液壓夯補(bǔ)強(qiáng)路基動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)場試驗(yàn)研究

李 晉，姜 鵬，李天宇，常 德，崔新壯，

(1. 山東交通學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250357；2. 山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250061；3. 濟(jì)南金曰公路工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

路基弱碾?yún)^(qū)或碾壓盲區(qū)等填筑位置狹窄，小型夯實(shí)設(shè)備壓實(shí)功較小且施工效率低下，大型壓實(shí)機(jī)械又不能進(jìn)場或運(yùn)行不便，因此這些位置壓實(shí)效果普遍較差，極易誘發(fā)施工質(zhì)量問題[1-2]。液壓夯可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高頻率反復(fù)施壓，且機(jī)動(dòng)靈活施工作業(yè)盲區(qū)小，用于上述位置可取得良好壓實(shí)效果[3-5]，彌補(bǔ)了路基弱碾?yún)^(qū)及碾壓盲區(qū)作業(yè)施工質(zhì)量控制問題的技術(shù)空缺，因此采用液壓夯進(jìn)行路基弱碾?yún)^(qū)及碾壓盲區(qū)的壓實(shí)補(bǔ)強(qiáng)施工得到廣泛應(yīng)用。

明確液壓夯夯實(shí)作用下路基動(dòng)力響應(yīng)特征有助于優(yōu)化液壓夯施工工藝、提高路基服役動(dòng)力穩(wěn)定性[6]，諸多學(xué)者們也開展了路基動(dòng)力響應(yīng)相關(guān)研究。劉本學(xué)等[7]，馮忠緒等[8]建立了液壓夯-土體相互作用力學(xué)模型，并通過室內(nèi)模型試驗(yàn)探究了液壓夯用于橋頭臺(tái)背的施工效果；馬宗源等[9]借助于離散元數(shù)值仿真探討了影響碎石土地基孔隙率的因素，進(jìn)而用于評(píng)價(jià)液壓夯動(dòng)力夯實(shí)效果。實(shí)際上，在液壓夯沖擊載荷作用下，介質(zhì)微元體的慣性不應(yīng)該被忽略，因?yàn)閼T性力在動(dòng)力學(xué)中同樣能使物體產(chǎn)生變形[10]。研究表明，高應(yīng)變率、高加載率的動(dòng)力作用會(huì)顯著提高被加載介質(zhì)的屈服強(qiáng)度與瞬時(shí)應(yīng)力。液壓夯動(dòng)力夯實(shí)作用下，路基土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與靜力下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有很大差異[11-12]。謝永利等[13]探究了液壓夯夯實(shí)作用在路橋過渡段填料中的動(dòng)載傳遞特性，分析了不同路徑中動(dòng)載豎向傳遞規(guī)律。姬猛等[14]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)分析了液壓夯實(shí)法補(bǔ)強(qiáng)橋臺(tái)背路基時(shí)夯擊能隨著距夯點(diǎn)距離變化的衰減規(guī)律，由此可見原位動(dòng)力響應(yīng)測試相比于其他研究手段能夠較為真實(shí)地反映實(shí)際狀況。

針對山東省內(nèi)一般性粉質(zhì)黏土路基，本研究采用不同量級(jí)的液壓夯開展現(xiàn)場試驗(yàn)對比研究，分析特定土質(zhì)下機(jī)械-土體相互作用強(qiáng)化機(jī)理，探究不同夯擊能作用下粉質(zhì)黏土填料動(dòng)應(yīng)力時(shí)空響應(yīng)與加速度響應(yīng)峰值的變化規(guī)律，以期為液壓夯相關(guān)動(dòng)力壓實(shí)研究提供借鑒與參考。

1 動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 工程概況

本次試驗(yàn)路段選擇山東省某改建工程路橋過渡段，施工現(xiàn)場地基分布有可塑、硬塑狀態(tài)的濕陷性黃土，對試驗(yàn)段現(xiàn)場路基填筑所用的素土及灰土(6%)隨機(jī)取樣后，依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)進(jìn)行土工試驗(yàn)測定并鑒定土質(zhì)。判定場地內(nèi)黃土濕陷系數(shù)為I級(jí)(輕微濕陷)，濕陷等級(jí)為輕微、中等的一般性粉質(zhì)黏土，具體土工試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)段路基高度為5 m，采用分層填筑施工，松鋪系數(shù)為1.3，松鋪厚度為26 cm。

表1 土工試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Geotechnical test result

