不同压实工艺在道路填石路基中的应用效果分析

宋宪行

（中铁十八局集团第一工程有限公司， 河北 涿州 072750）

1 引言

公路路基的压实度是影响其稳定性的主要因素之一， 合理的路基压实方案能显著提高路基的压实效果， 提高道路的稳定性。 近年来， 许多专家学者针对路基压实方案开展研究。

蔡德钩等人[1］建立有限元模型， 并结合现场试验， 分析路基压实过程中， 路基的振动响应状态变化规律， 结果表明， 在路基的压实过程中， 其加速度响应幅值呈椭圆状向四周衰减的变化趋势。 毕志刚等人[2］以某高速公路路基为研究对象， 采用有限元软件， 对路基的振动压实过程进行分析， 分析不同压路机压实效率的差异性， 结果表明， 增大振动轮质量可提高路基的压实效率。 胡志文等人[3］基于沉降差和动态变形模量， 分析路基压实的质量， 结果表明， 堆土预压有利于提升路基的压实质量。 曹丽萍等人[4］以某公路工程为研究对象， 结合数值模拟与现场试验， 对其路基压实的均匀性进行研究， 结果表明， 压实计值与压实度具有一定的相关关系。 李盛等人[5］以填石路基为研究对象， 分析不同压路机参数对路基压实效果的影响， 并得出最优压实方案， 结果表明， 最优压实方案的可行性良好， 可应用于实际工程中。

本研究以阳城路为研究对象， 分析不同压实方案下， 路基的有效压实深度、 路表沉降等参数的变化规律， 得出路基的最优压实方案， 并将该方案应用于实际工程中， 以验证其可行性。

2 工程概况

本研究以阳城路为研究对象， 阳城路 （开源大道-雪松大道） 北起开源大道南侧的阳城路桥， 南至雪松大道， 工程修筑起点桩号为K1+010.725， 终 点 桩 号 为K2+998.530， 全 长 约1987.805m， 道路等级为城市次干路， 设计速度40km/h， 标准段道路红线宽度40m， 双向六车道标准。 本项目跨越规划水系2 处， 全线设置中桥1 座。 该道路的路基、 路面压实度如表1 所示。

表1 路基、 路面压实度

3 填石路基振动压实仿真模型的建立

本研究采用弹性、 弹塑性本构模型对路基的压实过程进行模拟。 当采用压路机对路基进行压实时， 路基表面所受的荷载 （P） 如式 （1） 所示。

式中：G为振动轮重力， kN；F0为压实过程产生的激振力， kN； ω 为振动圆频率， rad/s；t为时间， s。

采用有限元软件对填石路基振动压实过程进行模拟， 该模型采用的相关模型参数如表2 所示。

表2 模型相关模型参数

为研究不同压实方案下， 路基路面的变形及沉降变化规律， 分析压路机振动频率、 行驶速度等因素对沉降的影响， 模拟的工况参数如表3 所示。

表3 模拟工况参数

4 路基计算及优选压实工艺确定

在路基压实过程中， 不同压路机的相关参数及其行驶速度等因素具有一定的差异性， 会影响路基的压实效果及后续的路基沉降变形， 本节针对填石路基的路基压实过程进行模拟计算， 分析上述因素对路表沉降的影响规律。 根据表3 所示的工况， 选取标准路面截面进行模拟计算， 得出不同工况下的路表沉降结果， 如表4 所示。

由表可知， 不同工况下的路基压实情况具有一定的差异性， 其中， 工况14 的路表沉降有最大值， 经过8 次压实后， 其值为16.140mm； 工况3 的路表沉降有最小值， 经过8 次压实后， 其值为8.518mm， 说明压路机的振动轮质量及其相关参数对路基的压实情况有一定的影响； 工况9的有效压实深度最大， 经过8 次压实后， 其值为8.147m； 工况4、 工况8 和工况12 的有效压实深度最小， 经过8 次压实后， 其值均为5.418m， 说明在工况9 下， 压路机对路基的压实效果较好。随着压实次数的增大， 不同工况下的最大压应力、 有效压实深度及路表沉降均呈增大趋势， 说明压实过程的进行可显著提升路基的压实效果，其中， 压实次数的增大对有效压实深度的提升效果较为明显。 在工况11 下， 其提升率最大， 其值为192.5%。 对比工况1 和工况5 可得， 当其他参数不变， 当激荡力较大时， 路基的有效压实深度较小， 路表沉降较大； 工况2 和工况6 的计算结果与工况1 和工况5 存在一定的差异性， 当激荡力较大时， 得出的有效压实深度和路表沉降较大， 出现该差异的原因主要在于其行驶速度，工况1 和工况5 的压路机行驶速度为2km/h， 而工况2 和工况6 的压路机行驶速度为4km/h， 说明当压路机的行驶速度较大时， 增大激荡力对路基压实效果有提升， 而压路机行驶速度较小时，增大激荡力对路基的提升效果不明显， 反而会减小其有效压实深度。 当保持其他因素不变， 对比不同压路机行驶速度下的计算结果可得， 当行驶速度较大时， 得出的有效压实深度较小， 路表沉降较大， 说明当压路机行驶速度较大时， 路基的压实效果较差， 且路表易发生变形， 降低压路机的行驶速度有利于提升路基的压实效果。 对比工况1 和工况3 可得， 当振动频率较大时， 计算得出的有效压实深度较小， 路表沉降较大， 说明提高压路机的振动频率对路基的压实效果有负面影响， 增大路表变形。 对比工况1 和工况9 可得，当振动轮质量较大时， 计算得出的有效压实深度和路表沉降较大， 但是有效压实深度的提升效果较不明显， 说明提高压路机的振动轮质量可提升路基的压实效果， 但是其提升效果较不明显。

