海上拋石基床振動密實試驗研究

王翔，馮甲鑫，鞠鵬（1.青島理工大學機械工程學院，山東　青島　66033；.中交一航局第二工程有限公司，山東　青島　66071）

海上拋石基床振動密實試驗研究

王翔1，2，馮甲鑫2，鞠鵬2
（1.青島理工大學機械工程學院，山東青島266033；2.中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

海上拋石基床振動密實在國內是一種創新的施工工藝，具有夯實效率高等特點。文章研究了振動錘各參數對拋石基床密實整平的影響，分析了振動錘選型的原則，并通過試驗進行了驗證。

拋石基床；振動密實；設備選型

振動密實整平就是利用振動密實的原理將原本凹凸不平的塊石，通過振動將塊石從新排列嚙合，使基床表面達到平整的方法。

在國外尤其是日本，在20世紀70年代，就已經將振動密實技術應用于拋石基床的高精度整平的施工，通過近幾十年的發展，形成了一系列的振動整平裝備。國內振動密實技術主要應用于陸地工程[1]，如公路、鐵路路基回填。海上拋石的密實技術主要采用水下爆夯、夯錘的形式，隨著國內振動錘設備的應用，將振動錘應用于海上拋石的密實工藝也嶄露頭角，但是將振動密實技術應用于海上拋石高精度整平還未起步。

1　振動錘各參數對拋石基床振動密實的作用

目前國內振動密實的研究大部分針對土振動理論研究，從原理上分析了振動對土體密實的影響，還沒有針對振動錘與塊石作用的相關理論，但土的振動密實與塊石的振動密實原理基本相同。

1.1振幅

振幅就是振動錘的振動幅度。對于密實塊石作用的是全部參振質量的實際工作振幅。參振質量（包括振動錘本體、夯板、連接結構等）的振幅足夠大時，才有可能激勵塊石達到需要的振幅。所謂密實需要的振幅是指至少需破壞塊石間弱化摩擦力的作用，使足夠大的力能夠傳遞到塊石深處，從而產生更好的密實效果。振幅過小會造成表層及較上層過早密實，弱化對深層塊石的影響，從而影響密實效果。實驗證明振幅對于密實效果影響顯著。

振幅對密實效果的影響，由于塊石的種類、級配不同，需要的振幅也不相同，但業界普遍認為振幅不能小于3 mm。

1.2密實頻率

密實頻率的選擇原則是使強迫振動的頻率盡可能接近塊石的自振頻率，目的在于引起共振，這時振動衰減最小，且使塊石達到最大振幅，密實效果好，但是由于拋石基床的塊石大小不盡相同，在實際施工中很難確定最佳的頻率[2]。

1.3激振力

基床拋石的塊石呈單粒結構，壓縮性低，強度高，力學性能穩定，塊石之間沒有黏聚力，當外力大于塊石間的摩擦力時，可以使塊石間產生相對移動，此時振動錘的激振力如果大于塊石之間的摩擦力，即可以使塊石重新排列，縮小孔隙率，實現密實效果。對塊石的壓力包括全部參振重量產生的激振力（振動錘本體、夯板、連接結構）及其他外力。一般來說，激振力越大振動的密實效果越好[3]。

1.4振動時間

對于振動錘作用塊石的密實作用，除了上述參數的影響，振動時間也是非常重要的參數[4]，只有達到了一定的振動時間，振動錘的作用才能傳遞到拋石基床的深層，從而達到最好的密實效果。通過試驗發現振動塊石的持續時間3 min時對塊石效果最好，如果時間過長，會造成周圍塊石拱起，影響密實效果。實際施工中的時間控制需要根據典型施工確定。

2　振動整平設備振動錘的選擇原則

振動錘的選擇直接影響振動整平效率以及成本。

2.1振動錘的選擇原則

2.1.1振動整平設備結構

不同的振動整平設備機構，可選擇不同類型的振動錘。如果振動錘位于水下工作，則優先選擇液壓振動錘，充分利用液壓振動錘防水的特性，如果振動錘位于水上，液壓錘、電動錘均可選擇。2.1.2設備自身的性能參數

