粉質(zhì)粘土路基沖擊壓實(shí)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬研究

宋修廣　陳曉光　于一凡

摘要：依托實(shí)際工程，應(yīng)用有限差分軟件FLAC3D分層建立高速公路粉質(zhì)粘土路段路基模型；通過(guò)在路基模型頂面施加1次動(dòng)力荷載和施加不同次數(shù)動(dòng)力荷載，對(duì)路基模型的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了沖擊作用下動(dòng)應(yīng)力、豎向位移沿深度和徑向距離的變化規(guī)律。結(jié)果表明：沖擊輪沖擊路基表面破壞土體結(jié)構(gòu)，從而使路基土體密實(shí)，沖擊碾壓加固路基效果顯著；土體中加固區(qū)近似為橢球體，其剖面為橢圓形；土體中動(dòng)應(yīng)力、豎向位移沿徑向的衰減速度大于豎向的衰減速度，徑向的影響寬度小于豎向影響深度；當(dāng)沖擊壓路機(jī)保持正常的工作速度12 km·h-1，路基填筑高度為1 m時(shí)，沖擊碾壓次數(shù)宜在20次左右。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)工程；動(dòng)應(yīng)力；數(shù)值模擬；路基；沖擊碾壓；豎向位移

中圖分類號(hào)：TU435文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： Relying on the actual project， asubgrademodel of silty clay in highway was built by using the numerical calculation software FLAC3D. Numerical simulation analysis about dynamic response of subgrade model was carried through applying one time dynamic load and different times dynamic load on the top of the subgrade model， and the change laws of dynamic stress and vertical displacement along depth direction and radial direction were researched. The results show that the soil structure is damaged by impact roller impacting subgrade surface， so that the subgrade soil is compacted， impact compaction has obvious reinforcement effect on subgrade. The reinforcement area in soil is like ellipsoid， and its profile is like ellipse. The attenuation velocities of dynamic stress and vertical displacement along radial direction are faster than those along vertical direction， and the radial influence width was greater than the vertical influence depth. When impact roller keeps the normal working speed 12 km·h-1 and subgrade filling height is 1 m， the time of impact roller compaction shouldbe about 20.

Key words： foundation engineering； dynamic stress； numerical simulation； subgrade； impact roller compaction； vertical displacement

0引言

沖擊碾壓法是利用沖擊壓路機(jī)對(duì)路基或地基進(jìn)行沖擊碾壓，以提高土的強(qiáng)度和壓實(shí)度，防止土不均勻沉降的一種低能量淺層加固方法[1]。大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)沖擊碾壓后的路基不僅沉降周期大幅度縮短，工后沉降也大幅減小[23]。19世紀(jì)80年代沖擊壓實(shí)設(shè)備最早被提出，20世紀(jì)50年代南非Aubrey Berrange公司提出非圓形碾，但是直到20世紀(jì)70～80年代南非國(guó)家運(yùn)輸和道路研究所（NITRR）經(jīng)過(guò)多年研究，才使沖擊碾壓成為一種可靠的技術(shù)，并制造出可供實(shí)用的非圓滾輪壓路機(jī)[4]。1995年沖擊碾壓法首次在中國(guó)應(yīng)用，用于處理香港赤臘角新機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)道[5]，其后沖擊碾壓法被廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)建設(shè)的地基處理中，如新疆且末機(jī)場(chǎng)工程、廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)遷建工程、重慶萬(wàn)州機(jī)場(chǎng)工程和上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)二期工程[69]。此外，沖擊碾壓法還被廣泛應(yīng)用于公路工程領(lǐng)域，如沖擊碾壓改建路面施工[10]、沖擊壓實(shí)舊混凝土路面[11]等。在水電工程中沖擊碾壓法也有較為普遍的應(yīng)用[12]。

