§2.4 压实机械
2.4.1 概 述
压实机械是一种利用机械力使土壤、碎石等松散物料密实，以提高承载能力的土方机械，广泛用于地基、路基、机场、堤坝、围堰等工程中压实土石方。通过压实作业可以消除土壤中的空隙，降低土壤的透水性，减少因水的渗入而引起土壤的软化和膨胀，使土壤保持稳定状态;使填土层斜面保持稳定并具有足够的强度，以便支承荷载;减少填土层因压力作用的下沉量，增加土壤或物料的密实度，提高其承载能力等。
压实机械的主要特点是:
(1)作业效果不单纯反映在量上，而主要看作业质量;
(2)工作效率较低，但耐用度较高，所以新旧机种更换较慢;
(3)由于土壤组成差别较大、地质复杂多变，要求压实机械有相当的适应性;
(4)土方施工工艺不同，对压实机械也有影响。大量填方的压实要考虑每次填土层的厚度。应选用最有效的压实机械。
压实机械按其工作原理可以分为三类:
1.静力压实机械
静力压实机械是利用机械本身的重量在碾压层上滚过，通过碾压轮作用在被压实的部位，使被压实的土壤、路面产生深度为h的永久变形，其原理如图2.4.1(a)所示。这类机械包括光轮压路机、轮胎式压路机、羊足碾和拖式压路辊等。
2.冲击压实机械
冲击压实机械是一种靠冲击能来做功的机械。这类机械利用一块质量为M的物体，从一定的高度H自由下落所产生的冲击能，将需要压实的部位压实，如图2.4.1(b)所示。属于这种工作原理的机械有电动蛙式打夯机和内燃打夯机等。
3.振动压实机械
振动压实机械是利用质量为M的物体发出一定的振动频率，与碾压动作复合作用在压实部位，使土壤颗粒重新组合，从而提高其密实度和稳定性，如图2.4.1(c)所示。常用的振动压实机械有小型振动辊和振动式压路机等。
大面积、要求压实效率高、压实密度好的大截面建筑物基础道路工程、机场、运动场及水坝等的压实作业可以选用碾压式压路机或振动式压路机;压实作业面积不大的小型建筑物基础、带状沟槽等则可以选用夯实机械。
2.4.2 静力压实机械
1.静力光轮压路机
(1)光轮压路机的分类与应用
根据碾压轮和轮轴的数量不同，光轮压路机可以分为两轮两轴式(串联式)压路机、三轮两轴式(三轮式)压路机和三轮三轴式(三轮串联式)压路机。两轮两轴式压路机主要用于各类路面的压实;三轮两轴式压路机多用于路基和铺砌层的初压作业。
图2.4.1 压实机械压实原理图
根据整机质量的不同，光轮压路机可以分为特轻型(0.5～2t)压路机，用于人行道和路面修理时压实;轻型(2～6t)压路机，用于压实一般道路、广场等;中型(6～10t)压路机，用于压实碎石及沥青混凝土路面;重型(10～15t)压路机，用于碎石路床及沥青混凝土路面的最终压实;特重型(15～20t)压路机，用于压实重石路基和路面。
根据移动方式的不同，光轮压路机可以分为拖式压路机和自行式压路机两种。
按车架的结构形式光轮压路机可以分为整体式压路机和铰接式压路机两种。
按传动方式光轮压路机可以分为液压传动压路机和机械传动压路机等。
(2)光轮压路机的总体构造
光轮压路机一般都是由动力装置(柴油发动机)、传动系统、行驶滚轮(碾压轮)、机架和操纵系统等组成的。图2.4.2为两轮两轴式压路机总体构造示意图。这种压路机的机架是由钢板和型钢焊接而成的一个罩盖式结构，里面安装有柴油发动机、传动系统，前端和后部下方分别支承在前后行驶滚轮上。这种压路机的后轮为从动方向轮，露在机架外面，前轮为驱动轮，包在机架内。在前、后轮的轮面上都安装有刮泥板(每个轮上前、后各一块)，用以刮除作业中粘附在轮面上的土壤和其他粘合材料。操作台安装在机架上面，操纵整机进行作业。
