冲击碾压改建路面施工对路基动力作用的试验研究

第32卷第3期 岩 土 力 学 V ol.32 No.3 2011年3月 Rock and Soil Mechanics Mar. 2011

收稿时间：2010-09-12

基金项目：国家自然科学基金（No. 50908056）；福建省高等学校新世纪优秀人才计划（No. TW2006-27）；福建省自然科学基金（No. 2009J01249）。 第一作者简介：胡昌斌，男，1974年生，博士，博士后，教授，主要从事道路工程与土动力学方面的研究工作。E-mail ：huchb@https://www.360docs.net/doc/be17885653.html,

文章编号：1000－7598 (2011) 03－745－08

冲击碾压改建路面施工对路基

动力作用的试验研究

胡昌斌，袁 燕

（福州大学 土木工程学院，福州 350108）

摘 要：依托冲击碾压破碎旧水泥路面现场施工，沿路面横断面和不同深度位置埋设土动压力传感器，对不同冲击碾压遍数、冲压路线、行驶速度下路基的竖向和侧向动土压力进行了试验研究。研究表明：冲击碾压施工引起的地基振动具有周期瞬态冲击特性，冲击荷载附近动土压力存在叠加增长现象。路基动土压力与冲击荷载位置、行驶速度和碾压遍数密切相关。动土压力随冲击压路机由近及远为先增加再减小，纵向距离30 m 以内的路基均受到振动影响，纵向水平距离15 m 范围内影响开始显著。不同的冲击遍数下动土压力最大值总体有一个先增大再减小的趋势，由于路面板和基层的荷载扩散作用，冲击碾压改建产生的土动压力相比直接冲击路基下降了1个数量级。在试验工况下，冲击碾压改建对旧路基的实际影响深度比有限元计算的深度范围更大，沿路纵向水平影响距离可取为10 m 。

关 键 词：水泥混凝土路面；冲击碾压荷载；路基；土动压力；试验 中图分类号：TU 470 文献标识码：A

Dynamic soil pressure characteristics of embankment under impact

rolling load during rehabilitation of PCCP

HU Chang-bin, YUAN Yan

(School of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Abstract: Vertical and lateral dynamic soil pressure characteristics were studied by site tests under different impact rolling times, lines and velocities. It is found that the impact rolling load has a transient shocking effect on the embankment and the dynamic soil pressure near the load increases accumulatively. The dynamic soil pressure is closely related to impact rolling times, lines and velocities. Along with the impact roller coming from the near to the distant, the dynamic soil pressure increase firstly, then decrease. The impact roller can affect the embankment in a distance of 30m to the test location and effect significantly in a distance of 15m. Under different impact rolling times, the dynamic soil pressure increases firstly, then decreases. Resulted from the diffusion of load effected by Portland cement-concrete pavement (PCCP) and the base, the dynamic soil pressure is just only one-tenth of that impact directly on embankment. The research shows that the actual influence depth of embankment using impact roller is greater than the result of FEM; and the horizontal influence distance is about 10 m.

Key words: cement-concrete pavement(CCP); impact rolling load; embankment; dynamic soil pressure; test

1 引 言

近年来，采用冲击压路机改建旧水泥混凝土路面新技术，以其显著的经济效益和良好实用性在我国公路水泥混凝土路面改建工程中得到了广泛应用。冲击压路机是一种高冲击能量压实机械，采用多边形压实轮（见图1），冲击频率为2 Hz ，冲击能量巨大，单击能量在25～30 kJ 之间，冲击力可达

250～300 kN 。在冲击碾压施工强大的冲击作用下，可以快速方便地破碎水泥混凝土路面板，并补充压实路基。但同样由于巨大的冲击能量，冲击碾压改建施工时也会对沿线公路构造物（如路基涵洞、挡墙）产生显著的动力影响，如果防护措施和安全距离设置的不合理，施工将危及构造物安全。目前，在各省改道工程中挡土墙打垮、涵洞打裂的工程事故时有发生，严重影响了该项新技术的安全推广与

岩土力学2011年

应用。因此，在这样的情况下，无论从进一步深刻了解冲击碾压对路基的补充压实机制，还是从确保施工安全的角度，及时研究冲击碾压改建施工对路基的动力作用效应和影响特性，都是一项重要的工作。

