细粒土填料重型压路机强振碾压动力变形特性研究

杨建中，谭亦高

(1.沪宁城际铁路股份有限公司，江苏南通226000;2.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)

修建高速公路或铁路时，往往需要进行高填深挖，为了降低填料运输成本，通常就地取材以路堑施工中的挖方材料作为填料来修筑路堤。其中细粒土填料在局部区域分布非常广泛，也经常作为路基填料进行压实施工，且该类路堤的施工工艺将直接影响路基工程的质量。影响路基压实度的因素有多种，主要有填料的类型、填料的含水量、压实层的厚度、压实机械和压实工艺等。目前，国内加固高填方路堤的方法有普通光轮碾压、大功率振动压路机压实、强夯法夯实等。其中大功率振动压路机压实技术是近年来出现的一种新型压实技术。路基振动压实是将振动机械置于路基表面进行一定时间的振动，利用其激振力在填料中产生的剪切压密作用，使一定深度内的岩土体均匀增密，从而改善路基的力学性能。大功率振动压路机压实在路基施工中正逐步普及，并取得了一定的经济效益和社会效益，相关研究主要基于某地区或某种特殊填料的压实试验或施工监测结果的分析，其在路基施工中的大范围推广应用尚需进一步开展深入研究。在大功率振动压路机理论研究方面，国内外对路基振动碾压的研究提出了诸多新方法和新技术，目的就在于提高碾压的质量［1－2］。在大功率振动压路机的工程实践研究等方面，填料多针对级配碎石、土石混合料等开展压实研究［3－7］，并取得了较为系统的研究成果，但少见细粒土填料的应用研究［8－10］。综上所述，大功率压实机械在路基施工中正逐步普及，并取得了一定的经济效益和社会效益，但与之相配套的压实技术和质量控制标准尚未完善，相关研究主要基于某地区或某种特殊填料的压实试验或施工监测结果的分析，其在细粒土填料路基施工中的大范围推广应用尚缺乏有效的指导。因而从细粒土压实变形基本特性的角度，探讨大松铺厚度条件下采用重型压路机强振碾压的适用性和有效性非常有意义。基于以上考虑，本文结合细粒土压实变形的基本工程特性，采用Abaqus有限元软件建立细粒土振动压实的三维数值分析模型，通过输入动态振动波模拟重型压路机强振碾压的激振能，获取不同铺填厚度条件下细粒土填层范围内的变形与压实特性，进而探讨不同铺填厚度条件下采用重型压路机强振碾压的适用性和有效性，并由此提出了细粒土重型压路机强振碾压的基本工艺参数。

1 细粒土压实特性分析

1.1 细粒土的工程特性

细粒土的主要分类标准对于压实土体大多集中研究最大干密度的工程性质。但在气候潮湿地区，路基填料的天然含水量较高，需要在偏湿的状态下碾压，即使对土体进行翻晒之后碾压，成型后也会因地下水的毛细上升、大气降雨入渗等作用而使土体处于偏湿的状态。为掌握潮湿地区细粒土路基的填筑控制技术，尤其是保证路堤的长期性能稳定，需对细粒土填料在偏湿状态下的工程特性进行了解。土体处于最佳含水量干测和湿测状态下其工程性质，如表1。

表1 干测与湿测压实的特性比较Table 1 Comparison of compaction characteristics between dry and wet test measurement

1.2 细粒土压实的工程特性

细粒土［11］填料被广泛用于路堤、堤坝和地基工程，填料压实后的质量指标主要用压实度表示。压实度反映了干密度与含水量和压实能量之间的相互影响。如果压实度达不到设计要求，对路堤而言，将产生过大的工后沉降，并使路床的CBR值偏低，在反复荷载作用下，路基顶面的路面结构容易开裂。为提高公路建设的质量，目前在不断提高压实度的设计标准，但应考虑到其他因素也会引起大的工后沉降和路面裂缝，例如，路堤压实度过高，使堤坡和堤脚的土易于吸水软化，进一步使路堤产生较大的侧向位移;堤身过重使路堤下的软土产生更大的压缩变形;此外，也不能排除施工管理和检测方面的因素。压实度的高要求可能导致填方单价的上升和工期的延长，并可能对质量产生负面作用，故有必要了解压实度的影响因素和合理要求。