為了減少道路占地，右側(cè)設(shè)有支擋結(jié)構(gòu)扶壁式擋墻，其厚度為0.5 m，高6.1 m，扶壁厚度0.5 m。擋墻扶壁間隙屬于路基弱碾?yún)^(qū)，擬決定采用液壓夯進(jìn)行壓實(shí)補(bǔ)強(qiáng)施工。采用某有限公司生產(chǎn)的3種不同型號(hào)的高速液壓夯實(shí)機(jī)進(jìn)行擋墻扶壁間隙處壓實(shí)補(bǔ)強(qiáng)施工，其具體參數(shù)可見表2。

表2 機(jī)械技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of machinery

1.2 試驗(yàn)方案

現(xiàn)場試驗(yàn)擬采用電阻應(yīng)變式土壓力盒(量程：1.0 MPa，型號(hào)：JMYJ-1410，精度：2%F.S)與壓電加速度計(jì)(量程：100 g，型號(hào)：JMCZ-2091，頻率：1～1 400 Hz)進(jìn)行一般性粉質(zhì)黏土路基動(dòng)態(tài)土壓力值與動(dòng)態(tài)加速度監(jiān)測。采用某技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)及DH5922D采集儀進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)的采集與分析。路基分層填筑到規(guī)定高度作業(yè)面時(shí)，采用立方體實(shí)心木塊放置于壓實(shí)面上采用壓路機(jī)壓實(shí)直至滿足規(guī)定壓實(shí)度要求。然后將木塊摳出形成立方體坑洞空間，在坑底滿鋪細(xì)砂，水平布設(shè)好傳感器后再將細(xì)砂灌滿坑洞，將傳感器4壁包圍，然后布置好傳感器導(dǎo)線繼續(xù)進(jìn)行下一層填土壓實(shí)。整個(gè)施工期間注意導(dǎo)線及傳感器的防損防潮工作。

現(xiàn)場選取兩個(gè)擋墻扶壁間隙斷面(A斷面和B斷面)，根據(jù)傳感器布設(shè)方案(如圖1所示)在路基分層填筑施工期間進(jìn)行傳感器埋設(shè)。分層填筑路基頂面施工完畢后，經(jīng)檢測壓實(shí)度為98%，擋墻扶壁間隙處壓實(shí)度為96%，含水率為12.0%，可見與正常作業(yè)區(qū)相比，路基弱碾?yún)^(qū)壓實(shí)質(zhì)量較差。填筑壓實(shí)完畢后，為防止路基土含水率變化，立即分別采用不同型號(hào)液壓夯機(jī)開展路基弱碾?yún)^(qū)壓實(shí)補(bǔ)強(qiáng)：在兩個(gè)斷面規(guī)定夯點(diǎn)處采用3.5 t液壓夯各進(jìn)行6次滿夯擊實(shí)，在此基礎(chǔ)上在A斷面夯點(diǎn)處采用7.0 t液壓夯進(jìn)行6次滿夯擊實(shí)，在B斷面夯點(diǎn)處采用5.0 t液壓夯進(jìn)行6次滿夯擊實(shí)，夯實(shí)作業(yè)的同時(shí)數(shù)據(jù)采集工作同步進(jìn)行。試驗(yàn)完畢后，切斷導(dǎo)線，永久滯留傳感器于路基內(nèi)部。

圖1 道路橫斷面?zhèn)鞲衅鞑荚O(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of layout of sensors in road cross-section

2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析與討論

2.1 土體動(dòng)應(yīng)力空間響應(yīng)規(guī)律

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著夯擊次數(shù)的增加，土體內(nèi)任意處應(yīng)力峰值均是先增大后趨于平穩(wěn)。這是由于土體受到夯實(shí)作用，整體剛度逐漸變大后趨于穩(wěn)定。取夯點(diǎn)豎直方向上不同深度位置處的平均應(yīng)力峰值，作出應(yīng)力響應(yīng)隨深度變化如圖2所示。

圖2 不同夯實(shí)作用下應(yīng)力響應(yīng)縱向變化曲線Fig.2 Longitudinal variation curves of stress response under different compaction actions

