

钢轮如果想要稳定地工作和行驶，钢轮各个方向上的所受力和转矩需要达到平衡，根据图1所表示的力和转矩，可以得到下列等式：

在非驱动钢轮进行压实作业的时候，钢轮受力情况在图2中进行说明。有钢轮上分配的垂直方向的载荷Wg2、驱动钢轮行进的水平方向作用力Fp2、被压实材料对钢轮的作用力Fc2、地基对钢轮的作用力Fs2。

同理，为了保证钢轮平稳运行和工作，应存在以下关系：

2 级配土的抗剪强度试验研究

目前，机械式单钢轮振动压路机进行压实所存在的缺陷大部分都是路基存在裂缝，所以主要存在的问题就是土的剪切破坏。为了确定土的极限强度，需进行抗剪试验。

依据《土工试验方法标准》中规定的方法，通过击实的方法制取不同干密度的试验样品[7]。三种试验样品的干密度分别是1.7 g/cm3、1.8 g/cm3和1.9 g/cm3；试样样品有4种含水率，分别是9.1%、11.1%、13.1%和15.1%。通过对不同试验样品进行剪切试验，分析以上因素对级配土极限强度的影响。

对试验样品的剪切试验，可以得到如表1、表2、表3所示的结果。

由表1、表2、表3可以看出，在一定干密度和含水量的条件下，土样的抗剪强度与正压力，呈近似正相关关系，当正压力较大时，试验样品的剪切极限强度会随着干密度的变大，发生更大的变化。

表1 直剪试验结果（干密度为1.7 g/cm3）

表2 直剪试验结果（干密度为1.8 g/cm3）

表3 直剪试验结果（干密度为1.9 g/cm3）

试样抗剪强度对含水量的变化十分敏感[8]。同时，无论干密度情况如何，抗剪强度值总是随含水量的增大而减小[9]。

不论级配土试样的含水量为多大时，其抗剪强度值都是随着干密度的增大而近似线性提高的[10]。

3 试验样机压实试验研究

采用22吨振动压路机为试验样机，进行压实试验研究。参照《土方机械压实机械压实性能试验方法》等标准制定试验方案[11]。在长安大学土槽实验室内进行试验。在土槽内铺设含水量为9.1%的土约70 cm。由于剪切试验时，存在一定压力，所以在振动试验开始前，先对试验样品进行两遍静压。进行振动压实试验，为了达到较好的试验效果，并且得到相关规律，对试验样品进行12遍振动压实，按照相关标准取表层、20 cm、40 cm深度处的土样，并测试其压实度。试验样机按照试验设定的作业速度行进，采用28 Hz/1.86 mm的振动参数对试验样品进行振动压实作业。测试不同压实遍数压实后土方产生裂纹的宽度和两条裂纹间距离，测量结果如表4所示。

表4 裂纹宽度与相邻裂纹间隔

试验结果表明，压实两遍后试验样品就开始产生裂纹，而且裂纹宽度是试验中最大的。接下来的试验中，裂纹大小不再变化且均小于压实两遍后的裂纹大小。两相邻裂纹间隔随压实遍数的增加而减小[12]。

所取试验样品的压实度测量结果如表5所示，所取试验样品的干密度测量结果如表6所示，所取试验样品的含水量测量结果如表7所示。

表5 样机压实试验压实度试验结果

表6 样机压实试验干密度试验结果

表7 样机压实试验含水量试验结果

分析表5和表6中的数据可以得到以下结论：在试验规定的条件下，各取样深度对应的土样压实度和干密度均随压实遍数的增多而增大；在振动压实8遍后，表面干密度和压实度达到最大。

4 结语

通过理论分析和试验研究相结合的方法，分析了土壤裂纹产生的原因。完成了土壤剪切试验和振动压实试验，主要得到了以下结果：

1）土壤压实过程中，由于在非驱动钢轮上存在水平推力，所以非驱动钢轮进行压实作业时，易产生裂纹等路面缺陷。

2）进行了土样的剪切破坏实验试验。试验结果表明，在任一干密度和含水量下，土样的强度总是随着正压力的增加而增大。

3）土样的强度随着含水量的增加而减小，且干密度越大，试样的强度值受含水量增加的影响越显著。强度值总是随着干密度的增加而近似线性地增大。

4）完成了振动压实试验。试验结果表明，压实度和干密度随着压实遍数的增加而增大。