不同壓實(shí)工藝在道路填石路基中的應(yīng)用效果分析

宋憲行

（中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司， 河北 涿州 072750）

1 引言

公路路基的壓實(shí)度是影響其穩(wěn)定性的主要因素之一， 合理的路基壓實(shí)方案能顯著提高路基的壓實(shí)效果， 提高道路的穩(wěn)定性。 近年來， 許多專家學(xué)者針對路基壓實(shí)方案開展研究。

蔡德鉤等人[1］建立有限元模型， 并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)， 分析路基壓實(shí)過程中， 路基的振動(dòng)響應(yīng)狀態(tài)變化規(guī)律， 結(jié)果表明， 在路基的壓實(shí)過程中， 其加速度響應(yīng)幅值呈橢圓狀向四周衰減的變化趨勢。 畢志剛等人[2］以某高速公路路基為研究對象， 采用有限元軟件， 對路基的振動(dòng)壓實(shí)過程進(jìn)行分析， 分析不同壓路機(jī)壓實(shí)效率的差異性， 結(jié)果表明， 增大振動(dòng)輪質(zhì)量可提高路基的壓實(shí)效率。 胡志文等人[3］基于沉降差和動(dòng)態(tài)變形模量， 分析路基壓實(shí)的質(zhì)量， 結(jié)果表明， 堆土預(yù)壓有利于提升路基的壓實(shí)質(zhì)量。 曹麗萍等人[4］以某公路工程為研究對象， 結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)， 對其路基壓實(shí)的均勻性進(jìn)行研究， 結(jié)果表明， 壓實(shí)計(jì)值與壓實(shí)度具有一定的相關(guān)關(guān)系。 李盛等人[5］以填石路基為研究對象， 分析不同壓路機(jī)參數(shù)對路基壓實(shí)效果的影響， 并得出最優(yōu)壓實(shí)方案， 結(jié)果表明， 最優(yōu)壓實(shí)方案的可行性良好， 可應(yīng)用于實(shí)際工程中。

本研究以陽城路為研究對象， 分析不同壓實(shí)方案下， 路基的有效壓實(shí)深度、 路表沉降等參數(shù)的變化規(guī)律， 得出路基的最優(yōu)壓實(shí)方案， 并將該方案應(yīng)用于實(shí)際工程中， 以驗(yàn)證其可行性。

2 工程概況

本研究以陽城路為研究對象， 陽城路 （開源大道-雪松大道） 北起開源大道南側(cè)的陽城路橋， 南至雪松大道， 工程修筑起點(diǎn)樁號(hào)為K1+010.725， 終 點(diǎn) 樁 號(hào) 為K2+998.530， 全 長 約1987.805m， 道路等級(jí)為城市次干路， 設(shè)計(jì)速度40km/h， 標(biāo)準(zhǔn)段道路紅線寬度40m， 雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)。 本項(xiàng)目跨越規(guī)劃水系2 處， 全線設(shè)置中橋1 座。 該道路的路基、 路面壓實(shí)度如表1 所示。

表1 路基、 路面壓實(shí)度

3 填石路基振動(dòng)壓實(shí)仿真模型的建立

本研究采用彈性、 彈塑性本構(gòu)模型對路基的壓實(shí)過程進(jìn)行模擬。 當(dāng)采用壓路機(jī)對路基進(jìn)行壓實(shí)時(shí)， 路基表面所受的荷載 （P） 如式 （1） 所示。

式中：G為振動(dòng)輪重力， kN；F0為壓實(shí)過程產(chǎn)生的激振力， kN； ω 為振動(dòng)圓頻率， rad/s；t為時(shí)間， s。

采用有限元軟件對填石路基振動(dòng)壓實(shí)過程進(jìn)行模擬， 該模型采用的相關(guān)模型參數(shù)如表2 所示。

表2 模型相關(guān)模型參數(shù)