压实能量、土的初始干密度、含水量和土的颗粒组成均影响压实细粒土的工程性能:压实能量越大，最大干密度越大、最佳含水量越低。但是，继续提高干密度要求，须投入更大的能量增长率;对土的压实，当含水量较低时，击实后的干密度，随含水量的增加而加大。当干密度增大到某一值后，含水量增加反而干密度减小，这个最大值即为该击数下的最大干密度与其相对应的含水量称为最优含水量;在相同的击实功能下，黏性土的黏粒含量越高或塑性指数愈大，压实愈困难，最大干密度越小，最优含水量愈大，这是由于在相同的含水量下，黏粒含量超高，吸附水层越薄，击实过程中土粒错动越困难的缘故。除了上述因素，现场碾压时，土层厚度、碾压遍数、压实机械类型与压实方法以及地基下承层的强度等都影响着土体的压实质量。

1.3 铺填细粒土压实特性

本文对不同填土模型的模拟结果进行不同的数据处理，对于细粒土模型除了处理得到上述数据外还处理了模型中成层土压缩量。具体方式如下。

根据填土中不同深度处的沉降，可以计算出每一层土的压缩量，根据土的压缩量与孔隙比的关系，可以求得每一层土的孔隙比变化值，从而可以计算出压实度变化情况，从而反映出土体的压实情况。

路费填筑施工范围内假设忽略填料的纵横向变形，由土体的三相简图可以得到下列公式，其中:h为土层的初始厚度，h1为压缩后土层的厚度，e0为土层的初始孔隙比，e1是压缩后土层的孔隙比，S为土层的沉降，γd1为压缩后土层的干密度，γdmax为最大干密度，k为压实度:

则可以建立h和h1之间的关系为

土层压缩量S=h－h1，则

则

又由土的三相简图可知

从而可以求得各层的压实度

得到各层的压实度之后便可以获得填料土层沿深度方向内的压实度曲线。

2 数值有限元模型与参数选取

2.1 基本假定

影响大功率超重吨位超大激振力全液压自行式强振压路机压实效果的因素很多，因此有必要针对研究的重点和工程实际对模型做出相应简化，本模型作出以下假定:

1)模型中的土体采用均匀各向同性弹塑性材料;

2)不考虑地下水及孔隙水的作用;

3)假定在细粒土填筑范围内土体压实侧向变形远远小于细粒土填筑宽度，因而模型分析计算时不考虑土体侧向变形。

2.2 路基填土的物理特性

结合部分类似工程的施工经验，并根据相关规范对于细粒土的基本要求，本文三维数值分析时对细粒土填料物理特性的基本要求为:液限大于50%、塑性指数大于26，含水量不适宜直接压实的细粒土，不得直接作为路堤填料;特殊条件下需要使用时，亦必须采取技术措施进行处理。

2.3 振动压实模型的建立

为了研究振动压路机对路基填土的压实特性，利用ABAQUS有限元软件建立如图1所示的三维有限元模型。模型尺寸为10 m×10 m×(4 m+碾压层厚度)，分析的碾压区尺寸取2.178 m×2 m，即压路机在100个激振周期内所碾压过的面积。

2.3.1 边界条件

根据工程实际和研究重点，简化计算模型，模型边界条件设定为:

1)地基侧面边界:完全侧限，允许竖向位移;

2)地基底面边界:采用固定边界条件;

3)地基表面边界:自由无约束边界。

2.3.2 本构模型及土体参数确定

米隆［12］通过研究表明:路基填筑时基底模量的大小对上层振动压实具有较大影响。据此，本模型自下而上至4 m处为压实土，上表层为待压实填土。压实土对压实效果影响不大，采用线弹性模型。模型参数见表2。

图1 铺填细粒土填料重型压路机强振碾压有限元模型Fig.1 FEM model of fine－grained soil fill with laying under the condition of strong vibration rolling of heavy

表2 压实土的线弹性模型参数Table 2 Linear elastic model parameters of compacted soil

填土采用扩展的Drucker－Prager弹塑性本构关系，考虑硬化。

扩展的Drucker－Prager模型的屈服面在π平面上不是圆形的，屈服面在子午面上包括线性模型、双曲线模型和指数模型。扩展的 Drucker－Prager模型具有如下特点:

1)用来模拟土、岩石等摩擦材料，这些材料的屈服与围压有关，围压越大，材料强度越高;

2)允许材料各向同性硬化或软化;

3)考虑了材料的剪胀性;

4)可以模拟蠕变功能以描述材料的长期非弹性变形;

5)可用来模拟单调加载下材料的力学行为。

碾压层填土采用的Drucker－Prager模型参数见表2和表3。表中:ρ为天然密度;E为土的弹性模量;μ为泊松比;K为应力流动率;β为摩擦角;ψ为剪胀角。

2.4 单元选取和网格划分

采用三维线性8节点缩减积分单元(C3D8R)对模型进行网格划分。该单元有以下特点:

1)对位移的求解结果较准确;

2)网格存在扭曲变形时，分析精度不会受到大的影响;

