第二章 高频振动轮的压实原理

第二章高频振动轮的压实原理
2.1 高频振动压实机理
高频振动是指振动轮的频率高于60Hz的振动，高频振动压实用快速、连续地反复冲击土的方式工作。

压力波从土的表面向深处传播，土颗粒处于振动状态，颗粒间的摩擦力实际上被消除，在这种状态下，小的土颗粒填充到大的土颗粒的孔隙中，土处于容积尽量小的状态。

不同时产生压力的振动，能在一些情况下获得好的压实效果。

如混凝土或完全水饱和砂，由于振动消除了内摩擦力，因受重力影响，这些材料被固紧密实。

有必要用带有压力和剪切力的振动去克服土颗粒间的粘结力和内聚力，因为这些力阻碍土的压实。

在土中，毛细管把土颗粒连接在一起，并形成表面内聚力，内聚力随土颗粒尺寸的减小而增大。

在粘土中，由于粘土颗粒之间分子力的作用，也形成内聚力。

土的振动压实，必须具备下列条件才能得到理想的压实效果。

1）土颗粒处于运动状态，内摩擦力被消除；
2）在土中产生应力和内聚力。

关于土的振动压实的三种学说：
（1）土的共振学说。

根据物理学院里，如果被压实土的固有频率和激振机构振动频率相一致，则振动压实能得到最好的结果。

但在各种土及一种土的是挤压式过程中，土的固有频率是变化的，因此激振机构的频率就必须有一个较大的调节范围。

（2）重复冲击学说。

利用振动在土上所产生的周期性的压缩运动作用，使土压实，为此就需要增大机械在与土接触前一瞬间的动量，这就需要使机械具有大振幅和增大振动部分的质量。

（3）内摩擦减少学说。

土的内摩擦因振动作用而急剧减小，使剪切强度下降到只要很小的符合就能很容易进行压实，为此，就需要使压轮在振动过程中始终保持着和土的接触，即土的振动频率、振幅与压轮的频率、振幅相同，就能得到最好的压实效果，在这种情况下，振动压轮传递给土的纯粹是振动能量，为了使压轮达到这样一种工作状态，就必须使振幅很小使它不脱离地面。

高频振动压路机在进行压实作业时，由于振动轮的振动使其对地面作用一个往复的冲击力。

振动轮每对地面冲击一次，被压实的材料中就产生一个冲击波。

同时，这个冲击波在被压是的材料内，沿着纵深方向扩散和传播。

随着振动轮不断振动，冲击波也将不断产生和持续扩散（见图2.1）。

被压实材料的颗粒在冲击波的作用下，由静止的初始状态变为运动状态。

被压实材料颗粒之间的摩擦力，也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。

同时，由于材料中水分的离析作用，使材料颗粒的外层，包围了一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂。

颗粒间的摩擦阻力将大为下降，这为颗粒的运动创造了十分有利的条件。

被压实材料的颗粒在冲击波的作用下产生了运动，造成了颗粒间的初始位置的变化，并且由此产生了相互填充间隙的现象（见图2.2）。

颗粒之间存在许多大小不等的间隙。

在振动压实之后，由于颗粒之间的相对位置发生了变化，出现了相互填充的现象，颗粒间的间隙减少了。

较大颗粒之间形成的间隙由较小的颗粒所填充，被压是材料的压实度提高了。

同时，颗粒之间的紧密接触也增大了被压实材料的内摩擦阻力，使基础的承载能力也随之提高了。

图2.1 振动冲击波在土中的传递
图2.2 压实前、压实后被压实材料颗粒排列状态
a)压实前 b)压实后
由于被压实材料其颗粒之间存在着粘聚力和吸附力等阻碍颗粒运动的力。

所以，要达到压实目的，必须克服阻碍颗粒运动的力。

振动压路机是通过合理地选择一组振动与工作参数，来降低被压实材料的内部阻力，来实现用较少的能量消耗来获得较高的压实效果。

如果以E 表示土的压实度，E 与振动压路机的振动参数和工作参数有以下的函数关系：
()12L A E f P f v ω⎛⎫=+ ⎪⎝⎭
（3.1） 式中，L P ——振动压路机振动轮的线载荷，N/cm ；
A ——振动压路机工作振幅，mm ；
ω——振动压路机工作频率（角频率）；
v ——振动压路机的工作速度，m/s 。

