煤矸石路基振動壓實效果研究

摘 要：【目的】對煤矸石路基振動壓實效果進行研究，為現場施工提供理論依據。【方法】以許昌市某高速公路為研究對象，采用ABAQUS模擬26 t壓路機碾壓煤矸石路基的過程，并通過單因素法分析沉降量的變化規律，研究激振力、碾壓速度、松鋪厚度對壓實效果的影響。【結果】數值模擬結果顯示，隨著碾壓遍數的增加，土體的壓實度、沉降量和沉降率上升，且上升幅度逐漸減小。【結論】增大激振力，減小碾壓速度，減小松鋪厚度有利于提高壓實效果，且激振力和松鋪厚度對的壓實效果的影響較大。

關鍵詞：煤矸石；壓路機；壓實效果

中圖分類號：TG333" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）05-0076-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.05.014

Research on the Vibration Compaction Effect of Coal Gangue

Embankment

WANG Xueqian

（School of Civil Engineering and Communication， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045， China）

Abstract： [Purposes] This paper studies the compaction effect of coal gangue subgrade under vibration to provide theoretical basis for on-site construction. [Methods] Taking a highway in Xuchang City as the research object， this paper uses ABAQUS to simulate process of a 26 t roller compacting the coal gangue subgrade. The single factor method is used to analyze the change law of settlement， and effects of excitation force， rolling speed， and loose laying thickness on the compaction effect are studied. [Findings] The numerical simulation results show that with the increase of the number of rolling passes， the compaction degree， settlement， and settlement rate of the soil increase， and the increase gradually decreases. [Conclusions] Increasing excitation force， reducing the rolling speed， and reducing the loose laying thickness are conducive to improving the compaction effect， and the excitation force and loose laying have a greater impact on the compaction effect.

Keywords： coal gangue; roller; compaction effect

0 引言

煤矸石是伴隨著煤炭開采和加工過程中產生的固體廢棄物［1］，由于其良好的結構承載力和較高的路基強度，被廣泛應用于公路和鐵路路基的建設中。

壓實是利用機械設備對被壓材料進行加載，克服被壓材料內部的黏結力和摩擦力，使被壓材料的固體顆粒產生位移后排列緊密，減少被壓材料的孔隙率，從而使被壓材料達到密實狀態。在公路施工中，壓實的主要作用是確保路基、路面結構層具有足夠的強度、剛度、穩定性和平整度，從而延長路面的使用壽命。通過壓實，可以減少因材料松散而引起的沉降和變形，提高道路的承載能力和耐久性。

本研究基于許昌市某高速公路煤矸石路基振動壓實施工，運用ABAQUS對煤矸石路基進行數值模擬，分析振動壓路機的激振力、行駛速度，以及煤矸石的松鋪厚度對路基壓實效果的影響，為現場煤矸石路基壓實施工提供理論依據。

1 工程概況

許昌市某繞城高速公路試驗段路線長度為200 m，路基平均寬度為20 m，路基填土平均高度為5 m。路基填筑材料采用煤矸石，施工控制標準參考《公路路基施工技術規范》（JTG/T 3610—2019）［2］。振動壓路機采用目前廣泛使用的SSR260C-6型單鋼輪振動壓路機。煤矸石樣品篩分結果見表1。煤矸石的液限為23.9%，塑限為18.8%，塑性指數為5.1，說明試驗所用煤矸石為低液限土。依據《公路土工試驗規程》（JTG 3430—2020）［3］，采用重型Ⅱ-2型擊實方法，測得煤矸石的最大干密度為2.14 g/cm3，最優含水率為4.6%。

2 有限元模型建立

2.1 模型尺寸

土體在豎直方向上分為地基、已壓實的粉質黏土層和待壓實的松鋪煤矸石，地基深度為15 m，粉質黏土層厚0.5 m，煤矸石的松鋪厚0.27 m，模型尺寸為12 m（X）×10 m（Y）×15.77 m（Z），X為路基橫斷面方向，Y為路基縱向壓路機前進方向，Z為路基深度方向。選取的碾壓長度為3 m。

有限元模型如圖1所示。單元類型采用C3D8R實體單元，為防止振動波在邊界上反射而影響計算結果的精確性，模型邊界采用無限元。

2.2 計算參數

振動壓路機的主要參數見表2。假定各層材料均質、各向同性且層間完全連續，所有土層均選擇線彈性模型和Mohr-Coulomb模型組合使用，材料的計算參數見表3。

2.3 移動荷載

碾壓輪對土體的作用力見式（1）。

[Pt=G-F0sin2πf·t]" " （1）

式中，[Pt]為振動作用力，kN；G為振動輪自重，kN；F0為最大激振力，kN；f為振動輪的振動頻率，Hz；t為時間，s。

在碾壓路基過程中，振動輪與填土接觸面可近似成矩形，振動輪寬為[L]，接地弧長[B=Rsinα]，其中[R]為振動輪半徑，[α]為輪阻角，參照楊士敏等［4］的研究，[α=8.863B]，可計算得到[B]=0.313 m，則某時刻振動輪與路基面的接觸面積[A=L·Rsinα]。

