垂直振动压路机及其在厚层压实中的应用

2016-11-18宋皓李彦伟陈立明史秀平

筑路机械与施工机械化 2016年10期

宋皓+李彦伟+陈立明+史秀平

0 引言

随着中国公路、高铁、水利大坝和机场等基础设施建设的快速发展，大厚度摊铺和压实工艺得到广泛应用。截至2015年底，全国高速公路总里程已突破12万km，时速200 km以上高速铁路突破2.3万km，均居世界首位。预计到“十三五”末，高速公路将达16万km，高铁3万km，新增机场50座。可见，今后几年，仍是厚层压实需求的旺盛期。为了适应厚层压实的需要、提高压实效率和质量，大吨位振动压路机和垂直振动压路机等新型压实设备应运而生。本文拟结合垂直振动压路机的工作原理，探讨其在厚层压实方面的应用，以期为厚层压实工程提供有益借鉴[1-3]。

1 垂直振动压实机理

1.1 定向激振的力学原理

振动压路机根据振动形式可分为定向振动和非定向振动两种（图1）。传统振动压路机一般采用非定向振动，即所谓的圆周（环形）振动，其滚轮内只有1根偏心轴，由偏心轴高速旋转产生的大小一定、方向时刻变化的离心力带动滚轮实现圆周振动。与传统非定向振动不同，定向振动压路机的滚轮内对称滚轮中心线安装有2根相同的偏心轴，2根偏心轴同步反向高速旋转，各自产生的离心力在两轴连线方向互相抵消，而在两轴连线垂直方向相互叠加，周期变化，带动滚轮仅沿某固定方向交变激振，实现定向振动[4-5]。按合成激振力的方向不同，定向振动可分为垂直振动、水平振动和无级可调定向振动。应用最广泛的是垂直振动方式，主要用于压实大厚度铺层（图2）；水平振动方式可以用于压实平整度要求高的普通铺层、薄层和桥面（图3）；无级可调定向振动方式可使一台压路机满足不同压实场合的需求，也可结合智能压实技术实现压实能量无级可调（图4）。

1.2 垂直振动压实机理

垂直振动压实技术是在普通振动压实技术基础上发展起来的一项新的压实技术，它利用定向激振压实能量利用率高、传播方向集中等优势克服了圆周振动压实能量相对分散、危害施工环境和压实深度有限的缺点，降低了能耗，提高了压实效率和深层压实质量[6-7]。其压实机理如下。

（1）垂直冲击效应。激振力与作用在被压实材料上的有效作用力不同，压实质量和压实效率与振动轮压路机的动量有关。定向振动压路机振动轮垂直方向的动量变化大，对被压实材料的冲量较大，冲击能量更易于向深层传播。在压实能量传播过程中，被压实材料的大小颗粒相互挤嵌，使孔隙急剧减少，密实程度逐步增大，被压实材料的整体承载力逐渐提高。

（2）共振减摩效应。当垂直定向振动的激振频率与被压实材料的固有频率一致或接近时，会引起被压实材料内部颗粒的共振或接近共振的作用，颗粒间咬合摩擦与滑动摩擦进一步减小，有利于大小颗粒相互间发生滑移和嵌套，便于提高压实质量和压实效率。同时，良好的振动减摩作用使垂直方向的振动压实能量更易发挥作用，提高了压实有用功，降低了整体功率消耗。

可见，垂直振动具有的定向冲击和共振减摩效应，在提高了压实效率和压实质量的同时，也降低了压实能量沿深度的衰减，利于实现厚层压实。

2 垂直振动压路机的发展

2.1 垂直振动压路机的发展历程

振动压实技术的出现是压实技术的重大突破。与静压实技术不同，振动压实效果的提高不再单纯依靠自身重量或静线压力的增加，其激振能量以空间波（压缩波和剪切波）和界面波的形式传播，压实深度较深，适应的被压实材料种类更广泛。随着水利大坝、机场、高铁等高填方工程的日益增多和道路厚铺层施工工艺的推广，传统振动压路机压实能力略显欠缺，单纯依靠增大压路机吨位适应厚层压实的潜力有限。随着新的压实机理出现和压实技术的进步，出现了许多新的压实设备，如垂直振动压路机[8-10]。

垂直振动压实技术于20世纪80年代末由日本酒井公司最先应用，主要用于水利大坝压实碾压混凝土。2000年后，国内陆续有厂家尝试开发垂直振动压路机，但早期的关键技术相对缺乏，直到近几年国产垂直振动压路机才逐步在工程中获得应用。

目前国内外的振动压路机绝大部分是非定向振动（环形振动）结构，只有极少数厂家在研制和生产垂直定向振动压路机，以适应不同的工况，其中主要有日本酒井重工业株式会社、德国宝马格公司（Bomag）和合肥永安绿地公司。

日本SAKAI重工业株式会社为了压实碾压混凝土，首先研制了垂直振动压路机，它采用与振荡压路机相似的双轴并联式振动结构。通过试验验证，用该压路机压实一定厚度的土壤，压实度可达100%。酒井重工业株式会社为了适应中国混凝土大坝建设的发展，推出了在碾压混凝土（RCC）大坝建设中碾压层厚度达1 m的SD451型垂直振动压路机（图5）。

为了实现智能压实，Bomag公司将无级可调定向激振技术与压实度在线检测和智能控制等技术集成，开发了智能振动压路机。这种智能振动压路机可根据作业状态的变化自动调节激振力方向，从而改变对被压实材料的作用力。Bomag公司的自动调幅压实系统有Variomatic和Variocontrol两种结构形式，被称为智能压实系统，它能根据被碾压物料压实度的变化自动选择适宜的振幅，优化激振力的输出（图6、7）。前者用于串联式双钢轮振动压路机，后者用于轮胎驱动的单钢轮振动压路机。与常规振动压路机相比，自动调幅压实系统可对不同铺层厚度、不同材料类型进行更多样化的压实作业，从而提高施工效率和压实质量。