图1 Impactor2000冲击压路机冲击轮

几何尺寸（单位：mm）

Fig.1 Dimension of impactor2000 roller（unit：mm）

近年来，国内学者[1－5]开展了有关冲击碾压破碎旧水泥混凝土路面技术工作机制的理论研究。笔者也采用静、动力有限元的方法对冲击碾压施工对路面和路基的动力作用效果进行了理论研究[6－8]。但目前有关冲击压实改建路面施工的土动压力现场试验研究一直未见报道，直接造成理论研究缺乏实践的指引和验证。为更真实掌握冲击碾压改建施工对旧路基的动力作用效应，并为理论研究提供试验参考数据，本文结合冲击碾压破碎旧水泥混凝土路面现场施工，对不同冲击碾压工况下的路基动压力特性进行了现场试验研究，重点探讨了不同冲击碾压遍数、冲压路线、行驶速度下的竖向和侧向路基动土压力特性，并与数值计算结果进行了对比，得到了若干重要的结论。

2 现场试验

2.1 试验工程概况与测试仪器

试验研究依托316国道福建省内福州段现场施工工程：旧路面宽度为 9 m，水泥混凝土面板厚为24 cm，基层厚为30 cm，填方路基为砂性土。

土压力测试采用丹东虬龙传感器有限公司生产的BY-1型双油腔结构动土压力传感器。该传感器采用双油腔结构形式，最大特点是当传感器受力时，油腔中的流体可使传力均匀，同时由于弹性敏感元件的变形比弹性传力元件的变形增大若干倍，提高了传感器的灵敏度。BY-1型土压力传感器工作原理是，当土压力作用在传感器的一次膜板上时，一次膜板中的流体将力传到中心弹性薄板，弹性薄板产生挠曲变形，使粘贴在弹性薄板内表面的电阻应变片的阻值发生变化，从应变仪或毫伏表上得到弹性薄板受力后产生的应变值或毫伏值，根据事先标定的“压力-应变”曲线或“压力-电压”曲线即可得到动土压力值。

数据采集系统为多路动态数据采集装置。选取福建省冲击压实较常采用的美国Impactor2000四楞冲击压路机为研究对象进行试验，该机主要技术指标为：高度为1.956 m，宽度为2.565 m，长度为5.842 m，机重1.27×104 kg，冲击轮重8.6×103 kg；每秒钟最高冲实次数为2遍；行走速度为11～13 km/h，压实功率为30 kJ。在实际工程中为加强破碎压强，冲击轮上局部焊有钢趾，具体分布如图1所示。

2.2 动态土压力盒的埋设

影响土压力量测精度的因素甚多，除了土介质应力-应变关系的非线性、传感器的外形尺寸等因素外，埋设条件也是重要因素。本次试验在传感器埋设时，先把土回填到略高于埋设传感器的标高夯实，土的密度接近于原始状态下的密度；而后修平成水平面，用较细腻的土介质填平厚度约10 cm；安放传感器，用水平尺校准传感器的水平度；先填较细腻的土介质约10 cm，再填其他的介质，回填土层逐层压实回填一定的高度，用夯夯实再准备埋设下一层传感器。

本次试验采用钻机共挖设3个3 m深的测试孔洞，共埋设12个传感器，侧向4个、水平方向8个，传感器埋置深度分别为0.75、1.50、2.25、3.0 m，横向处在一个平面上，如图2所示。埋设完毕后，路基顶部回填旧路对应路面结构材料。

图2 动态土压力盒埋设布置横断面示意图Fig.2 Cross-section diagram of buried box layout

2.3 测试方案

试验中冲击压路机按正常工作速度11 km/h左右行驶（击打频率约 2 Hz）。在埋设传感器一侧拟定距路面板纵边横向距离分别为0、1.2、3.9 m的3条试验冲击施工线路。纵向以埋设传感器位置为中心，两侧各50 m为冲击压路机试验活动范围，冲击压路机从纵向距离50 m处启动，在30 m处加速到正常工作速度，同时启动采集动土压力数据。当冲击压路机前进到另一侧30 m处时，数据采集系

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第3期胡昌斌等：冲击碾压改建路面施工对路基动力作用的试验研究

