李冠華　王　剛

(華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州　510000)

?

沖擊式壓路機壓實效果的有限元分析

李冠華王剛

(華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州510000)

摘要：基于ABAQUS有限元模擬軟件，用瞬態(tài)動力學的方法，對沖擊壓路機碾壓路基的過程進行數(shù)值模擬分析，研究路基密實度和沉降在沖擊壓路機碾壓作用下的變化情況，并與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)作了對比，指出數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場試驗較為吻合，具有較好的可靠性。

關鍵詞：ABAQUS，沖擊壓實法，密實度，沉降

0引言

高速公路線長度可達幾百甚至上千公里，跨越的區(qū)域廣大，地質條件復雜，所以如何經(jīng)濟快速合理地進行路基壓實處理，成為高速公路建設中一項重要課題。為了滿足高速發(fā)展的工程建設需求，適應日益復雜的工程技術和日益嚴格的工程質量要求，很多不同的路基壓實技術得到發(fā)展。其中，沖擊壓實法既擁有滾動壓實法高效率、高機動性的特質，又吸取了夯擊法影響深度大，壓實效果好的優(yōu)點，因而被廣泛用于我國道路、機場、水壩等工程領域。但是，對于沖擊壓實法的研究遠遠落后于工程實踐，這嚴重阻礙了沖擊壓實法的發(fā)展和推廣。本文結合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)分析手段對沖擊式壓路機碾壓土體壓實效果進行有限元分析。

1沖擊壓實的有限元建模

本文的研究基于廣東省某高速公路主線路基三工區(qū)K123+760～K123+860高填方路基沖擊碾壓試驗段，在模擬分析過程中，對模型進行以下的設置：

1)模型建立的土體模型為均質各向同向彈塑性體，采用ABAQUS的Mohr-Coulomb塑性模型。

2)忽略實際土體中水的影響(包括地下水、孔隙水壓力、含水量等)。

3)模擬分析中引入幾何非線性大變形理論和接觸理論，采用ABAQUS/Explicit進行求解分析，ABAQUS/Standard計算的地應力平衡的狀態(tài)(應力、位移)通過Predefined Field的Initial State傳遞到Explicit，這種傳遞將多次使用，來實現(xiàn)多次碾壓的土體的變化。

的土料進行去除。當已有路面出現(xiàn)凹凸不平情況時，施工人員可使用回填或開挖處理，進而大幅度提升路基平整度。完成填筑作業(yè)后，施工人員需依據(jù)相關規(guī)范以及標準要求進行下一階段的壓實作業(yè)。當基底土質松散程度相對較高時，施工人員應使用相關設備實施重度壓實，填石路基高度保持在80 cm以下時，其基底壓實度應大于95%。

3.2地基排水標準

一般來說，填石路基孔隙率增加時，其會導致水分通過路面結構內滲到地基內部，從而出現(xiàn)路基變形以及塌陷等問題。路基施工現(xiàn)場地下水活動也會使得路基結構受到一定程度的破壞，因此需要使用相應的攔截以及引排等措施實施預先處理，這樣可以有效解決相關問題。路堤底層填筑作業(yè)過程中，施工人員應大量使用砂礫石、片石或塊石材料，這樣可在保證水分分散速度的基礎上，大幅度降低地下水對路基的侵蝕程度。

3.3地基坡度設置要求

實際施工階段，施工人員應對地基坡度進行測量，如路基施工的地基坡度沒達到相關設計要求時，需采用合理措施進行解決。如地基坡度小于1∶5時，施工人員需適當清理地基表層，并重點清除腐殖土和草皮等。

4結語

通過本文對填石路基前期準備工作的詳細闡述，以及填石路基施工技術具體應用流程和填石路基施工注意事項的合理化分析，不難看出，填石路基施工技術是保證公路施工以及使用質量的主要保障手段之一，填石路基施工技術的實際應用需要相關人員對各個工序施工質量進行有效監(jiān)控，從而保障各個工序施工質量符合相關設計要求，這樣才能促進填石路基施工技術的大范圍推廣。

參考文獻:

[1]楊玉光,杜大勇.淺析公路施工中填石路基的地基處理技術.黑龍江科技信息,2014(2)：98-100.

[2]楊昆.基于填石路基施工技術在公路施工中的應用研究.黑龍江科技信息,2015(28)：112-114.

[3]凌露.高填方土質路基穩(wěn)定性分析與填筑技術研究.長沙：中南大學,2014.

