基于填石路基施工技術(shù)的公路施工研究

王志建

（福建巧匠建筑工程有限公司,福建 三明 365000）

0 引言

隨著中國(guó)公路建設(shè)迅速發(fā)展，山區(qū)公路建設(shè)也越來(lái)越普遍。在山路建設(shè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量棄石，若不合理處理將對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境造成破壞。為了實(shí)現(xiàn)該建筑工程的利益最大化，可以利用填石路基的施工技術(shù)將棄石用于鋪設(shè)路面和修筑路基。與傳統(tǒng)的土石路基相比，填石路基在碾壓過(guò)程中存在一些差異。由于碎石顆粒的形狀和尺寸不同，粗料比較多、含石比例大、碾壓過(guò)程中土石的勻稱性不夠好，導(dǎo)致土石的破壞比例和孔隙比例較高。因此，在對(duì)道路進(jìn)行壓實(shí)工藝時(shí)，填石路基與常規(guī)的土石路基有很大的區(qū)別。此外，由于施工性能指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果分散性較大，也會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的精度下降。通過(guò)對(duì)某路面的填石路基施工碾壓技術(shù)施工，可以計(jì)算出碎石道路上不同碾壓速率下的壓力影響因素和道路系數(shù)的變化，從而設(shè)定適當(dāng)?shù)膲郝窓C(jī)技術(shù)參數(shù)。在公路填石路基中，碎石顆粒呈散體特征，因此，項(xiàng)目組使用了EDEM 軟件來(lái)體現(xiàn)顆粒的三維模型，并采用離散單元方式對(duì)碾壓施工技術(shù)進(jìn)行研究。從碎石顆粒的應(yīng)力場(chǎng)和流速場(chǎng)兩個(gè)角度，對(duì)其進(jìn)行了分析，得到了在不同碾壓參數(shù)下的基礎(chǔ)關(guān)系。希望這些研究結(jié)果能為未來(lái)山區(qū)公路填石路基碾壓工程提供參考。

1 工程概況

以某山區(qū)的公路工程為例，其路面全線長(zhǎng)是14.865 km。該公路屬于山腳下山丘地域，地形地貌比較復(fù)雜，所以該地段周圍有較多的巖石，為了確保該工程的施工效率以及成本，最終選用填石路基技術(shù)來(lái)實(shí)施公路施工。施工單位為了保證施工質(zhì)量，必須做好每個(gè)公路路基施工作業(yè)環(huán)節(jié)。

2 構(gòu)建山區(qū)公路填石路基壓實(shí)模型

2.1 山區(qū)公路路基種類

山區(qū)公路的填石路基通過(guò)選擇規(guī)定區(qū)域內(nèi)的粒徑碎石作填料，結(jié)合堆積和擠壓的方式而形成。碎石填料壓實(shí)是通過(guò)物理的作用下，讓碎石顆粒達(dá)到緊密性較好的效果，而從微觀層面來(lái)看是碎石顆粒間的剪切、移動(dòng)、嵌擠的一個(gè)過(guò)程，從宏觀層面來(lái)看是指路基的松鋪層變薄。所以說(shuō)，路基填筑工程更多地體現(xiàn)出散體運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2.2 構(gòu)建離散化模型

離散單元法（EDEM）屬于典型的離散性化軟件[1]，能夠與各種流體動(dòng)力學(xué)模擬軟件相結(jié)合。主要用于物料的堆積、壓實(shí)以及粒子的運(yùn)輸。由于道路地基上的碎石填充物是一種離散的顆粒，因此，對(duì)地基進(jìn)行碾壓操作也是離散的運(yùn)動(dòng)方式。于是，利用EDEM 的方法對(duì)公路基礎(chǔ)碾壓夯實(shí)的過(guò)程進(jìn)行了模擬研究[2]，從而得到了顆粒與夯實(shí)過(guò)程接觸力以及夯實(shí)程度的變動(dòng)狀況等。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)可知，篩選得出填料級(jí)配組成（如表1 所示）。而在實(shí)際鋪筑基礎(chǔ)施工的過(guò)程中，必須對(duì)顆粒較大的顆粒使用壓路機(jī)進(jìn)行二次破碎方可通過(guò)，該路面的碎石最大粒度為200 mm。為了把計(jì)算速度提升上來(lái)，把5 mm以內(nèi)的巖石碎料忽略不計(jì)，因此，將該文研究的粒徑確定在5～200 mm 范圍內(nèi)[3]。根據(jù)相關(guān)研究可知，典型粒徑形狀包括球形、棱錐形等，如圖1 所示。

圖1 典型粒徑結(jié)構(gòu)模型

表1 填料級(jí)配組成

它在壓實(shí)和破碎材料的堆放以及顆粒的運(yùn)輸方面有著廣泛的應(yīng)用。由于碎石填料屬于分散顆粒，壓實(shí)過(guò)程也屬于分散運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