設備自身的性能參數對于振動錘類型的選擇十分重要，可以說對振動整平能力起著至關重要的作用（是否能適應更大拋石高差）。電動錘與液壓振動錘的區別，在激振力相同情況下，電動錘是利用低頻率、大偏心力矩達到設計的激振力，而液壓振動錘是利用高頻率、小偏心力矩達到設計的激振力，這就是兩種振動錘在參數上的重大區別。偏心力矩對振幅的影響特別大，而振幅對于振動密實是重要的參數。

2.1.3設備成本

相同激振力的液壓振動錘的成本相對電動振動錘要高出近一倍。

2.1.4起重能力

如果設計的結構采用船上起重設備進行移位，由于起重能力限制，可優先選用液壓振動錘，因同激振力液壓振動錘重量要比電動振動錘輕1/3。

2.2振動錘具體型號的選擇

關于振動錘參數對振動密實整平拋石基床的影響，首先從原理上分析起重要作用的參數，可借助振動錘打樁的相關公式進行分析。

振動密實整平的原理，類似于振動錘振沉混凝土方樁，端阻力占主要部分，必須保證激振力大于動端阻力。動端阻力計算公式為[5]：

式中：I為振動動量。

從式（1）可以看出，振動動量對于塊石的動端阻力影響最大。

根據激振力F、偏心力矩K、角速度ω和振動動量I的計算公式，可以推出式（2）、（3）。

公式（2）得出：在激振力一定的情況下，角速度ω越小，I越大。

公式（3）得出：在激振力一定的情況下，偏心力矩K越大，I越大。

所以在選擇振動錘時，要選擇頻率低，偏心力矩大的振動錘，有利于減小塊石的動端阻力，提高拋石基床的密實效果，這與各參數對于振動密實的影響分析是相符的。

目前振動錘主要存在兩種類型，液壓振動錘和電動振動錘，兩種振動錘的原理相同，性能參數不同。在激振力相同情況下，電動錘是利用低頻率，大偏心力矩，達到設計的激振力，而液壓振動錘是利用高頻率，小偏心力矩來達到設計的激振力，這就是兩種振動錘在參數上的區別。

