快速液压夯实机的波动力学分析与应用-.pdf

第 l 0卷第 4期 2 0 1 2年 1 2月 中国工程机械学报 CHI NES E J OURNAL OF C ONS TR UC TI ON MACHI NER Y V0 I ． 1 ONo ． 4 De c ．2 01 2 快速液压夯 实机 的波动力学分析与应用 司癸 卯 ， 张 成 ， 张燕飞 长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室， 陕西 西安7 1 0 0 6 4 摘要阐述了快速液压夯实机工作原理 ， 建立了快速液压夯实机的动力学模型， 并运用波动力学理论对夯实机 冲击过程进行了研究， 推导出了夯锤夯击时的位移、 速度和系统效率函数 ， 最后结合工程试验对夯实效果进行了 验证． 结果表明 快速液压夯实机具有较好的夯实效果． 关键词 快速液压夯实机；波动力学 ；冲击过程；工程试验 中图分类号 T U 6 6 2 文献标志码 A 文章编号1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 2 0 40 4 1 30 4 W a v e m e c hani c a l a nal ys i s a nd ap pl i c a t i o n f o r hi gh s pe e d hy dr aul i c t am pe r s S I G u i ． 7 Y b a O ， Z H AN G C h e n g ， Z H A NG Y a n - f e i Ke y La b o r a t o r y f o r Hi g h wa y Co n s t r u c t i o n Te c h n i q u e a n d Eq u i p me n t o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n， C h a n g’ a n Uni v e r s i t y， Xi ’ a n 7 1 0 0 6 4， Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e wo r k i n g p r i n c i p l e s o f h i g h s p e e d h y d r a u l i c t a mp e r s ， t h e d y n a mi c a l mo d e l i s f i r s t e s t a b l i s h e d ． By a p p l y i n g t h e wa v e me c h a n i c a l t h e o r i e s f o r a t t a c k i n g p r o c e s s ， t h e tamp i n g d i s p l a c e me n t ， s p e e d a n d s y s t e m e f f i c i e n c y f u n c t i o n o f h a mme r s a r e t h e n d e d u c e d ． Fi n a l l y ， g o o d t a mp i n g e f f e c t s a r e v e r i f i e d a n d p r o v e n v i a p r a c t i c a l t e s t i n g Ke y wo r d s h i g h s p e e d h y d r a u l i c t a mp e r ；wa v e me c h a n i c s ；a t t a c k i n g p r o c e s s ；p r a c t i c a l t e s t i n g 桥涵台背的回填作为路基施工的一个质量控制难点 ， 一直 以来都是每个项 目建设的重点关注工序 ． 在 工程施工中必须高度重视桥涵台背的回填质量， 以减少工后路基的不均匀沉降， 避免路面断裂、 桥头跳车 现象的发生 ． 然而桥台涵背处往往 比较狭窄 ， 大型压实设备运行不便 ， 小型压实设备压实能量较低 ， 无法达 到规定 的压实度 ， 因此施工难度较大． 快速液压夯实机利用 冲击能产生强度极大的力流 ， 与 同功率 的静压 机械相 比， 其结构更为紧凑， 转场更为方便 ， 在特殊路段 的地基处理中有着广泛的用途． 本文运用波动力学理论对快速液压夯实机的冲击过程进行了分析 ， 得出了等波阻夯锤作用时位移函 数 、 速度和系统效率的计算公式 ． 同时在广西六景至钦州高速桥头路基处治施工现场进行 了压实度实验 ， 对路基实际沉 降量和压实度进行 了测量 ， 并对数据进行 了分析． 1 快速液压夯实机的波动力学分析 加 固深层地基常用的方法是强夯法． 