水泥混凝土路面振動整平特性試驗研究

曹源文，王 杰，姚國寧，張 璞，許芳銘

（1.重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074； 2.鄭州路橋建設投資集團有限公司，河南 鄭州 450006）

水泥混凝土整平機是整平混凝土路面的重要機械設備，通過振動整平板作用于路面實現規范作業。水泥混凝土路面整平效果受整平機運動參數、路面結構及材料等因素影響，上述參數的設置對路面施工質量十分重要。

目前，國內外專家已對路面整平開展了一系列研究。劉志強等［1］提出，路面整平是水泥混凝土路面施工工藝要點其中之一；Vargas 等［2］研究了在寒冷地區施工時，影響路面平整度的因素；王欣等［3］研究了攤鋪機整平瀝青混凝土路面時的最優作業參數；梁軍林等［4］對三輥軸機組施工中如何達到水泥混凝土路面的平整度展開研究；杜豫川等［5］在路面平整度檢測系統中合理利用傳感器和GPS定位，有效地提高了檢測效率；董倩等［6］研究了車輛對路面的動荷載在不同平整度下的關系；馬麗英等［7］對整平機液壓控制系統進行了仿真分析。

國內外專家對路面整平的研究多以整平機本身為出發點，鮮有學者對整平機-水泥混凝土路面振動整平的相互作用［8］展開試驗研究。本文分別從運動參數、材料特性和路面結構3方面，對振動整平水泥混凝土路面平整度的影響進行仿真分析，并通過試驗，進一步驗證路面平整度與相關因素的關系。

1 模型建立

1.1 整平機-路面整平動力學模型

基于機械系統動力學理論，借助ADAMS 仿真軟件，在整平機模型中設置動力源，對振動板施加激勵，根據混凝土結構參數設計施工路面，模擬整平機整平水泥混凝土路面的實際工作情況，建立整平機-路面動力學模型，如圖1所示。

圖1 整平機-路面動力學模型Fig.1 Leveler pavement dynamics model

由圖1 可知，整平機振動整平板在作業中會帶動混凝土分別在x軸和y軸上直線運動。基于此，可進一步建立數學模型。

1.2 整平機-路面整平數學模型

結合動力學模型分析受力情況，可得水泥混凝土路面整平數學模型，混凝土沿x軸的平動速度近似為整平機行駛速度，沿y軸的往復運動速度如下：

式中：Ft為激振力，N；Fs為水泥混凝土材料粘結力，N；T為振動周期，T=1/f，f為頻率，Hz。

混凝土的運動近似為周期為T的正弦運動：

式中：x為水泥混凝土的位移，m；w為相位角；?為初相角；V為水泥混凝土運動速度，m/min。

2 振動整平特性分析

根據整平機-路面動力學模型和數學模型，利用Matlab分析其振動整平特性。

2.1 路面平整度評價指標

目前，國內外應用最廣泛的平整度評價指標為國際平整度指數IRI［9］，定義為一個1/2 汽車2 自由度振動模型以80 km/h 的車速在某特定路段方向上行駛一定距離時，懸掛系統縱向的總位移量，表達式如下：

式中：Zs為車身的絕對位移，m；Zu為輪胎的絕對位移，m；L為行駛距離，km。

根據IRI對普通公路的評判標準可知：當3.0＜IRI≤4.5 時，路面平整度達標；當IRI≤3.0 時，路面平整度最優。

2.2 特性分析

水泥混凝土路面整平是通過整平機振動整平板作用于混凝土路面的過程，因此施工路面的整平效果與整平機運動特性、材料特性及路面結構密切相關。采用Matlab 模擬軟件，以型號XJZP-220 整平機規格為參考，控制激振力為500 N，探究水泥混凝土路面振動整平特性。

2.2.1 運動特性

（1） 行駛速度。控制混凝土路面材料參數不變，設定振動整平板頻率為20～90 Hz，探究行駛速度為0～70 m/min 時，國際平整度指數IRI 值的變化，結果如圖2所示。

