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        沖擊壓路機(jī)在黃土路基補(bǔ)強(qiáng)壓實中應(yīng)力分析

        2016-08-05 03:26:57雷,梁鴻,李
        黑龍江交通科技 2016年6期

        張 雷,梁 鴻,李 穎

        (內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

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        沖擊壓路機(jī)在黃土路基補(bǔ)強(qiáng)壓實中應(yīng)力分析

        張雷,梁鴻,李穎

        (內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010018)

        摘要:為了確定沖擊壓路機(jī)在黃土路基中的有效影響深度,通過對沖擊碾壓過程中一個循環(huán)周期進(jìn)行力學(xué)分析,把沖擊荷載簡化成半正弦荷載形式,選用擬靜力法進(jìn)而計算出不同填土深度土的應(yīng)力,得到應(yīng)力分布規(guī)律;進(jìn)行不同填土深度的壓力檢測試驗,并和理論計算進(jìn)行比對。通過理論計算結(jié)果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)共同確定出沖擊過程中的有效影響深度。

        關(guān)鍵詞:沖擊壓路機(jī);沖擊荷載;應(yīng)力分布;有效影響深度

        1引言

        準(zhǔn)池鐵路是一條承擔(dān)煤炭資源加速快運(yùn)任務(wù)的重要樞紐線,屬于重載鐵路,要求路基有更高的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性和抵抗變形能力。本段路基主要是由黃土組成,黃土對水很敏感,遇水后物理、力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化;具有孔隙大、壓縮性高、承載力低、均勻性差等物理特性。鑒于路基填料特殊性,該段路基需要更充分的壓實。沖擊壓路機(jī)作為一種新型的壓實技術(shù),具有沖擊、振蕩、強(qiáng)夯綜合性壓實功效,由于沖擊壓路機(jī)沖擊力大、作用深度深等特點,沖擊壓路機(jī)被廣泛的應(yīng)用在工程建設(shè)的各個方面。為了高質(zhì)量的完成這段路基的施工,進(jìn)一步解決和改善黃土路基難以壓實的工程難題,特地采用了YCT-25型沖擊壓路機(jī)進(jìn)行黃土路基的補(bǔ)強(qiáng)沖擊碾壓。

        2土中應(yīng)力計算

        2.1沖擊壓路機(jī)工作原理

        沖擊壓路機(jī)對路基碾壓示意圖如圖1。當(dāng)沖擊碾靜止時,即圖1(1)所示位置,沖擊碾只有自重壓力作用在路基上。伴隨牽引車的前行,沖擊碾轉(zhuǎn)動到如圖1(2),此時沖擊碾的重心上升,產(chǎn)生重力勢能,當(dāng)沖擊碾重心上升到最高點時,沖擊碾的勢能最大。圖1(3),隨著沖擊碾的重心下降,勢能逐漸減小,動能逐漸增大。最后,如圖1(4)所示,勢能全部轉(zhuǎn)化為動能,并且全都用來對路基土做功,兼具揉壓、滾壓的綜合作用,使土體達(dá)到密實。沖擊碾每轉(zhuǎn)動一周,其重心上升下降三次,即對地面沖擊碾壓三次,由此可以把對地面的每一次沖擊碾壓簡化成強(qiáng)夯,本文將對其沖擊碾壓的三分之一周期進(jìn)行力學(xué)分析。

        2.2最大接觸應(yīng)力

        本文將采用擬靜力法對沖擊碾壓進(jìn)行理論分析,所謂擬靜力法就是先通過某種理論得到接觸面上的最大接觸應(yīng)力,然后把最大接觸應(yīng)力看為靜力荷載作用在土體上,進(jìn)而求得土中附加應(yīng)力。表面接觸應(yīng)力,是理論分析的基礎(chǔ),也是數(shù)值模擬的前提。大量的試驗和研究表明:沖擊荷載沒有明顯的第二應(yīng)力波,劉漢龍等人在錢家歡法基礎(chǔ)上,將強(qiáng)夯沖擊荷載形式簡化成標(biāo)準(zhǔn)的正弦函數(shù)。將采用半正弦荷載進(jìn)行力學(xué)分析,沖擊荷載可表示為