该方法由法国工程师 ME N A R D L于 1 9 6 9年首次提出， 并在世界 范围内广泛应用 卜 ． 快速液压夯实机夯锤在油缸的作用下 ， 提升到设定 的高度 ， 然后在特殊 的液压系统 作用下 ， 以大于 自由落体速度下落 ， 夯击底座并与底座一起对地基进行夯实 ． 快速液压夯实机可 以实现连 续夯实， 夯实能量和作用次数可 自行设定 ． 英 国建筑研究所研究表明 快速液压夯实机所采用的动态夯实 作者简介 司癸卯 1 9 6 3 一 ， 男， 副教授 ， 工学博士． E - m a i l s m a r t c h d ． e d u c a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 1 4 中国工程机械学报 第 1 O卷 技术填补了传统 的表层压实技术和强夯技术之间的空白． 根据文献[ 4 ] 可得 对于二元 冲击系统 ， 无论是弹性 、 塑性 、 黏弹 性或黏塑性介质， 矩形波是合理的加载波， 与矩形波相对应的等波 阻夯锤是合理夯锤 ． 基于 以上结论 ， 设计 出了夯锤与底座 近似为等 波阻的快速液压夯实机． 其工作原理图如图 1所示． 现做如下假设 1 底座可以视为弹性杆 ， 忽略杆截面的横 向运动 杆 中应力波 波长比杆的横 向尺寸大 1 0倍 以上时 ， 横 向运动是可以忽略的[ 5 ] ， 以保证夯锤与底座撞击产生的入射波不受反射波的影响， 入射波波 形不变地传播到底座与工作介质的交界面上． 2 工作介质为黏弹性介质 ， 设底座与工作介质的作用力全部 集中在底座 的工作端． 夯锤 和底座近似为等波阻 ， 以底座和工作介 ． 质的交界面为研究对象． 对于 底座一侧， 由 波动方程 P A詈 U D U 0 p为材料密度 ， A为底座接地面面积 ， 为系统运动速度 ， t 为时 ． 间， F为底座接地面上的作用力 ， 仙 詈 0 E为材料的弹 a 7 b 性模量 ， 可得单元质点的速度和作用力分别为 图 1 快 速液压夯 实机 工作原理 图 Fi g． 1、 v 0 r k p r i n c i p l e d i a g r a m o f h i g h - s p e e d h y d r a ul i c t a mp e r F P z ㈤ l 0 式中 P为沿 轴正 向传播 的顺波 ； Q为沿 轴负向传播的逆波； Z为弹性杆的波阻， Z ， c为纵波波 速． 由此可知波动方程 的通解是 由两个行波叠加而成 ， 这两个波均 以不变 的波速 c沿某坐标轴传播 ， 传播 方向相反_ 6 ] ． 快速液压夯实机工作时， 设液压系统加力系数为 ， 锤体质量为 m， 高度为 H， 与底座碰撞瞬间的初 速度为 o ， 碰撞瞬19 锤体对底座的作用力F为零． 由 机械能守恒定律 告my 8 1／1 m g H， 解得 。 面 2 将初始条件代入方程 1 和方程 2 可得 P 一Q Z o ／ 2 Z ／ 2 1 g H／ 2 3 工作介质为黏弹性介质 ， 其动态特性方程为 F1 ， ≥ 0 4 式 中 F 为土壤受到的作用力 ； K 为土壤的刚度 ； 钆为系统位移量 ； J 。 为土壤黏性阻尼系数． 由式 1 和式 4 可得二元冲击系统动力学方程为 Ku J p Z d u 2 P 5 其初始条件为 t 0 ， U0 ． 方程 5 为一阶常系数线性微分方程 ， 其通解为 钆 t C e 一 』 ， “ Ⅺ e 为积分常数 ， 厂 t K／ J p Z ， 9 t 2 P／ J p Z ． 将式 3 和边界条件代入方程通解得系统位移为 t 1一 Z J2 1 ／ K 对式 6 求导可得底座夯击时的速度公式为 U t e s- y 一 Z ／ 2 1 g S／ J 。Z 由定义可得系统效率为 一j’ Z 3 ， Ⅲ。 f 9 t e lf Ⅲ d t ， 其中 C 6 7 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 期 司癸卯， 等 快速液压夯实机的波动力学分析与应用 4 1 5 式中 y为系统与弹性介质的匹配系数 ， Z 。 inK； 为量纲一阻尼系数 ， J ／ z． 通过运用波动力学理论对快速液压夯实机的工作过程进行分析 ， 可以看 出 冲击过程 的位移、 速度和 效率不仅与 自身的参数 如夯锤高度 、 系统的加力系数等 有关 ， 还与 土壤 的刚度和黏性阻尼系数密切相 关 ． 因此 ， 该动力学模型基本反映 了夯实机工作情况与机械性能及土壤参数的关系． 2工程试验 为了测试快速液压夯实机的性能 ， 检验其对土壤的压实效果 ， 本文进行了相应的实验 ． 本次使用 的快 速液压夯实机总质量为 2 0 t ， 夯锤质量为 3 t ， 底座直径为 1 0 0 0 mm， 最大夯击势能为 3 6 k J ， 最大夯击势能 时的频率为 2 0次 rai n ～， 夯击能量有低、 中、 高三挡可调 ． 