为综合分析不同工况下， 路基的压实情况，以第8 次压实后的路基为研究对象， 对其压实效果进行评分， 以得出不同工况的压实效果， 将最大压应力、 有效压实深度和路表沉降的得分相加， 得出不同工况的压实效果得分。 其中， 当其数值最大时， 得一分， 根据数值排序依次递减0.1 分， 最低分为1 分， 不同工况下的压实效果得分如表5 所示。

表5 不同工况下的压实效果得分

由表可知， 工况13 的得分最高， 工况4 的得分最低， 说明采用工况13 的路基压实效果最优， 工况4 的路基压实效果最差。 工况13 与工况14 的压实效果得分差距仅为0.1， 其工况上的差异主要体现在其行驶速度， 说明行驶速度会影响路基的压实效果， 但是其影响效果较小。 对比工况13 和工况5 可得， 二者之间的压实效果得分差距为0.5， 其工况差距主要体现在振动轮质量， 说明提高振动轮的质量有利于提升路基的压实效果， 且其对路基压实效果的影响较大。 工况13 与工况15 的压路机振动频率不同， 其压实效果得分差距为1.1， 说明增大压路机的振动频率不利于提高路基的压实效果， 并且不同压路机振动频率导致的压实效果得分差距最大， 说明改变压路机的振动频率时， 对路基的压实效果影响最大。 综合以上分析可得， 压路机的相关参数与其行驶速度对路基的压实效果有一定的影响， 且其影响程度具有一定的差异性， 其中， 压路机的振动频率对路基的压实效果影响最大。 由于工况13与工况14 的压实效果差距较小， 其工况的差异主要体现在压路机的行驶速度， 在实际工程中，为提高工程的施工效率， 可采用工况14 为优选压实工艺进行施工。

为分析该压实方案在实际工程中的应用情况， 在阳城路选取两段道路， 以工况14 为压实方案， 开展路基压实试验， 对其压实过程中的路段孔隙率进行监测， 孔隙率监测结果如表6 所示。

表6 孔隙率监测结果

由表可知， 各测点间的孔隙率差距较小， 说明采用该压实方案的路基压实效果较为均匀。 根据相关规范可得， 下路堤的孔隙率应小于25%，上路堤的孔隙率应小于23%， 采用工况14 得出的路段孔隙率均小于规范规定的限值， 说明采用该压实方案的施工效果良好， 在实际工程中， 将工况14 作为压实方案的可行性较高。

为了更直观地反映路基的压实情况， 选取3个测点， 采用22t 和26t 压路机 （振动轮质量分别为11t、 13t） 对路基进行压实， 采用PFWD 方法对路面的回弹模量进行监测， 以分析压实方案的压实效果， 其压实次数-回弹模量曲线如图1所示。 由图可知， 随着压实次数的增大， 路基的回弹模量逐渐增大， 说明增大压实次数可提升路基的压实效果； 不同测点的回弹模量数值具有一致性， 说明采用该压实方案的压实效果较为均匀。 26t 压路机压实后的路基回弹模量显著大于22t 压路机， 说明提高振动轮的质量能显著提升路基的压实效果， 与前文数值模拟的结果一致。

图1 压实次数-回弹模量曲线

为分析压实过程后， 路基的长期稳定性， 以采用26t 压路机的道路为研究对象， 选取4 个测点， 对其沉降量进行监测， 其监测时间-沉降量曲线如图2 所示。 由图可知， 各测点的沉降量变化趋势具有一致性， 随着监测时间的增大， 各监测点的沉降量逐渐增大； 当监测时间较小时， 各测点之间的沉降差异较小， 随着监测时间的增大， 各测点间的沉降量差距逐渐增大， 且其沉降均在规范规定的限值之内， 说明在实际工程中，采用该压实方案的可行性较高。

图2 监测时间-沉降量曲线

5 结论

本研究以阳城路为研究对象， 分析不同压实方案下， 路基的有效压实深度、 路表沉降等参数的变化规律， 得出路基的最优压实方案， 并将该方案应用于实际工程中， 以验证其可行性， 得出以下结论：

（1） 当压路机的行驶速度较大时， 增大激荡力对路基压实效果有提升效果， 而压路机行驶速度较小时， 增大激荡力对路基的提升效果不明显， 反而会减小其有效压实深度。

（2） 压路机的相关参数与其行驶速度对路基的压实效果有一定的影响， 且其影响程度具有一定的差异性， 其中， 压路机的振动频率对路基的压实效果影响最大。

（3） 采用工况14 得出的路段孔隙率均小于规范规定的限值， 说明采用该压实方案的施工效果良好， 在实际工程中， 将工况14 作为压实方案的可行性较高。

（4） 随着压实次数的增大， 路基的回弹模量逐渐增大， 说明增大压实次数可提升路基的压实效果； 26t 压路机压实后的路基回弹模量显著大于22t 压路机， 说明提高振动轮的质量能显著提升路基的压实效果。