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1、Vo l. 23 No. 5Sep. 2003第23卷第5期2003年9月長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Jour nal of Cha ng 'an Un iversity (Natural Scien ce Editi on)文章編號(hào):1671-8879( 2003) 05-0056- 04沖擊+振動(dòng)+靜碾復(fù)合壓實(shí)滾輪與土壤系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型楊人鳳1,張永新1,湯710068)(1.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院,陜西 西安 710064; 2.陜西省公路物資公司,陜西 西安摘 要:從土體粘彈塑性理論出發(fā),以沖擊+振動(dòng)+靜碾復(fù)合壓實(shí)裝置及被作用介質(zhì)-土壤為整體分析了土體在沖擊+振動(dòng)+靜碾復(fù)合壓實(shí)作
2、用下的形變特點(diǎn),以及如何用粘性、彈性、塑性三元件 的恰當(dāng)組合反映土體的這種應(yīng)力應(yīng)變特性,并由此建立了沖擊+振動(dòng)+靜碾復(fù)合壓實(shí)滾輪與土壤系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型和相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)微分方程,指出了在壓實(shí)過(guò)程中土體的變形不僅與壓實(shí)設(shè)備提供的壓實(shí)力的性質(zhì)和大小有關(guān),而且與被壓土壤的特性參數(shù)密切相關(guān)。關(guān)鍵詞:道路工程;沖擊振動(dòng);復(fù)合壓實(shí)技術(shù);本構(gòu)關(guān)系;動(dòng)力學(xué)模型:運(yùn)動(dòng)微分方程中圖分類號(hào):U415. 521; U416文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ASystem's dynamic model of soil and composite compaction roller1 1 2YA NG Ren-feng , ZH AN G
3、 Yong-xin ,TA NG J ian(1. School of Eng ineering Machinery, Chang an University, Xi an 710064, China;2. Shannxi Provincial Hig hway M ateriel Suply Company, Xi'an 710068, China)Abstract : With adhesive,elastic and plastic theory, taking the composite compaction equipment that comb ined im pact i
4、on, vibrati on and static force with medium -soil as a whole body, this paper an aly zed the soil's deformatio n characteristic un der the composite compact ion action. And how to use the adhesive, elastic and plastic three components to express the special perfo rmanee betw een the stress and s
5、tra in of the soil was a nalyzed. A dyn amic model and kin etic differe ntial equatio n of the whole system w as set up. It was po in ted out that the soil's deform atio n has not only a relati on with the performanee and the value of the compact force, but also has a closed relation with the so
