不同工況下壓路機(jī)振動(dòng)衰減規(guī)律研究

李小明

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

在公路建設(shè)中，使用振動(dòng)壓實(shí)設(shè)備對(duì)路基壓實(shí)可以顯著提高道路承載力，還能有效防止道路沉陷、水分滲透等道路病害，從而提高道路使用壽命。密實(shí)度每提高1%，基礎(chǔ)承載力提高10%；瀝青混凝土密實(shí)度每提高1%，承載力和壽命可提高10%～15%[1]。但是振動(dòng)壓路機(jī)在作業(yè)過(guò)程中往往會(huì)引起地面的強(qiáng)烈振動(dòng)，對(duì)工程周邊建筑和環(huán)境帶來(lái)不利影響[2]。針國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開了許多研究，美國(guó)學(xué)者T.S.yoo[3]與E.T.selig[4]最先依據(jù)彈性振動(dòng)理論，建立了“振動(dòng)壓路機(jī)-土壤”系統(tǒng)經(jīng)典二自由度線性動(dòng)力學(xué)模型，Barrors等[5]通過(guò)將地基土視為粘彈性半空間體系,研究了在地基土中振動(dòng)波的振動(dòng)傳遞規(guī)律。李迪[6]通過(guò)建立“振動(dòng)壓路機(jī)-土壤”三自由度動(dòng)力學(xué)模型，研究了振動(dòng)壓路機(jī)在瀝青路面上壓實(shí)作業(yè)時(shí)，瀝青混合料壓實(shí)度與振動(dòng)鋼輪振動(dòng)加速度間的聯(lián)系規(guī)律。左文軍等[7]根據(jù)波的吸收理論得出振動(dòng)壓路機(jī)引起的環(huán)境振動(dòng)以柱面波的形式傳播，并給出了振動(dòng)壓路機(jī)的安全工作距離。李雨等[8]對(duì)壓路機(jī)振動(dòng)頻率波動(dòng)現(xiàn)象及其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并從理論上推導(dǎo)出影響壓路機(jī)振動(dòng)頻率穩(wěn)定性的相關(guān)因素。安再展等[9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析了壓路機(jī)振動(dòng)頻率和車速對(duì)振動(dòng)加速度的影響。本文以廣安市過(guò)境高速東環(huán)線某段公路施工中不同工況下壓路機(jī)振動(dòng)效應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，對(duì)壓路機(jī)振動(dòng)衰減規(guī)律進(jìn)行了初步研究，為振動(dòng)壓路機(jī)在鄰近居民區(qū)和建筑物時(shí)的安全施工提供了參考。

1 振動(dòng)測(cè)試

1.1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、記錄儀和筆記本電腦組成。采用中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的TC-4850型振動(dòng)記錄儀記錄振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)記錄儀直接與傳感器連接，將傳感器輸入的模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行存儲(chǔ)，再經(jīng)自身的接口和計(jì)算機(jī)相接，通過(guò)配套專用軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行波形顯示、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出。振動(dòng)記錄儀的采樣頻率為1～50 kHz，記錄1～160 s可調(diào)，觸發(fā)模式分為內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)和無(wú)線觸發(fā)3種形式，儀器最大量程10 V(35 cm/s)。傳感器采用三向振動(dòng)速度傳感器。

1.2 振動(dòng)壓路機(jī)參數(shù)

本次試驗(yàn)壓路機(jī)為國(guó)機(jī)重工LSS2301-2振動(dòng)壓路機(jī)(表1)，振動(dòng)壓實(shí)作業(yè)時(shí)有高振幅和低振幅兩檔可調(diào)，其工作原理是利用自身重力和激振力垂直作用于受壓路面材料達(dá)到壓實(shí)路面的效果[10]。

1.3 振動(dòng)測(cè)試方案

為還原道路施工壓實(shí)作業(yè)的完整過(guò)程，分別在軟土路面和瀝青路面進(jìn)行壓路機(jī)振動(dòng)測(cè)試，共選取5處測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試過(guò)程中使壓路機(jī)在測(cè)試路段往返行駛40 m，測(cè)線在測(cè)試路段中點(diǎn)處垂直于道路方向布置。每條測(cè)線布置4～6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)3次，分析數(shù)據(jù)時(shí)取3次數(shù)據(jù)平均值(圖1)。

圖1 測(cè)線布置示意

2 壓路機(jī)振動(dòng)衰減規(guī)律

2.1 量綱分析

振動(dòng)分析中一般用到的基本量綱為長(zhǎng)度[L]、質(zhì)量[M]、時(shí)間[T]，壓路機(jī)振動(dòng)中的其他量綱均可用3個(gè)基本量綱表示，稱為導(dǎo)出量綱，即:

[X]=[LαMβTγ]

若α、β、γ均為0，則[X]為無(wú)量綱量。

壓路機(jī)振動(dòng)過(guò)程中測(cè)點(diǎn)振速受振源大小、介質(zhì)條件、測(cè)點(diǎn)離振源的距離的影響，因此可以認(rèn)為壓路機(jī)振動(dòng)波傳播過(guò)程中涉及到的重要物理量有9個(gè)，見表2。

表2 壓路機(jī)振動(dòng)涉及到的重要物理量

根據(jù)π定理，取μ、F、c為獨(dú)立量綱，即m=3,n=9-3=6。以π代表無(wú)量綱量，則有:

