振荡压实技术在高速公路沥青路面施工中的应用研究

倪颖君 叶宁波

摘要：本文从振荡压路机的作用原理的出发，系统分析了振荡压实技术的作用原理，建立了修正后的震荡轮与被压实材料相互作用的动力学模型，并提出了相关假设，在此基础上给出了震荡轮与被压实材料相互作用动力学方程。针对高速公路沥青路面施工，分析了振荡压路机的压实过程质量控制，结合振荡压实技术在相关高速公路的成功应用，说明了振荡压实技术在高速公路沥青路施工的可靠性。

关键字：振荡压实；振荡压路机；沥青路面施工；质量控制

1引言

沥青路面沥青铺装层的碾压工艺中，传统的压实机械存在很多缺陷，如静态压路机压实功率小，并且能量及金属消耗过大；振动压路机相比静态压路机，具有更好的压实功率及经济性能，但其振动作用会破坏表层的被压材料。随着振荡技术的日趋成熟以及振荡压实技术的出现，近些年推出了振荡压路机。振荡压路机克服了振动压路机压实时跳振不连续的缺点，并且其压实效果良好，适用范围广，尤其适用于难于碾压的路面，在国内外高速公路沥青路面施工中得到了广泛的应用。同时国内外学者对振荡压实技术进行了大量深入研究，文献[1]介绍了振荡压路机基本的结构和原理、振荡压实的原理、振荡压实特性及振荡压路机的应用范围。并且根据不同的施工情况来选择振荡压实技术，从而节省工期、保护建筑结构、保护建筑结构。文献[2]等从压实原理的角度出发，通过对振荡压实技术特点的分析，给出并解析了振荡压路机与压实材料之间相互作用的动力学模型。并且进行了振荡压路机与热沥青混合料相互作用过程的现场试验。得出:振荡压实技术能充分保证沥青混合料的压实度,有效地提高桥面的平整度,而且振荡压实技术是大型桥梁桥面铺装层压实的最佳选择。文献[3]以振荡压实动力学模型和压路机幅频特性的现场实验为基础，提出了动态识别动力学模型中被碾压材料的刚度和阻尼的方法。并且通过数值模拟，对不同的刚度和阻尼用试凑法求取拟合曲线,从而确定出刚度和阻尼数值。

2振荡压实系统

2.1 振荡压实作用原理

振荡压实技术是瑞典Geodynamik公司的Thurner H博士发明的一项新的压实方法和技术。它将垂直振动压实激振力的纵向输出变为横向输出。振荡压路机的作用原理与振动压实有着本质的区别，其工作原理为：振荡压实机装有两个激振偏心块（轴），将其对称安装在震荡轮内，同时保证两偏心轮具有180°的旋转相位差，为了保证激振力和合力沿振荡轮圆周径向始终为零，还要使偏心质量和偏心距分别相等，从而产生激振力偶。此激振力偶会导致震荡轮承受交替变化的扭矩，由于作用力与反作用力原理，震荡轮会对地面产生交替变化的作用力，且此作用力在沿压路机前进方向移动，从而对地面形成前后方向的震荡波，由于压路机对地面还存在垂直方向作用力，因此压实材料同时存在垂直方向的位移，被压实材料颗粒在水平力与垂静载的作用下，产生共振及错动，大幅度减小了材料颗粒间的空隙，达到压实目的。

2.2震荡轮与被压实材料相互作用力学机理

根据振荡压实作用原理，建立如图2所示的改进的震荡轮与地面相互作用的力学模型，如图2所示， 图中J表示震荡轮绕轴心O点的转动惯量，r为震荡轮半径，m0为震荡轮质量，K0为震荡轮的弹性模量，C0为震荡轮阻尼，Ks为被压实材料弹性模量，Cs为被压实材料阻尼，θ为震荡轮绕轴心的转动角度，逆时针为正，F0为震荡轮的水平牵引力，N为压路机的垂直静载荷，Ms为压实材料的质量，q为震荡轮对压实材料的水平作用力，M为激振力矩，q(θ)为震荡轮与被压实材料的摩擦力，此力为一均布力。

