金書濱,張長勝,劉政,喬世范

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

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大噸位壓路機(jī)碾壓大粒徑填石路基的動力響應(yīng)

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(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550008；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

采用動土壓力盒測量盤興高速公路三標(biāo)和四標(biāo)試驗(yàn)段大噸位壓路機(jī)碾壓試驗(yàn)時(shí)的動土應(yīng)力，進(jìn)行大粒徑填石路基的動力響應(yīng)分析。依據(jù)應(yīng)力波在豎向的衰減規(guī)律，得出碾壓動應(yīng)力值的衰減函數(shù)；使用簡化模型分析振動碾壓時(shí)路基的壓實(shí)作用，有限元軟件計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；依據(jù)不同施工條件下的動土應(yīng)力值，得出最佳施工參數(shù)，碾壓遍數(shù)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(jī)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(zhì)量。

振動壓實(shí); 大粒徑填料; 填石路基; 動力響應(yīng)

近年來，大量工程實(shí)踐表明大噸位壓路機(jī)碾壓大粒徑路基有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和壓實(shí)效果。振動壓路機(jī)壓實(shí)機(jī)理[1]是其振動器在平衡位置來回作用，從而產(chǎn)生強(qiáng)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(shí)質(zhì)量。振動壓路機(jī)壓實(shí)路基時(shí)，填料受沖擊波作用獲得相應(yīng)的振動頻率，沖擊能隨深度方向逐步遞減。影響路基壓實(shí)質(zhì)量因素[6]較多：激振力、振動作業(yè)次數(shù)、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(zhì)量檢測的研究都是基于細(xì)填料基礎(chǔ)上。近年來，通過工程實(shí)踐、現(xiàn)場試驗(yàn)和理論研究，在粗填料碾壓技術(shù)上取得了一定的成果[6]。國外學(xué)者對粗顆粒路基施工進(jìn)行了大量的研究[7-9]，英國運(yùn)輸部針對粗填料和填土石進(jìn)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(yè)中采用了質(zhì)量和施工工藝控制。

盤興高速公路施工中將山區(qū)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(qiáng)度高、工后沉降小、壓實(shí)效果好等工程特征[10]。山區(qū)高速公路施工最大粒徑和攤鋪厚度的控制往往依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，缺乏研究[11]。為確保施工質(zhì)量，檢測大粒徑路基碾壓壓實(shí)效果，擬進(jìn)行大粒徑填石路基的動力響應(yīng)分析，以便有效指導(dǎo)大粒徑填石路基作業(yè)和提高路基壓實(shí)質(zhì)量，對此類施工作業(yè)和質(zhì)量控制提供參考。

1　動土壓力盒的測試方案

現(xiàn)場試驗(yàn)區(qū)段為貴州盤興高速公路三標(biāo)段k52+636 ～ k52+664和四標(biāo)段k80+320 ～ k80+340。三標(biāo)段和四標(biāo)段填料分別為灰?guī)r、紅砂巖，路基填方面積大，石料強(qiáng)度高。

因?yàn)楝F(xiàn)場的填料主要為大粒徑的碎石，本試驗(yàn)選用的動土壓力盒為雙模電阻應(yīng)變式，最大測量值為600 kPa。碾壓試驗(yàn)采取分層碾壓法，并且每層至少埋設(shè)一個(gè)動土壓力盒。為了獲取合適的攤鋪厚度，首先第一層嚴(yán)格按照規(guī)范規(guī)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(shè)示意圖。把最下面一層嚴(yán)格按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行施工，認(rèn)為壓實(shí)質(zhì)量是達(dá)到要求的，定義為標(biāo)準(zhǔn)層。試驗(yàn)過程中上面幾層的壓實(shí)后所測得的動土壓力與標(biāo)準(zhǔn)層的動土壓力進(jìn)行對比，以評價(jià)不同的攤鋪厚度的壓實(shí)效果。由于碾壓試驗(yàn)有多組對比試驗(yàn)，不同斷面的動土壓力盒埋設(shè)和攤鋪厚度不同，為保證動土壓力盒測量準(zhǔn)確和周圍石料不產(chǎn)生土拱效應(yīng)。需確保動土壓力盒埋設(shè)水平，壓力盒上部和下部需鋪撒5 cm左右的細(xì)料，動土壓力盒測試線由旁邊引出，并用細(xì)料掩埋。

