水泥混凝土路面振动整平特性试验研究

曹源文，王 杰，姚国宁，张 璞，许芳铭

（1.重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074； 2.郑州路桥建设投资集团有限公司，河南 郑州 450006）

水泥混凝土整平机是整平混凝土路面的重要机械设备，通过振动整平板作用于路面实现规范作业。水泥混凝土路面整平效果受整平机运动参数、路面结构及材料等因素影响，上述参数的设置对路面施工质量十分重要。

目前，国内外专家已对路面整平开展了一系列研究。刘志强等［1］提出，路面整平是水泥混凝土路面施工工艺要点其中之一；Vargas 等［2］研究了在寒冷地区施工时，影响路面平整度的因素；王欣等［3］研究了摊铺机整平沥青混凝土路面时的最优作业参数；梁军林等［4］对三辊轴机组施工中如何达到水泥混凝土路面的平整度展开研究；杜豫川等［5］在路面平整度检测系统中合理利用传感器和GPS定位，有效地提高了检测效率；董倩等［6］研究了车辆对路面的动荷载在不同平整度下的关系；马丽英等［7］对整平机液压控制系统进行了仿真分析。

国内外专家对路面整平的研究多以整平机本身为出发点，鲜有学者对整平机-水泥混凝土路面振动整平的相互作用［8］展开试验研究。本文分别从运动参数、材料特性和路面结构3方面，对振动整平水泥混凝土路面平整度的影响进行仿真分析，并通过试验，进一步验证路面平整度与相关因素的关系。

1 模型建立

1.1 整平机-路面整平动力学模型

基于机械系统动力学理论，借助ADAMS 仿真软件，在整平机模型中设置动力源，对振动板施加激励，根据混凝土结构参数设计施工路面，模拟整平机整平水泥混凝土路面的实际工作情况，建立整平机-路面动力学模型，如图1所示。

图1 整平机-路面动力学模型Fig.1 Leveler pavement dynamics model

由图1 可知，整平机振动整平板在作业中会带动混凝土分别在x轴和y轴上直线运动。基于此，可进一步建立数学模型。

1.2 整平机-路面整平数学模型

结合动力学模型分析受力情况，可得水泥混凝土路面整平数学模型，混凝土沿x轴的平动速度近似为整平机行驶速度，沿y轴的往复运动速度如下：

式中：Ft为激振力，N；Fs为水泥混凝土材料粘结力，N；T为振动周期，T=1/f，f为频率，Hz。

混凝土的运动近似为周期为T的正弦运动：

式中：x为水泥混凝土的位移，m；w为相位角；ϕ为初相角；V为水泥混凝土运动速度，m/min。

2 振动整平特性分析

根据整平机-路面动力学模型和数学模型，利用Matlab分析其振动整平特性。

2.1 路面平整度评价指标

目前，国内外应用最广泛的平整度评价指标为国际平整度指数IRI［9］，定义为一个1/2 汽车2 自由度振动模型以80 km/h 的车速在某特定路段方向上行驶一定距离时，悬挂系统纵向的总位移量，表达式如下：

式中：Zs为车身的绝对位移，m；Zu为轮胎的绝对位移，m；L为行驶距离，km。

根据IRI对普通公路的评判标准可知：当3.0＜IRI≤4.5 时，路面平整度达标；当IRI≤3.0 时，路面平整度最优。

2.2 特性分析

水泥混凝土路面整平是通过整平机振动整平板作用于混凝土路面的过程，因此施工路面的整平效果与整平机运动特性、材料特性及路面结构密切相关。采用Matlab 模拟软件，以型号XJZP-220 整平机规格为参考，控制激振力为500 N，探究水泥混凝土路面振动整平特性。

2.2.1 运动特性

（1） 行驶速度。控制混凝土路面材料参数不变，设定振动整平板频率为20～90 Hz，探究行驶速度为0～70 m/min 时，国际平整度指数IRI 值的变化，结果如图2所示。