6、il's characteristic.Key words : ro ad engin eeri ng; impactio n and vibratiio n; com posite compact ion tech no logy; relati on betw ee n stress a nd stra in; dyn amic model; kin etic differe ntial equati onVo l. 23 No. 5Sep. 2003Vo l. 23 No. 5Sep. 2003壓實(shí)就是通過(guò)專門的機(jī)構(gòu)或設(shè)備給被壓材料施 以作用力,強(qiáng)迫其顆粒產(chǎn)生移動(dòng),重新排列得更加
7、密 實(shí)的過(guò)程。不同的機(jī)構(gòu)或設(shè)備,由于其工作原理的不 同會(huì)產(chǎn)生不同的作用力,作用力的性質(zhì)不同,又會(huì)引 起被壓材料變形的巨大差異。為了追求好的壓實(shí)效 果和高的壓實(shí)效率,人們一直在孜孜不倦地探討新 的壓實(shí)方法和各種復(fù)合壓實(shí)技術(shù)。在壓實(shí)技術(shù)和壓實(shí)機(jī)械的發(fā)展歷程中,振動(dòng)壓收稿日期:2003-05-13:i: 1 繪® i ;i n ( p h inn Ajracienri c 1cm ioia 1 卜"rr ronir Pig I作者簡(jiǎn)介:楊人鳳(1960-),女,山西河津人,長(zhǎng)安大學(xué)副教授,博士 .路機(jī)的出現(xiàn)曾是壓實(shí)機(jī)械發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)劃時(shí)代 的革命,從此壓實(shí)效果的增長(zhǎng)不再簡(jiǎn)單地依
8、靠重量 或線壓力的增加來(lái)實(shí)現(xiàn)。而是利用振動(dòng)來(lái)減弱被壓 材料內(nèi)部的摩擦力和粘聚力,在垂直壓力的作用下 克服這些內(nèi)部阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)壓實(shí)的物理過(guò)程,它是將振動(dòng)技術(shù)與靜碾技術(shù)結(jié)合為一體的復(fù)合壓實(shí)技術(shù);輪胎壓路機(jī)無(wú)論在公路基層還是面層的碾壓中,均獲得了比鋼輪靜碾壓路機(jī)更好的壓實(shí)效果,分析其I louse:. All riwhts reserved. h(lp/7www£nlci.Tt第5期楊人鳳,等:沖擊+振動(dòng)+靜碾復(fù)合壓實(shí)滾輪與土壤系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型57壓實(shí)機(jī)理,它是結(jié)合搓揉作用和靜碾作用于一體復(fù) 合壓實(shí)技術(shù)的一種體現(xiàn)形式;在公路高填方壓實(shí)和 路基大厚度鋪層碾壓中,1andPAC的非圓型滾輪沖 擊
9、式壓路機(jī)有著其他壓路機(jī)無(wú)法比擬的高壓實(shí)生產(chǎn) 率,分析其工作原理,它是將沖擊、靜碾及搓揉結(jié)合 為一體的又一種復(fù)合壓實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。由此可見(jiàn),復(fù)合壓實(shí)技術(shù)已成為壓實(shí)技術(shù)領(lǐng)域里能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)化壓 實(shí)的一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。沖擊+振動(dòng)+靜碾復(fù)合壓實(shí)設(shè)備 ,是壓實(shí)技 術(shù)領(lǐng)域里又一個(gè)大膽的創(chuàng)新,作者經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn) 證明了沖擊+振動(dòng)+靜碾復(fù)合壓實(shí)設(shè)備不僅對(duì)于厚 鋪層地基壓實(shí)有著其它壓實(shí)設(shè)備無(wú)法比擬的壓實(shí)效 果,而且對(duì)粘土、亞粘土、土石混填及高于最佳含水 量的土均有較好的壓實(shí)作用。并且具備非圓型滾輪 不具備的靈活機(jī)動(dòng)性和較好的壓實(shí)均勻性,因此該復(fù)合壓實(shí)設(shè)備既有重大的理論創(chuàng)新又具有不可估量 的工程應(yīng)用價(jià)值。本文主要從理論