圖1　儀器布置示意圖Fig.1 Instrument layout

現(xiàn)場采用東華DH5937采集儀和DHDAS測試系統(tǒng)測量大粒徑填石路基的動土應(yīng)力值。試驗(yàn)采用大噸位壓路機(jī)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(yīng)分析

2.1動應(yīng)力隨碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律

壓路機(jī)型號為Y-21，試驗(yàn)斷面為四標(biāo)k80+340，攤鋪厚度為1.0 m，最大粒徑為65 cm。動土應(yīng)力值變化規(guī)律如圖2所示。

圖2　動土應(yīng)力峰值與碾壓遍數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between the dynamic earth stress and the times of rolling

試驗(yàn)結(jié)果表明，碾壓遍數(shù)為1-3遍時(shí)，動土應(yīng)力值衰減呈線性變化，動土應(yīng)力值由260 kPa下降到224 kPa；碾壓作業(yè)4-6遍時(shí)，應(yīng)力值變化較緩慢；碾壓作業(yè)7-8遍時(shí)，應(yīng)力值趨于平緩，應(yīng)力值增加量可忽略。分析發(fā)現(xiàn)繼續(xù)振動壓實(shí)作業(yè)，應(yīng)力值呈減小趨勢，在施工作業(yè)為7-8遍時(shí)趨于穩(wěn)定。曲線變化規(guī)律間接表明隨著沖擊波的作用，大顆粒間的空隙被細(xì)顆粒填充，顆粒間振動受到的約束逐漸增大，填料的壓實(shí)質(zhì)量提高明顯，在振動碾壓作業(yè)8遍后，路基的壓實(shí)質(zhì)量趨于穩(wěn)定。

2.2不同施工參數(shù)下動土應(yīng)力變化規(guī)律

本試驗(yàn)采用壓路機(jī)型號為Y-21，XG-626M，試驗(yàn)區(qū)段為盤興高速三標(biāo)、四標(biāo)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)攤鋪厚度大于150 cm，動土應(yīng)力值已經(jīng)不明顯，所以試驗(yàn)數(shù)據(jù)中未統(tǒng)計(jì)攤鋪層200 cm的動土應(yīng)力值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示：

表1　不同條件的動土應(yīng)力值統(tǒng)計(jì)

2.2.1動土應(yīng)力值隨攤鋪厚度變化

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示攤鋪厚度為80cm時(shí)，動土應(yīng)力值大于230kpa；攤鋪厚度大于100cm時(shí)，動土應(yīng)力值發(fā)生明顯的衰減。結(jié)合試驗(yàn)斷面K80+320和試驗(yàn)斷面K52+636數(shù)據(jù)分析：當(dāng)攤鋪厚度由80cm增加到100cm時(shí)，動土應(yīng)力值衰減明顯，動土應(yīng)力值降低了15.6%和19.7%；當(dāng)攤鋪厚度增加到120cm時(shí)，動土應(yīng)力值降低非常明顯，此時(shí)動土應(yīng)力值占最大值的52.5%和45.5%。試驗(yàn)斷面K80+340和試驗(yàn)斷面K52+664數(shù)據(jù)分析：當(dāng)攤鋪厚度由100cm增加到110cm時(shí)，動土應(yīng)力值降低了24.3%和22.6%；當(dāng)攤鋪厚度增加到120cm時(shí)，此時(shí)動土應(yīng)力值占最大值的62.9%和60%，以上數(shù)據(jù)表明大粒徑填石路基的攤鋪厚度不易大于100 cm，同時(shí)不應(yīng)大于120 cm。