国内垂直振动压路机的典型代表为合肥永安绿地有限公司的产品。永安绿地公司根据定向激振的力学原理攻克了垂直振动压实设备关键技术，研发了结构简单可靠、性能稳定、性价比高的垂直定向振动压实设备。目前合肥永安绿地公司已开发了五大系列十多款垂直定向振动压路机，广泛应用于公路、高铁、水利大坝和机场等各项基础设施建设中（图8）。

2.2 垂直振动压路机的关键技术

与普通圆周振动压路机相比，垂直振动压路机的振动系统结构更复杂，其核心技术主要包括垂直定向振动技术、润滑和冷却技术及减振技术。

2.2.1 垂直定向振动技术

垂直定向振动技术是垂直振动压路机最为核心的技术，主要由定向激振系统、同步反向机构等部分组成。此结构是在振动轮内部对称位置安装2组偏心轴，2组偏心矩完全相同的偏心轴在同步反向机构驱动下实现同步反向高速旋转，2个激振力在竖直方向叠加，在水平方向相互抵消，带动钢轮沿垂直（竖直）方向线性振动，从而产生垂直振动作用。

2.2.2 润滑和冷却技术

与传统的圆周振动压路机相比，同吨位垂直振动压路机的激振力要大10%左右，再加上同步反向结构比较复杂，需要良好的润滑和冷却技术保证激振机构的工作可靠性。

2.2.3 减振系统技术

垂直定向振动压路机的激振力沿垂直方向交变，对减振系统要求更高，应尽量避免振动轮产生的振幅传递给压路机上车部分。减振系统不但影响操作舒适性，更重要的是影响整机可靠性和压实质量。

3 垂直振动压路机的应用

垂直振动压路机主要应用于超厚铺层压实，如高填方超厚层压实、水利大坝厚层压实、大厚度水稳基层压实等。

3.1 高填方

目前公路高填方路段的路基、路面常出现坍散、边坡溜方、滑坡、不均匀沉降、路面纵裂、凹陷和破碎等病害。引起路基病害的原因较复杂，高填方路基施工时的压实度是最主要的影响因素之一。

用传统的重型压路机碾压，一般铺层厚度是18～20 cm，较难满足厚层压实要求。对于大厚铺层或超厚铺层路基压实，振动压路机通过加大吨位和激振力虽能满足厚层压实要求，但压实效率仍有提高的空间。垂直振动压路机因其激振方式独特，相对较小的吨位也可用于大厚层或超厚层高填方路基压实，压实有效深度可达0.6～1.0 m。

呼大（呼和浩特—大同）高速公路杀虎口段土方压实（图9）的虚铺层厚度为650～700 mm，设计要求压实度为95%以上。

压实时采用20 t垂直振动压路机按“小振1遍、大振2遍、再振1遍”的工艺，全部检测点压实度高于95%，用较少的压实遍数达到了施工要求。

3.2 水利大坝厚层压实

水利大坝对坝体的抗压强度、抗冻、抗渗等指标要求很高，大振幅的垂直振动压路机具有压实度大、压实均匀等特点，在压实厚铺层大坝修筑材料方面优势明显。

在某水利大坝建设中，被压实材料为碾压混凝土，设计虚铺层厚度为70 cm，压实厚度为60 cm，压实度大于98%。压实时采用15 t双钢轮垂直振动压路机按“大振4遍”压实工艺碾压（图10）。工程验收时，采用可测60 cm深度的核子密实度仪进行压实度检测，所有测点压实度均大于98%，满足设计要求。工程业主也对压实体进行了抗压强度、抗冻、抗渗等指标检测，结果满足标准要求。

3.3 大厚度水稳基层压实

传统道路基层建设中分层施工存在层间粘接质量不好、施工成本高和施工效率低等缺点。随着大厚度宽幅摊铺机技术的进步和广泛应用，垂直振动压路机在道路建设的大厚度基层压实中显现出明显的优势。

某工程为京港澳高速机场连接线，被压实材料为水泥稳定级配碎石，设计虚铺厚度为52 cm，压实后的厚度为40 cm，压实度要求大于98%。

摊铺时用DT1800摊铺机全宽度摊铺；压实设备选用26 t的单钢轮垂直振动压路机和14 t双钢轮垂直振动压路机各1台。压实时，先用LSV260压路机静压1遍，大振来回2遍，速度控制在1 km·h-1；再用小振来回1遍，速度控制在2～4 km·h-1；最后采用LDH140压路机静压收面（图11）。

经续砂灌砂法检测（图12），该路段压实度均大于98%；养护7 d后取40 cm芯，抗压强度等指标符合设计要求。

4 结语

垂直振动压实具有压实深度深、压实效率高和压实质量好的优点。与目前普遍使用的圆周振动压路机相比，其具有以下特点。

（1）振动波集中定向传播，压实能力增强，影响深度增大，提高了可压实铺层厚度和压实效果，具有较高的压实效率。

（2）振动能量利用率提高，降低了能耗，既可以节约能源，又可以提高工程经济效益。

（3）定向激振，降低了振动对周边环境的不良影响，更加环保。

（4）以相对较小的吨位达到大吨位普通振动压路机的压实效果，无集料过压破碎风险。

垂直振动压路机已在很多基础建设中得到应用，随着大铺层施工工艺的推广和垂直振动压路机技术标准及相关施工规范的制订，垂直振动压实技术将得到更广泛的应用。