10、上分析土壤在沖 擊+振動(dòng)+靜碾作用下的受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn),在了解其壓實(shí)機(jī)理問(wèn)的基礎(chǔ)上,建立了這一復(fù)合壓實(shí)設(shè)備與土壤系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。1沖擊+振動(dòng)+靜碾復(fù)合壓實(shí)設(shè)備的 工作原理沖擊+振動(dòng)+靜碾復(fù)合壓實(shí)設(shè)備的原理見(jiàn)圖 1。 該設(shè)備由布置在輪轂內(nèi)的振動(dòng)機(jī)構(gòu)和布置在輪轂與 輪緣間的沖擊機(jī)構(gòu)組成。振動(dòng)機(jī)構(gòu)包括安裝在輪軸上 的2個(gè)偏心塊,當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),偏心塊由 鍵聯(lián)結(jié)帶動(dòng)同步運(yùn)轉(zhuǎn)即產(chǎn)生連續(xù)地振動(dòng)作用。圖1沖擊+振動(dòng)+靜碾滾輪原理圖沖擊機(jī)構(gòu)由若干個(gè)沖擊塊及其特殊的軌道組成 , 隨著碾輪的滾動(dòng),當(dāng)偏心塊升至最高點(diǎn)時(shí),自由下落 沖擊輪轂或輪緣,碾輪連續(xù)滾動(dòng),沖擊塊就可對(duì)碾輪 產(chǎn)生連續(xù)的、均衡的沖擊力,
11、所以碾輪在滾動(dòng)過(guò)程中 作用給土壤的是沖擊+振動(dòng)+靜碾的復(fù)合壓實(shí)力。2 土體的幾點(diǎn)假設(shè)要研究機(jī)器-土壤系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,必然要涉 及土壤的本構(gòu)模型。由于土是自然歷史的產(chǎn)物,是由 固體顆粒、水和氣體組成的多相組合體,具有不均勻 性,且含有多種礦物質(zhì)。這就造成了它們應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系要比金屬材料復(fù)雜得多。土體作為一般的連續(xù) 介質(zhì),可具有粘性、彈性、塑性和流變性。當(dāng)其所處的 應(yīng)力狀態(tài)不同,所呈現(xiàn)的主要特性也將會(huì)隨之發(fā)生 變化,要建立機(jī)器-地面力學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,必 須研究土體模型。土體是一個(gè)非常復(fù)雜且多變的介質(zhì) ,為了使我 們的研究能夠解決實(shí)際的工程問(wèn)題 ,必須對(duì)實(shí)際靜 態(tài)土體作一定的簡(jiǎn)化和假設(shè):(1)
12、 連續(xù)性假設(shè),假設(shè)土體是連續(xù)介質(zhì),土塑性 力學(xué)也屬于一般的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)范疇。(2) 一般情況下,假設(shè)土體材料是均質(zhì)的,各向 同性和小變形。3常用的土體本構(gòu)模型理論經(jīng)典土力學(xué)在變形計(jì)算中本構(gòu)模型采用線性彈 性模型,即廣義胡克定律。在穩(wěn)定分析中采用剛塑性 模型。實(shí)際工程中土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是很復(fù)雜的具有非線性、彈塑性、粘塑性、剪脹性各向異性等性 狀。同時(shí),應(yīng)力路徑,強(qiáng)度發(fā)揮度以及土的組成、結(jié)構(gòu)、 狀態(tài)和溫度等均對(duì)其有影響。實(shí)際中,沒(méi)有任何一種 模型能考慮所有這些因素,也沒(méi)有任何一種模型能夠 適用于所有土壤和其加載情況。土的本構(gòu)理論研究目 前有二種傾向:一類是為了建立用于解決實(shí)際工程問(wèn) 題的實(shí)用模型