为了克服土颗粒之间的粘聚力和吸附力，振动压路机必须有足够大的线载荷L P 和振幅A 。

线载荷越大，作用在被压实的土表面上的正压力也越大，从而越容易破坏土颗粒之间的粘聚力和吸附力形成的抗剪切强度。

振动轮振幅越大，土颗粒运动的位移越大，也就越容易破坏土的颗粒之间的粘聚力，是土容易被压实。

高频振动压路机的工作频率是影响土颗粒运动状态的重要参数。

当工作频率 靠近“压路机—土”的振动系统的二阶固有频率时，土的颗粒运动加速度增高，其内摩擦阻力急剧下降，土的颗粒之间的相互填充作用加强。

此时，土仿佛处于流动状态。

这种内摩擦阻力急剧下降，仿佛处于流动状态的土的状态称为“土的液化”现象。

土处于“液化”状态时，有些物料，例如纯干性水泥、干砂和水饱和砂等其内部摩擦阻力几乎为零。

因此，这些物料在“液化”状态下仅需要振动可以达到完全密实的效果。

瑞典Dynapac公司测试了不同物料在不同物理状态下的振动与非振动时的
摩擦阻力矩。

从中可知，对于粘聚性很小的物料，如干性水泥、干砂和水饱和砂等在振动状态下内摩擦阻力几乎等于零。

因此，对于这些材料，只要满足一定的振动加速度要求，就完全可以通过振动达到自行密实的效果。

对与粘性较大的土，在振动状态下，内摩擦阻力虽也有十分明显的下降，但仅仅通过振动是不足以使这种物料达到密实的。

为了使其密实，还必须施加一定的正压力。

同时，还要有足够大的振幅，以克服土的抗剪切强度和土的颗粒之间的粘聚力和吸附力。

这说明，两台振动参数相同的振动压路机，振动轮的线载荷越大，压实效果越好。

压实工艺
一、沥青路面的压实机理
压实的目的是提高沥青混合料的强度、稳定性以及疲劳特性。

实践证明，若压实不足，会出现车辙。

标准压实度相应的空隙率增加l％，疲劳寿命将要降低约35％，压实度每降低1％，沥青混合料的渗透性提高两倍，导致空隙率增大，从而加速沥青混合料的老化。

过压将会使矿料破碎而使压实度反而降低或空隙率过小，易出现泛油和失稳，影响路面的强度与稳定性。

因此必须合理地进行碾压。

压实过程是减少沥青混合料中气孔含量的过程，此过程为固体颗粒在一种粘弹性介质中的填实和定位，以形成一种更密实和有效的颗粒排列形式，使其具有良好的路面性能，满足使用要求。

沥青混合料的压实过程是从松散、塑态逐步过渡到高抗拉强度粘聚态的过程。

一方面，混合料的压实非常像粘性土，即通过颗粒的变形和重新组合，同时随着沥青胶结料粘度的降低，内聚力逐步降低，压实趋于容易；另一方面，混合料的压实又像非粘聚性材料，因为集料颗粒的重新组合受到集料之间摩擦力的阻抗，棱角性小的混合料比棱角性大的易于压实。

沥青混合料包含自由粒状颗粒、胶结颗粒、空气和低粘性胶结剂(水)，传统设备通过颗粒重排来压实。

在压实过程中，沥青结合料起润滑作用（它的粘弹性质随温度、荷载大小及荷载作用时间而改变）。

使沥青混合料达到最佳压实度的最好方法应是提供足够作用时间的压实力。

随着压实的进行，悬浮在沥青相中的集料颗粒将会重排；同时，在附加压实功的作用下，伴随着沥青结合料的流动，最终的排列将包括旋转和滑移，直到所有的内力和外力在集料的接触点上达到平衡。

二、沥青路面压实工艺流程
碾压通常分为三阶段，即初压、复压和终压，三个阶段压路机应以慢而均匀的速度碾压，压路机的碾压速度应符合规定，不同碾压阶段起着不同的作用，有不同的施工工艺。

（一）初压阶段
初压起平整稳定的作用，应在混合料摊铺后较高温度下进行，并不得产生推移、开裂，
压实温度应根据沥青稠度、沥青混合料类型、压路机类型、气温、铺筑厚度经过试铺试压确定。

