南京某市政道路土石混合路基填料壓實特性數值模擬分析

薛鷺鷺

摘 要：為簡化路基填料壓實度測量時間與費用，本文以南京某市政道路為研究對象，借助二維顆粒模擬技術，即PFC2D進行壓實度數值模擬，詳細研究了路基填料的壓實過程與接觸力鏈的變化情況，經與實測值對比分析，5個測點壓實度的計算誤差率在-0.135%～0.023%范圍內，誤差較小，計算精度較高，能很好地反映實際的壓實度情況。最后，基于大量實測值建立了道路土石混合填料的EVD的預測模型計算公式。本文研究結果可為同類市政工程土石混合填料的壓實計算提供參考與借鑒。

關鍵詞：道路填料壓實特性;數值模擬分析;計算精度比較;EVD預測模型

0 前言

南京江寧地區(qū)地基土中碎石、巖體顆粒含量較高，由于碎石、巖體顆粒硬度高、透水性好、單價低廉，是一種良好的路基填筑材料，被廣泛應用于南京市的相關道路工程路基鋪筑建設中。同時，在實際應用過程中，由于南京江寧地區(qū)的碎石含量占比較大，一般可達到20%以上，且粘粉粒含量小于5%，因此粘聚力較差。根據《城市道路設計規(guī)范》[CJJ37.2012]，必須對土石混合填料含量的路基進行壓實度檢測。目前常用的檢測方法有灌砂法和灌水法。這兩類方法檢測需要時間較長，需要消耗較多的人力、物力資源，影響工期進度。為研究快速檢測的方法，本文以南京某市政道路為研究對象，借助二維顆粒模擬技術，即PFC2D進行壓實度數值模擬。

1 實例工程概況

實例工程位于江寧高校區(qū)，路線全長約5.28 km，其中道路紅線寬為40 m。道路橫斷面布置為雙向6 車道，規(guī)劃為城市主干路，設計速度為60 km/h。工程所在區(qū)域地層土體中，紅黏土和中風化白云巖的含量較高。

2 PFC2D數值模擬計算

2.1 計算流程原理

PFC2D的力學原理是根據牛頓第二定律等經典力學，根據顆粒之間的作用力和反作用力確定相對位移，經過迭代循環(huán)，達到所有顆粒之間的平衡和穩(wěn)定。

2.2 計算參數設定

根據實例工程的實際情況輸入顆粒的總質量、每級顆粒組成所占的百分比含量、顆粒數目（根據該級顆粒的總質量、平均粒徑推求顆粒數目）、顆粒重度、顆?？紫堵省⒑?、承載力參數等相關參數。

2.3 級配顆粒生成及加載

根據實例工程的實際情況，進行建模分析。在實例工程中，碎石、巖體顆粒形狀為不規(guī)則分布，其中值粒徑與最大粒徑比值基本在0.35～0.40范圍內。為保證模型計算收斂性同時減少計算量，將碎石、巖體顆粒簡化為長寬比為1.0～1.8的圓形或橢圓形顆粒。

在PFC2D模型里生成級配顆粒圖，機進行振動壓實工況下，簡偕振動力加載過程。

2.4 壓實過程數值模擬

根據實例工程的實際情況模擬壓實過程，模擬結果見圖1。壓實1遍至5遍的過程見圖1（a）至圖1（f）。分析可知：

（1）壓實的過程實質是填料顆粒重新排列和藿香填充的過程，隨著壓實遍數的增加，單位體積內的顆粒數量增加，密實度增大，孔隙率大幅下降，硬度和承載力也顯著提升。

（2）實例工程在壓實一遍之后，壓實度達到75%的顆粒為92.35%;平均值為94.22;實例工程在壓實兩遍之后，壓實度達到75%的顆粒為95.38%;平均值為96.17;實例工程在壓實三遍之后，壓實度達到75%的顆粒為95.65%;平均值為96.35;實例工程在壓實五遍之后，壓實度達到75%的顆粒為95.83%;平均值為96.68。

由此可見，在壓實兩遍之后，實例工程土體已基本完成壓實、固結，孔隙率基本趨于0，再被壓實的空間較小。

可見壓實2～3遍可以滿足設計壓實度要求，且最為經濟合理。

3 數學模型計算精度分析

根據實例工程實際壓實過程與測量結果，分析本文數學模型計算的精度。

3.1 壓實度數模計算精度分析

在實例工程中選擇5個測點，各壓實遍數情況下，壓實度的模擬值與計算值統計結果見表1。分析表1可知，各測點壓實度的計算誤差率在-0.135%～0.023%范圍內，誤差較小，計算精度較高，能很好地反映實際的壓實度情況。

3.2 壓實度預測模型建立

根據實測結果，對所測壓實度進行分區(qū)，取壓實度范圍處于[93.5，94.5]的測點視為94區(qū)。在5%的置信區(qū)間下進行回歸分析，分析結果如表2。

因此，可得到EVD的預測模型計算公式如下：

（式1）

式中，為含石量;為最大粒徑;為含水量。

4 結論

本文以南京某市政道路為研究對象，借助二維顆粒模擬技術，即PFC2D進行壓實度數值模擬，得到以下結論：

（1）實例工程在壓實兩遍之后，實例工程土體已基本完成壓實、固結，孔隙率基本趨于0，再被壓實的空間較小。

（2）在滿足設計壓實度要求的前提下，實例工程進行2～3遍壓實作業(yè)最為經濟合理。

（3）經與實測值對比分析，5個測點壓實度的計算誤差率在-0.135%～0.023%范圍內，誤差較小，計算精度較高，能很好地反映實際的壓實度情況。

（4）基于實測值建立了EVD的預測模型計算公式。

參考文獻：

[1]項偉圓.粗粒料振動壓實影響因素的數值模擬[D].江蘇：東南大學，2007.

[2]楊蔭華.土石料壓實和質量控制[M].北京：中國水利水電出版社，1992：25-28.