1—操纵台;2—机罩;3—方向轮叉脚;4—驱动轮;5—方向轮
图2.4.2 两轮两轴式压路机构造示意图
(3)光轮压路机的工作过程和施工作业
压路机的滚压轮，以一定的静载荷用缓慢的速度滚过铺筑层，在铺筑层表面施以短时间的静压力。压轮下面的铺层材料在外力作用下产生变形，一部分被推向前方，一部分被挤向侧面，一部分则被向下压实。随着滚压次数的增加，铺筑层的压实度也逐渐提高。
1)沥青混凝土铺层的压实
决定压实沥青混凝土质量的主要因素是压路机的工作质量和类型，行驶速度，混合料温度、厚度和稠度以及司机操作技术的熟练程度。
根据压路机工作质量的大小和前后顺序的不同，有以下两种压实方法:
①先重后轻:首先用10～15t的重型压路机，以后则改用7～8t的中型压路机。这种压实方法是单纯从混合料温度和塑性方面来考虑，认为温度愈高，塑性变化愈快，压路机愈重则压实效果愈明显。由于温度高、塑性大，压轮在沥青混凝土铺层上所形成的起伏不平现象更明显，以后虽可以用轻型压路机滚压加以纠正，但相关实践证明，这种方法得不到预期效果，故目前采用的不多。
②先轻后重:先用5～6t轻型二轮或三轮压路机在同一位置上滚压5～6遍，然后用7～8t双轮压路机和10～15t三轮压路机在同一地点先后通过15～20遍滚压来完成。相关实践证明，这种压实方法可以使混合料的原有各种成分得到合理的分配，在其温度较高、塑性较大的状态下予以压实。若有纵向起伏不平现象产生，可以采用三轮三轴压路机进行纠正。
压实沥青混凝土应注意:
①严格控制沥青混合料压实温度。
压路机开始滚压的时间，不得迟于混合料摊铺后15min，且必须在规定的滚压温度下进行。倘若滚压温度低于50～70℃时，则滚压已完全不起作用。
②严格控制混合料在运输、摊铺时的温度以保证压实时的应有温度。
沥青混凝土由供应基地运达摊铺地点的施工温度，当大气温度在5～10℃的情况下，运距在10km左右时，混合料的温降约在10～20℃之间，因此在运料途中必须做好保温措施，或用封闭式的倾卸车运输。
由摊铺机摊铺完毕至压实开始，一般需用1～8min，而温度下降1～45℃，即沥青混凝土混合料的温降率平均每分钟达1～5℃。为了缩短摊铺时间，必须有操作技术熟练的摊铺机手和合理的施工组织。
③压路机作业时，不能在同一地点停车多次，以免造成断面上有缺陷，影响压实质量。
④压路机在作业过程中，压轮表面上应涂抹一层特制的乳化剂或水，以免混合料粘附在压轮表面上。
全部工序完成后，应检查路表面是否平整密实、稳定和粗细一致、有无裂缝以及搭缝处是否齐平。待路面质量合格后，在路表面撒少量石粉(既可以填没路表面细空隙，又有防止车轮粘油作用)，使石粉均匀地铺撒在路面上。待温度下降到常温后，即可以开放交通。如采用煤沥青混凝土，为保证路面的完全稳定，则应隔1～2天才开放交通。高温季节施工，尤应注意这一点。
2)碎石铺层的压实
压实碎石铺层，根据施工程序可以分为三个阶段:
第一阶段:主要在于压稳物料，可以使用轻型压路机，无须洒水。此时碎石处于散动状态。
第二阶段:碎石经压实已被挤压得不能移动，碎石相互靠紧，所有空隙亦逐渐被碎石的细颗粒填充。为减少物料颗粒间的摩擦阻力，并提高其粘结性，应使用洒水车进行洒水，但洒水不宜过多。
在此阶段压实时，压路机的行驶速度不宜过高(1.5～2km/h)，压路机质量宜为7～8t，通过25～30次滚压，使铺撒料完全压实。压实的标准可以用以下方法试验:将一颗碎石投入压路机压轮下，压过以后，若石块被压碎而没有压入铺层之中，即算达到第二阶段的压实要求。
