王翔，馮甲鑫，鞠鵬（1.青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東　青島　66033；.中交一航局第二工程有限公司，山東　青島　66071）

海上拋石基床振動(dòng)密實(shí)試驗(yàn)研究

王翔1，2，馮甲鑫2，鞠鵬2
（1.青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東青島266033；2.中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

海上拋石基床振動(dòng)密實(shí)在國(guó)內(nèi)是一種創(chuàng)新的施工工藝，具有夯實(shí)效率高等特點(diǎn)。文章研究了振動(dòng)錘各參數(shù)對(duì)拋石基床密實(shí)整平的影響，分析了振動(dòng)錘選型的原則，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

拋石基床；振動(dòng)密實(shí)；設(shè)備選型

振動(dòng)密實(shí)整平就是利用振動(dòng)密實(shí)的原理將原本凹凸不平的塊石，通過振動(dòng)將塊石從新排列嚙合，使基床表面達(dá)到平整的方法。

在國(guó)外尤其是日本，在20世紀(jì)70年代，就已經(jīng)將振動(dòng)密實(shí)技術(shù)應(yīng)用于拋石基床的高精度整平的施工，通過近幾十年的發(fā)展，形成了一系列的振動(dòng)整平裝備。國(guó)內(nèi)振動(dòng)密實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用于陸地工程[1]，如公路、鐵路路基回填。海上拋石的密實(shí)技術(shù)主要采用水下爆夯、夯錘的形式，隨著國(guó)內(nèi)振動(dòng)錘設(shè)備的應(yīng)用，將振動(dòng)錘應(yīng)用于海上拋石的密實(shí)工藝也嶄露頭角，但是將振動(dòng)密實(shí)技術(shù)應(yīng)用于海上拋石高精度整平還未起步。

1　振動(dòng)錘各參數(shù)對(duì)拋石基床振動(dòng)密實(shí)的作用

目前國(guó)內(nèi)振動(dòng)密實(shí)的研究大部分針對(duì)土振動(dòng)理論研究，從原理上分析了振動(dòng)對(duì)土體密實(shí)的影響，還沒有針對(duì)振動(dòng)錘與塊石作用的相關(guān)理論，但土的振動(dòng)密實(shí)與塊石的振動(dòng)密實(shí)原理基本相同。

1.1振幅

振幅就是振動(dòng)錘的振動(dòng)幅度。對(duì)于密實(shí)塊石作用的是全部參振質(zhì)量的實(shí)際工作振幅。參振質(zhì)量（包括振動(dòng)錘本體、夯板、連接結(jié)構(gòu)等）的振幅足夠大時(shí)，才有可能激勵(lì)塊石達(dá)到需要的振幅。所謂密實(shí)需要的振幅是指至少需破壞塊石間弱化摩擦力的作用，使足夠大的力能夠傳遞到塊石深處，從而產(chǎn)生更好的密實(shí)效果。振幅過小會(huì)造成表層及較上層過早密實(shí)，弱化對(duì)深層塊石的影響，從而影響密實(shí)效果。實(shí)驗(yàn)證明振幅對(duì)于密實(shí)效果影響顯著。

振幅對(duì)密實(shí)效果的影響，由于塊石的種類、級(jí)配不同，需要的振幅也不相同，但業(yè)界普遍認(rèn)為振幅不能小于3 mm。

1.2密實(shí)頻率

密實(shí)頻率的選擇原則是使強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率盡可能接近塊石的自振頻率，目的在于引起共振，這時(shí)振動(dòng)衰減最小，且使塊石達(dá)到最大振幅，密實(shí)效果好，但是由于拋石基床的塊石大小不盡相同，在實(shí)際施工中很難確定最佳的頻率[2]。

1.3激振力

基床拋石的塊石呈單粒結(jié)構(gòu)，壓縮性低，強(qiáng)度高，力學(xué)性能穩(wěn)定，塊石之間沒有黏聚力，當(dāng)外力大于塊石間的摩擦力時(shí)，可以使塊石間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，此時(shí)振動(dòng)錘的激振力如果大于塊石之間的摩擦力，即可以使塊石重新排列，縮小孔隙率，實(shí)現(xiàn)密實(shí)效果。對(duì)塊石的壓力包括全部參振重量產(chǎn)生的激振力（振動(dòng)錘本體、夯板、連接結(jié)構(gòu)）及其他外力。一般來說，激振力越大振動(dòng)的密實(shí)效果越好[3]。