统停止采集数据。冲击压路机降速调头，进行下一遍冲击，数据采样频率为200 Hz，由于埋设时缆线遭到破坏，1#传感器失效。

本试验分别按照不同行驶路线、不同冲击遍数（按照施工效果一般一条线路击打14~15遍）、不同车速共进行了52次试验，获得了试验数据。

3 路基土动压力基本特性分析

依据试验数据，对冲击碾压改建施工作用下路基的土动压力特性进行了分析，研究发现：（1）冲击压路机每击打路面一下路基土内均产生一个完整的振动压力波，冲击碾压施工引起的地基振动具有瞬态冲击特性（见图3），土压力-时程曲线上出现多个等间距的周期振动波，反映了冲击压路机多楞压实轮由远及近多次重复的冲击作用过程，对路基的土压力作用特性明显区别于其他类型压路机。

（2）土压力-时程曲线表明，单次冲击的振动衰减都很快，距离传感器较远的土体，在下次冲击振动发生之前，单次振动已衰减到0，振动周期由远及近约为0.25～0.30 s之间。

（a）7#传感器时程响应总图

（b）7#传感器时程响应细部图

图3 距板边0 m路线第9遍冲击时动土压力特征Fig.3 Dynamic soil pressure character along route with the distance of 0 m impacted for nine times （3）从全时程来看，由于冲击压路机在行驶过程中与传感器的距离会有一个由远及近和由近及远的变化过程，路基动态土压力也因此会有一个先增加再减小的过程。行驶过程中，在冲击压路机行驶至水平距离传感器30 m处，传感器即受到振动的影响，在离传感器前后15 m的水平距离范围内影响开始显著。动土压力-时程曲线近似对称，但在驶离传感器位置过后的路段影响更大一些。到达传感器位置附近时，动土压力值达到波峰，存在滞后现象。

如图3中7#传感器动态土压力最大值约为50 kPa，此时显示的时刻在11～13 s之间，而10.3 s时刻对应冲击锤已位于传感器正上方，因此，存在滞后现象。分析可能震源传至传感器的时间、传感器触发，与土基波动介质的黏滞性等因素有关。

（4）分析发现，冲击过程中，随着冲击压路机距离传感器越来越近，冲击能量逐渐加大，振动周期变长，下一次振动将逐渐开始与上一次振动的余波产生叠加共振，导致土中压力出现爬升现象。此时两次冲击间隔中动土压力非零，当冲击压路机作用点距离传感器位置越近，冲击间隔动土压力非零值进一步增大，而随着冲击压路机的远离，非零现象消失。

（5）试验测试表明，侧向传感器得到的规律与竖向类似，侧向动土压力值随冲击压路机前进方向由远及近慢慢增大；冲击压路机击打到传感器位置附近时，动土压力值达到波峰。

4 路基土动压力峰值特性分析

4.1 土动压力峰值曲线

为充分破碎旧水泥混凝土路面板，并压实稳固旧路面，采用冲击碾压技术改建旧水泥混凝土路面时，需反复沿不同线路冲击碾压旧水泥混凝土路面板。因此，随冲击碾压遍数的增加，不同施工路线路基动态土压力的变化规律是本次现场试验研究的重点。图4为不同施工行走路线下各土压力传感器随冲击碾压遍数实测最大值的变化曲线。

4.2 动态土压力峰值波动现象分析

由图4可以发现，动土压力最大值在不同的冲击遍数下出现不同程度的波动现象。

从图可以看到，埋在顶部的传感器和传感器横向位置与冲击压路机路线越近时，波动现象将明显增大（如竖向8#、12#传感器）。从侧向土压力来看，当冲击压路机沿第1条试验施工线路施工时（距离侧向传感器水平距离最近），动土压力值较大，波动明显。而其他两种试验施工线路，由于距离传感器较远，越远而实测值越小，且相比前种线路实测值较稳定，没有大的波动。

具体分析发现这可能与两个方面原因有关。

（1）与不同遍数下冲击荷载与传感器的前后相对位置不同有关。本试验第1遍先从西沿路线向东冲击，然后掉转车头从东向西进行第2遍冲击，依次往复。不同方向冲击时冲击轮在沿路线方向与传感器埋设位置将可能会有最大不超过1 m（冲击轮的1次行走距离）左右的水平位置差别（错位），作

