大噸位壓路機碾壓大粒徑填石路基的動力響應

金書濱,張長勝,劉政,喬世范

(1．貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

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大噸位壓路機碾壓大粒徑填石路基的動力響應

金書濱1,張長勝2,劉政1,喬世范2

(1．貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

采用動土壓力盒測量盤興高速公路三標和四標試驗段大噸位壓路機碾壓試驗時的動土應力，進行大粒徑填石路基的動力響應分析。依據應力波在豎向的衰減規律，得出碾壓動應力值的衰減函數；使用簡化模型分析振動碾壓時路基的壓實作用，有限元軟件計算結果和試驗數據驗證了模型的準確性；依據不同施工條件下的動土應力值，得出最佳施工參數，碾壓遍數不低于8遍，最佳攤鋪厚度為100 cm，最大粒徑控制為50 cm，壓路機最大激振力80 t，在此施工條件下可有效提高路基碾壓的施工質量。

振動壓實; 大粒徑填料; 填石路基; 動力響應

近年來，大量工程實踐表明大噸位壓路機碾壓大粒徑路基有顯著的經濟效益和壓實效果。振動壓路機壓實機理[1]是其振動器在平衡位置來回作用，從而產生強大的沖擊力作用于路基面上；路基填料受沖擊波[2-5]的作用克服了摩擦力和慣性力，使小顆粒填料不斷填充到大粒徑填料空隙中，顆粒間的空隙率不斷減小，填料在荷載影響下重新分布，從而提高了填石路基的壓實質量。振動壓路機壓實路基時，填料受沖擊波作用獲得相應的振動頻率，沖擊能隨深度方向逐步遞減。影響路基壓實質量因素[6]較多：激振力、振動作業次數、碾壓層厚、粒徑。

80年代初，我國開始修筑粗顆粒填石路基，但對路基填料的施工工藝、質量檢測的研究都是基于細填料基礎上。近年來，通過工程實踐、現場試驗和理論研究，在粗填料碾壓技術上取得了一定的成果[6]。國外學者對粗顆粒路基施工進行了大量的研究[7-9]，英國運輸部針對粗填料和填土石進行了分類；澳大利亞在路基施工中控制大粒徑填料直徑為25 cm；日本在粗填料和填土石施工作業中采用了質量和施工工藝控制。

盤興高速公路施工中將山區挖方碎石料作為路基填料以便減少施工成本。碎石料可作為良好的路基填料，具有強度高、工后沉降小、壓實效果好等工程特征[10]。山區高速公路施工最大粒徑和攤鋪厚度的控制往往依據經驗確定，缺乏研究[11]。為確保施工質量，檢測大粒徑路基碾壓壓實效果，擬進行大粒徑填石路基的動力響應分析，以便有效指導大粒徑填石路基作業和提高路基壓實質量，對此類施工作業和質量控制提供參考。

1　動土壓力盒的測試方案

現場試驗區段為貴州盤興高速公路三標段k52+636 ～ k52+664和四標段k80+320 ～ k80+340。三標段和四標段填料分別為灰巖、紅砂巖，路基填方面積大，石料強度高。

因為現場的填料主要為大粒徑的碎石，本試驗選用的動土壓力盒為雙模電阻應變式，最大測量值為600 kPa。碾壓試驗采取分層碾壓法，并且每層至少埋設一個動土壓力盒。為了獲取合適的攤鋪厚度，首先第一層嚴格按照規范規定的80 cm為一層，上面三層的攤鋪厚度分別為100,120,150和200 cm。圖1為動土壓力盒埋設示意圖。把最下面一層嚴格按照現行規范進行施工，認為壓實質量是達到要求的，定義為標準層。試驗過程中上面幾層的壓實后所測得的動土壓力與標準層的動土壓力進行對比，以評價不同的攤鋪厚度的壓實效果。由于碾壓試驗有多組對比試驗，不同斷面的動土壓力盒埋設和攤鋪厚度不同，為保證動土壓力盒測量準確和周圍石料不產生土拱效應。需確保動土壓力盒埋設水平，壓力盒上部和下部需鋪撒5 cm左右的細料，動土壓力盒測試線由旁邊引出，并用細料掩埋。

圖1　儀器布置示意圖Fig.1 Instrument layout

現場采用東華DH5937采集儀和DHDAS測試系統測量大粒徑填石路基的動土應力值。試驗采用大噸位壓路機的型號為Y-21、XG-626M，最大激振力分別為80 t和60 t。

2　碾壓動力響應分析

2.1動應力隨碾壓遍數的變化規律

壓路機型號為Y-21，試驗斷面為四標k80+340，攤鋪厚度為1.0 m，最大粒徑為65 cm。動土應力值變化規律如圖2所示。

圖2　動土應力峰值與碾壓遍數的關系Fig.2 Relationship between the dynamic earth stress and the times of rolling