1.4振動(dòng)時(shí)間

對(duì)于振動(dòng)錘作用塊石的密實(shí)作用，除了上述參數(shù)的影響，振動(dòng)時(shí)間也是非常重要的參數(shù)[4]，只有達(dá)到了一定的振動(dòng)時(shí)間，振動(dòng)錘的作用才能傳遞到拋石基床的深層，從而達(dá)到最好的密實(shí)效果。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)塊石的持續(xù)時(shí)間3 min時(shí)對(duì)塊石效果最好，如果時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)造成周圍塊石拱起，影響密實(shí)效果。實(shí)際施工中的時(shí)間控制需要根據(jù)典型施工確定。

2　振動(dòng)整平設(shè)備振動(dòng)錘的選擇原則

振動(dòng)錘的選擇直接影響振動(dòng)整平效率以及成本。

2.1振動(dòng)錘的選擇原則

2.1.1振動(dòng)整平設(shè)備結(jié)構(gòu)

不同的振動(dòng)整平設(shè)備機(jī)構(gòu)，可選擇不同類型的振動(dòng)錘。如果振動(dòng)錘位于水下工作，則優(yōu)先選擇液壓振動(dòng)錘，充分利用液壓振動(dòng)錘防水的特性，如果振動(dòng)錘位于水上，液壓錘、電動(dòng)錘均可選擇。2.1.2設(shè)備自身的性能參數(shù)

設(shè)備自身的性能參數(shù)對(duì)于振動(dòng)錘類型的選擇十分重要，可以說對(duì)振動(dòng)整平能力起著至關(guān)重要的作用（是否能適應(yīng)更大拋石高差）。電動(dòng)錘與液壓振動(dòng)錘的區(qū)別，在激振力相同情況下，電動(dòng)錘是利用低頻率、大偏心力矩達(dá)到設(shè)計(jì)的激振力，而液壓振動(dòng)錘是利用高頻率、小偏心力矩達(dá)到設(shè)計(jì)的激振力，這就是兩種振動(dòng)錘在參數(shù)上的重大區(qū)別。偏心力矩對(duì)振幅的影響特別大，而振幅對(duì)于振動(dòng)密實(shí)是重要的參數(shù)。

2.1.3設(shè)備成本

相同激振力的液壓振動(dòng)錘的成本相對(duì)電動(dòng)振動(dòng)錘要高出近一倍。

2.1.4起重能力

如果設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)采用船上起重設(shè)備進(jìn)行移位，由于起重能力限制，可優(yōu)先選用液壓振動(dòng)錘，因同激振力液壓振動(dòng)錘重量要比電動(dòng)振動(dòng)錘輕1/3。

2.2振動(dòng)錘具體型號(hào)的選擇

關(guān)于振動(dòng)錘參數(shù)對(duì)振動(dòng)密實(shí)整平拋石基床的影響，首先從原理上分析起重要作用的參數(shù)，可借助振動(dòng)錘打樁的相關(guān)公式進(jìn)行分析。

振動(dòng)密實(shí)整平的原理，類似于振動(dòng)錘振沉混凝土方樁，端阻力占主要部分，必須保證激振力大于動(dòng)端阻力。動(dòng)端阻力計(jì)算公式為[5]：

式中：I為振動(dòng)動(dòng)量。

從式（1）可以看出，振動(dòng)動(dòng)量對(duì)于塊石的動(dòng)端阻力影響最大。

根據(jù)激振力F、偏心力矩K、角速度ω和振動(dòng)動(dòng)量I的計(jì)算公式，可以推出式（2）、（3）。

公式（2）得出：在激振力一定的情況下，角速度ω越小，I越大。

公式（3）得出：在激振力一定的情況下，偏心力矩K越大，I越大。

所以在選擇振動(dòng)錘時(shí)，要選擇頻率低，偏心力矩大的振動(dòng)錘，有利于減小塊石的動(dòng)端阻力，提高拋石基床的密實(shí)效果，這與各參數(shù)對(duì)于振動(dòng)密實(shí)的影響分析是相符的。

目前振動(dòng)錘主要存在兩種類型，液壓振動(dòng)錘和電動(dòng)振動(dòng)錘，兩種振動(dòng)錘的原理相同，性能參數(shù)不同。在激振力相同情況下，電動(dòng)錘是利用低頻率，大偏心力矩，達(dá)到設(shè)計(jì)的激振力，而液壓振動(dòng)錘是利用高頻率，小偏心力矩來達(dá)到設(shè)計(jì)的激振力，這就是兩種振動(dòng)錘在參數(shù)上的區(qū)別。

總之，振動(dòng)錘的選擇必須綜合考慮，忽略任何一個(gè)參數(shù)，都有可能造成振動(dòng)密實(shí)整平的效果不理想。

3　不同類型振動(dòng)錘對(duì)振動(dòng)密實(shí)壓縮量的對(duì)比試驗(yàn)

為了更好說明上述振動(dòng)錘選錘原則的正確性，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。

3.1液壓振動(dòng)錘密實(shí)試驗(yàn)