(1)

(2)

不同無(wú)量綱數(shù)π的乘積和乘方仍為無(wú)量綱數(shù)，取π4、π5進(jìn)行如下組合，得到新的無(wú)量綱數(shù):

(3)

(4)

(5)

將式(5)代入式(4)得到壓路機(jī)振動(dòng)隨距離的衰減公式：

v=kR-β

(6)

2.2 回歸分析

對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)3組數(shù)據(jù)取平均值后，發(fā)現(xiàn)Z方向即垂直振速最大，故對(duì)垂直振速進(jìn)行分析將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(表3)。

表3 垂直振速觀測(cè)值

通過(guò)對(duì)所得數(shù)據(jù)的一元非線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)壓路機(jī)引起地面振動(dòng)波傳播衰減規(guī)律符合負(fù)冪指數(shù)函數(shù)形式，即用式(6)描述壓路機(jī)振動(dòng)的衰減規(guī)律是合理的，將回歸分析結(jié)果(表4)。

表4 回歸分析結(jié)果

3 不同工況對(duì)壓路機(jī)振動(dòng)衰減的影響

3.1 壓路機(jī)振幅的影響

選取K33+150和K65+350 2組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)在壓路機(jī)振動(dòng)衰減前期，K65+350的振動(dòng)衰減曲線位于K33+150上方，說(shuō)明壓路機(jī)進(jìn)行高振幅壓實(shí)作業(yè)時(shí)將引起更大的地面振動(dòng)，這是因?yàn)閴郝窓C(jī)高振幅壓實(shí)作業(yè)能夠能對(duì)路面施加更大的能量，相當(dāng)于增大了振源。但隨著振動(dòng)波傳播距離的增加，K65+350振動(dòng)衰減曲線逐漸處于下方，說(shuō)明振源的大小對(duì)質(zhì)點(diǎn)振速的影響隨距離增加逐漸減小，超過(guò)一定距離后，對(duì)質(zhì)點(diǎn)振速起主要作用的是傳播介質(zhì)的粘滯阻尼大小(圖2)。

圖2 不同振幅壓路機(jī)振動(dòng)衰減曲線

3.2 路面材質(zhì)的影響

選取K65+350瀝青路面和K10+650軟土路面2組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從圖3可以看出，在瀝青路面進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)時(shí)與軟土路面相比會(huì)產(chǎn)生更大的振動(dòng)，說(shuō)明壓路機(jī)壓實(shí)作業(yè)引起的地面振動(dòng)與路面材料的剛度有關(guān)，剛度越大，壓路機(jī)引起的振動(dòng)越大，所以K65+350的振動(dòng)衰減曲線在前期位于K10+650上方，但隨著距離的增加，K65+350的振速迅速衰減，又逐漸位于K10+650曲線下方，說(shuō)明2處位置地質(zhì)條件存在差異，即K65+350處傳播介質(zhì)的粘滯阻尼大于K10+650處(圖3)。

圖3 不同路面壓路機(jī)振動(dòng)衰減曲線

3.3 高程的影響

選取K0+100處2條測(cè)線的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，2條測(cè)線之間間隔10 m，地質(zhì)條件差異不大，2條測(cè)線距振源5 m范圍內(nèi)為平整地形，從圖中可以看出，在此范圍內(nèi)第一測(cè)線振動(dòng)衰減曲線略高于第二測(cè)線。隨著距離增加，2條測(cè)線出現(xiàn)高程差，第二測(cè)線高程大于第一測(cè)線，此時(shí)第二測(cè)線振動(dòng)衰減曲線略高于第一測(cè)線，說(shuō)明正高程能減緩壓路機(jī)振動(dòng)的衰減，即存在高程放大效應(yīng)。振動(dòng)傳播距離繼續(xù)增大，2條曲線逐漸趨于一致，說(shuō)明高程對(duì)振速的影響存在距離限制(圖4)。

圖4 不同高程壓路機(jī)振動(dòng)衰減曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文由量綱分析得出壓路機(jī)引起地面振動(dòng)的衰減公式，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析驗(yàn)證公式的合理性，并對(duì)不同工況下壓路機(jī)振動(dòng)的衰減曲線進(jìn)行了對(duì)比分析，得出結(jié)論：

(1)壓路機(jī)引起的地面振動(dòng)衰減很快，可以認(rèn)為其衰減規(guī)律符合負(fù)指數(shù)函數(shù)形式：v=kR-β。

(2)振源的大小對(duì)近區(qū)質(zhì)點(diǎn)振速影響顯著，隨著距離增加其影響逐漸減小，遠(yuǎn)區(qū)質(zhì)點(diǎn)振速主要影響因素為傳播介質(zhì)的粘滯阻力。

(3)壓路機(jī)在瀝青路面壓實(shí)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的地面振動(dòng)大于軟土路面，即路面材料的剛度越大壓路機(jī)引發(fā)的地面振動(dòng)越大。

(4)正高程會(huì)減緩壓路機(jī)振動(dòng)的衰減，即壓路機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)波在傳播過(guò)程中存在高程放大效應(yīng)，但這一效應(yīng)存在距離限制，而高差大小和影響范圍的關(guān)系還需進(jìn)一步研究。