2.2.2最大粒徑變化對動土應(yīng)力值影響

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

2.2.3壓路機(jī)噸位對動土應(yīng)力值的影響

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

2.3不同深度下動土應(yīng)力變化規(guī)律

2.3.1現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)采用壓路機(jī)型號為XG-626M，試驗(yàn)區(qū)段為三標(biāo)k52+664斷面。為更好分析動土應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律，在不同攤鋪層埋設(shè)動土壓力盒，其中第一層埋設(shè)了7個(gè)動土壓力盒，其余各層埋設(shè)1個(gè)動土壓力盒，動土壓力盒埋設(shè)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(yīng)力值如表2所示。

分析表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在深度為0.5 m時(shí)測得動土應(yīng)力最大值為347 kPa；深度為1.2 m時(shí)，動土應(yīng)力值為122 kPa，占最大測量值的35.2%；1.5 m時(shí)動土應(yīng)力值衰減到78 kPa，占最大測量值的22.5%；深度為2 m時(shí)，動土應(yīng)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(shí)，測量的動土應(yīng)力值比較明顯，占最大測量值的35%，試驗(yàn)表明壓路機(jī)振動產(chǎn)生的沖擊能隨深度方向衰減很快。

表2　動土應(yīng)力隨深度變化

2.3.2振動壓實(shí)機(jī)理和動應(yīng)力衰減

振動壓實(shí)過程中，路基填料受振動作用獲得振動加速度：

(1)

壓路機(jī)獲得的額外作用力為：

I=-mAω2cos(ωt+β)

(2)

壓路機(jī)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(shí)間；m為壓路機(jī)質(zhì)量。

壓路機(jī)對地面作用的最大荷載為：

F=G+I=mg+mAω2

(4)

假定在Δt作用時(shí)間內(nèi)，壓路機(jī)對地面作用力均勻分布在寬度為L的區(qū)間上，壓路機(jī)行駛速度為V，壓路機(jī)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(jī)對路基作用最大初始應(yīng)力為：

(5)

壓路機(jī)振動施工作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生周期荷載作用于壓實(shí)路基，每個(gè)周期荷載作用于路基填料時(shí)，填料中就產(chǎn)生一個(gè)沖擊波，沖擊波將隨著填料在深度方向傳遞和擴(kuò)散。參考相關(guān)文獻(xiàn)，沖擊波在土體中衰減呈指數(shù)衰減，不同深度下的動應(yīng)力幅值為：

(6)

式中：H為測點(diǎn)距震源的垂直距離；σd0為初始動應(yīng)力；K為動應(yīng)力衰減系數(shù)。

壓路機(jī)碾壓施工時(shí)，應(yīng)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(yīng)力值和深度之間的關(guān)系：

σdmax=σd0e-kh

(7)

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

圖4　動應(yīng)力與深度的關(guān)系Fig.4 Relationship between dynamic stress and depth

3　碾壓壓實(shí)有限元簡化計(jì)算

3.1簡化原理

依據(jù)圖3簡化模型，將壓路機(jī)勻速施工作業(yè)，簡化為在質(zhì)點(diǎn)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(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，vt應(yīng)小于壓路機(jī)振動輪寬度，T為一個(gè)振動周期，作用總時(shí)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(jié)構(gòu)的力學(xué)分析為：

(10)

使用Rayleigh阻尼分析計(jì)算，由式(10)可得：

(11)

(12)

由(12)式可得：

(13)

(14)

為簡化書寫引入相關(guān)符號：

則式(14)簡化為:

(15)

求解路基結(jié)構(gòu)的力學(xué)方程得到：

(16)

3.2ABAQUS有限元分析驗(yàn)證

使用ABAQUS軟件分析碾壓試驗(yàn)過程，壓路機(jī)最大激振力為60 t，采用Drucker Prager計(jì)算模型，計(jì)算參數(shù)如下表3所示，圖6為有限元計(jì)算模擬的應(yīng)力圖：

表3　碾壓有限元計(jì)算參數(shù)

圖6　碾壓豎向應(yīng)力圖Fig.6 Rolling vertical stress diagram

通過ABAQUS模擬壓路機(jī)碾壓試驗(yàn)，應(yīng)用有限元軟件計(jì)算出動土應(yīng)力值，分析壓路機(jī)正下方動應(yīng)力值，如圖6路徑所示。圖7為有限元計(jì)算動土應(yīng)力值與試驗(yàn)值分析對比。