4)土體模型參數(shù)根據(jù)室內試驗和實際工程的應用效果進行綜合的調整和設置，計算中土體密度r=1 800 kg/m3，彈性模量E=247 MPa，泊松比0.33，粘聚力20 kPa，內摩擦角15°。參考實際工程設置壓實輪的工作速度為3 m/s，最后建立的模型見圖1。

2壓實效果的分析和對比

2.1數(shù)值模擬沉降與實際沉降的分析與對比

圖2是ABAQUS模擬下某一區(qū)域經(jīng)過多次碾壓之后形成的豎向位移云圖。在不斷的模擬試驗中，發(fā)現(xiàn)在模擬過程中，每次輪跡帶處在的位置對于模型最后的結果十分重要，如果輪跡分布不合理，很容易出現(xiàn)多次壓實過程后，但是區(qū)域的沉降沒有很大的變化，甚至出現(xiàn)沉降回彈的現(xiàn)象，這是由于在壓實輪不斷的運動中，沖擊荷載產(chǎn)生的面波會使地基表面產(chǎn)生松動，并產(chǎn)生隆起現(xiàn)象。由于ABAQUS模擬的局限性，表面隆起的土體的模量并不會像實際工程過程中發(fā)生改變，此時表面隆起的土體會增加，而壓實沉降的土體將減少，所以必須合理的布置壓實輪的運動位置才能得到較好的壓實結果。

利用ABAQUS進行多次模擬可以得出表1，表1所示的是軟件模擬碾壓20次的工況下，區(qū)域土體的累計沉降情況。

由表1可知，最后ABAQUS模擬實際試驗段得出的累計總沉降為40 mm，與工程實際測得的33 mm相比相差21.2%。如圖3所示為土體沉降與碾壓次數(shù)的關系曲線，圖3分別給出了單次計算值、單次實測值、累計計算值、累計實測值和碾壓次數(shù)的關系，計算值和實測值相比有一定的誤差，但是兩者的趨勢基本相同，隨著碾壓次數(shù)的增加，土體的單次平均沉降逐漸減少，累計平均沉降逐漸增加，但增加趨勢減緩，并逐漸趨于定值。

由于模型存在一系列假設條件：1)本文中土體模型采用摩爾庫侖塑性模型，與實際的土體性質存在差異；2)本文模型假定壓實輪為剛體，與實際的壓實輪有較大差異，這些假設條件的存在導致模擬的沉降與實際沉降值之間有一定的誤差，但是由于本文研究的沖擊式壓路機碾壓土體存在復雜的接觸過程，所以以上誤差的存在可以接受。所以應用ABAQUS軟件，對沖擊式壓路機碾壓土體過程的沉降模擬分析是可行的。

2.2數(shù)值模擬密實度與實際密實度的分析與對比

由于ABAQUS自帶模型沒有密實度的量值輸出，所以必須通過換算進行密實度的求解與分析。

在沖擊過程中，沖擊壓實輪與土體的作用時間短，土體呈現(xiàn)彈性為主塑性為輔的特征，可以假設土體只存在彈性變形，忽略土體的塑性變形，可以得到?jīng)_壓前后土體應變與密度的關系式：

(1)

孔隙比變化與應變的關系：

e0-e=(1+e0)ε

(2)

可以通過ABAQUS輸出的應變值間接求出密度和孔隙比的變化。圖4是壓實輪輪跡帶內某點第一次碾壓后的應變隨深度變化的曲線。

從圖4可以看出，壓實輪應變最大的點發(fā)生在深度0.25 m處，隨著深度的增加應變開始迅速衰減，在深度2 m處應變趨向0。

和上節(jié)模擬沉降的步驟一樣，利用ABAQUS進行多次模擬可以得出表2，表2表示的是軟件模擬碾壓20次的工況下，區(qū)域土體的應變和密度情況。

從圖5中可以看到，ABAQUS模擬下密度最大值并不是發(fā)生在土體面層，而是發(fā)生在土體深度0.1 m～0.2 m處，這是因為沖擊表層的能量雖大，但是有一大部分的能量為橫波和瑞利波，橫波和瑞利波的協(xié)同運動則使得地基表層松動，而壓縮波在土體密實的過程中起到主要的作用，所以作者推測土體密實度最大的位置應該為壓實輪輪跡底部某一深度內，下面進行的現(xiàn)場實驗也驗證了這一觀點。