如圖2可知，在3.5 t液壓夯、5.0 t液壓夯與7.0 t液壓夯夯實(shí)作用下，從夯點(diǎn)以下0.5 m到1.0 m 深度處所測得應(yīng)力峰值分別損失了62.75%,54.56%和50.59%。3.5 t液壓夯在夯點(diǎn)以下1.8 m深度處應(yīng)力衰減到0.25 MPa以下，而衰減至同樣應(yīng)力值以下，5.0 t液壓夯的作用深度可達(dá)夯點(diǎn)以下2.4 m，而7.0 t液壓夯的作用深度可達(dá)夯點(diǎn)以下4.0 m?？梢姾粨裟茉酱?，應(yīng)力波影響深度越廣。同時(shí)可以注意到與5.0 t液壓夯、7.0 t液壓夯夯實(shí)效果相比，3.5 t液壓夯夯實(shí)作用下路基土體不僅應(yīng)力響應(yīng)相對較小，且在土壤黏性阻尼和幾何阻尼影響下，路基土體應(yīng)力耗散較快；而在5.0 t液壓夯、7.0 t液壓夯夯實(shí)作用下，由克服土體阻尼而造成的夯擊能衰減量相比于3.5 t液壓夯的較少[15]。

由試驗(yàn)方案可知，除了豎直方向布設(shè)了動(dòng)態(tài)土壓力盒，還在路基上部位置，承壓面朝向夯點(diǎn)的水平方向上豎直埋設(shè)了動(dòng)態(tài)土壓力盒以監(jiān)測動(dòng)態(tài)側(cè)向土壓力。由豎直土壓力σv可計(jì)算得側(cè)向土壓力σh，如式(1)所示，不同深度處實(shí)測水平向的應(yīng)力響應(yīng)如圖4～圖5所示。

圖5 不同夯實(shí)作用下的應(yīng)力響應(yīng)曲線Fig.5 Stress response curves under different compaction actions

σh=K0σv=λσv/(1-λ)，

(1)

式中，K0為側(cè)向土壓力系數(shù)；λ為土的泊松比。

圖3(a)所示的是夯點(diǎn)以下0.5 m深度處水平方向上土體應(yīng)力情況，應(yīng)力在0.5 m范圍內(nèi)衰減較慢，超過0.5 m范圍外應(yīng)力迅速衰減。3.5 t液壓夯、5.0 t液壓夯與7.0 t液壓夯夯實(shí)作用下，水平向0.5 m 處應(yīng)力峰值分別損失了18.28%，12.21%和1.93%，水平向1.0 m處，應(yīng)力峰值分別損失了82.58%，77.37%和72.16%。圖3(b)所示的是夯點(diǎn)以下1.0 m深度處水平方向上土體應(yīng)力情況，3.5 t 液壓夯與7.0 t液壓夯夯實(shí)作用下，水平向0.5 m 處應(yīng)力分別損失了8.84%，32.39%，在水平向1.0 m處，應(yīng)力分別損失了23.97%和53.62%。綜合圖3可知水平方向上，夯擊能越大，應(yīng)力衰減幅度越大。

圖3 不同深度處應(yīng)力響應(yīng)橫向變化曲線Fig.3 Lateral variation curves of stress response at different depths

2.2 豎向土體動(dòng)應(yīng)力解析

基于熱力學(xué)領(lǐng)域來看，液壓夯動(dòng)力沖擊加載的過程屬于絕熱過程，夯實(shí)作用使路基表層土體產(chǎn)生了一部分塑性變形，即液壓系統(tǒng)將夯錘抬高產(chǎn)生的重力勢能，在夯錘-土體相關(guān)作用中轉(zhuǎn)化成了路基土體的沖擊壓縮能和塑性變形能[16]。因此學(xué)者們多將夯錘-土體相互作用過程看作是動(dòng)力學(xué)中的非完全彈性碰撞[17]，但考慮實(shí)際工況中不同的參振土體性質(zhì)與不同的夯錘技術(shù)參數(shù)，因此，基于本試驗(yàn)工況，擬提出一種作用于一般粉質(zhì)黏土的液壓夯動(dòng)力補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)力解析模型。

m1v11+m2v21=m1v12+m2v22，

(2)

式中，m1為夯錘質(zhì)量；m2為參振土體質(zhì)量。

定義一個(gè)恢復(fù)系數(shù)k=(v22-v12)/(v21-v11)，可體現(xiàn)土體-夯錘相互作用過程中的能量消耗。土體-夯錘相互作用過程視為完全非彈性碰撞時(shí)k=0；土體-夯錘相互作用過程視為完全彈性碰撞時(shí)k=1；而當(dāng)0

(3)

