Frekvensstyrning av vibrationsvältar och vibroplattor för packning av friktionsjord

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Frekvensstyrning av vibrationsvältar och vibroplattor för packning av friktionsjord"

Nils Fredriksson
för 5 år sedan
Visningar:

1 Frekvensstyrning av vibrationsvältar och vibroplattor för packning av friktionsjord SGF Öst Julföredrag Carl Wersäll Avd. Jord och Bergmekanik Skolan för Arkitektur och Samhällsbyggnad, KTH

Bakgrund Vibrationsvältar packar jorden med vibrationer som skapas av en roterande massa i valsen. Vibrationsfrekvensen är normalt en fast, ickevariabel parameter.

Den optimala packningsfrekvensen är okänd och har inte undersökts sedan 196 talet.

2 Bakgrund Vibrationsvältar packar jorden med vibrationer som skapas av en roterande massa i valsen. Vibrationsfrekvensen är normalt en fast, ickevariabel parameter. Frekvensen är central i alla dynamiska system men packningsfrekvensen baseras snarare på tradition och mekaniska aspekter snarare än geotekniska och geodynamiska egenskaper. Den optimala packningsfrekvensen är okänd och har inte undersökts sedan 196 talet. Frekvensens påverkan på jordpackning med vibrationsvältar och plattor har studerats i småskaleförsök och fullskaleförsök. Kan resonans utnyttjas för att erhålla en mer effektiv packningsprocess? Resonanspackning har tillämpats inom djuppackning med goda resultat. Magnification factor, M' (-) % 1% 2% 3% 5% 1% 2% Dimensionless frequency, (-) 2

dynamisk last Frekvenssvep Konstant svängningshastighet med frekvens Torr sand Mer likt vältpackning

3 Packningsförsök med vibrerande platta A Småskaleförsök A Elektrodynamisk oscillator B Småskaleförsök B Roterande excentermassor Hög kontrollerbarhet Lägre kontrollerbarhet Liknar ej vältpackning Låg dynamisk last Frekvenssvep Konstant svängningshastighet med frekvens Torr sand Mer likt vältpackning Hög dynamisk last Diskreta frekvenser Kraften ökar med frekvensen i kvadrat Torr sand och optimal vattenkvot 3

4 Försöksserie A Signifikant ökning av packningseffektiviteten vid resonansfrekvensen Wersäll, C. and Larsson, S. (213), Small Scale Testing of Frequency Dependent Compaction of Sand Using a Vertically Vibrating Plate, Geotechnical Testing Journal, Vol. 36, No. 3, pp

5 Försöksserie B Wersäll, C., Larsson, S., Rydén, N. and Nordfelt, I., 215, Frequency Variable Surface Compaction of Sand Using Rotating Mass Oscillators, Geotechnical Testing Journal, Vol. 38, No. 2, 215, pp F = m e e Settlement (mm) Resonans 1 Dry sand, 12 cm Wet sand, 12 cm Dry sand, 25 cm Frequency (Hz) 5

6 Fullskaleförsök 6

7 Fullskaleförsök Jordpackningsförsök med en 121 kg vibrerande enkelvalsvält 9 fasta frekvenser 2 förberedande överfarter (28 Hz) 6 överfarter per försök Frekvenser Hz Uppluckring mellan försök 1 sveptest med variabel frekvens (12 överfarter) Bärlagergrus av månggraderat krossat berg 32 mm Sättningar mätta med avvägning Densitet uppskattad med horisontell isotopmätare Dynamiska mätningar på valsen 7

8 Dynamiska mätningar på valsen Vertical root mean square displacement, u RMS : mm st pass 2nd pass 3rd pass 4th pass 5th pass 6th pass Frequency, f: Hz RMS displacement amplitude, u RMS : mm Increasing number of passes First pass Frequency, f: Hz Wersäll, C., Nordfelt, I. and Larsson, S., 216, Soil Compaction by Vibratory Roller with Variable Frequency, Géotechnique (in press). 8

9 Sättning Resonans Dubbelhopp En sänkning av frekvensen kan sänkas med 13 Hz ger: Bättre packningseffektivitet Lägre energi /bränsleförbrukning och mindre miljöpåverkan Längre livsläng för välten (upp till 4 gånger) Undvikande av dubbelhopp 9

10 Densitetsmätning 11

11 Densitetsmätning 12

12 Densitetsvariation med djupet Depth (mm) Hz 17 Hz Hz 2 Hz 3 22 Hz Hz 28 Hz 4 31 Hz 35 Hz Density increase (kg/m 3 ) 13

13 Ekvivalentlinjär modell Resonanseffekten beror på förhållandet mellan packningsfrekvensen och resonansfrekvensen. Resonansfrekvensen beror på vältens och jordens egenskaper. För att implementera frekvensvariabel packning är det fördelaktigt att kunna förutsäga resonansfrekvensen, vilken ger den optimala packningsfrekvensen. Stora töjningar och hög ickelinjäritet elastiska metoder är olämpliga. FE/DE metoder är tids och resurskrävande Ekvivalentlinjära metoder är ett lämpligt alternativ Acceleration (g) Displacement (mm) (a) Frequency (Hz) (b) c S = 5 m/s c S = 1 m/s c S = 2 m/s Frequency (Hz) 14

14 Dynamisk respons i småskaleförsök Displacement, u (mm) Measured Calculated Elastic c S = 111 m/s Displacement, u (mm) Measured Calculated Elastic c S = 112 m/s Frequency, f (Hz) Frequency, f (Hz) Displacement, u (mm) Measured Calculated Elastic c S = 113 m/s Displacement, u (mm) Measured Calculated Elastic c S = 118 m/s Frequency, f (Hz) Frequency, f (Hz) 15

15 Dynamisk respons i fullskaleförsök Measured Calculated Frequency (Hz 16

16 Slutsatser (1/2) Frekvensvariabel jordpackning med vältar och plattor har studerats i 25 småskaleförsök och 1 fullskaleförsök med varierande material och lastförhållanden. Ytpackning är frekvensberoende med en förstärkt packningseffektivitet nära systemets resonansfrekvens. Förstärkningen beror på belastningsförutsättningarna. Den optimala packningsfrekvensen är nära resonansfrekvensen. I denna studie kunde vältens drifttid minskas med 2 3 % genom att sänka frekvensen. Att sänka frekvensen leder till en mer effektiv packning och en betydande reduktion av energiförbrukning och maskinslitage. Att packa nära resonansfrekvensen kan ha en positiv effekt på att erhålla en jämn densitetsfördelning med djupet. 17

17 Slutsatser (2/2) Om resonansfrekvensen kan förutsägas kan resonanseffekten kvantifieras för alla förutsättningar och en lämplig packningsfrekvens bestämmas på förhand. En ekvivalentlinjär metod föreslås för att förutsäga resonansfrekvensen. Den ekvivalentlinjära metoden verkar också kunna förutsäga dynamiska kvantiters frekvensrespons med acceptabel noggrannhet. Det finns ingen direkt korrelation mellan någon dynamisk kvantitet och packningsgraden. Centrifugalkraften är således ett vilseledande mått på packningskapaciteten. 18

Relevanta dokument

Detta bör du veta om markvibrationer

Detta bör du veta om markvibrationer Carl Wersäll, KTH/GRV 11 mars 2015 Markvibrationskommittén Kommitté inom Svenska Geotekniska Föreningen (SGF) Arbetar för att sprida kunskap om markvibrationer Anordnar