對比有限元計(jì)算出的數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)，研究表明通過簡化模型計(jì)算出的碾壓動土應(yīng)力值衰減變化規(guī)律和實(shí)測值吻合，可用簡化模型分析碾壓時(shí)的受力情況。

圖7　計(jì)算和實(shí)測動土應(yīng)力隨深度方向變化Fig.7 Calculated and measured stress with depth direction changes

4　結(jié)論

1)依據(jù)動土應(yīng)力值的變化規(guī)律，填石路基最佳碾壓遍數(shù)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(shí)效果越好，最大控制粒徑為50 cm；提高壓路機(jī)激振力能顯著提高振動沖擊能，確保壓實(shí)質(zhì)量。

2)依據(jù)應(yīng)力波在豎向衰減規(guī)律，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析得到動應(yīng)力值衰減函數(shù)，相關(guān)線性系數(shù)R2為0.981。

3)對壓路機(jī)施工作業(yè)過程進(jìn)行了力學(xué)簡化，分析了填石路基受力情況。使用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行動力響應(yīng)分析，結(jié)果驗(yàn)證了簡化模型的可靠性。

[1] 賈莉浩.高速鐵路高填方路基粗顆粒填料關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長沙：中南大學(xué), 2013.

JIA Lihao. Research on the key technology of coarse-grained filler in high embankment of the high-speed railway [D]. Changsha: Central South University, 2013.

[2] 陳濤,但漢成. 高填方土石混填路堤沖擊碾壓試驗(yàn)研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014, 11(1): 101-105.

CHEN Tao, DAN Hancheng. Experimental study of impact rolling technology of high subgrade filled with soil and rock [J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(1): 101-105.

[3] Sitharam T G, Nimbkar M S. Micromechanical modelling of granular materials: effect of particle size and gradation[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2000, 18(2): 91-117.

[4] 竇鵬,聶志紅,王翔. 鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量檢測指標(biāo)CMV與Evd的相關(guān)性校檢[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014, 11(2): 90-94.

DOU Peng，NIE Zhihong，WANG Xiang. Correlation verification of railway subgrade compaction quality test value between CMV and Evd[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(2): 90-94.

[5] 胡昌斌, 袁燕. 沖擊碾壓改建路面施工對路基動力作用的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(3): 745-752.

HU Changbin, YUAN Yan. Dynamic soil pressure characteristics of embankment under impact rolling load during rehabilitation of PCCP[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(3): 745-752.

[6] 石云, 鄭月秀. 大粒徑填石路堤碾壓試驗(yàn)研究[J]. 公路交通技術(shù), 2011(6): 13-15.

SHI Yun, ZHENG Yunxiu. Experimental research on rolling compaction of large particle size rock filling roadbed[J]. Highway and Transport, 2011(6): 13-15.

[7] YANG S J. Impact compaction of coarse-grained soil subgrade[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 1999, 16(1): 1-6.

[8] LIU D, LIN M, LI S. Realtime quality monitoring and control of highway compaction[J]. Automation in Construction, 2016(62): 114-123.

[9] Kenneally B. Finite element analysis of vibratory roller response on layered soil systems[J]. Computers & Geotechnics, 2015(67): 73-82.

[10] 許錫昌,周偉,韓卓,等. 土石混合料的壓實(shí)特性研究[J]. 巖土力學(xué), 2010, (S2): 115-118.

XU Xichang, ZHOU Wei, HAN Zhuo, et al. Research on compaction properties of soil-aggregate mixture, Rock and Soil Mechanics, 2010, (S2): 115-118.

[11] 陳愛軍, 張家生, 賀建清,等. 振動壓實(shí)填石路堤動力響應(yīng)試驗(yàn)研究[J]. 振動與沖擊, 2014, 33(20): 151-156.

[12] CHEN Aijun, ZHANG Jiasheng, HE Jianqing, et al. Experimental study on dynamic response of vibratory compaction rockfill embankment [J]. Vibration and Shock, 2014, 33(20): 151-156.

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(xiàng)目(2015-122-047)

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

TU47

A

1672-7029(2016)09-1743-06