        σ=σmaxsin(ωt),(t≤T)

        (1)

        在沖擊應(yīng)力達(dá)到最大值時,豎向位移達(dá)到最大值,然后隨著荷載的減小,而出現(xiàn)一定回彈,最終的殘余沉降量wf為

        假定在加荷階段某時刻t1位移達(dá)到殘余沉降wf后,位移不再增加也不回彈而將其作為殘余沉降保持不變,即w=wf,可解得

        (3)

        時刻t1對應(yīng)的應(yīng)力為

        (4)

        式中:πa2為沖擊輪與路基接觸面積。

        將t1時刻的應(yīng)力作為考慮阻尼修正后的最大沖擊應(yīng)力σmax

        (5)

        把式(5)代入式(1)可得正弦荷載下應(yīng)力公式

        (6)

        2.3土的自重應(yīng)力

        σcz=γZ

        (7)

        式中:γ為土的容重。

        2.4土的附加應(yīng)力

        把接觸面簡化成為條形基底受豎直均布荷載作用的情況考慮,土中任意點M(x,z)的豎向應(yīng)力σz為

        =αup

        (8)

        2.5土的總應(yīng)力

        由自重應(yīng)力與附加應(yīng)力的線性疊加,可以計算出各點土的總應(yīng)力

        σ′=σcz+σz

        (9)

        該工程選用的沖擊壓路機(jī)型號為YCT-25,壓路機(jī)質(zhì)量為15.5 t,沖擊輪質(zhì)量為12 t,靜態(tài)能量為25 kJ,N=mgh,g=9.8 m/s2,h=R-r=0.2 m,r為沖擊輪內(nèi)側(cè)半徑,R為沖擊輪外側(cè)半徑,設(shè)計速度10~15 km/h,按行駛速度12 km/h進(jìn)行計算。通過計算可得如表1。

        表1 應(yīng)力計算結(jié)果

        通過計算可以得出沖擊輪接觸面下方不同深度土的總應(yīng)力。正如表1所示:隨著填土深度的增大,作用在路基上的沖擊荷載隨之減??;當(dāng)填土深度<1.5 m時,附加應(yīng)力衰減較快;當(dāng)填土厚度到達(dá)2 m時,附加應(yīng)力已衰減84%;當(dāng)填土深度超過2 m時,附加應(yīng)力衰減緩慢。綜上所述,沖擊荷載對2 m以下的填土幾乎起不到壓實作用,考慮到黃土路基的特殊性,同時為了保證路基的壓實度,所以沖擊壓路機(jī)在該工程中有效影響深度范圍為1.5~2 m。

        3現(xiàn)場試驗

        通過不同填土深度的壓力大小,可以表明沖擊荷載對路基的壓實效果,所以進(jìn)行了不同填土深度的土壓力檢測試驗,試驗不但能與驗證理論計算做比對,而且能進(jìn)一步分析沖擊壓路機(jī)的有效影響深度。本試驗采用土壓力傳感器埋設(shè)方法得到檢測數(shù)據(jù),試驗采用科研CYG712型土壓力傳感器。主要參數(shù)如下:

        固有頻率:≥20 kHz

        非線性:±0.2%~±0.5%

        供電方式:①恒流源或恒壓源,②±15VDC

        輸出方式:差分毫伏信號,標(biāo)稱值100 mV±30%;配有放大器,標(biāo)準(zhǔn)值0~5 V

        測量介質(zhì)溫度:-10~100 ℃

        補(bǔ)償溫度:0~60 ℃

        年穩(wěn)定性:0.2~0.5%FS/年

        3.1現(xiàn)場試驗方案

        設(shè)計埋設(shè)土壓力傳感器,每一組由5個土壓力傳感器組成,5個土壓力傳感器對應(yīng)埋設(shè)在填筑了1 m、2 m、3 m、4 m和5 m高度的黃土路基下。每一組傳感器布局如圖2所示。