13、;另一類是為了進(jìn)一步揭示土體某些應(yīng) 力應(yīng)變特性的內(nèi)在規(guī)律的比較精細(xì)的理論模型。所有這些模型也可分為彈性模型、彈塑性模型、粘彈塑性 模型、內(nèi)時(shí)塑性模型以及損傷模型等。3. 1彈性體模型彈性體模型又分為線性彈性模型和非線性彈性 模型,而非線性彈性模型又包括彈性模型、超彈性模 型、次彈性模型(bypoelastic model)和E-B非線性 彈性模型。無(wú)論哪種彈性模型,其基本理論還是廣義 胡克定律。采用折線、雙曲線,對(duì)數(shù)曲線以及樣條函 數(shù)來(lái)擬合或逼近土體應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線而得之。 其 精髓就是認(rèn)為土體是一個(gè)廣義的彈性體。其應(yīng)力和 應(yīng)變之間由一個(gè)廣義的彈性模型矩陣相聯(lián)系。一般 表達(dá)式為島1 即 hm
14、 眩.AL dR| = DtdE58長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2003 年式中:dR為土體應(yīng)力增值矩陣;dE為土體微應(yīng)變 矩陣;Dt為廣義彈性模量矩陣。3. 2 土體彈塑性模型理論土體的彈塑性理論又分為塑性增量理論(塑性流動(dòng)理論)和塑性全量理論(塑性形變理論)。彈性增 量理論是將物體在彈塑性變形階段的應(yīng)變E分為兩部分:彈性應(yīng)變 宵和塑性應(yīng)變Ep,表達(dá)式為dE = dE+ d。其中,彈性應(yīng)變?cè)隽縟E可以用廣義胡克 定律計(jì)算;塑性應(yīng)變?cè)隽縟E可根據(jù)塑性增量理論 計(jì)算。塑性形變理論則是在應(yīng)力和應(yīng)變之間建立對(duì)應(yīng)的關(guān)系。該理論的實(shí)質(zhì)是把彈塑性變形過(guò)程看 成是非線性彈性變形過(guò)程。3. 3粘彈塑性模型彈性、
15、塑性和粘性是連續(xù)介質(zhì)的三種基本性質(zhì)。 各在一定條件下獨(dú)自反映材料本構(gòu)關(guān)系的一個(gè)方面 的特性。尤其是在考慮土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系受時(shí)間的 影響時(shí),需要用這一類的模型,如粘彈性模型、粘塑 性模型、粘彈塑性模型來(lái)描述土的性狀。理想彈性模型、理想塑性模型(剛塑性模型)和 理想粘性模型是反映土壤三種性質(zhì)的理想模型,稱為簡(jiǎn)單模型。實(shí)際工程材料 (包括土壤)的本構(gòu)關(guān)系 可以用這些簡(jiǎn)單模型的各種組合來(lái)構(gòu)成。如土體受 壓時(shí)的模型,由線性彈簧和剛塑體串聯(lián)組成,見(jiàn)圖 2; Kelvin模型,由線性彈簧和牛頓粘壺并聯(lián)組成, 見(jiàn)圖3。圖2 土體受壓時(shí)常用的模型圖 3 Kelvin模型當(dāng)土體在振動(dòng)+沖擊+靜碾作用下,其內(nèi)部的
16、 應(yīng)力變化情況較復(fù)雜。振動(dòng)會(huì)使土體內(nèi)部顆粒間的 連結(jié)力明顯減弱,同時(shí)振動(dòng)會(huì)使土體發(fā)生部分彈性 變形和塑性變形。而沖擊力的作用直接剪斷顆粒間 的連接,使土體發(fā)生流變,其變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振動(dòng)引 起的形變。因此,在沖擊+振動(dòng)+靜碾作用下,土體 不僅包含粘性、彈塑性小變形元件,還包括剛塑體這 一較大變形元件。4沖擊+振動(dòng)+靜碾壓實(shí)滾輪與土壤 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)以上對(duì)土體在振動(dòng) +沖擊+靜碾聯(lián)合作用 下的土壤本構(gòu)模型的研究,可得出如下復(fù)合作用壓 實(shí)滾輪與土壤系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。圖4所示的動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)確地反映了沖擊 +振動(dòng)+靜碾復(fù)合壓路機(jī)在壓實(shí)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性(其中,Ed為土壤塑性變形模量),但要建立該模型
