冲击碾压法加固填土地基的影响因素研究

陈忠清 李明东 张平良 OLAMBO Tryphose

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴312000;2.浙江华恒交通建设监理有限公司，浙江 绍兴312000)

冲击碾压技术源于南非[1]，成形于20世纪80年代，主要利用冲击压路机的非圆形冲击轮在快速滚动中实现浅层地基的加固.经过几十年的发展，冲击碾压技术已于公路、港口以及机场等工程的地基加固中广泛应用[2-10].

近年来在冲击碾压技术加固地基土的研究领域取得了一定的研究成果，比如，李洁等利用ABAQUS软件对冲击荷载进行简化，对黄土路基进行冲击压实模拟，得到不同碾压遍数下对土体中密度和应力随深度的变化[11]；Kim等采用LS-DYNA有限元软件模拟分析了不同形状压实轮的压实效果，得出压实作用随压实轮与土体接触面积增大而增大[12-13]；Kuo等在尾矿填土方面进行了数值模拟分析，总结了土中密度和应力在不同冲击碾压遍数下随深度的变化[14]；牛志荣和杨桂通采用有限元软件对模拟计算了强夯加固成层地基，剖析了强夯加固后土体中应力分布、密度分布、以及位移分布特征的变化[15-16]；王生新等采用扫描电镜和压汞试验研究了路基黄土在冲击碾压处理前后土中显微结构和孔隙特征的变化规律[17]；Avalle等通过现场试验，对四边形冲击轮在滚动冲击过程中冲击接触应力的分布形式进行了测试分析[18]；徐超等在江苏涟水机场飞行区进行了冲击碾压处理厂区内软弱地基的实验研究，结果表明冲击碾压技术可以消除厂区内浅层粉土地基的液化，影响范围内地基土的力学性质得到明显改善[19]；孙自壮等进行了冲击碾压加固卵石混合土地基的试验研究，得到加固范围内地基土压实度和固体体积率明显增大，压缩性显著降低[20].现有的研究表明冲击碾压技术在加固软土以及其他类型地基土的加固效果影响因素等方面需要展开进一步的研究.本文主要基于数值模拟的手段，对冲击碾压过程中影响地基加固效果的因素(如冲击碾压遍数、牵引速度、土的性质等)进行研究.

1 数值模型建立与影响因素参数选取

1.1 数值模型建立

(1)建立冲击轮模型：冲击轮模型的外廓曲线基于工程上常采用的多项式拟合方程[21]，最大外接圆直径为2 m，宽度为0.9 m，质量约为8 t.冲击轮模型外壳采用0.11 m厚度的壳单元(*SHELL)进行建模，中心轴(轮轴)使用实体单元建模.冲击轮模型外壳与中心轴之间使用*CONSTRAINED_RIGID_BODIES功能进行耦合.

(2)建立地基模型：总长度为10 m，采用实体单元(*SOLID)建模.地基模型和冲击轮模型外壳和之间采用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_ SURFACE的接触形式.如图1所示.

图1 几何模型及其网格划分

(3)采用Druker-Prager模型作为土体材料本构模型.土体模型底部施加非反射边界，四周施加边界约束所有的自由度.

(4)采用*LOAD_BODY_Y及*LOAD_GRAVITY_PART分别为地基模型及冲击轮施加初始自重应力.采用*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID对冲击轮中心轴施加恒定的水平速度和转动角速度，以牵引冲击轮运动.采用*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID施加转动角度，使冲击轮模型的轮轴在水平面内旋转180°，实现冲击轮掉头.

1.2 影响因素及土体材料参数选取

本文主要对牵引速度V、土的弹性模量E、黏聚力c及冲击碾压遍数等因素对冲击碾压加固效果的影响进行分析研究.牵引速度取V=2.5 m/s(9 km/h)、V=3.0 m/s(10.8 km/h)、V=3.5 m/s(12.6 km/h)三种情况，土的弹性模量取E=5.7 MPa、E=8.0 MPa、E=10 MPa三种情况，土的黏聚力取c=7.0 kPa、c=14 kPa、c=21 kPa三种情况，冲击碾压遍数取第1、5、10、15遍四种情况.本文中采用的其他土体材料参数如表1所示.

表1 其他土体材料参数

土层类别重度γ/kg·m-3泊松比ν内摩擦角ψ/°填土26500.30

2 数值模拟结果分析

选取冲击作用中心处的土中动应力和竖向变形变化情况，分析牵引速度、土的弹性模量、黏聚力及冲击碾压遍数等影响因素对冲击碾压加固效果的影响.

2.1 牵引速度对冲击碾压加固效果的影响

图2和图3所示为不同碾压速度下土中动应力及沉降随深度的变化，图4为不同牵引速度下第5遍冲碾后土中沉降云图.

可以看出，第1遍冲碾后，土体模型内0.5 m深度以上的应力及变形随牵引速度增长，0.5 m深度以下基本不变，但在3.5 m/s的运动速度下，土中动应力值在0.5 m～1.0 m深度内产生波动；第5遍冲碾后，3.5 m/s运动速度下的土中动应力及沉降值明显大于2.5 m/s和3.0 m/s速度下的应力和沉降值，土中动应力的影响深度也随牵引速度的增长有所增加.由此可得，土中动应力和沉降都随牵引速度的增加而增长，当冲碾速度在3.0 m/s～3.5 m/s范围时冲击碾压加固效果较好.