达到要求后，即铺撒石渣，并用路刷扫入面层的缝隙。再铺撒5～15mm厚的石屑，同样用路刷扫入小缝隙内。石渣、石屑撒铺厚度为15～20mm。石渣、石屑均不能在沥青混合料未经压实前铺撒，否则非但不能使其与面层上方颗粒楔合，反而会落入碎石路的基层内，使石渣、石屑不起任何作用。
第三阶段:铺撒石渣之后，便开始用10～15t的重型压路机滚压。压实时，必须边洒水边滚压，洒水时洒水车要紧靠压路机之旁，使水直接洒在通道前面，以减小水分的消耗量，一般在干燥气候，每压实碎石1m3，需水150～300L。
达到压实要求的现象是表面平滑，压路机所经之处不留轮迹，面层结合如壳(整体)，敲之会发出钝音。将碎石投入压路机滚轮下会被压碎，而不会被压入碎石层内。
2.轮胎式压路机
轮胎式压路机是一种新型的压路机，国外已广泛应用。轮胎式压路机有增减配重、改变轮胎充气压的特性。所以，对压实砂质土壤和粘性土壤都能起到良好的碾压效果。压实时不破坏土壤原有粘度，使各层间有良好的结合性能。在压实碎石地基时，不破坏碎石的棱角而压成石粉，压实也较均匀。
(1)轮胎式压路机的基本构造
轮胎式压路机实际上是一种多轮胎的特种车辆，如图2.4.3所示。轮胎式压路机是将机械本身的重量传给轮胎后而对工作面作静力滚压的。
轮胎式压路机由发动机、底盘和特制轮胎所组成。底盘包括机架、传动系统、操纵系统、轮胎气压调节装置、制动系统、洒水装置和电器设备等。
轮胎式压路机所采用的轮胎都是特制的宽基轮胎，其踏面宽度是普通轮胎的1.5倍左右，压力分布均匀，从而保证了对沥青面层的压实不会出现裂纹。压路机轮胎前后错开排列。有的前三后四，有的前四后五或前五后六，前、后轮迹相互叉开，由后轮压实前轮的漏压部分。轮胎是由耐热、耐油橡胶制成的无花纹的光面轮胎(压路面)或有细花纹的轮胎(专压基础)，轮胎气压可以根据压实材料和施工要求加以调整。
(2)轮胎式压路机的作业特点
宽基轮胎式压路机的轮胎踏面与铺层的接触面为矩形，而光轮与铺层的接触面为一窄条，因而两者压实作用不同。
在相同的运行速度下，当用充气轮胎滚压时，铺层处于压应力状态的延续时间比用光轮压时要长得多，同时还受充气轮胎的揉压作用，铺层的变形可能随时发生，因而压实所需的遍数可以减少，对粘性材料压实效果较好。在相同工作质量时，充气轮胎的最大压应力比光轮小，铺层材料表面的承载力因而也比较小，这样可以使下层材料得到较好的压实。
1—转向轮;2—发动机;3—驾驶室;4—汽油机;5—水泵;6—拖挂装置;
7—机架;8—驱动轮;9—配重铁
图2.4.3 轮胎式压路机构造简图
在充气轮胎多次滚压时，轮胎的径向变形增加，而铺层的变形由于强度提高而减小。铺层变形的减小将引起轮胎接触面积缩小，从而使接触压力上升，压实终了时压力为第一遍滚压时压力的1.5～2倍。同时，充气轮胎的滚动阻力也随铺层强度的增加而减少，这可以大大地提高滚压效果和压实质量。
3.压路机的使用计算
(1)压实生产率计算
压路机生产率Q(m3/h)是指单位时间(小时)内获得达到压实标准的土的体积。
式中:b——滚压带的宽度(m);
c——滚压带重叠宽度(m)，一般取c=0.15～0.25m;
l——滚压作业路段长度(m);
h——铺层压实后的厚度(m);
v——滚压速度(m/s);
t——转弯调头或换挡时间，一般情况转弯，t=15～20s，换挡t=2～5s;
kB——时间利用率，一般取kB=0.85～0.9;
n——同一作业路段需滚压的遍数。
(2)牵引力计算
拖式压路机所需牵引力T(N)应不小于最不利工况下的各项阻力之和W(N)，即
式中:G0——压路机加载后的质量(kg);
