细粒土填料重型压路机强振碾压动力变形特性研究

第１２卷第２期　２０１５年４月　铁道科学与工程学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏｌｕｍｅ　１２　Ｎｕｍｂｅｒ　２　

Ａｐｒｉｌ　２０１５　

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）　

摘要：通过理论分析推导不同铺填厚度条件下细粒土振动碾压压实度沿深度变化的基本规律，并通过有限元ＡＢＡＱＵＳ分　析软件，针对不同铺填厚度条件下细粒土振动碾压进行三维有限元模拟。通过控制不同的碾压层厚度，模拟不同铺填厚度　条件下细粒土的压实情况，得到相关应力、位移、塑性应变分布图，进而得出使用大功率超重吨位超大激振力全液压自行式　强振压路机条件下细粒土的最佳碾压层厚度及碾压次数。研究结果表明：根据细粒土不同深度处压实度曲线，可以方便确　定经济有效的碾压施工参数；最佳铺填厚度条件下可使压实能量有效传递至整个填层厚度，压实施工经济高效；当铺填层　厚度超过最佳厚度后，传递至填层下部的压实能量很小，导致土的压实度相对较小，并影响碾压层上部土体的压实度。本　文研究成果对细粒土的振动碾压施工具有参考价值。　关键词：细粒土；变形特征；重型压路机振动碾压；铺填厚度；数值分析；最优施工工艺参数　中图分类号：Ｕ２１３．１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７２－７０２９（２０１５）０２—０２８２—０９　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｆｉｎｅ—ｇｒａｉｎｅｄ　ｓｏｉｌ　ｆｉｌｌ　ｕｎｄｅｒ　ｓｔｒｏｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｏｆ　ｈｅａｖｙ　ｒｏｌｌｅｒ　

ＹＡＮＧ　Ｊｉａｎｚｈｏｎｇ　，ＴＡＮ　Ｙｉｇａｏ　（１．ＳｈａｒＩｇｈａｉ—Ｎａｍｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒｃｉｔｙ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｎａｎｔｏｎｇ　２２６０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００７５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｌａｗ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｎｅ—ｇｒａｉｎｅｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｗａｓ　ｄｅｄｕｃｅｄ　ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｐｔｈ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌａｙｉｎｇ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ａ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｏｆ　ｆｉｎｅ——ｇｒａｉｎｅｄ　ｓｏｉｌ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌａｙｉｎｇ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｂｙ　ＡＢＡＱＵＳ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｂｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｏｏｓｅ　ｌａｙｅｒ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｓｔｒｅｓｓ，　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｐｌａｓｔｉｃ　ｓｔｒａｉｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｃｏｍｐａｃｔｅｄ　ｌａｙｅｒ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｕｍ—　ｂｅｒ　ｏｆ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｏｆ　ｌａｙｉｎｇ　ｆｉｎｅ——ｇｒａｉｎｅｄ　ｓｏｉｌ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｆｕｌｌ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｅｌｆ——ｐｒｏｐｅｌｌｅｄ　ｓｔｒｏｎｇ　ｖｉｂｒａ－－　ｔｉｏｎ　ｒｏｌｌｅｒ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ　ｏｖｅｒｗｅｉｇｈｔ　ｔｏｎｎａｇｅ　ｌａｒｇｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｅａｓｉｌｙ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐａｃ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｎｅ—ｇｒａｉｎｅｄ　ｓｏｉｌ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｐｔｈ．Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ　ｄｅｌｉｖｅｒｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｎｔｉｒｅ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｌａｙｅｒ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ａｎｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｃａｓｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｅｃｏ—　ｎｏｍｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｌａｙｉｎｇ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｌａｙｉｎｇ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｌａｙｅｒ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｓｍａｌｌ，ａｎｄ　ｌｅａｄｓ　ｔｏ　ａ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｓｍａｌｌ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　

收稿日期：２０１４—１０—０８　基金项目：贵州省交通运输厅科技项目（２０１２ＳＫ３２３　１，２０１２Ｔ１＂２０３９）　通讯作者：谭亦高（１９８５一），男，湖南长沙人，博士研究生，从事道路与铁道工程方面的研究与应用工作；Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｌｈ８０７６＠１６３．ｃｏｍ　第２期　杨建中，等：细粒土填料重型压路机强振碾压动力变形特性研究　２８３　ｏｆ　ｓｏｉｌ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｓｏｉｌ　ｉｎ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｌａｙｅｒ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ａｆｆｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｈａｖｅ　ａ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｎｅ—ｇｒａｉｎｅｄ　ｓｏｉｌｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｅ—ｇｒａｉｎｅｄ　ｓｏｉｌ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｅａｖｙ　ｒｏｌｌｅｒ；ｌａｙｉｎｇ　ｔｈｉｃｋ—　ｎｅｓｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｐｔｉｍａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　

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¨　Ｊ。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　ｊ，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　。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　

陛　干测渗透性更高　干测渗透性降低更大