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岩 土 力 学 2011年

用在旁边部分和作用在传感器的正上部将会有显著

差别，因此，实测土动压力出现了波动现象。

（a ）2#

传感器 （b ）3#

传感器 （c ）4#

传感器

（d ）5#传感器 （e ）6#传感器 （f ）7#传感器

（g ）8#传感器 （h ）9#传感器 （i ）10#传感器

（j ）11#传感器 （k ）12#传感器

图4 不同冲击路线和遍数下各传感器土压力实测最大值

Fig.4 Maximum dynamic soil pressures with different routes and times

（2）与上覆回填材料有关。本试验由于是在旧水泥混凝土路面内部埋设传感器，因此，在钻孔之前首先沿路面纵向破碎了1 m 宽的路面板，到达旧路基后，再采用钻机钻进成孔。埋设传感器完毕后，路基顶部回填旧路对应路面结构材料，但回填的路面板实际已经破碎。虽采用振动压路机重新回压密实，但实际此纵向1 m 范围顶面材料已失去完整性。

此时，如果冲击轮楞边冲击在旧水泥混凝土板上和直接冲击在已破碎的1m 带宽上，土动压力将产生明显差别。

（3）当传感器由于埋置较深或与冲击线路相距较远时，以上两方面的影响将减小，图中亦显示此类情况下传感器的测量峰值波动较小。 4.3 动态土压力峰值随冲击碾压遍数关系

虽然出现波动现象，但通过分析最大值包络线

01530456075900

5

1015

土压力/k P a

冲击压实遍数

距板边1.2 m 距板边0 m 010*********

5

10

15

冲击压实遍数

土压力/k P a

距板边0 m 0

102030400

5

10

15

冲击压实遍数土压力/k P a

距板边0 m 020*******

51015

冲击压实遍数

土压力/k P a

距板边1.2 m 距板边0 m 015 30 45 60 75 0

51015冲击压实遍数

土压力/k P a

距板边0 m 5

051015

冲击压实遍数

土压力/k P a

距板边

0 m 0

1020304050051015

冲击压实遍数

土压力/k P a

距板边0 m 05

5

10

15

冲击压实遍数

土压力/k P a 距板边0 m

距板边1.2 m

1020304050600510 15

冲击压实遍数

土压力/k P a

距板边

0 m 015304560750

5

10

15

冲击压实遍数

土压力/k P a

5

15 25 35 45 55 65 051015

冲击压实遍数

土压力/k P a

距板边0 m 748

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仍可以得到有价值的结论，分析发现：

（1）在不同的冲击遍数下，动土压力最大值总体有一个先增大再减小的趋势。总的看来，第1遍冲击土压力最小，5遍以后土压力显著增大，后续冲击过程中，土压力基本沿某一均值振荡，不同路线的竖向土动压力最大值主要出现在冲击碾压的第10遍冲击附近，总体在第13遍以后有趋于均值或下降的现象。

（2）侧向土压力出现最大值对应的冲击遍数则有较大不同。侧向土压力均小于竖向土压力，依照行驶路线不同，约为竖向土压力的1/2～1/4之间。例如，冲压第10遍距板边0 m路线的最大竖向土压力出现在1.5 m深度处的7#传感器（其值72 kPa），而最大侧向土压力出现在第4遍、1.5 m深度处的3#传感器（其值为41 kPa）。

（3）分析发现，以上动土压力的变化规律实际上间接反映了从路面板开始破碎，一直到路面下旧路基最终压实稳定的整个冲击压实改建路面过程。刚开始旧路面较为完整，此时冲击压实的能量主要用于破碎混凝土板，传递给路基的压力也较小，但随着路面板被逐渐破碎，整体刚度下降，土基承受的动土压力逐渐增大，旧路基开始得到补充压实，随着路面板破碎稳定和旧路基的压实稳定，土动压力也变化很小。