压路机应从外侧向中心碾压。

相邻的碾压带应重叠1/3～1/2轮宽，最后碾压路中心部分，压完全幅为一遍。

当边缘有挡板、路缘石、路肩等支挡时，应紧靠支挡碾压。

当边缘没有支挡时，可把耙子将边缘的混合料稍耙高，然后将压路机的外侧轮伸出边缘10cm以上碾压。

也可将边缘先空出宽30~40cm，待压完第一遍后，将压路机大部分重量位于压实过的混合料面上再压边缘，以减少向外推移。

初压时，应采用轻型钢筒式压路机或关闭振动装置的振动压路机碾压2遍，其线压力不宜小于350N/cm。

同时，压路机的驱动轮应面向摊铺机，且碾压路线和方向不能突然改变，以免导致混合料产生推移。

压路机起动、停止必须减速缓慢进行。

（二）复压阶段
复压起压实作用，这是关键的压实工序，宜采用重型的轮胎压路机，具体的碾压方式由实验路确定。

碾压的遍数应经试压确定，不宜少于4～6遍，以达到要求的压实度和空隙率，并无明显轮迹。

同时，轮胎压路机的总质量不宜小于20t，碾压厚层的沥青混合料和改性沥青混合料时，其总质量不宜小22t；轮胎充气压力不小于0.5MPa，相邻碾压带应重叠1/3～1/2的碾压轮宽度。

当采用三轮钢筒式压路机时，总质量宜不小于12t，相邻碾压带应重叠后轮1/2宽度；当采用振动压路机时，振动频率宜在35～50HZ，振幅宜为0.3～0.8mm，并根据混合料种类、温度和层厚选用，层厚较厚时选用较大的频率和振幅，相邻碾压带重叠宽度为10～20cm，振动压路机倒车时应先停止振动，并在向另一方向运动后再开始振动，以避免混合料形成鼓包。

（三）终压阶段
终压起整理作用，可消灭轮迹等。

终压紧接复压进行，采用双轮钢筒式压路机或关闭振动的振动压路机静压1～2遍，碾压速度为3～6km/h，碾压终了时温度不得低于70℃，直至路面无轮迹为止。

三、压实注意事项
（1）压实温度。

压实温度是影响沥青混合料压实密实度的最主要因素。

因此，在实际施工中，要求在摊铺完毕后及时进行压实。

一般来说，沥青混合料的最佳压实温度为120～140℃之间，SBS沥青混合料最佳压实温度为140～160℃。

（2）压实速度与遍数。

一般速度控制2～4km/h，轮胎压路机可适当提高，但不超过5km/h。

速度过低，会使摊铺与压实工序间断，影（下转第172页）（上接第160页）响压实质量，从而可能需要增加压实遍数来提高压实度。

（3）振动压实振频与振幅。

振频主要影响沥青面层的表面压实质量。

振动压路机的振频比沥青混合料的固有频率高一些，可以获得较好的压实效果。

实践证明，对于沥青混合料的碾压，其振频多在40～50HZ范围内。

振幅主要影响沥青面层的压实深度。

当压实层较薄时，宜选用高振频、低振幅；而碾压层较厚时，则可在较低振频下，选取较大的振幅，以达到压实的目的。

对于沥青路面，通常振幅可在0.4～0.8mm内进行选择。

（4）碾压纵向进行，相邻碾压带应重叠至少30cm。

（5）振动时必须先停振后停机，先起步后起振。

（6）碾压方向由路面低处往高处，第一遍压边时应预留30cm左右的边缘不碾压，防止推移和产生纵向裂缝，第二遍将其压实。

（7）钢轮压路机每次错半轮，轮胎压路机每次错两个小轮。

（8）在碾压过程中应以缓慢而均匀的速度碾压，不在新铺混合料上突然加速、调头、左右摆动或突然刹车。

倒车回程时应慢停、慢起步。

（9）初压、复压、终压三个不同工序的压实段落比前一工序后退5~8m，不在同一断面上进行。

（10）压路机不得在热铺路面上急转弯，急停。

（11）钢轮压路机使用喷水装置，前进时喷水，后退时关闭喷水，防止喷水量过大。

胶轮压路机碾压前涂好油水混合物，不使用喷水装置。

（12）钢轮压路机不得中途停留、转向或制动，前后两次停留地点应相距10m以上，并应驶出压实起线3m以外。

（13）防止油料、润滑脂、汽油或其它杂质在压路机操作停放期间洒落在路面上。

四、结语
压实是沥青路面施工中的一道重要工序，对沥青路面质量有着至关重要的作用，压实不足和过压都会影响沥青路面质量。

因此，在沥青路面施工中应严格执行压实工艺流程，按照施工要求进行操作，才能确保沥青路面施工质量。