3)在完全荷载下不容易发生剪切自锁。

模型网格划分时边界种子朝碾压区域逐渐密集，以确保碾压区计算精度满足要求。

本研究中单元采用显式非线性动态分析(Abaqus/Explicit)计算。显示算法以应力波的传播方式在模型中传播结果，因而最适用于求解应力波影响为主的问题以及模拟时间很短的问题。

表3 填土D－P模型参数Table 3 D－P model parameters of filling

表4 填土D－P模型的硬化参数Table 4 D－P model hardening parameters of filling

2.5 荷载施加

2.5.1 重型压路机选型与振动碾压参数

振动压路机采用中大YZ32Y2压路机。中大YZ32Y2压路机振动碾压参数见表5。

表5 振动压路机部分参数Table 5 Some parameters of vibratory rollers

2.5.2 荷载作用面积的确定

压路机在路基表面上碾压时，行驶速度较慢，振动轮与路面接触面积较大。

振动轮与路基表面接触面积计算公式

其中:A为振动轮与路面接触面积;L为振动轮宽度;R为振动轮半径;β为取值应小于填土的内摩擦角。

为了将问题简化，假设压路机轮载为垂直均布矩形荷载。计算过程中为了实现荷载的移动，首先沿荷载移动方向设荷载移动带，移动带沿路横向的宽度与振动轮宽度相同(2.718 m)，移动带沿路纵向的长度为轮载行驶的距离(2 m)。然后将荷载移动带沿荷载移动方向细分成10个小矩形，每个矩形长度约为0.2 m。如图2所示。

图2 移动带细分图Fig.2 Subdivision graph of moving load area

轮载初始状态占了第1个小矩形的面积，移动过程中，荷载沿移动带逐渐向前移动，通过设置多个荷载步，每个荷载步结束时，荷载整体向前移动1个小矩形面积。荷载在每个小矩形上的作用时间为荷载在整个作用区域的1/10。碾压1遍总作用时间为100个激振周期(3.56 s)，故每个移动带上荷载作用时间设置为0.356 s。

2.5.3 荷载大小的确定

振动压路机对压实土的作用力为激振力和振动轮自重之和。振动压路机的激振力为F0sin(2πft)，其中:F0为激振力幅值;f为振动频率。但是在振动压路机碾压土层过程中只会对被压实土层施加压力，而不会施加拉力。因此，在1个周期内，振动压路机对被压土层施加的作用力P变化公式为:

振动压路机对被压土层在1个激振周期施加的作用力曲线图如图3所示。

图3 压路机振动荷载－时间曲线Fig.3 Vibrating load － time curve of roller

为简化计算，对1个周期内的作用力取均值以静载作用在小矩形上，然后采用连续的方式替代动荷载的作用效果。

静载大小计算:

3 铺填细粒土强振碾压变形特性分析

3.1 细粒土铺层碾压模拟结果分析

截取强振碾压条件下不同铺填厚度细粒土土体的沉降云图进行对比如图4所示。

从沉降云图中获得典型数据点的位移时程曲线和碾压沉降曲线如图5所示。

图4 不同铺填厚度条件下填料沉降云图对比Fig.4 Comparison of settlement nephograms of fine－grained soil with different laying thickness

图5 不同铺填厚度条件下填料碾压沉降时程曲线对比Fig.5 Comparison of settlement curves of fine－grained soil with different laying thickness and different rolling times

将上图碾压沉降图绘制在同一坐标系中进行对比如图6所示。

图6 填料铺填层沉降曲线Fig.6 Settlement curves of laying fine－grained soil

由图6可知:随着时间的增加，低于70 cm厚铺填层沉降量呈对数递减，沉降趋于平稳;80，90和100 cm厚铺填层沉降趋势曲线接近线性变化趋势，沉降不平稳。

为方便分析铺填厚度与碾压次数之间的关系，将碾压六遍后填土顶层绝对沉降变形与填土顶层相对沉降变形随碾压遍数的变化情况绘制如图7和图8所示。

由图8可得到该铺填层顶面特征点沉降变形随碾压遍数的关系如下:随着沿铺填层深度的增加，填层顶点沉降显著增大;前3遍碾压效应下，不同铺填厚度的细粒土层沉降变形均非常显著，但随着碾压遍数的增加，低于70 cm厚铺填层的相对沉降量曲线逐渐趋于较小的沉降值，而80，90和100 cm厚铺填层的相对沉降量曲线虽然仍趋于减小，但相对沉降量值仍然较大;以上现象表明碾压6遍可能并不能使80，90和100 cm厚铺填层的全层压实度满足设计要求。

图7 碾压6遍总沉降量与填料铺填层厚度的关系曲线Fig.7 Total settlement against laying thickness of fine－grained soil after six times rolling