恢復(fù)系數(shù)k與參振土體性質(zhì)有很大關(guān)聯(lián)，假設(shè)參振土體均質(zhì)且為素土，此時(shí)由前文土工試驗(yàn)檢測可知此時(shí)土體含水率為12.0%，為最佳含水率。由現(xiàn)場夯點(diǎn)處所測的壓實(shí)度為96%可知此時(shí)土體密度為2.075 g/cm。本試驗(yàn)中夯擊6次后土體已經(jīng)趨向于密實(shí)狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上取k=0.80，取錘體行程的1.72倍的圓柱求得體積后計(jì)算參振土體的質(zhì)量m2。土體-夯錘相互作用瞬間完成后，錘體給土體產(chǎn)生一個(gè)速度v22，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對土體的夯實(shí)。考慮將地基簡化成圖4所示的阻尼彈簧體系，建立運(yùn)動(dòng)方程如式(4)所示。

圖4 非完全彈性碰撞半空間夯實(shí)模型Fig.4 Incomplete elastic collision half-space compaction model

(4)

(5)

相應(yīng)于最大加速度的時(shí)tα：

(6)

將夯錘底面壓力視為均勻分布，則此時(shí)應(yīng)力峰值σdmax為：

(7)

不同量級(jí)液壓夯作用于土體表面產(chǎn)生的應(yīng)力峰值σdmax通過前文相關(guān)機(jī)械技術(shù)參數(shù)與土體參數(shù)可計(jì)算而得，然后借助于豎直集中荷載作用下的附加應(yīng)力解析解(Boussinesq解)，可計(jì)算圓形均布荷載作用下土體內(nèi)豎直方向上任一點(diǎn)z深度處的附加應(yīng)力為：

(8)

由此可得如圖5所示的夯點(diǎn)正下方應(yīng)力響應(yīng)理論值變化情況。

通過圖5可見不同深度處解析模型所得的計(jì)算值與實(shí)測值基本一致，表明將機(jī)械-土體相互作用視為非完全彈性碰撞的基礎(chǔ)上，取恢復(fù)系數(shù)k為0.8，參振土體為最佳含水率下的一般粉質(zhì)黏土土質(zhì)，參振土體體積取底面與錘體底面積一致，高為錘體行程的1.72倍的圓柱體，所得計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值相符程度較高，該參數(shù)取值有助于為一般粉質(zhì)黏土路基液壓夯補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)力計(jì)算提供參考。

2.3 豎向土體應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)規(guī)律

固體靜力學(xué)中往往忽略物體介質(zhì)慣性導(dǎo)致的可變形性，單純基于靜力平衡狀態(tài)計(jì)算物體的受力與變形。而介質(zhì)微元體的慣性在動(dòng)力學(xué)中不應(yīng)該被忽略，若動(dòng)力加載時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于被加載介質(zhì)中應(yīng)力波傳遞時(shí)間，此時(shí)應(yīng)力波傳播與相互作用效應(yīng)不應(yīng)該被忽略。作出如圖6所示，3.5 t液壓夯作用下夯點(diǎn)豎直方向上土體應(yīng)力時(shí)程曲線。

圖6 不同深度處應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.6 Time history curves of stress at different depths

圖6描述了夯點(diǎn)以下不同深度處應(yīng)力時(shí)程曲線。可以看到路基表層土體中應(yīng)力波呈現(xiàn)出較為劇烈的沖擊特征，由于土體本身的慣性使得應(yīng)力波又出現(xiàn)了一個(gè)較小的波峰，隨即受到應(yīng)力波的傳播與相互作用效應(yīng)，土體應(yīng)力值震蕩波動(dòng)直至消散。而在路基深層土體中，應(yīng)力波呈現(xiàn)為彈性振動(dòng)特征，彈性波動(dòng)一下，動(dòng)應(yīng)力立即恢復(fù)歸0狀態(tài)。路基表層(0.5 m深度處)在3.5 t液壓夯作用下應(yīng)力波的加載周期為5 ms，而路基深層(4.0 m深度處)的應(yīng)力波的加載周期為9 ms。

計(jì)算3種液壓夯夯擊作用下應(yīng)力值波動(dòng)到恢復(fù)歸0狀態(tài)(應(yīng)力波作用周期)的時(shí)長。通過對比時(shí)間差均值可知，夯點(diǎn)以下0.5 m深度處，3.5 t，5.0 t 和7.0 t這3種液壓夯的應(yīng)力波作用周期分別為1.466 s，2.223 s和2.902 s。由此可見沖擊能越大，應(yīng)力波作用周期越長。