假定接觸范圍內振動作用力為均勻分布，即式（2）。

[pt=PtB·L] （2）

式中：p（t）為接觸均勻應力，kPa；P（t）為振動作用力，kPa；B為振動輪接地寬度，m；L為振動輪寬度，m。

移動荷載在ABAQUS中可用VDLOAD子程序實現［5］，利用循環語句實現移動荷載的反復作用［6］。

3 結果分析

煤矸石壓實度與振動碾壓遍數的關系如圖2所示。隨著碾壓遍數的增加，煤矸石壓實度逐漸增大，且增大幅度逐漸降低。經過5遍碾壓后煤矸石路基壓實度由84.51%增長為95.37%。當碾壓第1遍時壓實度增加幅度最為明顯，由84.51%增長到90.25%，占5遍碾壓總增長的52.85%。當碾壓到第4遍時，壓實度達到95.19%，占壓實度總增長的量98.34%。

煤矸石累計沉降量曲線如圖3所示，變化趨勢同壓實度一致，隨著碾壓遍數的增加，沉降量逐漸上升且幅度減小。碾壓5遍后的累計沉降量為1.78 cm。碾壓第1遍時效果最為顯著，沉降量為1.01 cm，占5遍碾壓總沉降的56.74%。碾壓4遍時累計沉降量為1.73 cm，占總沉降量的97.19%。

4 單因素影響分析

4.1 激振力的影響

不同激振力對碾壓效果的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著碾壓遍數的增加，土體的沉降量不斷上升，且上升幅度均逐漸減小。激振力的增大對于煤矸石沉降量的提高有顯著作用。這是因為激振力越大，土體受到的慣性力也越大，顆粒越容易克服摩阻力產生位移而重新排列，顆粒間更加緊密。在激振力分別為116、216、316、416 kN碾壓作用下，5遍碾壓后的總沉降量分別為1.34、1.61、1.70、1.78 cm。

4.2 碾壓速度的影響

不同行駛速度對碾壓效果的影響如圖5所示。在壓路機行駛速度分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m/s的碾壓作用下，經5遍碾壓后的總沉降量分別為1.80、1.78、1.69、1.61 cm，隨著行駛速度的增加，振動碾壓后的累計沉降量逐漸減小。但是行駛速度對于碾壓效果的影響不如激振力對碾壓效果的影響顯著。壓路機行駛速度增加，單位時間內振動輪作用在土體上的激振力次數減少，因而煤矸石顆粒受到的振動能量減少，導致碾壓效果減弱。

4.3 松鋪厚度的影響

不同松鋪厚度對碾壓效果的影響如圖6所示。在27、32、37、42 cm的松鋪厚度下，經5遍碾壓后的總沉降量分別為1.78、1.66、1.59、1.52 cm。隨著煤矸石松鋪厚度的增加，碾壓效果逐漸減弱。松鋪厚度的改變對于壓實效果的影響小于激振力的影響，且大于碾壓速度的影響。路基的松鋪厚度并不影響壓路機自身的機械性能，因此壓路機振動碾壓所賦予土顆粒的能量與松鋪厚度無關。不同松鋪厚度下的土顆粒受到的碾壓能量相同，當松鋪厚度較小時，單位體積的顆粒可受到更多的能量，碾壓效果更為明顯。當松鋪厚度較大時，振動能量無法傳遞至深層土體，因此碾壓效果變差。

5 結論

本研究以許昌市某高速公路路基振動壓實為背景，利用ABAQUS對填土路基進行了三維建模，分析了壓路機作業參數和填筑材料對壓實效果的影響，得出以下結論：①采用26 t壓路機對煤矸石路基振動碾壓5遍后，煤矸石的累計沉降量達到1.78 cm，壓實度達到95.37%；②隨著碾壓遍數的增加，土體的壓實度和沉降量上升，且上升幅度逐漸減小；③增大激振力，減小碾壓速度，減小松鋪厚度有利于壓實效果，且激振力對壓實效果的影響最大。研究結果為路基振動壓實的現場施工提供了依據。

參考文獻：

［1］YI C， MA H， CHEN H， et al. Preparation and characterization of coal gangue geopolymers［J］.Construction and Building Materials，2018，187（10）：318-326.

［2］中華人民共和國交通運輸部.公路路基施工技術規范：JTG/T 3610—2019［S］.北京：人民交通出版社，2019.

［3］中華人民共和國交通運輸部.公路土工試驗規程：JTG 3430—2020［S］.北京：人民交通出版社，2020.

［4］楊士敏，傅香如.工程機械地面力學與作業理論［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［5］軒振華，趙海，宋春雨，等.粉土路基碾壓施工模擬分析［J］.中外公路，2012，32（3）：30-34.

［6］劉萌成，黃曉明，陶向華.移動荷載作用下近橋臺處路面結構動力響應的有限元法分析［J］.公路交通科技，2006，23（5）：1-6.