路基的高度由施工過(guò)程中所使用碾壓機(jī)的輪子大小和路基松鋪尺寸決定。如果該段公路中碎石顆粒的粒徑最大值為200 mm，通常情況下，粒徑的最大值是松鋪尺寸的1/3～2/3，同時(shí)在進(jìn)行模擬壓實(shí)的過(guò)程中不考慮側(cè)限這一問(wèn)題，所以，得出松鋪尺寸是490 mm。為了保證該山區(qū)公路路基施工質(zhì)量，項(xiàng)目組選擇使用18 t 激振力設(shè)備開展路基的壓實(shí)施工作業(yè)[4]，將激振力儀器的振動(dòng)輪阻角設(shè)定成8.863 °，并假定激振力儀器的振動(dòng)齒輪與公路的路面以條形的形式相碰撞。通過(guò)激振力設(shè)備的振動(dòng)齒輪的參變量，得出所建立模擬模型的尺寸要比0.309 mm 大，為1.6 m×0.9 m×0.72 m。為了讓模擬結(jié)果精準(zhǔn)度更高一些[5]，必須校準(zhǔn)填料碎石間碰撞參數(shù)[6]。該文構(gòu)建模型選用的顆粒材料為石灰?guī)r，詳細(xì)參數(shù)見表2。

表2 模擬顆粒材料參數(shù)

項(xiàng)目組采用Hertz-Mindlin 模型研究道路路基礫石層的碰撞問(wèn)題。將仿真條件與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件相結(jié)合，將模型的靜止摩擦角設(shè)為37.36 °，停止?fàn)顟B(tài)的滑動(dòng)摩擦角因子設(shè)為0.2，滑動(dòng)條件的摩擦因子設(shè)為0.05，恢復(fù)因子設(shè)為0.15。并利用EDME 軟件的幾何模塊來(lái)構(gòu)建盒子的三維模型，將重力加速度設(shè)定為9.6 m/s2，將碎石的初始速度設(shè)定為3 m/s[7]。該模型的碎石顆?？傎|(zhì)量定義為1 200 kg，巖石顆粒生成模型見圖2。

圖2 巖石顆粒生成模型

2.3 荷載施加形式

振動(dòng)碾石機(jī)是通過(guò)機(jī)械本身的重量和偏心引起的激勵(lì)作用來(lái)工作的，并通過(guò)激振力來(lái)對(duì)土層實(shí)施碾壓的過(guò)程。根據(jù)相關(guān)的研究能夠了解到，激振力越大，振幅和頻率越高，反之振幅和頻率就越低。因此，振幅、頻率和激振力之間存在著正比關(guān)系。機(jī)械振動(dòng)輪的荷載施加計(jì)算公式如下：

式中，WZ——壓路機(jī)振動(dòng)輪負(fù)荷；F0——壓路機(jī)所產(chǎn)生的激振力，與偏心塊靜偏心力矩、角速度有關(guān)；ω0——初始角速度。

荷載增加形式的主要作用是遷移和墻元增加。盡管墻塊具有易于控制和施力精確的特點(diǎn)，但在離散元模擬中卻沒(méi)有慣性。因此，項(xiàng)目組可以使用加載位移塊來(lái)調(diào)整負(fù)載速度。該文采用了墻元加載的方法來(lái)增加負(fù)荷，并提出了使用荷載作用下的能量曲線來(lái)模擬填料地基斷面壓實(shí)度的方法[8]。項(xiàng)目組通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)幅度的頻域來(lái)控制激勵(lì)力，頻率范圍為29～36 Hz，振幅范圍為1.0～2.1 mm。不同振幅和頻率下的激振力結(jié)果見表3。

根據(jù)不同振幅來(lái)模擬公路路基的壓實(shí)狀況，為了提升模擬效果的真實(shí)性，將路基的靜壓次數(shù)設(shè)為兩次，再按照表3 的振幅從小到大實(shí)施壓實(shí)作業(yè)，模擬2 次，能夠獲得在不同壓實(shí)程度下山區(qū)公路路基碎石碾壓特征。

3 結(jié)果分析

公路路基實(shí)施碾壓作業(yè)是減小碎石填料顆粒之間距離的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，一些顆粒的形狀發(fā)生顯著變化并受到了較大的碰撞力和外力作用，從而形成了強(qiáng)力鏈。而那些被遺漏的碎石顆粒則會(huì)進(jìn)入縫隙中。因此，這些被遺漏的碎石顆粒所受到的外部負(fù)荷很小，形成的力鏈就是弱力鏈。這兩種鏈在公路路基中均勻分布，并且力鏈的強(qiáng)度會(huì)隨著外力負(fù)荷的變化而變化。通過(guò)選擇一個(gè)法向量為（0,1,0）的斷面平面，可以觀察到，在不同堆積壓力下，填石地基的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)曲線越粗，則碰撞阻力越大。