4.4 不同冲击碾压路线下土动压力的分布特性

分析试验数据可以看到：

（1）传感器的动土压力与冲击荷载的横向相对位置关系密切，冲击荷载距离传感器越近，土压力越大；冲击板边将获得较大的土动压力，这与理论研究结论是一致的[6－8]。

以2～4#侧向土压力传感器为例，3条施工线路中，沿板边行走的第1条试验施工线路压实时实测值最大，其次是第2条（距板边1.2 m），第3条试验施工线路时实测值最小（距板边3.9 m）。当冲击压路机沿第1条试验施工线路施工时（距离侧向传感器水平距离最近），2～4#传感器实测值出现了明显的波动现象，动土压力值较大。观察其他两种试验施工线路，由于距离传感器较远，实测值相比前种线路实测值较稳定，没有大的波动。

（2）5～8#竖向土压力传感器规律与2～4#侧向土压力传感器规律一致，但数值明显增大。对于9～12#竖向土压力传感器规律则发生变化，距板边1.2 m行走的第2条试验施工线路压实时实测值最大，其次是距板边3.9 m的第3条试验施工线路。第1条沿板边的路线下实测值最小。

以上现象均反映出具体位置的动土压力与冲击荷载的横向相对位置关系密切。4.5 动态土压力峰值随土基深度的分布

冲击碾压改建对路基的影响深度是了解该技术工作特性的一个重要参数。本文根据第10遍冲击不同路线下动土压力现场测试结果，对动土压力沿土基深度方向的分布特性进行了分析发现： （1）沿板边行走的第1条试验施工线路下，侧向土压力呈顶部大、而向下逐渐衰减的趋势（见图5）。但竖向土压力则呈现沿土基深度先增大后减小的变化特征，且在埋置深度3 m处仍然存在较大土压力。

图5 第1条路线各点最大动土压力随深度变化（第10遍）Fig.5 Maximum dynamic soil pressure along

route 1 of 10 times

（2）沿第2条（距板边1.2 m）试验施工线路时，上下变化规律与板边路线基本类似（见图6）。但由于距离冲击位置渐远，侧向土压力数值减小。对于竖向土压力，在深度1.5 m以下同深度的5~7#传感器和9～11#传感器的土压力值大致相当，说明此范围土压力比较集中一致。

图6 第2条路线各点最大动土压力随深度变化（第10遍）Fig.6 Maximum dynamic soil pressure along

Route 2 of 10 times

但与板边线路相仿，土压力最大位置不在荷载正下方，而在与荷载位置侧向有一定距离的位置，应力中心偏移在距离荷载中心1.5 m范围内。分析此现象，可能与路面破碎板块的承载特性和荷载传播扩散角有关。

（3）沿第3条（距板边3.9 m）试验施工线路

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时，上下变化规律与前两种路线基本类似。侧向土

压力传感器由于距离冲击位置渐远，荷载进一步靠

近板中（路幅横向面板总宽9 m，由两块4.5m宽的

路面板组成），数值进一步减小（见图7）。对于

竖向土压力，可以看到由于冲击荷载逐渐进入板中和

路幅中央，整体数值明显下降，在3条路线中值最小。

图7 第3条路线各点最大动土压力随深度变化（第10遍）Fig.7 Maximum dynamic soil pressure along

Route 3 of 10 times

4.6 施工速度的影响

施工速度快，工作效率高是冲击碾压技术区别

于其他旧水泥混凝土路面改建技术的显著特点。冲

击压路机的施工速度也直接影响冲击压路机施加

的冲击能量，本试验对冲击压路机以正常工作速度（11~12 km/h）及慢速（6 ~8 km/h）两种情况进行

了比较。

试验结果表明，当冲击压路机作用位置相对于

传感器位置不变时，不论是侧向动土压力还是竖向

动土压力，正常工作速度时所测结果均大于慢速所

测值，仅以2~8#传感器所测结果为例，在两种情况

下多次测试结果均值比较见表1和图8。

表1 冲击压路机工作速度不同时动土压力实测比较

Table 1 Measured values in pressure sensor at

different working velocities

动土压力实测值/kPa

传感器编号

慢速快速

2# 12.96 13.36

3# 22.48 24.1

4# 22.97 24.02

5# 35.21 43.37

6# 38.13 55.64

7# 29.55 59.52

8# 29.85 30.16 由表可以得出，当冲击压路机的工作速度不同时，其对土基的压实效率是不同的：正常工作速度时，不仅工作速度快，而且所产生的动土压力也大；

在一般情况下，有利于土基的压实；而慢速工作时，

土动压力将明显减小。同时发现，当冲击压路机以不同工作速度工作时，各土压力传感器实测值变化情况因埋设位置而异。相比较而言，侧向动土压力变化幅值不大，而竖向动土压力变化幅值沿土基深度变化情况基本与动土压力沿深度变化情况一致，即先增大，后减小，如图8所示。