图8 每次碾压相对沉降量Fig.8 Relative settlement of each rolling

同时，为真实反映铺填细粒土层内各不同深度处的变形情况，通过在位移云图中读取各深度处特征点的位移数据如图9所示。

图9 不同铺填厚度时填料不同深度处相对竖向位移对比Fig.9 Comparison of relative vertical displacement of fine－grained soil at different depths under conditions of different laying thickness

同时，根据图9中不同深度处的沉降，可以计算出每一层土的压缩量，根据土的压缩量与孔隙比的关系，可以求得每一层土的孔隙比变化值，从而可以计算出压实度变化情况。不同深度处特征点的压实度计算结果如图10所示。

图10 不同铺填厚度条件时填料不同深度处压实度对比Fig.10 Comparison of the degree of compaction of fine－grained soil at different depths for different laying thickness

从图10可以看出，低于70 cm厚铺填层深度处各个特征点的压实度计算结果均能满足规范压实度0.92的要求，表明该铺填厚度和施工参数条件下整个铺填层均受到有效碾压;而当铺填层厚度超过80 cm后，铺填厚度70 cm以下深度处的压实度计算结果变异性较大，部分计算结果不能满足规范压实度0.92的要求。这表明并不是整个铺填层厚度都受到了有效碾压;由于下部压实程度较低，其压缩模量等参数亦较低，下部压缩模量较低的土层压实将对上层振动压实具有较大影响。此时，当铺填厚度较大时，在铺填层下部压实度相对较低的情况下，铺填层顶部的压实也出现较明显的下降趋势，随着铺填厚度的增加，这种现象更为明显。其原因在于:当铺填层厚度超过80 cm后，虽然总体上仍表现出上部压实度相对较大，下部压实度相对较小的特征，但振动碾压压力路的压实能量主要在上部土层的压实过程中的发生消耗，而传递至铺填层下部的压实能量较小，进而导致铺填层下部的压实度相对较低。

同时，根据不同铺填厚度条件下细粒土不同深度处压实度曲线，可以方便确定不同铺填厚度条件下强振碾压作用下的碾压有效影响深度。如当铺填厚度低于70 cm时，本文假定的施工参数条件下整个铺填层均受到有效碾压，其有效影响深度可定位铺填厚度值;但铺填厚度较小时(50，60 cm)，整个铺层范围内压实程度均较大幅度的超过了设计要求，表明碾压遍数6次可能并不经济，可以采用较小的碾压遍数即可达到设计要求。而当铺填厚度大于80 cm时，本文假定的施工参数条件下并不是整个铺填层均受到有效碾压，但其有效影响深度基本维持在70 cm左右，因此，为了使较厚铺填层整个厚度内均满足设计要求，需加大碾压次数;据测算，当铺填厚度小于60 cm时，碾压4～5遍即可满足压实标准，当铺填厚度大于80 cm时，碾压遍数需要超过8次才能保证整个铺填层均受到有效碾压，从工程实际的技术和经济性而言并不合理。因此，对于本文给定的细粒土特性参数和碾压工艺参数，70 cm厚铺填层碾压6遍最经济有效。

4 结论

1)建立了细粒土振动压实的三维数值分析模型，通过输入动态振动波模拟重型压路机强振碾压的激振能，获取不同铺填厚度条件下细粒土填层范围内的变形与压实特性，进而探讨了不同铺填厚度条件下采用重型压路机强振碾压的适用性和有效性，提出了细粒土的最佳厚度和重型压路机强振碾压的基本工艺参数;

2)铺填厚度较小时，在常规重型压路机强振碾压遍数条件下，整个铺层范围内压实程度均较大幅度的超过了设计要求，碾压遍数过度并不经济，只需可以采用较小的碾压遍数即可达到设计要求;

3)当铺填厚度较大时，并不是整个铺填层均受到有效碾压，其有效影响深度基本维持在一定范围，因此，为了使较厚铺填层整个厚度内均满足设计要求，需加大碾压遍数，但并非经济有效;

4)当铺填层厚度超过最佳铺填厚度之后，压实能量无法传递至下部或传递至下部的压实能量很小，从而导致土的压实度相对较小。同时，由于下部压实低，进而影响碾压层上部土体的压实度;

5)根据不同铺填厚度条件下细粒土不同深度处压实度曲线，可以方便确定不同铺填厚度条件下强振碾压作用下的碾压有效影响深度，进而确定最优经济有效的碾压施工参数。

本文针对一特定细粒土填筑开展了强振碾压特性研究，对细粒土振动压实具有参考价值，但不同类型、组分细粒土的工程特性各异，不同类型、组分细粒土强振碾压特性的研究有待进一步深入。

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