w——压路机运行阻力系数;
α——坡角;
f——碾轮轴承的摩擦系数，f≈0.2;
v——碾压速度(m/s);
t——压路机启动时间，t≈3～5s;
g——重力加速度，g=9.8m/s2。
牵引机(拖拉机)的功率N(kW)按下式计算
式中:G——牵引机的质量(kg);
f1——牵引机与地面的摩擦系数，可以取f1=0.3;
η——机械传动效率，一般取η=0.85。
(3)作业参数的选择计算
光轮压路机作业时所需的质量G0(kg)按下式计算
式中:d——碾轮直径(cm);
b——碾轮宽度(cm);
E0——土料的变形模数，粘性土E0≈20000kPa，非粘性土E0≈(10000～15000) kPa;
σ——土料的允许接触压力(kPa)，一般取σ≤(0.8～0.9)σp，σp为土料的极限强度值，如表2.4.1所示。
表2.4.1 土料的极限强度值表
轮胎压路机作业时应首先根据所压土壤的性质确定轮胎充气压力，再根据轮胎充气压力、个数和尺寸来确定轮胎碾压的质量。一般情况下，碾压粘性土时，轮胎充气压力取500～600kPa碾压，非粘性土时，取200～400kPa。轮胎碾作业时的质量G0(kg)可以按下式计算
式中:α——轮胎刚度影响系数，汽车轮胎取α=1.1～1.2;
p——轮胎充气压力(kPa);
F——轮胎接地面积(cm2)，应通过试验确定;
n——轮胎个数。
2.4.3 振动压实机械
振动压实机械是利用机械的偏心振动装置所产生的高频振动(一般频率为1000～3000次/min)并使其振动频率接近被压实材料的自振频率而引起压实材料的共振，造成土壤颗粒之间的摩擦力大大下降，原来的土壤结构在机械自重与振动频率的共同作用下重新排列，向更稳定的位置移动并填满各颗粒间的空隙，增加了土壤的密实度从而达到压实的目的。
振动压实的效果，取决于振动压实机械本身的重量、所产生振动力的大小、振动机械与被压实材料的和谐程度、材料内聚力以及被压实材料微粒的粒径差等因素，这些因素往往都是确定振实方案和选择振动压实机械时所必须考虑的问题。
振动压实机的优点是压实厚度大，压实质量高，具有很高的生产率，且机械自重小，节省制造材料，最适宜压实各种非粘性土(砂、碎石、碎石混合料)及各种沥青混凝土等。振动压实机是公路、机场、海港、堤坝、铁路等建筑工程和筑路工程必备的压实设备，已成为现代压路机的主要机型，其缺点是不适于振实粘性较强的土壤，驾驶人员易疲劳。
1.振动压路机的分类
振动压路机按行驶方式可以分为自行式振动压路机、拖式振动压路机和手扶式振动压路机;按机器结构质量可以分为轻型、中型、重型和超重型;按驱动轮数量可以分为单轮驱动、双轮驱动和全轮驱动;按传动系统传动方式可以分为机械传动、液力机械传动、液压机械传动和全液压传动;按振动轮外部结构可以分为光轮、凸块(羊脚)和橡胶滚轮;按振动轮内部结构可以分为振动、振荡和垂直振动等。
2.振动压路机的基本构造与工作原理
振动压路机由动力装置、传动系统、振动装置、行进装置和驾驶操纵系统等部分组成。
如图2.4.4所示为YZ4·5型振动式压路机的外形。该型压路机由柴油发动机、传动系统、工作机构(转向轮与兼作振动轮的驱动轮)、机架和操纵系统等组成。机架是由钢板和型钢焊接而成的一个罩形体，柴油机安装在罩体的中部，其后部通过转向立柱和带框架的悬架安装一个小直径的方向轮，前轮则是驱动轮，同时也是振动轮。
振动压路机的传动路线是:柴油发动机的动力，经三角带传动机构传给分动箱4，此后分两路传动:
一路:变速箱→传动链→最终传动齿轮→振动轮滚动;另一路:无级调频装置→三角带传动→振动轮振动。