正在修建的濟(jì)東高速公路擬采用沖擊碾壓法處理分層填筑的路基。在大規(guī)模處理路基施工前應(yīng)首先選擇代表性區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。然而現(xiàn)場(chǎng)沖擊碾壓試驗(yàn)成本通常較高，并且該高速公路沿線地質(zhì)條件多變，單一區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)不具有代表性，因此，需要借助數(shù)值模擬獲取碾壓設(shè)計(jì)參數(shù)，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。FLAC3D作為一款有限差分軟件，在對(duì)材料彈塑性分析、非線性動(dòng)力反應(yīng)分析等方面有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，但應(yīng)用FLAC3D對(duì)土石料沖擊碾壓試驗(yàn)的仿真模擬研究還不是很多，本文通過(guò)FLAC3D進(jìn)行沖擊碾壓試驗(yàn)的數(shù)值模擬，得到試驗(yàn)的數(shù)值結(jié)果，分析沖擊作用下動(dòng)應(yīng)力、豎向位移的變化規(guī)律，并據(jù)此選取合理的沖擊碾壓試驗(yàn)參數(shù)[13]。

1沖擊碾壓法工作原理

沖擊碾壓法的工作原理是牽引車拖動(dòng)非圓形沖擊輪在路面上行進(jìn)，利用非圓形沖擊輪連續(xù)夯過(guò)程中對(duì)實(shí)路面施加的沖擊作用以及沖擊輪抬升過(guò)程中角部對(duì)路面施加的巨大揉搓作用，達(dá)到壓實(shí)土基的目的[14]。當(dāng)牽引車以正常速度10～12 km·h-1行駛時(shí)，非圓形沖擊輪將在牽引車的拖動(dòng)下向前碾壓，周期性地沖擊土基，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波。與地震波類似，該沖擊波將會(huì)在土基中沿著徑向和豎向傳播。相較于傳統(tǒng)的動(dòng)力壓實(shí)技術(shù)強(qiáng)夯法，沖擊碾壓借助于牽引車的拖動(dòng)，效率更加高效，經(jīng)濟(jì)性更好。同時(shí)在沖擊和揉搓的雙重作用下，土基的壓實(shí)度和強(qiáng)度也明顯高于傳統(tǒng)的滾動(dòng)壓實(shí)設(shè)備[15]。以三邊形沖擊輪為例，圖1給出了沖擊碾壓法加固土基的基本工作原理，其中，R為沖擊輪重心的高位高度。

沖擊輪在牽引車的拖動(dòng)下向前滾動(dòng)，沖擊輪的水平速度為v，假設(shè)水平速度v等于牽引車速度（在重力作用下，沖擊輪在下落過(guò)程中其運(yùn)動(dòng)速度快于牽引車速，因此在沖擊路面的瞬間，水平速度是大于牽引速度的）[16]。當(dāng)滾動(dòng)角圓弧與路面接觸點(diǎn)A及重心O的連線垂直于路面時(shí)，沖擊輪的重心升至最高位置。隨后沖擊輪重心開(kāi)始下移，重心相對(duì)于接觸點(diǎn)A產(chǎn)生沖擊力矩，當(dāng)重心降至最低位置處，沖擊輪開(kāi)始沖擊路面，此時(shí)以支撐點(diǎn)B為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，C點(diǎn)為沖擊點(diǎn)，則BC為作用力臂，OD為沖擊輪重心的低位高度r，此時(shí)沖擊力矩達(dá)到最大。之后沖擊面搓擠前方土體產(chǎn)生某種強(qiáng)力的搓揉作用并使土體產(chǎn)生較大的反力f，在牽引力F和反力f的共同作用下，沖擊輪向前滾動(dòng)并升至最高位置[6]。在工作過(guò)程中，沖擊輪能量主要來(lái)源于重心位置上升所增加的重力勢(shì)能以及沖擊輪以一定速度旋轉(zhuǎn)和水平運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。顯然，沖擊能量的大小與沖擊輪的質(zhì)量、重心高度、牽引車速及其邊數(shù)等參數(shù)有關(guān)[17]。