2 ． 1 施工位 置 路桥过渡段是公路工程病害多发地段 ， 而“ 桥头跳车” 是其直观的表现形式 ． 造成桥头跳车的原 因有很 多 ， 其中台背填土处碾压不到位 是造成 这一现 象的重要原 因之一l 7 ] ． 本路段 六 景 K1 0 30 9 5处和钦州 K1 0 30 9 5处 主要施工点为桥涵及台背路基交接处 ． 本次试验采用三挡 9锤夯实法 ， 通过对桥涵 台背路 基的压实可显著增加其路基的压实度 ， 减小工后沉降 ， 有效地降低差异沉降值 ， 减轻桥台背的跳车现象． 2 ． 2 作业方式及作业点布置 施工位置为桥涵台背路段 ， 适合采用直线作业法， 即每次单 点作业 ， 前进或后退作业 下一点 ． 因夯实施工有个纵 向影 响范 围， 施工时适合采取问隙型 每个夯点边缘 间隔一定距离 ， 呈等 边三角形布点 ， 本次施工 中采用各锤边缘间距为 5 0 c m 的布点 方式 如图 2所示 ， 其中 R5 0 c m ． 根据实验参数 ， 第一排施工 点夯锤 中心距离结构物为 8 0 c m， 即夯锤边缘到结构物距离 为 3 0 c m， 可确保结构物的安全 ． 2 ． 3 结果及分析 图 2 快速液压夯 实机作业点布置 图 Fi g． 2 Op e r a t i o n p o i n t o f h i g h - s p e e d h y d r a u l i c t a mp e r 路基处理前后压实测试结果见表 1 ． 路基处理前后压实度测试 曲线见 图 3 ． 六景 台背夯实后沉 降量见 表 2 ． 表 1 路基处理前后压实度测试 结果 T a b． 1 T e s t r e s u l t s o f r o a d b e d c o mp a c t i o n b e f o r e a n d a f t e r p r o c e s s i n g 从现场路基处理前后压实度i 贝 0 试数据来看， 路基分层填筑和补强经三挡 9锤的夯实作业之后 ， 路基的 表层压实度可达 9 4 ％以上， 夯实后压实度最大提高了7 ． 6 ％， 最小提高 1 ％， 平均提高了3 ． 5 ％， 夯实后平 均压实度为 9 8 ． 7 ％， 能够满足施工规范的要求． K 1 0 3 1 0 9 ． 5 通道六景台处采用压路机压实， 并验收合格 后 ， 再采用快速液压夯实机补压 ， 最小沉降量为 1 4 ． 8 c m， 最大沉降量为 2 0 ． 2 C E， 平均沉降量为l 8 ． 2 8 c m， 使台背填土均匀密实 ， 能够减少完工后的路基沉 降， 增加了路基的稳定 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 1 6 中国2 1 2 程机械学报 第 1 0卷 1 0 4 1 0 2 1 0 0 9 8 赞 管 器 8 8 六景台1六景台2 六景台3 钦州台l钦州台2 钦州台3 图3 路基处理前后压实度测试 曲线图 Fi g ． 3 Gr a p h s o f r 0 a d b e d c o mp a c t i o n b e f o r e a n d a f t e r p r o c e s s i ng 表 2 六景台背夯实后沉降量 Ta b ． 2 Se t t l e me n t t a b l e o f Li u J i n g s e t s b a c k a f t e r p r oc e s s i n g ⋯ 沉降量／ c m ／ 、 点位 1 点位 2 ⋯ “ 第一排 2 2 ． 5 1 7 ． 9 2 0 ． 2 第二排 1 5 ． 3 1 4 ． 3 1 4 ， 8 第三排 1 8 ． 8 2 0 ． 2 1 9 ． 5 第 四排 2 1 ． 1 1 6 ． 1 1 8 ． 6 现场施工工艺采用作业点 圆心间隔 1 ． 5 m 夯锤边缘间隔 0 ． 5 m 梅花桩布点方式 ， 可 以实现厚层整体 压实， 减少或避免分层压实技术可能导致的层间滑移、 分离等现象并能较好地保证质量 ， 提高作业效率． 3 结语 1 设计了一种冲锤与底座近似为等波阻的快速液压夯实机， 建立了动力学模型， 并运用波动力学理 论对其夯实过程进行 了分析． 在此基础上推导出了位移 、 速度和系统效率函数的计算公式， 为深入研究快 速液压夯实机提供了理论基础． 2 为了测试快速液压夯实机的性能 ， 本文进行了相关工程试验． 实验表明， 在夯锤与构造物的安全 距离不小于 3 0 c m范围内， 经过三挡 9夯的作业后 ， 路基的表层压实度可达 9 4 ％以上． 经压路机初步压实 后， 用快速液压夯实机补强， 最小沉降量为 l 4 ． 8 c m， 最大可达 2 0 ． 2 c m， 足以说明该夯实机可以显著地增 强路基压实度 ， 减轻桥台跳车现象． 