為研究不同壓實(shí)方案下， 路基路面的變形及沉降變化規(guī)律， 分析壓路機(jī)振動(dòng)頻率、 行駛速度等因素對沉降的影響， 模擬的工況參數(shù)如表3 所示。

表3 模擬工況參數(shù)

4 路基計(jì)算及優(yōu)選壓實(shí)工藝確定

在路基壓實(shí)過程中， 不同壓路機(jī)的相關(guān)參數(shù)及其行駛速度等因素具有一定的差異性， 會(huì)影響路基的壓實(shí)效果及后續(xù)的路基沉降變形， 本節(jié)針對填石路基的路基壓實(shí)過程進(jìn)行模擬計(jì)算， 分析上述因素對路表沉降的影響規(guī)律。 根據(jù)表3 所示的工況， 選取標(biāo)準(zhǔn)路面截面進(jìn)行模擬計(jì)算， 得出不同工況下的路表沉降結(jié)果， 如表4 所示。

由表可知， 不同工況下的路基壓實(shí)情況具有一定的差異性， 其中， 工況14 的路表沉降有最大值， 經(jīng)過8 次壓實(shí)后， 其值為16.140mm； 工況3 的路表沉降有最小值， 經(jīng)過8 次壓實(shí)后， 其值為8.518mm， 說明壓路機(jī)的振動(dòng)輪質(zhì)量及其相關(guān)參數(shù)對路基的壓實(shí)情況有一定的影響； 工況9的有效壓實(shí)深度最大， 經(jīng)過8 次壓實(shí)后， 其值為8.147m； 工況4、 工況8 和工況12 的有效壓實(shí)深度最小， 經(jīng)過8 次壓實(shí)后， 其值均為5.418m， 說明在工況9 下， 壓路機(jī)對路基的壓實(shí)效果較好。隨著壓實(shí)次數(shù)的增大， 不同工況下的最大壓應(yīng)力、 有效壓實(shí)深度及路表沉降均呈增大趨勢， 說明壓實(shí)過程的進(jìn)行可顯著提升路基的壓實(shí)效果，其中， 壓實(shí)次數(shù)的增大對有效壓實(shí)深度的提升效果較為明顯。 在工況11 下， 其提升率最大， 其值為192.5%。 對比工況1 和工況5 可得， 當(dāng)其他參數(shù)不變， 當(dāng)激蕩力較大時(shí)， 路基的有效壓實(shí)深度較小， 路表沉降較大； 工況2 和工況6 的計(jì)算結(jié)果與工況1 和工況5 存在一定的差異性， 當(dāng)激蕩力較大時(shí)， 得出的有效壓實(shí)深度和路表沉降較大， 出現(xiàn)該差異的原因主要在于其行駛速度，工況1 和工況5 的壓路機(jī)行駛速度為2km/h， 而工況2 和工況6 的壓路機(jī)行駛速度為4km/h， 說明當(dāng)壓路機(jī)的行駛速度較大時(shí)， 增大激蕩力對路基壓實(shí)效果有提升， 而壓路機(jī)行駛速度較小時(shí)，增大激蕩力對路基的提升效果不明顯， 反而會(huì)減小其有效壓實(shí)深度。 當(dāng)保持其他因素不變， 對比不同壓路機(jī)行駛速度下的計(jì)算結(jié)果可得， 當(dāng)行駛速度較大時(shí)， 得出的有效壓實(shí)深度較小， 路表沉降較大， 說明當(dāng)壓路機(jī)行駛速度較大時(shí)， 路基的壓實(shí)效果較差， 且路表易發(fā)生變形， 降低壓路機(jī)的行駛速度有利于提升路基的壓實(shí)效果。 對比工況1 和工況3 可得， 當(dāng)振動(dòng)頻率較大時(shí)， 計(jì)算得出的有效壓實(shí)深度較小， 路表沉降較大， 說明提高壓路機(jī)的振動(dòng)頻率對路基的壓實(shí)效果有負(fù)面影響， 增大路表變形。 對比工況1 和工況9 可得，當(dāng)振動(dòng)輪質(zhì)量較大時(shí)， 計(jì)算得出的有效壓實(shí)深度和路表沉降較大， 但是有效壓實(shí)深度的提升效果較不明顯， 說明提高壓路機(jī)的振動(dòng)輪質(zhì)量可提升路基的壓實(shí)效果， 但是其提升效果較不明顯。