2工程概況

濟(jì)東高速公路是規(guī)劃的山東高速公路網(wǎng)的重要組成部分，路線主要位于黃河沖積平原區(qū)。該區(qū)域地勢(shì)平坦，土層深厚，河網(wǎng)密布，地基排水不暢，土質(zhì)為第四系沖洪積平原區(qū)，主要由粉土、粉質(zhì)粘土組成。在高速公路的修筑過(guò)程中，為了提高工程效率，降低工程造價(jià)，就地取材，選取粉質(zhì)粘土作為工程路基填料。該工程地下水位較低，且路基采用分層填筑的方式，松鋪厚度為1 m，因此采用沖擊碾壓法加固處理路基非常合適。本文所依托的工程項(xiàng)目試驗(yàn)段位于K19段，路基的填筑高度為5～7 m，對(duì)沖擊碾壓路基進(jìn)行數(shù)值模擬研究。3數(shù)值模擬

首先，采用FLAC3D建立地基計(jì)算模型，如圖2所示。根據(jù)地質(zhì)資料可知，該路段地基沿深度范圍內(nèi)土質(zhì)依次為粉質(zhì)粘土、粉土和粉砂，因此將地基模型分為多組。為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，根據(jù)沖擊碾壓有效加固深度的預(yù)估值1～3 m[1，1819]，可取地基模型豎向（Z方向）范圍5 m，徑向（X方向）尺寸范圍22 m，Y方向范圍20 m，即模型大小為44 m×40 m×5 m。地基模型上部設(shè)置為自由面，底部和側(cè)面均施加固定約束（鏈桿約束），讓其在自重作用下平衡。隨后加入路基模型，路基模型底面寬為40 m，邊坡坡度為1∶1.5。由于路基采用分層填筑的方式，且一次松鋪厚度為1 m，因此在數(shù)值模擬中路基模型也是分層加入，豎向（Z方向）一次加入高度為1 m。在土體中動(dòng)應(yīng)力是以波的形式進(jìn)行傳播，波的頻率成分和土體的波速特性會(huì)影響波傳播的數(shù)值精度，因此，為了精確描述模型中波的傳播，網(wǎng)格的尺寸必須要小于輸入波形最高頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的1/10～1/8，本文計(jì)算模型中模型單元邊長(zhǎng)取0.25 m，滿足精度的要求。MohrCoulomb彈塑性本構(gòu)模型采用拉伸破壞準(zhǔn)則作為巖土體的強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，能夠很好地反映土體的塑性變形特性，并且該模型中參數(shù)比較容易從室內(nèi)試驗(yàn)中獲得，因此本文數(shù)值模擬試驗(yàn)中土體模型均選用MohrCoulomb彈塑性本構(gòu)模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取出土體試樣，在室內(nèi)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)并得出土體參數(shù)，如表1所示。

4.1不同深度處土體動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖3為路基表面中心點(diǎn)下不同深度h處土體在1次沖擊碾壓作用下動(dòng)應(yīng)力的時(shí)程曲線。從圖3可以看出，土體單元?jiǎng)討?yīng)力均出現(xiàn)1個(gè)應(yīng)力波，波峰持續(xù)時(shí)間短，并且沒(méi)有出現(xiàn)第2個(gè)應(yīng)力波。當(dāng)沖擊時(shí)間小于0.016 s時(shí)，動(dòng)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在路基表面中心點(diǎn)處，且動(dòng)應(yīng)力隨著深度的增加而逐漸減小。當(dāng)沖擊時(shí)間大于0.016 s時(shí)，最大動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)在路基表面以下一定深度處，這表明沖擊能量逐漸向下傳遞。在路基表面中心點(diǎn)處，動(dòng)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在0.011 s時(shí)，最大值為1.37 MPa，而路基表面中心點(diǎn)下1 m處土體動(dòng)應(yīng)力最大值為0.37 MPa，可見(jiàn)沖擊能量大部分在0～1.0 m深度處消耗。現(xiàn)場(chǎng)施工中，由于地基已經(jīng)過(guò)處理，而路基土體較為疏松，因此沖擊能量大部分被疏松的路基土體所吸收，使其變得密實(shí)。