图8 不同工作速度5～8＃压力传感器实测值变化Fig.8 Measured values change in pressure sensors#5-#8

at different working velocities

根据以上结论可以提出施工安全对对策，即如果沿线有对冲击力敏感的构造物，在能破碎面板的前提下，可以采用降低车速、多遍冲击的方法来保障施工安全。如果构造物过分敏感，车速降低到已无法破碎面板时，建议改用人工挖除的方法进行。

4.7 动土压力的水平衰减规律

由于试验条件的限制，本现场试验并未沿纵向不同深度埋设多个土压力传感器，但由于冲击碾压产生的振动震源是移动的，利用这一特点，根据冲击压路机作用位置距离土压力传感器的远近，来研究冲击碾压荷载产生的土压力沿纵向的衰减问题。

现场试验中，以埋设传感器的位置为中心，两侧各50 m为冲击压路机的试验活动范围，冲击压路机从50 m处启动，在30 m处加速到正常工作速度，进行动土压力的测试。据此，若视冲击压路机位置不变，则相对的一个传感器在此过程中采集的动土压力，可视为多个传感器在某一时刻在距振源中心不同距离同时测的数据，进一步可以据此来分析动态土压力的衰减规律。

根据上述原理将孔洞中埋设的5~8#传感器的采集数据绘于图9。由图可以看出，冲击载荷引起的土压力在土基中的衰减与水平距离和土基深度有关，随着传感器埋深变化，动土压力传感器实测值最大值而不同，但随着冲击载荷作用点距离传感器的距离的增大，衰减规律是相似的。图中各衰减曲线，均有一个拐点。在拐点前，土压力随距离增加减小迅速；在拐点后，土压力减小缓慢。各衰减曲线的拐点位置不一，一般在3~8 m之间，纵向水平10 m

左右土动压力已经很小了，且随着传感器埋置

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

2535455565

动土压力/kPa

深

度/

m

正常速度慢速

750

第3期胡昌斌等：冲击碾压改建路面施工对路基动力作用的试验研究

深度的增加而减小。

图9 板边路线第1、2遍冲击实测动土压力衰减曲线Fig.9 Decay curves of measured dynamic soil pressure values along the side route impacted for 1,2 times

5 试验数据对比分析

5.1 与直接冲压路基的土动压力对比

相比直接冲压路基引起的土动压力试验监测值，如国家海洋局[2]第二海洋研究所在杭金衢高速公路的宕渣、砂砾路基上经25 kJ三边形双轮冲击压路机以12 km/h速度冲碾30遍后，实测深度为0.8、1.5、2.0、2.5 m的平均垂直动土压力分别为：1 366、306、272、138 kPa。可以看到，由于水泥混凝土路面板以及旧路基层结构对荷载扩散作用，冲击碾压破碎路面板产生的冲击压力只有直接冲击路基的1/10左右，下降了1个数量级，见表2。

表2 试验中不同工况下传感器记录的最大土动压力

Table2 Maximum of dynamic soil pressure under

different conditions in sensor

传感器

编号

2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112

土动压

力/kPa

18 41 36 57 69 73 60 32 38 5981 5.2 与有限元计算结果对比

基于动力弹塑性理论进行的有限元数值分析结果[8－9]表明，土基顶面对应垂直压应力最大值在89（冲击板中）～0.25 kPa（冲击板角）之间。

在如图10所示的各种工况中，土基深度2.5 m 处，冲压产生的最大附加应力竖向分量与自重应力近似相等。各工况附加应力竖向分量随深度的变化曲线均有一拐点（见图11），在土基深度3.5 m以下，各种工况冲击附加应力在总应力占的比重不及1/5，各种工况差别不大。