3.1.1試驗(yàn)條件

1）塊石重量10～100 kg，平均堆厚2.0 m，頂面尺寸為11 m×11 m。

2）采用2臺(tái)APE200-6振動(dòng)錘進(jìn)行密實(shí)試驗(yàn)，最大激振力約4 000 kN，夯板尺寸為5.0 m× 2.5 m，試驗(yàn)中采用激振力為150 kN/m2。

3）在水中進(jìn)行，石料底部為砂層，石料堆積于鋼圓筒內(nèi)，石料處于無約束狀態(tài)。試驗(yàn)狀態(tài)見圖1。 3.1.2試驗(yàn)結(jié)果

圖1　液壓振動(dòng)錘工作狀態(tài)Fig.1　Working positions of hydraulic vibrating hammers

經(jīng)過試驗(yàn)，并扣除砂層的沉降，統(tǒng)計(jì)得石料的平均壓縮量為257 mm，夯沉率為13.4%。

3.2電動(dòng)振動(dòng)錘密實(shí)試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)條件

1）塊石重量為10～100 kg，平均堆厚2.3 m，試驗(yàn)槽長(zhǎng)5.625 m，寬4.8 m，高3.3 m。

2）采用DZJ135電動(dòng)振動(dòng)錘進(jìn)行振動(dòng)密實(shí)試驗(yàn)，夯板尺寸為1.41 m×1.41 m，試驗(yàn)中采用的激振力為150 kN/m2。

3）試驗(yàn)在鋼制試驗(yàn)槽中進(jìn)行，石料周圍均為鋼板，處于約束狀態(tài)，試驗(yàn)槽底部無沉降。試驗(yàn)狀態(tài)見圖2。

圖2　電動(dòng)振動(dòng)錘工作狀態(tài)Fig.2　Working positions of electrical vibration hammers

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)統(tǒng)計(jì)石料平均壓縮量為336 mm，夯沉率14.6%。

3.3試驗(yàn)中振動(dòng)錘參數(shù)的比較

試驗(yàn)中使用的振動(dòng)錘分別是雙APE200-6液壓振動(dòng)錘聯(lián)動(dòng)與DZJ135電動(dòng)振動(dòng)錘。參數(shù)對(duì)比見表1。

表1　參數(shù)對(duì)比表Table 1　Comparison of parameters

3.4分析

從表1數(shù)據(jù)可以看出，在單位面積激振力相同的情況下，振動(dòng)沖量相差近1倍。電動(dòng)振動(dòng)錘試驗(yàn)是在試驗(yàn)槽中進(jìn)行的，試驗(yàn)槽為鋼制，且埋入土中，石料為四周約束；液壓振動(dòng)錘試驗(yàn)數(shù)據(jù)為石料處于無約束狀態(tài)。電動(dòng)振動(dòng)錘試驗(yàn)條件比液壓振動(dòng)錘更為嚴(yán)苛，但夯沉率結(jié)果電動(dòng)振動(dòng)錘仍略大，從而證明了在激振力相同的情況下振動(dòng)沖量對(duì)振動(dòng)密實(shí)有一定影響。

4　結(jié)語(yǔ)

1）進(jìn)行了振動(dòng)錘各參數(shù)對(duì)振動(dòng)密實(shí)的影響分析，為振動(dòng)密實(shí)的機(jī)理分析提供了基礎(chǔ)。

2）通過對(duì)振動(dòng)錘參數(shù)的分析，初步總結(jié)出振動(dòng)錘選錘原則，并結(jié)合振動(dòng)錘打樁公式，分析了對(duì)振動(dòng)密實(shí)影響較大的參數(shù)。

3）通過試驗(yàn)對(duì)比，證明了通過動(dòng)端阻力公式分析確定振動(dòng)錘的選錘原則是正確的。

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Experimental study of vibrocompaction of offshore rubble-mound foundation bed

WANG Xiang1,2,FENG Jia-xin2,JU Peng2
（1.College of Mechanical Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao,Shandong 266033,China; 2.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China）

Vibrocompaction of offshore rubble-mound foundation bed is a new technology at home,which is characterized by its higher efficiency of compaction.This paper studies the influence of various parameters of vibro-hammers on the compaction and leveling of rubble-mound foundation bed and analyzes the principle for vibration hammer selection.The results of the study are verified by experiments.

riprap foundation bed;vibrocompaction;equipment selection

U655.3

A

2095-7874（2016）08-0050-04

10.7640/zggwjs201608012

2016-01-15

2016-04-27

浙江省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015J06，2013W02）；水利部公益性行業(yè)項(xiàng)目（201501043）

王翔（1983— ），男，河北保定人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)楹Ｉ鲜┕ぱb備研究。E-mail：Wangxiang217@126.com