2.4 土體加速度響應(yīng)規(guī)律

液壓夯夯實(shí)作用會(huì)使土體介質(zhì)微元體瞬間產(chǎn)生明顯加速度，土體的運(yùn)動(dòng)和變形也會(huì)受到加速度所引起的慣性力影響，短時(shí)間內(nèi)的動(dòng)力加載過程中會(huì)產(chǎn)生幅值變化較大的動(dòng)應(yīng)力集中，進(jìn)而產(chǎn)生特殊的局部破壞效應(yīng)[18]。由于路基分層填筑施工過程中損壞了部分加速度計(jì)，僅以3.5 t和5.0 t液壓夯為例，作出加速度峰值隨著土體深度的變化情況如圖7所示。

圖7 加速度響應(yīng)隨著深度的變化Fig.7 Acceleration response varying with depth

由圖7可以看到，在3.5 t液壓夯作用下，夯點(diǎn)以下0.75 m深度處加速度峰值為2.238 m/s2，夯點(diǎn)以下1.25 m深度處僅為0.464 m/s2，土體加速度響應(yīng)衰減了79.27%。而在5.0 t液壓夯作用下，夯點(diǎn)以下0.75 m深度處加速度峰值為2.786 m/s2，夯點(diǎn)以下1.25 m深度處為0.899 m/s2，土體加速度響應(yīng)整體衰減了67.73%。由此可見豎向方向上加速度與應(yīng)力衰減情況相同，沖擊能越大，同一深度處土體加速度響應(yīng)衰減幅度越小。

進(jìn)一步地，圖8所示為5.0 t液壓夯夯實(shí)作用下土體加速度響應(yīng)時(shí)程曲線。夯擊加載土體產(chǎn)生正向加速度，錘體重力勢能轉(zhuǎn)化為土體動(dòng)能。由加速度時(shí)程曲線形態(tài)可知，錘體-土體相互作用瞬間，夯點(diǎn)以下0.75 m深處土體振動(dòng)速度先急速增加對應(yīng)錘體夯擊作用時(shí)段，隨后速度緩慢增加至最大值對應(yīng)夯擊作用完成之后，此深度處的土體表現(xiàn)出較多的塑性狀態(tài)，直接產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性形變。而由1.25 m 深處加速度值變化情況可知，土體振動(dòng)速度衰減為0之后又反向加速，說明夯擊作用完成之后，相較于0.75 m深處，1.25 m深處土體表現(xiàn)較多的彈性狀態(tài)，大部分土體形變可恢復(fù)。

圖8 加速度時(shí)程曲線Fig.8 Acceleration time history curves

3 結(jié)論

通過開展本次液壓夯夯實(shí)粉質(zhì)黏土動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)場試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

(1)夯擊能越大，路基土體中應(yīng)力豎直方向上傳播時(shí)損耗越小，應(yīng)力波影響深度越廣。夯點(diǎn)正下方0.5 m深度處，水平方向上應(yīng)力衰減幅度先慢后快，夯點(diǎn)正下方1.0 m深度處的水平方向上，隨距離增大衰減幅度增大?？傮w水平方向上夯擊能越大，應(yīng)力衰減幅度越大。

(2)將機(jī)械-土體相互作用視為非完全彈性碰撞的基礎(chǔ)上，取恢復(fù)系數(shù)k為0.8，參振土體為最佳含水率下的一般粉質(zhì)黏土土質(zhì)，參振土體質(zhì)量取底面與錘體底面積一致、高為錘體行程的1.72倍的圓柱體，所得計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值相符程度較高。

(3)路基表層土體慣性會(huì)使應(yīng)力波產(chǎn)生第2個(gè)波峰，隨后應(yīng)力值在應(yīng)力波的傳播與相互作用效應(yīng)下發(fā)生震蕩直至應(yīng)力消散歸0，而在路基深層土體處，動(dòng)力夯實(shí)作用下表現(xiàn)為彈性振動(dòng)特征。沖擊能越大，同一深度處應(yīng)力波作用周期越長。

(4)沖擊能越大，應(yīng)力波傳遞到夯點(diǎn)以下同一深度處土體加速度響應(yīng)衰減幅度越小。由加速度時(shí)程曲線形態(tài)可知，夯點(diǎn)以下0.75 m深處土體表現(xiàn)出較多的塑性狀態(tài)，1.25 m深處土體表現(xiàn)較多的彈性狀態(tài)。