参考文献 [ 1 ] M E N A R D L ， B R O I S E Y ． T h e o r e t i c a l a n d p r a c t i c a l a s p e c t s o f d y n a m i c c o n s o l i d a t i o n_ J ] ． G e o t e c h n i q u e ， 1 9 7 5 ， 2 5 1 3 1 8 ． [2] 于克萍 ， 程 侠 ， 折学森 ． 强夯处理黄土路堤的模型试验 E J ] ． 长安大学学报 自然科 学版， 2 0 0 3 ， 2 3 4 ； 2 22 4 ． Y U K e p i n g ， C HE N G X i a ， S H E X u e s e n ． Mo d e l t e s t o f l o e s s e mb a n k me n t t r e a t e d b y d y n a mi c c o mp a c t i o n[ J ] ． J o u r n a l o f C h a n g’ a n Un i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e Ed i t i o n， 2 0 0 3， 2 3 4 2 22 4． [3] TH I I ，A K A S I R I H S ， GI 『 NA R A TN E M， Mu l l i n s G， e t a 1 ． I n v e s t i g a t i o n o f i mp a c t s tre s S e s i n d u c e d i n l a b o r a t o r y d y n a mi c c o mp a c t i o n o f s o f t s o i l s[ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l f o rNu me r i cal a nd A n a l y ti c a l Me t h o d si nG e o me c h a n i c s ， 1 9 9 6， 2 0 1 0 7 5 37 6 7 ． [ 4 ] 李夕兵， 刘德顺， 刘爱华． 冲击机械合理加载波形的研究口] ． 中南工业大学学报， 1 9 9 8 ， 2 9 2 1 1 6 1 1 9 ． L I X i b i n g ， L I U D e s h u n ， L I U A ih u a ． T h e r e s e a r c h o f r e a s o n a b l e l o a d w a v e f o r m t o i m p a c t M e c h a n i cal [ J ] ． J o u r n a l o f C e n t r a l S o u th Un i v e r s i t y， 1 9 9 8， 2 9 2 1 1 61 1 9． [ 5 ] 杨精通 ， 张善元． 弹性动力学[ M] ． 北京 中国铁道出版社， 1 9 8 8 ． Y A NG J i n g t o n g ， Z H A N G S h a n y u a n ． E l a s t ic d yna mi c s [ M] ． B e ij i n g C h i n a R a i l wa y P r e s s ， 1 9 9 8 ． [6] 刘德顺 ， 李夕兵 ， 朱萍玉 ． 冲击机械系统动力学 与反演设计I- M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 8 ． L I U D e s h u n ， L I Xi b i n g ， Z H U P i n g y u ． I mp a c t me c h a n i c a l s y s t e m d y n a mi c s a nd i n v e r s i o n d e s ig n [ M] ． B e ij i n g Sci e n c e P r e s s ， 2 0 0 8 ． [7 J 邹劲 ， 唐海 云． 桥头跳车理论浅析及 质量控制 [ J ] ． 山西科技 ， 2 0 0 5 4 9 7 9 8 ． Z O U J i n ， T A N G H a i y u n ． Ana l y s i s o f b r i d g e h e a d j u m p i n g t h e o r y a n d q u a l i t y c o n t r o l [ J ] ． S h a n x i Sci e n c e a n d T e c h n 0 l o g y ， 2 0 0 5 4 9 7 9 8． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m