基于填石路基施工技術的公路施工研究

王志建

（福建巧匠建筑工程有限公司,福建 三明 365000）

0 引言

隨著中國公路建設迅速發展，山區公路建設也越來越普遍。在山路建設過程中會產生大量棄石，若不合理處理將對周圍生態環境造成破壞。為了實現該建筑工程的利益最大化，可以利用填石路基的施工技術將棄石用于鋪設路面和修筑路基。與傳統的土石路基相比，填石路基在碾壓過程中存在一些差異。由于碎石顆粒的形狀和尺寸不同，粗料比較多、含石比例大、碾壓過程中土石的勻稱性不夠好，導致土石的破壞比例和孔隙比例較高。因此，在對道路進行壓實工藝時，填石路基與常規的土石路基有很大的區別。此外，由于施工性能指標的檢測結果分散性較大，也會導致檢測結果的精度下降。通過對某路面的填石路基施工碾壓技術施工，可以計算出碎石道路上不同碾壓速率下的壓力影響因素和道路系數的變化，從而設定適當的壓路機技術參數。在公路填石路基中，碎石顆粒呈散體特征，因此，項目組使用了EDEM 軟件來體現顆粒的三維模型，并采用離散單元方式對碾壓施工技術進行研究。從碎石顆粒的應力場和流速場兩個角度，對其進行了分析，得到了在不同碾壓參數下的基礎關系。希望這些研究結果能為未來山區公路填石路基碾壓工程提供參考。

1 工程概況

以某山區的公路工程為例，其路面全線長是14.865 km。該公路屬于山腳下山丘地域，地形地貌比較復雜，所以該地段周圍有較多的巖石，為了確保該工程的施工效率以及成本，最終選用填石路基技術來實施公路施工。施工單位為了保證施工質量，必須做好每個公路路基施工作業環節。

2 構建山區公路填石路基壓實模型

2.1 山區公路路基種類

山區公路的填石路基通過選擇規定區域內的粒徑碎石作填料，結合堆積和擠壓的方式而形成。碎石填料壓實是通過物理的作用下，讓碎石顆粒達到緊密性較好的效果，而從微觀層面來看是碎石顆粒間的剪切、移動、嵌擠的一個過程，從宏觀層面來看是指路基的松鋪層變薄。所以說，路基填筑工程更多地體現出散體運動過程。

2.2 構建離散化模型

離散單元法（EDEM）屬于典型的離散性化軟件[1]，能夠與各種流體動力學模擬軟件相結合。主要用于物料的堆積、壓實以及粒子的運輸。由于道路地基上的碎石填充物是一種離散的顆粒，因此，對地基進行碾壓操作也是離散的運動方式。于是，利用EDEM 的方法對公路基礎碾壓夯實的過程進行了模擬研究[2]，從而得到了顆粒與夯實過程接觸力以及夯實程度的變動狀況等。根據施工現場可知，篩選得出填料級配組成（如表1 所示）。而在實際鋪筑基礎施工的過程中，必須對顆粒較大的顆粒使用壓路機進行二次破碎方可通過，該路面的碎石最大粒度為200 mm。為了把計算速度提升上來，把5 mm以內的巖石碎料忽略不計，因此，將該文研究的粒徑確定在5～200 mm 范圍內[3]。根據相關研究可知，典型粒徑形狀包括球形、棱錐形等，如圖1 所示。

圖1 典型粒徑結構模型

表1 填料級配組成

它在壓實和破碎材料的堆放以及顆粒的運輸方面有著廣泛的應用。由于碎石填料屬于分散顆粒，壓實過程也屬于分散運動過程。

路基的高度由施工過程中所使用碾壓機的輪子大小和路基松鋪尺寸決定。如果該段公路中碎石顆粒的粒徑最大值為200 mm，通常情況下，粒徑的最大值是松鋪尺寸的1/3～2/3，同時在進行模擬壓實的過程中不考慮側限這一問題，所以，得出松鋪尺寸是490 mm。為了保證該山區公路路基施工質量，項目組選擇使用18 t 激振力設備開展路基的壓實施工作業[4]，將激振力儀器的振動輪阻角設定成8.863 °，并假定激振力儀器的振動齒輪與公路的路面以條形的形式相碰撞。通過激振力設備的振動齒輪的參變量，得出所建立模擬模型的尺寸要比0.309 mm 大，為1.6 m×0.9 m×0.72 m。為了讓模擬結果精準度更高一些[5]，必須校準填料碎石間碰撞參數[6]。該文構建模型選用的顆粒材料為石灰巖，詳細參數見表2。

表2 模擬顆粒材料參數

項目組采用Hertz-Mindlin 模型研究道路路基礫石層的碰撞問題。將仿真條件與現場的實際條件相結合，將模型的靜止摩擦角設為37.36 °，停止狀態的滑動摩擦角因子設為0.2，滑動條件的摩擦因子設為0.05，恢復因子設為0.15。并利用EDME 軟件的幾何模塊來構建盒子的三維模型，將重力加速度設定為9.6 m/s2，將碎石的初始速度設定為3 m/s[7]。該模型的碎石顆粒總質量定義為1 200 kg，巖石顆粒生成模型見圖2。

圖2 巖石顆粒生成模型

2.3 荷載施加形式

振動碾石機是通過機械本身的重量和偏心引起的激勵作用來工作的，并通過激振力來對土層實施碾壓的過程。根據相關的研究能夠了解到，激振力越大，振幅和頻率越高，反之振幅和頻率就越低。因此，振幅、頻率和激振力之間存在著正比關系。機械振動輪的荷載施加計算公式如下：