图2 行驶速度因素仿真结果Fig.2 Simulation results of driving speed factors

由图2 可知，随着整平机行驶速度的增加，IRI值逐渐变大，路面平整度变差。振动板频率为20 Hz时，要求行驶速度最大值为37.5 m/min，否则路面平整度不达标；当速度低于25.0 m/min时，路面整平效果最佳。同理，振动板频率为30 Hz 和40 Hz 时，最大速度分别为55.0 m/min 和75.0 m/min，最佳速度分别低于37.0 m/min 和50.0 m/min。当振动频率大于等于50 Hz 时，整平机以常规速度行驶均能达到路面平整度标准要求；振动频率大于等于70 Hz时，正常行驶速度使路面平整度趋于最优。考虑振动板在正常工作频率内，最佳行驶速度不高于60 m/min。振动频率由80 Hz 降至20 Hz 时，路面平整度变化率由0.035 上升为0.094，表明随着振动频率的减小，路面平整度变化率呈增大趋势。

（2） 振动频率。控制混凝土路面材料参数不变，设定整平机行驶速度为10～70 m/min，探究振动频率为10～90 Hz时，国际平整度指数IRI值的变化，结果如图3所示。

图3 振动频率因素仿真结果Fig.3 Simulation results of vibration frequency factor

由图3 可知，随着振动板频率的增加，路面平整度变化率和IRI 值逐渐减小，路面平整度越好。整平机的行驶速度小于10 m/min 时，整平效果可达最佳；行驶速度为20 m/min 时，频率不得超过11 Hz，否则平整度较难达标；随着行驶速度的增加，要求振动板频率最大值随之增大。整平机正常作业时，建议振动频率保持在40～50 Hz左右最佳。

数据表明，水泥混凝土路面整平效果与整平机行驶速度密切相关，且行驶速度越低，路面平整性越好，与2.2.1仿真结果一致。

2.2.2 材料特性

水泥混凝土材料水胶比可影响混凝土稠度，进而决定路面层粘结力大小，影响路面整平效果。在仿真过程中控制整平机运动参数不变，探究路面层在常规厚度下，混凝土粘结力对振动整平特性的影响，结果如图4所示。

图4 混凝土粘结力因素仿真结果Fig.4 Simulation results of concrete cohesion factors

由图4可知，路面层厚度为10～30 cm 时，国际平整度指数IRI值保持在3.0以下，表明施工路面的平整度较高。当路面厚度不变时，水泥板粘结力增大，平整度指标数值随之增大，表明路面平整度逐渐变差，整平效果下降。

当厚度为10 cm 时，随着粘结力增大，路面平整度变化明显，由此可得，整平机作业于厚度较低的路面时，可改变混凝土稠度，提升路面平整度。

2.2.3 路面结构

水泥混凝土路面结构对整平效果有一定影响，本文重点研究路面层厚度与路面平整度的关系。仿真设定整平机运动参数不变，分析不同粘结力下，路面层厚度对平整度影响，结果如图5所示。

图5 路面层厚度因素仿真结果Fig.5 Simulation results of pavement layer thickness factors

由图5 可知，施工路面厚度增加，国际平整度指数IRI 随之变大，整平效果变差。路面层越厚，IRI 值变化越慢；当路面厚度约为25 cm 时，改变混凝土稠度基本不会影响平整度值。因此，在较薄路面施工过程中，可通过改变混凝土稠度控制路面平整度，与2.2.3仿真结果一致。

3 试验及结果分析

3.1 面板制备及测点布置

3.1.1 面板制备

按照水泥混凝土面板的标准规范要求制备试验面板，数量为8块，尺寸及用途见表1。

表1 试验面板尺寸Tab.1 Size of test panel

3.1.2 测点布置

将每块面板沿x方向平均分成10 份，沿y方向平均分成5 份，共50 个区域，测点即每块区域的中心点位置，如图6所示。

图6 测点布置Fig.6 Layout of measuring points

3.2 试验结果分析

使用振动板模拟整平机整平板作业，振动台提供振动频率。将3 m直尺法测量的数据h转化为平整度值IRI，公式如下：

3.2.1 运动特性影响试验

（1） 行驶速度。设置面板1 的行驶速度为30 m/min，面板2 的行驶速度为60 m/min，振动台频率均为50 Hz，展开行驶速度影响试验。平整度IRI数据如图7所示。