图2 振荡轮与被压实材料相互作用从力学模型图

此动力学模型是一个双自由度强迫振动系统。在M作用下，震荡轮绕轴心做往复运动，由于震荡轮与被压实材料存在摩擦力，加上垂直作用力N，震荡轮对被 压实材料的水平与垂直作用力的共同作用下，被压实材料产生共振，最终达到压实目的。

根据图2的模型简图，提出以下假设：

不考虑震荡轮与被压实材料自身变形；

震荡轮前进过程中，与被压实材料之前为纯滚动；

震荡轮与被压实材料的阻尼均为线性粘滞阻尼

在以上假设的基础上，给出振荡压实系统与被压实材料耦合作用动力学方程，如式1所示：

（1）

式中，M(t)表示激振力矩，工程中一般为正弦激励。

3 高速公路沥青路面振荡压实过程质量控制

振荡压路机在公路沥青路面施工中，碾压过程一般包括初压、复压及终压三个阶段，其质量控制主要包括：碾压组合方式的控制，压路机数量的确定，以及不同碾压阶段施工工艺的控制。质量控制要以控制碾压效果为目的，可根据遍数与压实度和残留空隙率指标关系，同时以能够充分全面实现较小的残留空隙率和较大的压实度指标为原则来确定合理的碾压组合方式，由于高速公路对路面平整度的要求较高，三个压实阶段压路机应以缓慢且均匀的速度碾压，具体的施工工艺如下：

（1）初压阶段起平整稳足作用，应在混合料摊铺后迅速进行，压路机应从外侧向中心碾压，相邻碾压带应有30%-50% 轮宽的重叠带，同时，应关闭振荡装置，碾压1-2遍，且碾压路线尽量呈直线进行。

（2）复压阶段是整个压实过程的关键工序，此阶段应打开振荡装置，具体的碾压方式及碾压次数应由实验确定，最低碾压次数不少于3次，当在桥面进行沥青混合摊铺压实时，为了保证施工过程中桥梁结构的稳定性，振荡压路机的振动频率应控制在30-50HZ，同时振幅应控制在0.3-0.8mm。

（3）终压阶段主要对路面起整理作用，在此阶段，复压留下的轮迹将被消除。一般碾压1-2次即可获得较高的平整度。

4振荡压实技术在高速公路沥青路面施工中的应用实例

振荡压路机自问世以来，由于其技术及经济上的优越性，在国内外高速公路沥青路面施工中得到了广泛应用，尤其在一些地质条件复杂，路面使用年限以及平整度要求较高的工程中，振荡压路机发挥了重要的作用。

在克罗地亚一条长188km的高速公路施工中，同时使用三台悍马HD090V双钢轮振荡压路机与福格勤超级2100型沥青摊铺机一起进行沥青路面施工，生产水平达到了5000吨/天，改项目是克罗地亚整个国家的重点项目之一，振荡压路机在此工程中应用中，快速高效的完成了沥青路面施工任务。

河北某高速公路利用振荡压实技术进行现场施工，针对各个路段混合料的振荡压实方案，对振荡压实装置的频率、振幅、速度等参数进行控制，并根据各个碾压阶段的工艺要求进行施工，保证了此高度公路及公路桥的沥青摊铺及碾压施工的施工效率和施工质量。

5 结论

本文从振荡压路机的作用原理的出发，通过对振荡压实技术的机理，以及振荡压实技术在高速公路沥青路面施工的质量控制的分析，并结合相关工程应用实例，得到了如下结论：

（1）建立了修正后的震荡轮与被压实材料相互作用的动力学模型，并提出了相关假设，在此基础上给出了震荡轮与被压实材料相互作用动力学方程；

（2）针对高速公路施工要求，给出了振荡压实技术在高速公路沥青路面施工质量控制方法；

（3）由振荡压路机在国内外相关高速公路施工经验，结合上述结论得出，振荡压实技术可保证高速公路沥青路面施工的质量和效率。

参考文献

[1] 贾小民.振动与振荡压实技术简析[J].市政技术，2003,1

[2] 栾自胜，杨人凤，米峻等.振荡压实技术试验研究[J].公路，2009,6

[3]马学良，冯鸿福，张胜.振荡压实技术在国外道路施工中的应用[J].施工技术，2008,12

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。