式中，WZ——壓路機振動輪負荷；F0——壓路機所產生的激振力，與偏心塊靜偏心力矩、角速度有關；ω0——初始角速度。

荷載增加形式的主要作用是遷移和墻元增加。盡管墻塊具有易于控制和施力精確的特點，但在離散元模擬中卻沒有慣性。因此，項目組可以使用加載位移塊來調整負載速度。該文采用了墻元加載的方法來增加負荷，并提出了使用荷載作用下的能量曲線來模擬填料地基斷面壓實度的方法[8]。項目組通過調節振動幅度的頻域來控制激勵力，頻率范圍為29～36 Hz，振幅范圍為1.0～2.1 mm。不同振幅和頻率下的激振力結果見表3。

根據不同振幅來模擬公路路基的壓實狀況，為了提升模擬效果的真實性，將路基的靜壓次數設為兩次，再按照表3 的振幅從小到大實施壓實作業，模擬2 次，能夠獲得在不同壓實程度下山區公路路基碎石碾壓特征。

3 結果分析

公路路基實施碾壓作業是減小碎石填料顆粒之間距離的過程。在這個過程中，一些顆粒的形狀發生顯著變化并受到了較大的碰撞力和外力作用，從而形成了強力鏈。而那些被遺漏的碎石顆粒則會進入縫隙中。因此，這些被遺漏的碎石顆粒所受到的外部負荷很小，形成的力鏈就是弱力鏈。這兩種鏈在公路路基中均勻分布，并且力鏈的強度會隨著外力負荷的變化而變化。通過選擇一個法向量為（0,1,0）的斷面平面，可以觀察到，在不同堆積壓力下，填石地基的壓力場和速度場曲線越粗，則碰撞阻力越大。

3.1 顆粒自重和靜壓作用下的碰觸力和速度變化

分析顆粒自身重力及靜壓作用下顆粒的碰觸能力和頻率。在靜壓的影響下，原來穩定情況下堆積的粒度情況進行變化，打破了原有的平衡現象，其中大的碎石顆粒所承受的碰觸力要比小碎石大很多，因此，小碎石顆粒起到填充的作用。通過速度場可知，碎石顆粒整體運動趨勢處于向下以及斜下的方向，在運動的過程中首先是大顆粒碎石移動，其移動時將擠壓小顆粒碎石移動，因此，顆粒移動的趨勢是由大應力向小應力移動，并且移動的速度是隨著振幅的增大而加快。在碎石顆粒總量的影響下，路基上層的碰觸力要小于下層的碰觸力。當路基受到不同作用力時，所形成的力鏈是不相等的，碎石顆粒的穩固性取決于由大顆粒組成的粗粒鏈。在受到外界載荷時，上下的碎石顆粒會相互碰撞，導致顆粒間擠壓并向下運動，從而使路基的松鋪層變薄。形成的力鏈為上部粗粒鏈和下部細粒鏈，碰撞力集中在上方。

3.2 應力場和速度場

分析在不同振幅作用下公路填石路基的應力場和速度場發生的變化。外部荷載的作用破壞了原有平衡的顆粒鏈，導致碎石顆粒排列發生改變，松鋪面變薄，從而提高了填充物的緊密程度。在1 mm 振幅作用下，產生的最大碰觸力為3.1×104N，所形成的最大速率為1.02 m/s；最大碰撞力為4.36×104N。在1.9 mm 振幅作用下，最大速度為1.16 m/s。因此，在1.0～1.9 mm 振幅作用下，碰觸力的變化幅度要大于速度的變化幅度，表明了撞擊能量在由表面碰撞變化時消耗了大量動能，而由摩擦力引起的動能變化相對較小。當振幅增加到2.1 mm 時，最大碰觸阻力為4.37×104N，最大速度為1.21 m/s。此時，撞擊力的很大一部分轉化為動能。碎石填充物顆粒相互撞擊，產生碰撞動態摩擦，減弱的抵抗導致力鏈斷裂，不斷碰撞使顆粒越來越緊密。

3.3 卸載后碎石顆粒應力場和速度場

在卸荷后，一些碎石顆粒會發生回彈現象，大顆粒碎石會上升，而小顆粒則相反。在達到一種新的平衡后，整個碎石顆粒將向下移動。因此，選擇小顆粒碎石作為公路路基填料，以提高路基表層的密實度。分析整個壓實施工過程可以得出，路基的結實程度是由于顆粒力鏈的持續破壞和重組所產生的。在這種情況下，大顆粒形成了強大的鏈狀結構，為道路路基的密實提供了良好的基礎，而小顆粒則填補了空隙。因此，可以看出，大顆粒碎石的粒徑是影響道路路基壓實程度的關鍵因素，并且對于振動壓實工藝有著良好的作用。當振幅較大時，可以降低碎石顆粒之間的摩擦，從而降低力鏈網絡。因此，在具體的道路路基施工中，選擇較大振幅可以獲得良好的壓實施工技術。

4 結語

綜上所述，該文利用離散元模型（EDEM）方法建立了該公路填石基礎的實現技術，研究了在壓實過程中填石基應力場和速度場之間的變換現象，以判斷填石路基技術實現的主要影響因子。在對礫石塊進行沖擊和碾壓時，小顆粒鏈結構會持續地破壞和重組，大粒徑所構成的鏈框架會變得更強大，并承擔外部大部分載荷，而小顆粒則成為比較脆弱的鏈條。與此同時，大粒徑碎石會引領著小粒徑碎石整體向下或斜下部移動。隨著壓實度的不斷提高，振動幅度也不斷增大，從而增加了公路路基的密實程度。