图7 行驶速度影响试验数据Fig.7 Data of driving speed impact test

为减小误差，每块面板的平整度值均取自50个测点数据的算术平均值，在图中用虚线表示。通过计算可知，板1 试验平整度为1.532，板2 试验平整度为2.992，2块面板所有测点数据计算的方差分别为0.099 和0.046，说明数据准确度较高。对比2种不同行驶速度散点图可知，水泥板振动频率相同时，随着行驶速度的增大，平整度IRI 值随之增大，路面不平度增加，整平效果下降。

（2） 振动频率。设置面板3振动频率为30 Hz，面板4 振动频率为60 Hz，2 块面板行驶速度均为30 m/min，开展振动频率影响试验。面板3 和4 的平整度数据如图8所示。

图8 振动频率影响试验数据Fig.8 Data chart of vibration frequency effect test

由图8 中数据计算可得，板3 试验平整度为2.518，板4 试验平整度为1.288，2 块面板所有测点数据计算的方差分别为0.084 和0.065，说明数据准确度较高。对比2 种不同振动频率的数据可知，水泥板行驶速度相同时，随着振动频率的增加，平整度IRI 值随之减小，整平效果有所提升，路面越平整。

3.2.2 材料特性影响试验

材料特性主要考虑混凝土稠度对平整度的影响。调整混凝土水胶比，分别制成粘结力为15 N的试验面板5 和粘结力为25 N 的试验面板6，设置频率、速度分别为30 Hz 和50 m/min，结果如图9所示。

图9 材料特性影响试验数据Fig.9 Data of material characteristics impact test

由图9 可得，面板5 和面板6 的试验平整度分别为2.462 及3.224，2 块面板测点数据方差分别为0.062 和0.130，数据准确度较高。对比混凝土不同粘结力的散点图可知，水泥板行驶速度为50 m/min、振动频率为30 Hz时，改变水泥混凝土水胶比使混凝土粘结力增大时，平整度IRI 值随之增大，整平效果变差，路面不平整。

3.2.3 路面结构影响试验

根据3.1.1 的方式制备厚度分别为50、150 mm的面板7 和8，并开展试验。设置振动台频率为30 Hz，面板以50 m/min 的速度行驶，所得平整度数值如图10所示。

图10 路面层厚度影响试验数据Fig.10 Test data of pavement layer thickness influence

由图10可知，面板7、面板8的试验平整度分别为3.114和4.186，2块面板数据方差分别为0.058和0.04，。对比不同厚度面板试验数据可得，整平机运动特性不变时，路面层越薄，平整度IRI 值越小，整平效果越佳。

3.3 误差分析

为验证2.2 节中Matlab 仿真结果的准确性，将仿真与试验结果进行误差率计算，表达式如下：

式中：α为误差率；Δm为仿真与试验平整度差值；β为试验平整度。

验证结果见表2。

表2 仿真与试验结果误差分析Tab.2 Error analysis of simulation and test results

由表2 可知，各因素影响试验与仿真误差率均在允许范围内，试验与仿真结果一致。

4 结论

基于整平机—路面动力学模型和数学模型，采用Matlab，分别从运动特性、材料特性和路面结构进行仿真分析，并开展水泥混凝土振动整平试验，得出以下结论。

（1） 整平机行驶速度降低，路面平整度IRI 值相应减小，整平效果越好。为提升混凝土路面的整平效果，可降低行驶速度。但在实际施工中，为保证现场效率，行驶速度不宜过低，最优值为小于60 m/min。

（2） 振动板的振动频率越大，平整度指标IRI值越小，整平效果越好。因此可适当增大频率，提升路面整平效果，最佳振频为45～55 Hz。

（3） 水泥板稠度增大，平整度指标数值相应增大，路面平整度逐渐变差。路面层越薄，其影响作用越大。厚度约为10～15 cm 时，可通过降低稠度提高路面平整度。

（4） 施工路面层厚度增加，IRI 增大，整平效果下降；当路面层约为25 cm 时，IRI 值变化逐渐趋于平稳，此时增加整平路面的厚度，路面平整度变化不大。