總之，振動錘的選擇必須綜合考慮，忽略任何一個參數，都有可能造成振動密實整平的效果不理想。

3　不同類型振動錘對振動密實壓縮量的對比試驗

為了更好說明上述振動錘選錘原則的正確性，進行了對比試驗研究。

3.1液壓振動錘密實試驗

3.1.1試驗條件

1）塊石重量10～100 kg，平均堆厚2.0 m，頂面尺寸為11 m×11 m。

2）采用2臺APE200-6振動錘進行密實試驗，最大激振力約4 000 kN，夯板尺寸為5.0 m× 2.5 m，試驗中采用激振力為150 kN/m2。

3）在水中進行，石料底部為砂層，石料堆積于鋼圓筒內，石料處于無約束狀態。試驗狀態見圖1。 3.1.2試驗結果

圖1　液壓振動錘工作狀態Fig.1　Working positions of hydraulic vibrating hammers

經過試驗，并扣除砂層的沉降，統計得石料的平均壓縮量為257 mm，夯沉率為13.4%。

3.2電動振動錘密實試驗

3.2.1試驗條件

1）塊石重量為10～100 kg，平均堆厚2.3 m，試驗槽長5.625 m，寬4.8 m，高3.3 m。

2）采用DZJ135電動振動錘進行振動密實試驗，夯板尺寸為1.41 m×1.41 m，試驗中采用的激振力為150 kN/m2。

3）試驗在鋼制試驗槽中進行，石料周圍均為鋼板，處于約束狀態，試驗槽底部無沉降。試驗狀態見圖2。

圖2　電動振動錘工作狀態Fig.2　Working positions of electrical vibration hammers

3.2.2試驗結果

經統計石料平均壓縮量為336 mm，夯沉率14.6%。

3.3試驗中振動錘參數的比較

試驗中使用的振動錘分別是雙APE200-6液壓振動錘聯動與DZJ135電動振動錘。參數對比見表1。

表1　參數對比表Table 1　Comparison of parameters

3.4分析

從表1數據可以看出，在單位面積激振力相同的情況下，振動沖量相差近1倍。電動振動錘試驗是在試驗槽中進行的，試驗槽為鋼制，且埋入土中，石料為四周約束；液壓振動錘試驗數據為石料處于無約束狀態。電動振動錘試驗條件比液壓振動錘更為嚴苛，但夯沉率結果電動振動錘仍略大，從而證明了在激振力相同的情況下振動沖量對振動密實有一定影響。

4　結語

1）進行了振動錘各參數對振動密實的影響分析，為振動密實的機理分析提供了基礎。

2）通過對振動錘參數的分析，初步總結出振動錘選錘原則，并結合振動錘打樁公式，分析了對振動密實影響較大的參數。

3）通過試驗對比，證明了通過動端阻力公式分析確定振動錘的選錘原則是正確的。

[1]曹斌.垂直振動密實技術及主要參數對公路路基壓實的影響[J].公路交通科技（應用技術版），2012（4）：44-46，55.

CAO Bin.Vertical vibration compaction technology and influence of main parameters on highway subgrade compaction[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development:Applied Technology,2012(4):44-46,55.

[2]龔洛書.混凝土實用手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1987.

GONG Luo-shu.Concrete Practical handbook[M].Beijing:China building industry press,1987.

[3]趙明華，曾廣先，劉江波.填石料的振動壓實變形特性及壓實機理試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2006（4）：41-45.

ZHAO Ming-hua,ZENG Guang-xian,LIU Jiang-bo.Experimental research on transforming characteristics and compaction mechanism of rock fill under the process of vibration compaction[J].Journal of Railway Science and Engineering,2006(4)：41-45.

[4]汪水銀，郭朝陽，王旭東.振幅對道路材料振動密實效果的影響[J].交通科技，2009（5）：66-68.

WANG Shui-yin,GUO Chao-yang,WANG Xu-dong.Effect of amplitude of vibratory compaction of the pavement materials[J]. Transportation Science and Technology,2009(5):66-68.

[5]水谷裕.鋼管樁振動下沉計算[M].日本：神戶建設機械調查株式會社，1966.

YUTAKA Mizutani.Steel pipe pile vibration subsidence calculation[M].Japan:Kobe Construction Machinery Research Co.,Ltd., 1966.

[6]中交股份聯合體港珠澳大橋島隧工程第Ⅰ工區項目經理部.振沉夯實試驗報告[R].2012.

Project Management for Work AreaⅠfor Island and Tunnel Project of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Joint Venture of China Communications Construction Co.,Ltd.Test report on vibrocompaction[R].2012.

Experimental study of vibrocompaction of offshore rubble-mound foundation bed

WANG Xiang1,2,FENG Jia-xin2,JU Peng2
（1.College of Mechanical Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao,Shandong 266033,China; 2.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China）

Vibrocompaction of offshore rubble-mound foundation bed is a new technology at home,which is characterized by its higher efficiency of compaction.This paper studies the influence of various parameters of vibro-hammers on the compaction and leveling of rubble-mound foundation bed and analyzes the principle for vibration hammer selection.The results of the study are verified by experiments.

riprap foundation bed;vibrocompaction;equipment selection

U655.3

A

2095-7874（2016）08-0050-04

10.7640/zggwjs201608012

2016-01-15

2016-04-27

浙江省交通運輸廳科技計劃項目（2015J06，2013W02）；水利部公益性行業項目（201501043）

王翔（1983— ），男，河北保定人，工程師，碩士研究生，研究方向為海上施工裝備研究。E-mail：Wangxiang217@126.com