圖2 行駛速度因素仿真結果Fig.2 Simulation results of driving speed factors

由圖2 可知，隨著整平機行駛速度的增加，IRI值逐漸變大，路面平整度變差。振動板頻率為20 Hz時，要求行駛速度最大值為37.5 m/min，否則路面平整度不達標；當速度低于25.0 m/min時，路面整平效果最佳。同理，振動板頻率為30 Hz 和40 Hz 時，最大速度分別為55.0 m/min 和75.0 m/min，最佳速度分別低于37.0 m/min 和50.0 m/min。當振動頻率大于等于50 Hz 時，整平機以常規速度行駛均能達到路面平整度標準要求；振動頻率大于等于70 Hz時，正常行駛速度使路面平整度趨于最優。考慮振動板在正常工作頻率內，最佳行駛速度不高于60 m/min。振動頻率由80 Hz 降至20 Hz 時，路面平整度變化率由0.035 上升為0.094，表明隨著振動頻率的減小，路面平整度變化率呈增大趨勢。

（2） 振動頻率。控制混凝土路面材料參數不變，設定整平機行駛速度為10～70 m/min，探究振動頻率為10～90 Hz時，國際平整度指數IRI值的變化，結果如圖3所示。

圖3 振動頻率因素仿真結果Fig.3 Simulation results of vibration frequency factor

由圖3 可知，隨著振動板頻率的增加，路面平整度變化率和IRI 值逐漸減小，路面平整度越好。整平機的行駛速度小于10 m/min 時，整平效果可達最佳；行駛速度為20 m/min 時，頻率不得超過11 Hz，否則平整度較難達標；隨著行駛速度的增加，要求振動板頻率最大值隨之增大。整平機正常作業時，建議振動頻率保持在40～50 Hz左右最佳。

數據表明，水泥混凝土路面整平效果與整平機行駛速度密切相關，且行駛速度越低，路面平整性越好，與2.2.1仿真結果一致。

2.2.2 材料特性

水泥混凝土材料水膠比可影響混凝土稠度，進而決定路面層粘結力大小，影響路面整平效果。在仿真過程中控制整平機運動參數不變，探究路面層在常規厚度下，混凝土粘結力對振動整平特性的影響，結果如圖4所示。

圖4 混凝土粘結力因素仿真結果Fig.4 Simulation results of concrete cohesion factors

由圖4可知，路面層厚度為10～30 cm 時，國際平整度指數IRI值保持在3.0以下，表明施工路面的平整度較高。當路面厚度不變時，水泥板粘結力增大，平整度指標數值隨之增大，表明路面平整度逐漸變差，整平效果下降。

當厚度為10 cm 時，隨著粘結力增大，路面平整度變化明顯，由此可得，整平機作業于厚度較低的路面時，可改變混凝土稠度，提升路面平整度。

2.2.3 路面結構

水泥混凝土路面結構對整平效果有一定影響，本文重點研究路面層厚度與路面平整度的關系。仿真設定整平機運動參數不變，分析不同粘結力下，路面層厚度對平整度影響，結果如圖5所示。

圖5 路面層厚度因素仿真結果Fig.5 Simulation results of pavement layer thickness factors

由圖5 可知，施工路面厚度增加，國際平整度指數IRI 隨之變大，整平效果變差。路面層越厚，IRI 值變化越慢；當路面厚度約為25 cm 時，改變混凝土稠度基本不會影響平整度值。因此，在較薄路面施工過程中，可通過改變混凝土稠度控制路面平整度，與2.2.3仿真結果一致。

3 試驗及結果分析

3.1 面板制備及測點布置

3.1.1 面板制備

按照水泥混凝土面板的標準規范要求制備試驗面板，數量為8塊，尺寸及用途見表1。

表1 試驗面板尺寸Tab.1 Size of test panel

3.1.2 測點布置

將每塊面板沿x方向平均分成10 份，沿y方向平均分成5 份，共50 個區域，測點即每塊區域的中心點位置，如圖6所示。

圖6 測點布置Fig.6 Layout of measuring points

3.2 試驗結果分析

使用振動板模擬整平機整平板作業，振動臺提供振動頻率。將3 m直尺法測量的數據h轉化為平整度值IRI，公式如下：

3.2.1 運動特性影響試驗

（1） 行駛速度。設置面板1 的行駛速度為30 m/min，面板2 的行駛速度為60 m/min，振動臺頻率均為50 Hz，展開行駛速度影響試驗。平整度IRI數據如圖7所示。