試驗結果表明，碾壓遍數為1-3遍時，動土應力值衰減呈線性變化，動土應力值由260 kPa下降到224 kPa；碾壓作業4-6遍時，應力值變化較緩慢；碾壓作業7-8遍時，應力值趨于平緩，應力值增加量可忽略。分析發現繼續振動壓實作業，應力值呈減小趨勢，在施工作業為7-8遍時趨于穩定。曲線變化規律間接表明隨著沖擊波的作用，大顆粒間的空隙被細顆粒填充，顆粒間振動受到的約束逐漸增大，填料的壓實質量提高明顯，在振動碾壓作業8遍后，路基的壓實質量趨于穩定。

2.2不同施工參數下動土應力變化規律

本試驗采用壓路機型號為Y-21，XG-626M，試驗區段為盤興高速三標、四標。試驗數據顯示，當攤鋪厚度大于150 cm，動土應力值已經不明顯，所以試驗數據中未統計攤鋪層200 cm的動土應力值，試驗數據如表1所示：

表1　不同條件的動土應力值統計

2.2.1動土應力值隨攤鋪厚度變化

試驗數據顯示攤鋪厚度為80cm時，動土應力值大于230kpa；攤鋪厚度大于100cm時，動土應力值發生明顯的衰減。結合試驗斷面K80+320和試驗斷面K52+636數據分析：當攤鋪厚度由80cm增加到100cm時，動土應力值衰減明顯，動土應力值降低了15.6%和19.7%；當攤鋪厚度增加到120cm時，動土應力值降低非常明顯，此時動土應力值占最大值的52.5%和45.5%。試驗斷面K80+340和試驗斷面K52+664數據分析：當攤鋪厚度由100cm增加到110cm時，動土應力值降低了24.3%和22.6%；當攤鋪厚度增加到120cm時，此時動土應力值占最大值的62.9%和60%，以上數據表明大粒徑填石路基的攤鋪厚度不易大于100 cm，同時不應大于120 cm。

2.2.2最大粒徑變化對動土應力值影響

在攤鋪層100cm，最大粒徑65 cm時，試驗測得動土應力值為210和195kPa；而最大粒徑為50cm時，測得應力值為206和187kPa。動土應力值降低了1.9%和4.1%。攤鋪厚度為120cm時，最大粒徑由65cm減小到50cm，動土應力值降低了3.1%和9.4%。試驗結果表明最大粒徑越小，動土應力值越小。動土應力值越小間接反應填料間約束力越大，其壓實效果越好。

2.2.3壓路機噸位對動土應力值的影響

攤鋪厚度為100cm，壓路機最大激振力為60 t時，測得動土應力值為187和195kPa；壓路機最大激振力為80t時，測得動土應力值為206和210kPa，動土應力值增加了10.2%和7.7%；攤鋪厚度為120cm時，增大壓路機激振力，動土應力值分別增加了20.8%和12.8%。研究表明增加壓路機最大激振力，可顯著提高壓路機對路基的沖擊能，改善路基的壓實效果。

2.3不同深度下動土應力變化規律

2.3.1現場試驗數據

本試驗采用壓路機型號為XG-626M，試驗區段為三標k52+664斷面。為更好分析動土應力隨深度的變化規律，在不同攤鋪層埋設動土壓力盒，其中第一層埋設了7個動土壓力盒，其余各層埋設1個動土壓力盒，動土壓力盒埋設深度為0.5，0.8，1，1.2，1.5，1.8，2，3.3，4.5，5.5和6.3 m。碾壓后測量的動土應力值如表2所示。

分析表2試驗數據，在深度為0.5 m時測得動土應力最大值為347 kPa；深度為1.2 m時，動土應力值為122 kPa，占最大測量值的35.2%；1.5 m時動土應力值衰減到78 kPa，占最大測量值的22.5%；深度為2 m時，動土應力值衰減到37 kPa，占最大測量值的10.6%。研究表明深度小于1.2 m時，測量的動土應力值比較明顯，占最大測量值的35%，試驗表明壓路機振動產生的沖擊能隨深度方向衰減很快。

表2　動土應力隨深度變化

2.3.2振動壓實機理和動應力衰減

振動壓實過程中，路基填料受振動作用獲得振動加速度：

(1)

壓路機獲得的額外作用力為：

I=-mAω2cos(ωt+β)

(2)

壓路機對地面作用荷載為：

(3)

式(3)中：A為振幅；ω為振動頻率；β為相位角；t為時間；m為壓路機質量。

壓路機對地面作用的最大荷載為：

F=G+I=mg+mAω2

(4)

假定在Δt作用時間內，壓路機對地面作用力均勻分布在寬度為L的區間上，壓路機行駛速度為V，壓路機作用效果可簡化如圖3所示：

圖3　碾壓簡化模型Fig.3 Simplified model of rolling

壓路機對路基作用最大初始應力為：

(5)