17、的運(yùn) 動(dòng)微分方程卻存在著較大的困難,因?yàn)樗嬖谥唤校陕匀ゲ挥?jì))圖4沖擊+振動(dòng)+靜碾壓實(shí)滾輪與土壤系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型(1) 沖擊時(shí)刻的不確定性。質(zhì)量 m的沖擊塊在 質(zhì)量md的滾輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是什么位置時(shí)發(fā)生沖擊,不僅取決于初始條件而且與碾輪的滾動(dòng)速度有關(guān),這兩者都有某種不確定性。(2) 土壤彈性變形剛度的不確定性。 在發(fā)生沖擊 的瞬間,土壤受到急劇的壓縮,彈簧剛度發(fā)生很大的 變化,在沒(méi)有沖擊和沖擊發(fā)生的瞬間會(huì)有很大的不同。因此需要對(duì)上述模型作出適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,在下列條件下可以將上述模型進(jìn)行脫耦處理。(1)考慮到m下落到md而發(fā)生沖擊的瞬間,其 沖擊速度會(huì)大大高于 md的運(yùn)動(dòng)速度,因此,假定md 上下運(yùn)
18、動(dòng)速度 與m的沖擊速度相 比,可以略去不 計(jì)。即在考慮沖擊作用時(shí),可以將md看作是靜止不 動(dòng)的。(2)考慮到在沖擊+振動(dòng)+靜碾聯(lián)合作用下,土 壤的彈性變形遠(yuǎn)小于其塑性變形,可以認(rèn)為在發(fā)生 沖擊時(shí),土壤彈性變形與塑性變形相比可以略去不 計(jì)。即在考慮沖擊作用時(shí),可以認(rèn)為彈簧 ks沒(méi)有受 到壓縮。脫耦后圖4的模型轉(zhuǎn)變?yōu)閳D5所示的模型。圖5( a)為沖擊工況的動(dòng)力學(xué)模型 ,對(duì)其建立運(yùn)動(dòng)微分第5期楊人鳳,等:沖擊+振動(dòng)+靜碾復(fù)合壓實(shí)滾輪與土壤系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型59方程為(m + md)X + Cs2X + Q= T(t)式中:m為沖擊塊質(zhì)量;Cs2為土壤受沖擊時(shí)的阻尼 系數(shù);T(t)為沖擊力函數(shù);md為碾
19、輪質(zhì)量;Q為土壤 的內(nèi)摩擦力;X為土壤的垂直變形。T (t)可以看成是脈沖函數(shù),也可從功能互等的 角度出發(fā),以等效的平均功來(lái)代替,即可看成是同樣 功的方波函數(shù),以上兩種函數(shù)均易于計(jì)算。圖5( b)為脫耦后振動(dòng)工況的動(dòng)力學(xué)模型,其運(yùn)動(dòng)微分方程為r ?mfXf + Cf(Xf- Xd)+ kf(Xf- Xd)= 0? ? mdXd+ Cf(Xd- Xf)+ kf(Xd- Xf)-?cs1Xd- ksXd= F(Xt)式中:mf為壓路機(jī)車架及上車身質(zhì)量 ;md為壓路機(jī) 碾輪質(zhì)量;Xf為車架位移坐標(biāo);Xd為壓路機(jī)碾輪垂 直位移的坐標(biāo);kf為車架彈簧剛度系數(shù);Cf為車架振動(dòng)作用下土壤的剛度系數(shù);F(Xt)為壓路機(jī)的激振力。5結(jié)語(yǔ)本文經(jīng)過(guò)分析給出了沖擊 +振動(dòng)+靜碾復(fù)合壓 實(shí)滾輪與土壤系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,這模型是建立在 對(duì)該裝置的壓實(shí)機(jī)理深入剖析的基礎(chǔ)上,充分反映了該壓實(shí)設(shè)備及被作用介質(zhì)在整個(gè)壓實(shí)過(guò)程中所呈 現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)關(guān)系。經(jīng)過(guò)脫耦處理后的模型非常簡(jiǎn)單、 直觀且易于求解。由于圖5(a)、(b)兩模型之間是依 靠Q和Cs2作為振動(dòng)作用的函數(shù)聯(lián)系起來(lái)的,因此弄清楚Q和C2隨振動(dòng)作用的參數(shù)(振動(dòng)頻率f ,振 動(dòng)幅度Fa)的變化而變化的規(guī)律,仍需要進(jìn)一步的 實(shí)驗(yàn)才能解決。但該模型仍可為下一步的研究工作 提供一定的理論基礎(chǔ)。參考
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