圖7 行駛速度影響試驗數據Fig.7 Data of driving speed impact test

為減小誤差，每塊面板的平整度值均取自50個測點數據的算術平均值，在圖中用虛線表示。通過計算可知，板1 試驗平整度為1.532，板2 試驗平整度為2.992，2塊面板所有測點數據計算的方差分別為0.099 和0.046，說明數據準確度較高。對比2種不同行駛速度散點圖可知，水泥板振動頻率相同時，隨著行駛速度的增大，平整度IRI 值隨之增大，路面不平度增加，整平效果下降。

（2） 振動頻率。設置面板3振動頻率為30 Hz，面板4 振動頻率為60 Hz，2 塊面板行駛速度均為30 m/min，開展振動頻率影響試驗。面板3 和4 的平整度數據如圖8所示。

圖8 振動頻率影響試驗數據Fig.8 Data chart of vibration frequency effect test

由圖8 中數據計算可得，板3 試驗平整度為2.518，板4 試驗平整度為1.288，2 塊面板所有測點數據計算的方差分別為0.084 和0.065，說明數據準確度較高。對比2 種不同振動頻率的數據可知，水泥板行駛速度相同時，隨著振動頻率的增加，平整度IRI 值隨之減小，整平效果有所提升，路面越平整。

3.2.2 材料特性影響試驗

材料特性主要考慮混凝土稠度對平整度的影響。調整混凝土水膠比，分別制成粘結力為15 N的試驗面板5 和粘結力為25 N 的試驗面板6，設置頻率、速度分別為30 Hz 和50 m/min，結果如圖9所示。

圖9 材料特性影響試驗數據Fig.9 Data of material characteristics impact test

由圖9 可得，面板5 和面板6 的試驗平整度分別為2.462 及3.224，2 塊面板測點數據方差分別為0.062 和0.130，數據準確度較高。對比混凝土不同粘結力的散點圖可知，水泥板行駛速度為50 m/min、振動頻率為30 Hz時，改變水泥混凝土水膠比使混凝土粘結力增大時，平整度IRI 值隨之增大，整平效果變差，路面不平整。

3.2.3 路面結構影響試驗

根據3.1.1 的方式制備厚度分別為50、150 mm的面板7 和8，并開展試驗。設置振動臺頻率為30 Hz，面板以50 m/min 的速度行駛，所得平整度數值如圖10所示。

圖10 路面層厚度影響試驗數據Fig.10 Test data of pavement layer thickness influence

由圖10可知，面板7、面板8的試驗平整度分別為3.114和4.186，2塊面板數據方差分別為0.058和0.04，。對比不同厚度面板試驗數據可得，整平機運動特性不變時，路面層越薄，平整度IRI 值越小，整平效果越佳。

3.3 誤差分析

為驗證2.2 節中Matlab 仿真結果的準確性，將仿真與試驗結果進行誤差率計算，表達式如下：

式中：α為誤差率；Δm為仿真與試驗平整度差值；β為試驗平整度。

驗證結果見表2。

表2 仿真與試驗結果誤差分析Tab.2 Error analysis of simulation and test results

由表2 可知，各因素影響試驗與仿真誤差率均在允許范圍內，試驗與仿真結果一致。

4 結論

基于整平機—路面動力學模型和數學模型，采用Matlab，分別從運動特性、材料特性和路面結構進行仿真分析，并開展水泥混凝土振動整平試驗，得出以下結論。

（1） 整平機行駛速度降低，路面平整度IRI 值相應減小，整平效果越好。為提升混凝土路面的整平效果，可降低行駛速度。但在實際施工中，為保證現場效率，行駛速度不宜過低，最優值為小于60 m/min。

（2） 振動板的振動頻率越大，平整度指標IRI值越小，整平效果越好。因此可適當增大頻率，提升路面整平效果，最佳振頻為45～55 Hz。

（3） 水泥板稠度增大，平整度指標數值相應增大，路面平整度逐漸變差。路面層越薄，其影響作用越大。厚度約為10～15 cm 時，可通過降低稠度提高路面平整度。

（4） 施工路面層厚度增加，IRI 增大，整平效果下降；當路面層約為25 cm 時，IRI 值變化逐漸趨于平穩，此時增加整平路面的厚度，路面平整度變化不大。