為綜合分析不同工況下， 路基的壓實(shí)情況，以第8 次壓實(shí)后的路基為研究對象， 對其壓實(shí)效果進(jìn)行評(píng)分， 以得出不同工況的壓實(shí)效果， 將最大壓應(yīng)力、 有效壓實(shí)深度和路表沉降的得分相加， 得出不同工況的壓實(shí)效果得分。 其中， 當(dāng)其數(shù)值最大時(shí)， 得一分， 根據(jù)數(shù)值排序依次遞減0.1 分， 最低分為1 分， 不同工況下的壓實(shí)效果得分如表5 所示。

表5 不同工況下的壓實(shí)效果得分

由表可知， 工況13 的得分最高， 工況4 的得分最低， 說明采用工況13 的路基壓實(shí)效果最優(yōu)， 工況4 的路基壓實(shí)效果最差。 工況13 與工況14 的壓實(shí)效果得分差距僅為0.1， 其工況上的差異主要體現(xiàn)在其行駛速度， 說明行駛速度會(huì)影響路基的壓實(shí)效果， 但是其影響效果較小。 對比工況13 和工況5 可得， 二者之間的壓實(shí)效果得分差距為0.5， 其工況差距主要體現(xiàn)在振動(dòng)輪質(zhì)量， 說明提高振動(dòng)輪的質(zhì)量有利于提升路基的壓實(shí)效果， 且其對路基壓實(shí)效果的影響較大。 工況13 與工況15 的壓路機(jī)振動(dòng)頻率不同， 其壓實(shí)效果得分差距為1.1， 說明增大壓路機(jī)的振動(dòng)頻率不利于提高路基的壓實(shí)效果， 并且不同壓路機(jī)振動(dòng)頻率導(dǎo)致的壓實(shí)效果得分差距最大， 說明改變壓路機(jī)的振動(dòng)頻率時(shí)， 對路基的壓實(shí)效果影響最大。 綜合以上分析可得， 壓路機(jī)的相關(guān)參數(shù)與其行駛速度對路基的壓實(shí)效果有一定的影響， 且其影響程度具有一定的差異性， 其中， 壓路機(jī)的振動(dòng)頻率對路基的壓實(shí)效果影響最大。 由于工況13與工況14 的壓實(shí)效果差距較小， 其工況的差異主要體現(xiàn)在壓路機(jī)的行駛速度， 在實(shí)際工程中，為提高工程的施工效率， 可采用工況14 為優(yōu)選壓實(shí)工藝進(jìn)行施工。

為分析該壓實(shí)方案在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況， 在陽城路選取兩段道路， 以工況14 為壓實(shí)方案， 開展路基壓實(shí)試驗(yàn)， 對其壓實(shí)過程中的路段孔隙率進(jìn)行監(jiān)測， 孔隙率監(jiān)測結(jié)果如表6 所示。

表6 孔隙率監(jiān)測結(jié)果

由表可知， 各測點(diǎn)間的孔隙率差距較小， 說明采用該壓實(shí)方案的路基壓實(shí)效果較為均勻。 根據(jù)相關(guān)規(guī)范可得， 下路堤的孔隙率應(yīng)小于25%，上路堤的孔隙率應(yīng)小于23%， 采用工況14 得出的路段孔隙率均小于規(guī)范規(guī)定的限值， 說明采用該壓實(shí)方案的施工效果良好， 在實(shí)際工程中， 將工況14 作為壓實(shí)方案的可行性較高。

