大噸位壓路機(jī)碾壓大粒徑填石路基的動(dòng)力響應(yīng)

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(dòng)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(dòng)土壓力盒測(cè)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(dòng)土應(yīng)力，進(jìn)行大粒徑填石路基的動(dòng)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(dòng)應(yīng)力值的衰減函數(shù)；使用簡(jiǎn)化模型分析振動(dòng)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(dòng)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(dòng)壓實(shí); 大粒徑填料; 填石路基; 動(dòng)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(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)機(jī)理[1]是其振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)路基填料的施工工藝、質(zhì)量檢測(cè)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(cè)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(dòng)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(duì)此類施工作業(yè)和質(zhì)量控制提供參考。

1　動(dòng)土壓力盒的測(cè)試方案

現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)的填料主要為大粒徑的碎石，本試驗(yàn)選用的動(dòng)土壓力盒為雙模電阻應(yīng)變式，最大測(cè)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(dòng)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(dòng)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(cè)得的動(dòng)土壓力與標(biāo)準(zhǔn)層的動(dòng)土壓力進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)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(duì)比試驗(yàn)，不同斷面的動(dòng)土壓力盒埋設(shè)和攤鋪厚度不同，為保證動(dòng)土壓力盒測(cè)量準(zhǔn)確和周圍石料不產(chǎn)生土拱效應(yīng)。需確保動(dòng)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(dòng)土壓力盒測(cè)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(chǎng)采用東華DH5937采集儀和DHDAS測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量大粒徑填石路基的動(dòng)土應(yīng)力值。試驗(yàn)采用大噸位壓路機(jī)的型號(hào)為Y-21、XG-626M，最大激振力分別為80 t和60 t。

2　碾壓動(dòng)力響應(yīng)分析

2.1動(dòng)應(yīng)力隨碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律

壓路機(jī)型號(hào)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(dòng)土應(yīng)力值變化規(guī)律如圖2所示。

圖2　動(dòng)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(dòng)土應(yīng)力值衰減呈線性變化，動(dòng)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(dòng)壓實(shí)作業(yè)，應(yīng)力值呈減小趨勢(shì)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)土應(yīng)力變化規(guī)律

本試驗(yàn)采用壓路機(jī)型號(hào)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(dòng)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(dòng)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(dòng)土應(yīng)力值統(tǒng)計(jì)

2.2.1動(dòng)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(dòng)土應(yīng)力值大于230kpa；攤鋪厚度大于100cm時(shí)，動(dòng)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(dòng)土應(yīng)力值衰減明顯，動(dòng)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(dòng)土應(yīng)力值降低非常明顯，此時(shí)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)動(dòng)土應(yīng)力值影響

在攤鋪層100cm，最大粒徑65 cm時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得動(dòng)土應(yīng)力值為210和195kPa；而最大粒徑為50cm時(shí)，測(cè)得應(yīng)力值為206和187kPa。動(dòng)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(dòng)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(dòng)土應(yīng)力值越小。動(dòng)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(duì)動(dòng)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(cè)得動(dòng)土應(yīng)力值為187和195kPa；壓路機(jī)最大激振力為80t時(shí)，測(cè)得動(dòng)土應(yīng)力值為206和210kPa，動(dòng)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(dòng)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(duì)路基的沖擊能，改善路基的壓實(shí)效果。

2.3不同深度下動(dòng)土應(yīng)力變化規(guī)律

2.3.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)采用壓路機(jī)型號(hào)為XG-626M，試驗(yàn)區(qū)段為三標(biāo)k52+664斷面。為更好分析動(dòng)土應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律，在不同攤鋪層埋設(shè)動(dòng)土壓力盒，其中第一層埋設(shè)了7個(gè)動(dòng)土壓力盒，其余各層埋設(shè)1個(gè)動(dòng)土壓力盒，動(dòng)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(cè)量的動(dòng)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(cè)得動(dòng)土應(yīng)力最大值為347 kPa；深度為1.2 m時(shí)，動(dòng)土應(yīng)力值為122 kPa，占最大測(cè)量值的35.2%；1.5 m時(shí)動(dòng)土應(yīng)力值衰減到78 kPa，占最大測(cè)量值的22.5%；深度為2 m時(shí)，動(dòng)土應(yīng)力值衰減到37 kPa，占最大測(cè)量值的10.6%。研究表明深度小于1.2 m時(shí)，測(cè)量的動(dòng)土應(yīng)力值比較明顯，占最大測(cè)量值的35%，試驗(yàn)表明壓路機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊能隨深度方向衰減很快。

表2　動(dòng)土應(yīng)力隨深度變化

2.3.2振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理和動(dòng)應(yīng)力衰減

振動(dòng)壓實(shí)過程中，路基填料受振動(dòng)作用獲得振動(dòng)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(duì)地面作用荷載為：

(3)

式(3)中：A為振幅；ω為振動(dòng)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(duì)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(duì)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(jiǎn)化如圖3所示：

圖3　碾壓簡(jiǎn)化模型Fig.3 Simplified model of rolling

壓路機(jī)對(duì)路基作用最大初始應(yīng)力為：

(5)

壓路機(jī)振動(dòng)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(dòng)應(yīng)力幅值為：

(6)

式中：H為測(cè)點(diǎn)距震源的垂直距離；σd0為初始動(dòng)應(yīng)力；K為動(dòng)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(huì)改變，即σd0大小不變。綜合以上式子和原理得到動(dòng)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(dòng)土應(yīng)力值在豎向衰減很快。分析動(dòng)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(dòng)土應(yīng)力值衰減規(guī)律和公式(7)符合，碾壓時(shí)動(dòng)土應(yīng)力值衰減呈指數(shù)衰減。

圖4　動(dòng)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(jiǎn)化計(jì)算

3.1簡(jiǎn)化原理

依據(jù)圖3簡(jiǎn)化模型，將壓路機(jī)勻速施工作業(yè)，簡(jiǎn)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(dòng)輪寬度，T為一個(gè)振動(dòng)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(jiǎn)化書寫引入相關(guān)符號(hào)：

則式(14)簡(jiǎn)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(dòng)土應(yīng)力值，分析壓路機(jī)正下方動(dòng)應(yīng)力值，如圖6路徑所示。圖7為有限元計(jì)算動(dòng)土應(yīng)力值與試驗(yàn)值分析對(duì)比。

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

圖7　計(jì)算和實(shí)測(cè)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析得到動(dòng)應(yīng)力值衰減函數(shù)，相關(guān)線性系數(shù)R2為0.981。

3)對(duì)壓路機(jī)施工作業(yè)過程進(jìn)行了力學(xué)簡(jiǎn)化，分析了填石路基受力情況。使用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，結(jié)果驗(yàn)證了簡(jiǎn)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(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

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1672-7029(2016)09-1743-06