冲击压路机在黄土路基补强压实中应力分析

张　雷，梁　鸿，李　颖

(内蒙古农业大学能源与交通工程学院，内蒙古 呼和浩特　010018)



冲击压路机在黄土路基补强压实中应力分析

张雷，梁鸿，李颖

(内蒙古农业大学能源与交通工程学院，内蒙古 呼和浩特010018)

摘要：为了确定冲击压路机在黄土路基中的有效影响深度，通过对冲击碾压过程中一个循环周期进行力学分析，把冲击荷载简化成半正弦荷载形式，选用拟静力法进而计算出不同填土深度土的应力，得到应力分布规律；进行不同填土深度的压力检测试验，并和理论计算进行比对。通过理论计算结果和现场实测数据共同确定出冲击过程中的有效影响深度。

关键词：冲击压路机；冲击荷载；应力分布；有效影响深度

1引言

准池铁路是一条承担煤炭资源加速快运任务的重要枢纽线，属于重载铁路，要求路基有更高的刚度、强度、稳定性和抵抗变形能力。本段路基主要是由黄土组成，黄土对水很敏感，遇水后物理、力学性质发生变化；具有孔隙大、压缩性高、承载力低、均匀性差等物理特性。鉴于路基填料特殊性，该段路基需要更充分的压实。冲击压路机作为一种新型的压实技术，具有冲击、振荡、强夯综合性压实功效，由于冲击压路机冲击力大、作用深度深等特点，冲击压路机被广泛的应用在工程建设的各个方面。为了高质量的完成这段路基的施工，进一步解决和改善黄土路基难以压实的工程难题，特地采用了YCT-25型冲击压路机进行黄土路基的补强冲击碾压。

2土中应力计算

2.1冲击压路机工作原理

冲击压路机对路基碾压示意图如图1。当冲击碾静止时，即图1(1)所示位置，冲击碾只有自重压力作用在路基上。伴随牵引车的前行，冲击碾转动到如图1(2)，此时冲击碾的重心上升，产生重力势能，当冲击碾重心上升到最高点时，冲击碾的势能最大。图1(3)，随着冲击碾的重心下降，势能逐渐减小，动能逐渐增大。最后，如图1(4)所示，势能全部转化为动能，并且全都用来对路基土做功，兼具揉压、滚压的综合作用，使土体达到密实。冲击碾每转动一周，其重心上升下降三次，即对地面冲击碾压三次，由此可以把对地面的每一次冲击碾压简化成强夯，本文将对其冲击碾压的三分之一周期进行力学分析。

2.2最大接触应力

本文将采用拟静力法对冲击碾压进行理论分析，所谓拟静力法就是先通过某种理论得到接触面上的最大接触应力，然后把最大接触应力看为静力荷载作用在土体上，进而求得土中附加应力。表面接触应力，是理论分析的基础，也是数值模拟的前提。大量的试验和研究表明：冲击荷载没有明显的第二应力波，刘汉龙等人在钱家欢法基础上，将强夯冲击荷载形式简化成标准的正弦函数。将采用半正弦荷载进行力学分析，冲击荷载可表示为

σ=σmaxsin(ωt)，(t≤T)

(1)

在冲击应力达到最大值时，竖向位移达到最大值，然后随着荷载的减小，而出现一定回弹，最终的残余沉降量wf为

假定在加荷阶段某时刻t1位移达到残余沉降wf后，位移不再增加也不回弹而将其作为残余沉降保持不变，即w=wf，可解得

(3)

时刻t1对应的应力为

(4)

式中：πa2为冲击轮与路基接触面积。

将t1时刻的应力作为考虑阻尼修正后的最大冲击应力σmax

(5)

把式(5)代入式(1)可得正弦荷载下应力公式

(6)

2.3土的自重应力

σcz=γZ

(7)

式中：γ为土的容重。

2.4土的附加应力

把接触面简化成为条形基底受竖直均布荷载作用的情况考虑，土中任意点M(x,z)的竖向应力σz为

=αup

(8)

2.5土的总应力

由自重应力与附加应力的线性叠加，可以计算出各点土的总应力

σ′=σcz+σz

(9)

该工程选用的冲击压路机型号为YCT-25，压路机质量为15.5 t，冲击轮质量为12 t，静态能量为25 kJ，N=mgh，g=9.8 m/s2，h=R-r=0.2 m，r为冲击轮内侧半径，R为冲击轮外侧半径，设计速度10～15 km/h,按行驶速度12 km/h进行计算。通过计算可得如表1。