3.1 顆粒自重和靜壓作用下的碰觸力和速度變化

分析顆粒自身重力及靜壓作用下顆粒的碰觸能力和頻率。在靜壓的影響下，原來(lái)穩(wěn)定情況下堆積的粒度情況進(jìn)行變化，打破了原有的平衡現(xiàn)象，其中大的碎石顆粒所承受的碰觸力要比小碎石大很多，因此，小碎石顆粒起到填充的作用。通過(guò)速度場(chǎng)可知，碎石顆粒整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)處于向下以及斜下的方向，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中首先是大顆粒碎石移動(dòng)，其移動(dòng)時(shí)將擠壓小顆粒碎石移動(dòng)，因此，顆粒移動(dòng)的趨勢(shì)是由大應(yīng)力向小應(yīng)力移動(dòng)，并且移動(dòng)的速度是隨著振幅的增大而加快。在碎石顆?？偭康挠绊懴拢坊蠈拥呐鲇|力要小于下層的碰觸力。當(dāng)路基受到不同作用力時(shí)，所形成的力鏈?zhǔn)遣幌嗟鹊?，碎石顆粒的穩(wěn)固性取決于由大顆粒組成的粗粒鏈。在受到外界載荷時(shí)，上下的碎石顆粒會(huì)相互碰撞，導(dǎo)致顆粒間擠壓并向下運(yùn)動(dòng)，從而使路基的松鋪層變薄。形成的力鏈為上部粗粒鏈和下部細(xì)粒鏈，碰撞力集中在上方。

3.2 應(yīng)力場(chǎng)和速度場(chǎng)

分析在不同振幅作用下公路填石路基的應(yīng)力場(chǎng)和速度場(chǎng)發(fā)生的變化。外部荷載的作用破壞了原有平衡的顆粒鏈，導(dǎo)致碎石顆粒排列發(fā)生改變，松鋪面變薄，從而提高了填充物的緊密程度。在1 mm 振幅作用下，產(chǎn)生的最大碰觸力為3.1×104N，所形成的最大速率為1.02 m/s；最大碰撞力為4.36×104N。在1.9 mm 振幅作用下，最大速度為1.16 m/s。因此，在1.0～1.9 mm 振幅作用下，碰觸力的變化幅度要大于速度的變化幅度，表明了撞擊能量在由表面碰撞變化時(shí)消耗了大量動(dòng)能，而由摩擦力引起的動(dòng)能變化相對(duì)較小。當(dāng)振幅增加到2.1 mm 時(shí)，最大碰觸阻力為4.37×104N，最大速度為1.21 m/s。此時(shí)，撞擊力的很大一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。碎石填充物顆粒相互撞擊，產(chǎn)生碰撞動(dòng)態(tài)摩擦，減弱的抵抗導(dǎo)致力鏈斷裂，不斷碰撞使顆粒越來(lái)越緊密。

3.3 卸載后碎石顆粒應(yīng)力場(chǎng)和速度場(chǎng)

在卸荷后，一些碎石顆粒會(huì)發(fā)生回彈現(xiàn)象，大顆粒碎石會(huì)上升，而小顆粒則相反。在達(dá)到一種新的平衡后，整個(gè)碎石顆粒將向下移動(dòng)。因此，選擇小顆粒碎石作為公路路基填料，以提高路基表層的密實(shí)度。分析整個(gè)壓實(shí)施工過(guò)程可以得出，路基的結(jié)實(shí)程度是由于顆粒力鏈的持續(xù)破壞和重組所產(chǎn)生的。在這種情況下，大顆粒形成了強(qiáng)大的鏈狀結(jié)構(gòu)，為道路路基的密實(shí)提供了良好的基礎(chǔ)，而小顆粒則填補(bǔ)了空隙。因此，可以看出，大顆粒碎石的粒徑是影響道路路基壓實(shí)程度的關(guān)鍵因素，并且對(duì)于振動(dòng)壓實(shí)工藝有著良好的作用。當(dāng)振幅較大時(shí)，可以降低碎石顆粒之間的摩擦，從而降低力鏈網(wǎng)絡(luò)。因此，在具體的道路路基施工中，選擇較大振幅可以獲得良好的壓實(shí)施工技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該文利用離散元模型（EDEM）方法建立了該公路填石基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，研究了在壓實(shí)過(guò)程中填石基應(yīng)力場(chǎng)和速度場(chǎng)之間的變換現(xiàn)象，以判斷填石路基技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要影響因子。在對(duì)礫石塊進(jìn)行沖擊和碾壓時(shí)，小顆粒鏈結(jié)構(gòu)會(huì)持續(xù)地破壞和重組，大粒徑所構(gòu)成的鏈框架會(huì)變得更強(qiáng)大，并承擔(dān)外部大部分載荷，而小顆粒則成為比較脆弱的鏈條。與此同時(shí)，大粒徑碎石會(huì)引領(lǐng)著小粒徑碎石整體向下或斜下部移動(dòng)。隨著壓實(shí)度的不斷提高，振動(dòng)幅度也不斷增大，從而增加了公路路基的密實(shí)程度。