為了更直觀地反映路基的壓實(shí)情況， 選取3個(gè)測點(diǎn)， 采用22t 和26t 壓路機(jī) （振動(dòng)輪質(zhì)量分別為11t、 13t） 對路基進(jìn)行壓實(shí)， 采用PFWD 方法對路面的回彈模量進(jìn)行監(jiān)測， 以分析壓實(shí)方案的壓實(shí)效果， 其壓實(shí)次數(shù)-回彈模量曲線如圖1所示。 由圖可知， 隨著壓實(shí)次數(shù)的增大， 路基的回彈模量逐漸增大， 說明增大壓實(shí)次數(shù)可提升路基的壓實(shí)效果； 不同測點(diǎn)的回彈模量數(shù)值具有一致性， 說明采用該壓實(shí)方案的壓實(shí)效果較為均勻。 26t 壓路機(jī)壓實(shí)后的路基回彈模量顯著大于22t 壓路機(jī)， 說明提高振動(dòng)輪的質(zhì)量能顯著提升路基的壓實(shí)效果， 與前文數(shù)值模擬的結(jié)果一致。

圖1 壓實(shí)次數(shù)-回彈模量曲線

為分析壓實(shí)過程后， 路基的長期穩(wěn)定性， 以采用26t 壓路機(jī)的道路為研究對象， 選取4 個(gè)測點(diǎn)， 對其沉降量進(jìn)行監(jiān)測， 其監(jiān)測時(shí)間-沉降量曲線如圖2 所示。 由圖可知， 各測點(diǎn)的沉降量變化趨勢具有一致性， 隨著監(jiān)測時(shí)間的增大， 各監(jiān)測點(diǎn)的沉降量逐漸增大； 當(dāng)監(jiān)測時(shí)間較小時(shí)， 各測點(diǎn)之間的沉降差異較小， 隨著監(jiān)測時(shí)間的增大， 各測點(diǎn)間的沉降量差距逐漸增大， 且其沉降均在規(guī)范規(guī)定的限值之內(nèi)， 說明在實(shí)際工程中，采用該壓實(shí)方案的可行性較高。

圖2 監(jiān)測時(shí)間-沉降量曲線

5 結(jié)論

本研究以陽城路為研究對象， 分析不同壓實(shí)方案下， 路基的有效壓實(shí)深度、 路表沉降等參數(shù)的變化規(guī)律， 得出路基的最優(yōu)壓實(shí)方案， 并將該方案應(yīng)用于實(shí)際工程中， 以驗(yàn)證其可行性， 得出以下結(jié)論：

（1） 當(dāng)壓路機(jī)的行駛速度較大時(shí)， 增大激蕩力對路基壓實(shí)效果有提升效果， 而壓路機(jī)行駛速度較小時(shí)， 增大激蕩力對路基的提升效果不明顯， 反而會(huì)減小其有效壓實(shí)深度。

（2） 壓路機(jī)的相關(guān)參數(shù)與其行駛速度對路基的壓實(shí)效果有一定的影響， 且其影響程度具有一定的差異性， 其中， 壓路機(jī)的振動(dòng)頻率對路基的壓實(shí)效果影響最大。

（3） 采用工況14 得出的路段孔隙率均小于規(guī)范規(guī)定的限值， 說明采用該壓實(shí)方案的施工效果良好， 在實(shí)際工程中， 將工況14 作為壓實(shí)方案的可行性較高。

（4） 隨著壓實(shí)次數(shù)的增大， 路基的回彈模量逐漸增大， 說明增大壓實(shí)次數(shù)可提升路基的壓實(shí)效果； 26t 壓路機(jī)壓實(shí)后的路基回彈模量顯著大于22t 壓路機(jī)， 說明提高振動(dòng)輪的質(zhì)量能顯著提升路基的壓實(shí)效果。