根據(jù)試驗段的土工試驗數(shù)據(jù)，得到試驗段路基沖壓加固前后地基土密度和壓實度的變化，具體數(shù)據(jù)見表3。

從圖6可以看出，沖壓后密實度最大的位置處于土體深度為

0.2 m～0.4 m處，這是因為壓實輪沖擊產(chǎn)生的橫波導致了土體面層有部分的松動，這在一定程度上降低了土體面層的壓實度，綜合本文和以往的研究，作者認為沖擊壓路機在試驗段施工過程中，深度為0.4 m的土體壓實效果最好，在0.4 m～1 m之間壓實度會產(chǎn)生小幅度的下降，壓實度約為92，在1 m～1.5 m之間壓實度約為90，在深度為2 m的壓實度也有少量的提升，但是提升的幅度不大，說明壓實輪在沖擊壓實的過程中壓實深度可達到2 m。所以在運用沖擊壓實法進行壓實路基時，盡量采取分層沖壓的措施，由于土體的不同、壓實機械的不同也會造成壓實效果的不同，所以分層的厚度需要通過試驗段進行更加詳細的探討，以滿足設計上壓實度的要求。

3結語

本文基于廣東省某高速公路主線路基三工區(qū)K123+760～K123+860高填方路基沖擊碾壓試驗段的相關試驗數(shù)據(jù)，對比和分析了ABAQUS模型下和實際工程下的壓實效果，由于模型存在一系列假設條件，導致模擬的沉降和密實度理論計算值與實際沉降值之間有一定的出入，但是模擬數(shù)值在工程誤差范圍之內。所以應用ABAQUS軟件，對沖擊壓實土體的壓實效果模擬分析是可行的。

綜合本文的研究，深度為0.4 m的土體壓實效果最好，在0.4 m～1 m之間壓實度會產(chǎn)生小幅度程度的下降，壓實度約為92，在1 m～1.5 m之間壓實度約為90，在深度為2 m的壓實度也有少量的提升，但是提升的幅度不大，說明壓實輪在沖擊壓實的過程中壓實深度可達到2 m。數(shù)值模擬計算下估算的密實度隨深度變化曲線也反映了密實度最大的區(qū)域為壓實輪輪跡底部某一深度內，具體深度的數(shù)值和壓實機械的機械參數(shù)及土體的各性能參數(shù)有關。

[1]唐學軍,蘇衛(wèi)國.沖擊壓實舊混凝土路面路基的力學行為研究.巖土工程學報,2004,26(6):804-808.

[2]蘇衛(wèi)國,李銘政,黃志松,等.CIR與CIS系統(tǒng)在沖擊壓實施工中的應用及展望.中外公路,2009,29(6):71-74.

[3]楊人鳳,張永新,趙新榮.土的沖擊壓實試驗研究.中國公路學報,2003,16(3):31-34.

[4]王慧.基于瞬態(tài)沖擊加速度的壓實度檢測研究.西安：長安大學,2012.

[5]王生新,韓文峰,諶文武,等.沖擊壓實路基黃土的微觀特征研究.巖土力學,2006,27(6):939-944.

[6]孫甜甜.沖擊壓路機的厚鋪層壓實質量檢測方法研究.太原：太原科技大學,2010.

[7]李繼光,蔡子亮.沖擊壓實機沖擊力及沖擊能量的計算.許昌學院學報,2004,23(5):25-27.

[8]何柏巖,裴毅強,賀杰.三邊形壓實輪運動與能量分析.工程機械,2005,36(9):23-25.

Finite element analysis of the effect of impact compaction

Li GuanhuaWang Gang

(SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510000,China)

Abstract: Based on finite element simulation software ABAQUS, the process of impact roller compacting subgrade was simulated and analyzed by using the method of transient dynamics. The compactness and settlement variation of subgrade under the compaction of impact roller was studied. Compared with field test data, point out the numerical simulation results are in good agreement with the field test results, this shows the numerical results have a good reliability.

Key words: ABAQUS, impact compaction method, compactness, settlement

The application of rock fill embankment construction technology in highway construction

Shen Wei

(HenanFirstWaterConservancyEngineeringBureau,Zhengzhou450000,China)

Key words:road, rock fill embankment, load, drainage

Abstract:This paper analyzed the preparatory work of rock fill embankment construction in highway engineering, elaborated the technological process of rock fill embankment, and from the load, drainage, slope design and other aspects, summarized the matters needing attention of rock fill embankment construction, so as to effectively promote the widely used of rock fill embankment construction technology.

文章編號：1009-6825(2016)14-0133-03

收稿日期：2016-03-04

作者簡介：李冠華(1990- )，男，在讀碩士；王剛(1989- )，男，在讀碩士

中圖分類號：U416.2

文獻標識碼：A