        圖2 埋設(shè)土壓力傳感器示意圖

        3.2試驗方法

        (1)選擇代表性路段,對原地面進(jìn)行處理。

        (2)埋設(shè)土壓力傳感器(見表2)。

        表2 現(xiàn)場儀器埋設(shè)位置

        (3)鋪筑路基。

        (4)數(shù)據(jù)采集及分析。

        根據(jù)土壓力傳感器對應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式,將采集到的頻率值換算成壓力值

        P=K×(F0-Fi)

        (10)

        式中:K為應(yīng)力盒標(biāo)定參數(shù);F0為初始頻率;Fi為檢測到的頻率。

        表3 現(xiàn)場沖擊壓力值

        根據(jù)表3可以看出 :在有效沖擊遍數(shù)范圍內(nèi),伴隨沖擊次數(shù)增多,同一埋深處壓力值顯著增大;埋深在1 m處最大壓力值108.7 kPa,2 m最大壓力值為36.9 kPa,3 m最大壓力值僅為17.1 kPa;可見沖擊力隨填土深度增加衰減明顯,當(dāng)填土深度在2 m以下時,沖擊壓力還沒有土自重應(yīng)力大,對土的壓實基本不起作用,表明沖擊壓力有效影響范圍為2 m。

        3.3理論計算與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比

        通過理論計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)比對得到:理論結(jié)果和實測數(shù)據(jù)衰減規(guī)律總體上一致,當(dāng)填土深度達(dá)到2 m,沖擊應(yīng)力衰減85%左右;理論計算比實測數(shù)據(jù)略大,這種偏差是必然存在的,但在合理范圍內(nèi)。分析其中原因主要有:

        (1)把土體假設(shè)為無限均勻分布的彈性體;

        (2)通過半正弦荷載模型計算出沖擊輪最大接觸應(yīng)力;

        (3)理論結(jié)果是沖擊輪接觸面正下方土的豎向應(yīng)力,實測數(shù)據(jù)為任意點土的應(yīng)力。

        4結(jié)束語

        通過研究沖擊壓路機(jī)工作原理,把沖擊壓路機(jī)一個循環(huán)周期的三分之一視為一次強(qiáng)夯。把沖擊荷載簡化為半正弦荷載,通過半正弦荷載模型計算出沖擊輪最大接觸應(yīng)力,根據(jù)擬靜力法計算出土的總應(yīng)力,由附加應(yīng)力衰減趨勢確定出有效影響深度。并在現(xiàn)場進(jìn)行了不同填土深度的土壓力檢測試驗,將理論計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,得到理論計算和實測數(shù)據(jù)變化趨勢總體上一致。最終通過理論研究和實際數(shù)據(jù),確定了沖擊壓路機(jī)在該黃土路基有效影響深度。

        參考文獻(xiàn):

        [1]米海珍,胡燕妮. 蘭州高坪馬蘭黃土工程性質(zhì)規(guī)律初探[J]. 建筑科學(xué),2008,(11):79-82.

        [2]崔月娥. 關(guān)于黃土濕陷敏感性問題探討[J].煤炭工程, 2010,(8):76-78.

        [3]王永焱. 中國黃土的結(jié)構(gòu)特征及物理力學(xué)性質(zhì)[M].北京:科學(xué)出版社,1990:15-17.

        收稿日期:2015-11-05

        作者簡介:張雷(1989-),男,山西運(yùn)城臨猗人,碩士研究生,從事道路工程相關(guān)工作研究。

        基金項目:重載鐵路黃土路基沖擊壓實機(jī)理與質(zhì)量控制研究(207-003)

        中圖分類號:U416

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼:C

        文章編號:1008-3383(2016)06-0011-03

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