(a)土中动应力 (b)土中沉降图2 不同牵引速度下在第1遍冲碾后土中动应力及沉降随深度的变化

(a)土中动应力 (b)土中沉降图3 不同牵引速度下在第5遍冲碾后土中动应力及沉降随深度的变化

(a)V=2.5 m/s (b)V=3.5 m/s 图4 冲击轮不同运动速度下第5遍冲碾后土中沉降云图

2.2 土的弹性模量对冲击碾压加固效果的影响

图5、图6所示为土体模型材料的弹性模量不同时，冲击轮冲碾土体过程中的土中动应力及沉降随深度的变化.图7为不同土体弹性模量条件下第5遍冲碾后的土中沉降云图.

可以看出，第1遍冲碾过后，弹性模量E=10 MPa的材料在土体模型2 m深度内的土中动应力值相对较大，但沉降量较小，2 m以下深度内的土中动应力及沉降值相差不大；第5遍冲碾过后，弹性模量E=10 MPa的材料在土体模型1 m深度内的土中动应力值与E=5.5 MPa及E=8.0 MPa的材料相比大出很多，故沉降量较大，结合模型可以看出弹性模量E=8.0 MPa的材料与E=5.7 MPa的材料在1 m～2 m深度内的土中动应力相差近，但沉降量略大.由此可得，土的弹性模量对冲击碾压加固效果有一定影响，土中动应力和沉降值随土体弹性模量的增加而有不同程度的增长.

2.3 土的黏聚力对冲击碾压加固效果的影响

图8、图9所示为土体模型材料的黏聚力不同时，冲击轮冲碾土体过程中的土中动应力及沉降随深度的变化.

可以看出，第1遍冲碾过后，黏聚力C=7.0 kPa的材料在土体模型浅部(0.2 m～0.5 m之间)的土中动应力值相对较大，但沉降量较小，0.5 m以下深度内的土中动应力及沉降值相差不大；第10遍冲碾过后，C=7.0 kPa黏聚力最小的材料在土中动应力相差不大的情况下沉降最大，冲击碾压效果的作用深度增大.由此可得，土中动应力值随土体黏聚力的增加而增长，沉降量随土体黏聚力的增加而减小，土中动应力影响深度随黏聚力有所增大，冲击碾压效果的作用深度随黏聚力相对减小.

(a)土中动应力 (b)土中沉降图5 不同弹性模量土体在第1遍冲碾后土中动应力及沉降随深度的变化

(a)土中动应力 (b)土中沉降图6 不同弹性模量土体在第5遍冲碾后土中动应力及沉降随深度的变化

(a)E=8.0MPa (b)E=10MP图7 第5遍冲碾后不同弹性模量的沉降云图

(a)土中动应力 (b)土中沉降图8 不同黏聚力的土体在第1遍冲碾后下土中动应力及沉降随深度的变化

(a)土中动应力 (b)土中沉降图9 不同黏聚力的土体在第10遍冲碾后下土中动应力及沉降随深度的变化

2.4 冲击碾压遍数对冲击碾压加固路基效果的影响

图10所示为不同冲击碾压遍数下，土中动应力及沉降随深度的变化情况.可以看出，第1及第5遍冲碾后在各深度内的土中动应力值基本相同，影响深度在1.5 m左右，土中沉降接近；第10遍冲碾后土中动应力值相较于第5遍在0.5 m～1.5 m深度内增长较大，影响深度在1.5 m～2.0 m之间，同时在1.5 m～2.0 m深度内的沉降增长较大；第15遍冲碾后土中动应力值相较于第10遍在0.5 m～1.5 m深度内增长与第10遍相较于第5遍的增长相比略小，但在1.5 m～3.5 m深度内增长相对较大，影响深度在3.0 m左右，图b中可以看出冲碾15遍后在0.5 m～1. 5m深度内的沉降持续增长，且在该过程中增长较大，在1.5 m～2.5 m深度内有新的沉降产生.由此可得，冲击碾压加固效果随冲击碾压遍数的增加有不同程度增长，当冲碾遍数达到20～25遍时冲击碾压加固效果最佳.

(a)土中动应力 (b)土中沉降图10 不同碾压遍数下土中动应力及沉降随深度的变化

3 结 论

通过LS-DYNA软件对冲击式压路机加固土体进行显式动态非线性的有限元法仿真分析，研究了影响冲击碾压技术对浅层填土地基加固效果的影响因素.得出以下结论:

(1)牵引速度、土的弹性模量、黏聚力及冲击碾压遍数等因素均对冲击碾压加固效果产生不同程度的影响，其中冲击碾压遍数对冲击碾压加固效果的影响尤为显著；

(2)土中动应力及沉降都随牵引速度与击碾压遍数的增加而增长，当牵引速度在3.0 m/s～3.5 m/s范围时冲击碾压加固效果较好，而当冲碾遍数达到20～25遍时冲击碾压加固效果最佳.