不同工况下压路机振动衰减规律研究

李小明

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

在公路建设中，使用振动压实设备对路基压实可以显著提高道路承载力，还能有效防止道路沉陷、水分渗透等道路病害，从而提高道路使用寿命。密实度每提高1%，基础承载力提高10%；沥青混凝土密实度每提高1%，承载力和寿命可提高10%～15%[1]。但是振动压路机在作业过程中往往会引起地面的强烈振动，对工程周边建筑和环境带来不利影响[2]。针国内外学者对此展开了许多研究，美国学者T.S.yoo[3]与E.T.selig[4]最先依据弹性振动理论，建立了“振动压路机-土壤”系统经典二自由度线性动力学模型，Barrors等[5]通过将地基土视为粘弹性半空间体系,研究了在地基土中振动波的振动传递规律。李迪[6]通过建立“振动压路机-土壤”三自由度动力学模型，研究了振动压路机在沥青路面上压实作业时，沥青混合料压实度与振动钢轮振动加速度间的联系规律。左文军等[7]根据波的吸收理论得出振动压路机引起的环境振动以柱面波的形式传播，并给出了振动压路机的安全工作距离。李雨等[8]对压路机振动频率波动现象及其产生原因进行分析，并从理论上推导出影响压路机振动频率稳定性的相关因素。安再展等[9]通过现场试验分析了压路机振动频率和车速对振动加速度的影响。本文以广安市过境高速东环线某段公路施工中不同工况下压路机振动效应现场监测为基础，对压路机振动衰减规律进行了初步研究，为振动压路机在邻近居民区和建筑物时的安全施工提供了参考。

1 振动测试

1.1 振动测试系统

振动测试系统由传感器、记录仪和笔记本电脑组成。采用中科测控有限公司生产的TC-4850型振动记录仪记录振动信号，振动记录仪直接与传感器连接，将传感器输入的模拟电压量转换成数字量进行存储，再经自身的接口和计算机相接，通过配套专用软件在计算机上进行波形显示、数据分析、结果输出。振动记录仪的采样频率为1～50 kHz，记录1～160 s可调，触发模式分为内触发、外触发和无线触发3种形式，仪器最大量程10 V(35 cm/s)。传感器采用三向振动速度传感器。

1.2 振动压路机参数

本次试验压路机为国机重工LSS2301-2振动压路机(表1)，振动压实作业时有高振幅和低振幅两档可调，其工作原理是利用自身重力和激振力垂直作用于受压路面材料达到压实路面的效果[10]。

1.3 振动测试方案

为还原道路施工压实作业的完整过程，分别在软土路面和沥青路面进行压路机振动测试，共选取5处测试点，测试过程中使压路机在测试路段往返行驶40 m，测线在测试路段中点处垂直于道路方向布置。每条测线布置4～6个测点，每个测点监测3次，分析数据时取3次数据平均值(图1)。

图1 测线布置示意

2 压路机振动衰减规律

2.1 量纲分析

振动分析中一般用到的基本量纲为长度[L]、质量[M]、时间[T]，压路机振动中的其他量纲均可用3个基本量纲表示，称为导出量纲，即:

[X]=[LαMβTγ]

若α、β、γ均为0，则[X]为无量纲量。

压路机振动过程中测点振速受振源大小、介质条件、测点离振源的距离的影响，因此可以认为压路机振动波传播过程中涉及到的重要物理量有9个，见表2。

表2 压路机振动涉及到的重要物理量

根据π定理，取μ、F、c为独立量纲，即m=3,n=9-3=6。以π代表无量纲量，则有:

(1)

(2)

不同无量纲数π的乘积和乘方仍为无量纲数，取π4、π5进行如下组合，得到新的无量纲数:

(3)

(4)

(5)

将式(5)代入式(4)得到压路机振动随距离的衰减公式：

v=kR-β

(6)

2.2 回归分析

对每个测点3组数据取平均值后，发现Z方向即垂直振速最大，故对垂直振速进行分析将监测数据(表3)。

表3 垂直振速观测值

通过对所得数据的一元非线性回归分析，发现压路机引起地面振动波传播衰减规律符合负幂指数函数形式，即用式(6)描述压路机振动的衰减规律是合理的，将回归分析结果(表4)。

表4 回归分析结果

3 不同工况对压路机振动衰减的影响

3.1 压路机振幅的影响

选取K33+150和K65+350 2组数据进行对比分析，可以发现在压路机振动衰减前期，K65+350的振动衰减曲线位于K33+150上方，说明压路机进行高振幅压实作业时将引起更大的地面振动，这是因为压路机高振幅压实作业能够能对路面施加更大的能量，相当于增大了振源。但随着振动波传播距离的增加，K65+350振动衰减曲线逐渐处于下方，说明振源的大小对质点振速的影响随距离增加逐渐减小，超过一定距离后，对质点振速起主要作用的是传播介质的粘滞阻尼大小(图2)。

图2 不同振幅压路机振动衰减曲线

3.2 路面材质的影响

选取K65+350沥青路面和K10+650软土路面2组数据进行对比分析，从图3可以看出，在沥青路面进行压实作业时与软土路面相比会产生更大的振动，说明压路机压实作业引起的地面振动与路面材料的刚度有关，刚度越大，压路机引起的振动越大，所以K65+350的振动衰减曲线在前期位于K10+650上方，但随着距离的增加，K65+350的振速迅速衰减，又逐渐位于K10+650曲线下方，说明2处位置地质条件存在差异，即K65+350处传播介质的粘滞阻尼大于K10+650处(图3)。

图3 不同路面压路机振动衰减曲线

3.3 高程的影响

选取K0+100处2条测线的数据进行分析，2条测线之间间隔10 m，地质条件差异不大，2条测线距振源5 m范围内为平整地形，从图中可以看出，在此范围内第一测线振动衰减曲线略高于第二测线。随着距离增加，2条测线出现高程差，第二测线高程大于第一测线，此时第二测线振动衰减曲线略高于第一测线，说明正高程能减缓压路机振动的衰减，即存在高程放大效应。振动传播距离继续增大，2条曲线逐渐趋于一致，说明高程对振速的影响存在距离限制(图4)。

图4 不同高程压路机振动衰减曲线

4 结束语

本文由量纲分析得出压路机引起地面振动的衰减公式，通过对现场监测数据的回归分析验证公式的合理性，并对不同工况下压路机振动的衰减曲线进行了对比分析，得出结论：

(1)压路机引起的地面振动衰减很快，可以认为其衰减规律符合负指数函数形式：v=kR-β。

(2)振源的大小对近区质点振速影响显著，随着距离增加其影响逐渐减小，远区质点振速主要影响因素为传播介质的粘滞阻力。

(3)压路机在沥青路面压实作业时产生的地面振动大于软土路面，即路面材料的刚度越大压路机引发的地面振动越大。

(4)正高程会减缓压路机振动的衰减，即压路机产生的振动波在传播过程中存在高程放大效应，但这一效应存在距离限制，而高差大小和影响范围的关系还需进一步研究。