表1　应力计算结果

通过计算可以得出冲击轮接触面下方不同深度土的总应力。正如表1所示：随着填土深度的增大，作用在路基上的冲击荷载随之减小；当填土深度<1.5 m时，附加应力衰减较快；当填土厚度到达2 m时，附加应力已衰减84%；当填土深度超过2 m时，附加应力衰减缓慢。综上所述，冲击荷载对2 m以下的填土几乎起不到压实作用，考虑到黄土路基的特殊性，同时为了保证路基的压实度，所以冲击压路机在该工程中有效影响深度范围为1.5～2 m。

3现场试验

通过不同填土深度的压力大小，可以表明冲击荷载对路基的压实效果，所以进行了不同填土深度的土压力检测试验，试验不但能与验证理论计算做比对，而且能进一步分析冲击压路机的有效影响深度。本试验采用土压力传感器埋设方法得到检测数据，试验采用科研CYG712型土压力传感器。主要参数如下：

固有频率：≥20 kHz

非线性：±0.2%～±0.5%

供电方式：①恒流源或恒压源，②±15VDC

输出方式：差分毫伏信号，标称值100 mV±30%；配有放大器，标准值0～5 V

测量介质温度：-10～100 ℃

补偿温度：0～60 ℃

年稳定性：0.2～0.5%FS/年

3.1现场试验方案

设计埋设土压力传感器，每一组由5个土压力传感器组成，5个土压力传感器对应埋设在填筑了1 m、2 m、3 m、4 m和5 m高度的黄土路基下。每一组传感器布局如图2所示。

图2　埋设土压力传感器示意图

3.2试验方法

(1)选择代表性路段，对原地面进行处理。

(2)埋设土压力传感器(见表2)。

表2　现场仪器埋设位置

(3)铺筑路基。

(4)数据采集及分析。

根据土压力传感器对应的转换公式，将采集到的频率值换算成压力值

P=K×(F0-Fi)

(10)

式中：K为应力盒标定参数；F0为初始频率；Fi为检测到的频率。

表3　现场冲击压力值

根据表3可以看出 ：在有效冲击遍数范围内，伴随冲击次数增多，同一埋深处压力值显著增大；埋深在1 m处最大压力值108.7 kPa，2 m最大压力值为36.9 kPa，3 m最大压力值仅为17.1 kPa；可见冲击力随填土深度增加衰减明显，当填土深度在2 m以下时，冲击压力还没有土自重应力大，对土的压实基本不起作用，表明冲击压力有效影响范围为2 m。

3.3理论计算与现场实测数据对比

通过理论计算结果与现场实测数据比对得到：理论结果和实测数据衰减规律总体上一致，当填土深度达到2 m，冲击应力衰减85%左右；理论计算比实测数据略大，这种偏差是必然存在的，但在合理范围内。分析其中原因主要有：

(1)把土体假设为无限均匀分布的弹性体；

(2)通过半正弦荷载模型计算出冲击轮最大接触应力；

(3)理论结果是冲击轮接触面正下方土的竖向应力，实测数据为任意点土的应力。

4结束语

通过研究冲击压路机工作原理，把冲击压路机一个循环周期的三分之一视为一次强夯。把冲击荷载简化为半正弦荷载，通过半正弦荷载模型计算出冲击轮最大接触应力，根据拟静力法计算出土的总应力，由附加应力衰减趋势确定出有效影响深度。并在现场进行了不同填土深度的土压力检测试验，将理论计算结果与现场实测数据进行比对，得到理论计算和实测数据变化趋势总体上一致。最终通过理论研究和实际数据，确定了冲击压路机在该黄土路基有效影响深度。

参考文献：

[1]米海珍,胡燕妮. 兰州高坪马兰黄土工程性质规律初探[J]. 建筑科学,2008,(11):79-82.

[2]崔月娥. 关于黄土湿陷敏感性问题探讨[J].煤炭工程, 2010，(8)：76-78.

[3]王永焱. 中国黄土的结构特征及物理力学性质[M].北京:科学出版社,1990：15-17.

收稿日期：2015-11-05

作者简介：张雷(1989-)，男，山西运城临猗人，硕士研究生，从事道路工程相关工作研究。

基金项目：重载铁路黄土路基冲击压实机理与质量控制研究(207-003)

中图分类号：U416

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2016)06-0011-03