壓路機振動施工作業時，產生周期荷載作用于壓實路基，每個周期荷載作用于路基填料時，填料中就產生一個沖擊波，沖擊波將隨著填料在深度方向傳遞和擴散。參考相關文獻，沖擊波在土體中衰減呈指數衰減，不同深度下的動應力幅值為：

(6)

式中：H為測點距震源的垂直距離；σd0為初始動應力；K為動應力衰減系數。

壓路機碾壓施工時，應力波在同一填料的傳播過程中，其碾壓速度和碾壓頻率都不會改變，即σd0大小不變。綜合以上式子和原理得到動應力值和深度之間的關系：

σdmax=σd0e-kh

(7)

圖4的曲線顯示，動土應力值在豎向衰減很快。分析動土應力值和深度之間的擬合曲線，相關性系數R2為0.981，相關性非常好。結果表明動土應力值衰減規律和公式(7)符合，碾壓時動土應力值衰減呈指數衰減。

圖4　動應力與深度的關系Fig.4 Relationship between dynamic stress and depth

3　碾壓壓實有限元簡化計算

3.1簡化原理

依據圖3簡化模型，將壓路機勻速施工作業，簡化為在質點受三角形周期沖擊荷載的作用，其中長度為L，寬度為vt，為保證計算結果的準確性，vt應小于壓路機振動輪寬度，T為一個振動周期，作用總時間為t，如圖5所示：

圖5　碾壓等效荷載Fig.5 Equivalent load of rolling

其中

(8)

(9)

受沖擊力作用路基結構的力學分析為：

(10)

使用Rayleigh阻尼分析計算，由式(10)可得：

(11)

(12)

由(12)式可得：

(13)

(14)

為簡化書寫引入相關符號：

則式(14)簡化為:

(15)

求解路基結構的力學方程得到：

(16)

3.2ABAQUS有限元分析驗證

使用ABAQUS軟件分析碾壓試驗過程，壓路機最大激振力為60 t，采用Drucker Prager計算模型，計算參數如下表3所示，圖6為有限元計算模擬的應力圖：

表3　碾壓有限元計算參數

圖6　碾壓豎向應力圖Fig.6 Rolling vertical stress diagram

通過ABAQUS模擬壓路機碾壓試驗，應用有限元軟件計算出動土應力值，分析壓路機正下方動應力值，如圖6路徑所示。圖7為有限元計算動土應力值與試驗值分析對比。

對比有限元計算出的數據和實測數據，研究表明通過簡化模型計算出的碾壓動土應力值衰減變化規律和實測值吻合，可用簡化模型分析碾壓時的受力情況。

圖7　計算和實測動土應力隨深度方向變化Fig.7 Calculated and measured stress with depth direction changes

4　結論

1)依據動土應力值的變化規律，填石路基最佳碾壓遍數不宜低于8遍；大粒徑填石路基最佳攤鋪厚度為100 cm，最大攤鋪厚度不大于120 cm；最大粒徑越小，填石路基的壓實效果越好，最大控制粒徑為50 cm；提高壓路機激振力能顯著提高振動沖擊能，確保壓實質量。

2)依據應力波在豎向衰減規律，對試驗數據進行了回歸分析得到動應力值衰減函數，相關線性系數R2為0.981。

3)對壓路機施工作業過程進行了力學簡化，分析了填石路基受力情況。使用有限元軟件ABAQUS進行動力響應分析，結果驗證了簡化模型的可靠性。

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The dynamic response of large diameter fill subgrade by large tonnage rollers

JIN Shubin1, ZHANG Changsheng2, LIU Zheng1, QIAO Shifan2

(1. Guizhou Highway Engineering Group Co., Ltd, Guiyang 550008, China；2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China )

The dynamic stress of the soil in the third and fourth sections of Pan-xing highway was measured using the earth pressure cell during the rolling test. Based on the attenuation law of stress wave in the vertical direction, the energy attenuation function of dynamic stress was derived. A simplified model was established to analyze the compaction effect. A comparison was made with the measured values, which validated the accuracy of the model. The results were the number of rolling repetitions of no less than 8 times, optimum paving thickness of 100cm, the maximum particle size controlled to 50cm, roller maximum exciting force of 80t, and the construction parameters determined by the research results could effectively improve the quality of subgrade compaction.Key words: vibratory compaction; large particle size filler; rock fill subgrade; dynamic response

2015-12-28

貴州省交通廳科技資助項目(2015-122-047)

喬世范(1975-)，男，山東莒南人，教授，從事環境巖土工程及巖土信息三維可視化仿真技術等方面的教學和科研工作；E-mail:qiaoshifan@163.com

TU47

A

1672-7029(2016)09-1743-06