此传动的特点是，自分动箱4出去的两条动力是各自独立的系统，振动器的振动和振动轮的滚动互不影响。振动轮的行驶与停止，振动器的起振与停振由各自独立的操纵机构来完成。
2.4.4 冲击式压实机械
冲击式压实机械属于一种小型的夯实机械。由于这种机械体积小、重量轻、操作容易、维修方便且压实效果好、生产率高，所以被广泛地应用于建筑、市政工程中无法使用大、中型压实机械压实的场合。目前实际工程中常用的冲击式压实机械有电动蛙式打夯机和内燃打夯机两种。
1—减振环;2—振动轮;3—方向轮;4—分动箱;5—柴油机;6—操纵机构;
7—机架;8—变速箱
图2.4.4 振动式压路机构造简图
1.夯实机械分类
夯实机械按夯实冲击能量大小可以分为轻型夯实机、中型夯实机和重型夯实机;按结构和工作原理可以分为自由落锤式夯实机、振动平板夯实机、振动冲击夯实机、爆炸式夯实机和蛙式打夯机。
2.夯实机械主要结构
(1)蛙式打夯机
电动蛙式打夯机的外形构造如图2.4.5所示，其主要结构由底盘、传动系统、前轴装置、夯头架、操纵扶手、电动机和电气系统等组成。蛙式打夯机是利用偏心块旋转产生离心力的冲击作用进行夯实作业的一种小型夯实机械，具有结构简单、工作可靠、操作容易等特点，因而广泛用于公路、建筑、水利等施工工程。
(2)振动冲击夯实机
振动冲击夯实机由发动机(电机)带动曲柄连杆机构运动，产生上下往复作用力使夯实机跳离地面。在曲柄连杆机构作用力和夯实机重力作用下，夯板往复冲击被压实材料，达到夯实的目的。
振动冲击夯实机分内燃式夯实机和电动式夯实机两种型式。前者的动力是内燃发动机，后者的动力是电动机。其结构都是由发动机(电机)、激振装置、缸筒和夯板等组成。
如图2.4.6所示为HD-60型电动式振动冲击夯实机，主要由电动机1、减速器4、曲柄连杆机构5和6、活塞9、弹簧10、夯板12和操纵机构等组成。电动机动力经减速器4传给大齿轮，使安装在大齿轮轴上的曲柄5、连杆6运动，带动活塞9作上下往复运动，在弹簧力(压缩和伸张)作用下，使机器和夯板跳动，对被压材料产生高频冲击振动作用。
内燃式振动冲击夯实机结构与电动式振动冲击夯实机基本类似，仅动力装置为内燃机。
1—夯头;2—夯架;3，8—三角带;4—底盘;5—传动轴架;
6—电动机;7—扶手;9—三角带轮
图2.4.5 蛙式打夯机外形构造简图
1—电动机;2—电气开关;3—操纵手柄;
4—减速器;5—曲柄;6—连杆;7—内套筒;
8—机体;9—滑套活塞;10—螺旋弹簧组;
11—底座;12—夯板;13—减振器支承器
图2.4.6 HD-60型电动式振动冲击夯实机结构简图
(3)振动平板夯实机
振动平板夯实机是利用激振器产生的振动能量进行压实作业，在工程量不大、狭窄场地得到广泛使用。
振动平板夯实机分非定向夯实机和定向夯实机两种型式，其结构简图如图2.4.7所示，主要由发动机、夯板、激振器、弹簧悬挂系统等组成。其动力由发动机经皮带传给偏心块式激振器，由激振器产生的偏心力矩带动夯板以一定的振幅和激振力振实被压材料。非定向振动平板夯实机是靠激振器产生的水平分力自动前移;定向振动平板夯实机是靠两个激振器壳体中心(两激振器中心)所处位置的不同，使振动平板原地垂直振动或在总离心力的水平分力作用下水平移动。
1—夯板;2—激振器;3—V形皮带;4—发动机底架;
5—操纵手柄;6—扶手;7—弹簧悬挂系统
图2.4.7 振动平板夯实机结构简图
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