静力有限元结果表明[6]冲击碾压板角时集中应力最大值为285 kPa；冲击板中时，集中应力最大值为123 kPa。附加应力竖向分量随深度的变化曲线如图12所示。

将试验和理论的研究结果对比发现：

图10 轮压位置工况示意图

Fig.10 Roller location

图11 动力有限元分析各种工况竖向应力随深度变化

Fig.11 Vertical stress along the depth under different conditions with dynamic finite element method

图12 静力弹性有限元分析各工况竖向应力随深度变化Fig.12 Vertical stress along the depth under different conditions with static finite element method （1）基于有限元分析计算结果量级与试验结果量级基本相当。板中土压力比板边土压力小的现象与理论计算结果也一致，但动力弹塑性有限元分析结果较静力弹性理论有限元分析结果小，更接近于实际试验结果。

（2）动力有限元分析结果表明：在2~3 m范围土动压力幅值衰减很快，4 m深度处基本接近0，横向2 m范围衰减很快。但从试验埋深3 m处的5#和9#传感器测试结果分析表明，深度3 m处仍将产生最大值分别为59 kPa（5#传感器第11遍冲击）、31 kPa（5#传感器第9遍冲击）的附加应力，土体仍然受到显著的冲击压力作用。同样，分析横向距离冲击荷载中心2~3 m外的传感器监测值可以发现，11#传感器（埋深1.5 m）在第13遍冲击时仍然-250

-200

-150

-100

-50

03691215

土基深度/m

冲

击

附

加

应

力

垂

直

分

量/

k

P

a

自重应力

工况1

工况2

工况3

工况4

50

100

150

200

250

300

0246810

土基深度/m

自重应力

工况1

工况2

工况3

工况4

冲

击

附

加

应

力/

k

P

a

751

岩土力学2011年

有42 kPa左右的冲击力，说明有限元计算结果收敛较试验结果相对较快。

（3）很多因素都会引起试验结果与数值分析结果的差别[9]。特别是由于复杂的路基土性和分布，有限元均质化假设和土工参数选择与现场土质不同，会直接造成分析结果的不同。另外，路面板破碎后会形成更小的板块，这种荷载作用在小板块上，然后传递给土基的受力机制，可能会与均质路基路面结构受力计算结果产生差别。

综合以上试验和对比分析可以看到，冲击碾压施工对路基的动力作用影响特性十分复杂。路基受到的动土压力与路基土质、路面结构、冲击荷载特性均有关系，同时随着冲击碾压遍数也是渐变的。早期遍数下冲击碾压改建是以破碎面板和基层为主，当多遍击打路面破碎到一定尺度后，土压力将逐渐增大，欠压实路基得到补充压实，压实深度逐渐加深。现场试验表明，冲击碾压改建引起的竖向影响深度比现有有限元的计算结果大很多。因此，有必要开展更深入的理论和试验研究。

6 结论

（1）冲击碾压施工引起的地基振动具有瞬态冲击特性，土压力-时程曲线上出现多个等间距的周期振动波，反映了冲击压路机多楞压实轮由远及近多次重复的冲击作用过程，冲击荷载附近动土压力存在叠加增长现象，对路基的土压力作用特性明显区别于其他类型压路机。

（2）从全时程来看，路基动态土压力随冲击压路机距离传感器由近及远为先增加再减小的过程。行驶过程中，在冲击压路机行驶至水平距离传感器30 m处，传感器即开始受到振动影响，在离传感器前后15 m的水平距离范围内影响开始显著。冲击碾压破碎路面板产生的冲击压力相比直接冲击路基下降了1个数量级。

（3）在不同的冲击遍数下，动土压力最大值总体有一个先增大再减小的趋势，反映了板破碎到路基最终压实稳定的演变过程。最大动土压力与冲击荷载和土压力传感器的相对位置有密切关系。冲击压路机工作速度显著影响土压力，本试验工况下而水平影响距离可选取为10 m。

（4）综合试验和对比分析可以看到，冲击碾压施工对路基的动力作用影响特性十分复杂。路基受到的施工动力影响与路基土质、路面结构、冲击荷载特性均有关系，同时随着冲击碾压遍数也是渐变的。冲击碾压改建对旧路基的实际影响深度比有限元计算的深度范围更大，开展更深入的理论和工程试验研究十分必要。

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