4.2動(dòng)應(yīng)力沿深度和徑向距離的變化規(guī)律

圖4給出了1次沖擊的不同時(shí)刻動(dòng)應(yīng)力沿深度方向的變化曲線，其中，x為徑向距離。從圖4可以看出，沖擊作用產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力在土體中沿深度方向衰減很快。在同一豎直面上，隨著時(shí)間的增加，最大動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)的位置不斷下移，最大動(dòng)應(yīng)力也隨著深度的增加而減小。距中心點(diǎn)較遠(yuǎn)處動(dòng)應(yīng)力沿深度方向變化幅度較小，距中心點(diǎn)2 m以外3 m深處的最大動(dòng)應(yīng)力接近為0。從圖4還可以看出，距中心圖4沖擊路面后動(dòng)應(yīng)力沿深度的變化曲線點(diǎn)越近，各時(shí)刻對(duì)應(yīng)的最大動(dòng)應(yīng)力越大。在圖4（c）中出現(xiàn)曲線相交，這是由于不同的曲線代表不同的豎直面，動(dòng)應(yīng)力在各豎直面上的傳播時(shí)間不同，故在某一時(shí)刻同一水平面上兩點(diǎn)可能出現(xiàn)相同的動(dòng)應(yīng)力。

圖5給出了1次沖擊的不同時(shí)刻動(dòng)應(yīng)力的徑向變化曲線。從圖5可以看出，不同深度處土體動(dòng)應(yīng)力沿徑向的變化曲線基本相同。沖擊作用產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力與徑向距離呈負(fù)相關(guān)，且衰減速度越來(lái)越慢。在路基表面，徑向1.5 m處土體動(dòng)應(yīng)力最大值約為表面中心點(diǎn)處土體動(dòng)應(yīng)力最大值的1/4，而徑向3 m處動(dòng)應(yīng)力最大值為表面中心最大值的1/6。在圖5（c）中出現(xiàn)曲線相交，這是由于不同的曲線代表不同的水平面，動(dòng)應(yīng)力在各水平面上的傳播時(shí)間不同，故在某一時(shí)刻同一豎直面上兩點(diǎn)可能出現(xiàn)相同的動(dòng)應(yīng)力。

為得到1次沖擊碾壓的加固范圍，根據(jù)有效加固深度的判別標(biāo)準(zhǔn)，即附加應(yīng)力（此處即為動(dòng)應(yīng)力）為自重應(yīng)力的20%時(shí)作為有效加固深度的臨界值。圖6為最大動(dòng)應(yīng)力沿深度的變化曲線。當(dāng)x=0 m時(shí)動(dòng)應(yīng)力較大，繪在圖中不協(xié)調(diào)，故不繪制在圖中。0.2倍自重應(yīng)力線與動(dòng)應(yīng)力線的交點(diǎn)即為加固范圍的臨界點(diǎn)，繪制出1次沖擊碾壓作用下的有效加固范圍，如圖7所示。

4.3不同深度處土體豎向位移時(shí)程曲線

圖8為1次沖擊碾壓后不同深度處土體豎向位移的時(shí)程曲線。從圖8可以看出，在路基表面中心點(diǎn)處和中心點(diǎn)以下1 m處土體豎向位移隨著時(shí)間的增加近似呈線性增加，當(dāng)豎向位移達(dá)到最大值后，土體開(kāi)始向上回彈，但回彈量較小，這是因?yàn)槁坊馏w為松鋪，疏松的路基土體在短時(shí)間內(nèi)被巨大的沖擊力所壓密。路基表面中心處土體最終豎向位移為13.9 cm，最大位移為16.1 cm，在0.042 s時(shí)出現(xiàn)，比路基表面以下1 m處土體豎向位移最大值出現(xiàn)的時(shí)間晚，這是由于地基土體已經(jīng)得到處理，應(yīng)力波傳至該處后土體能夠迅速被壓縮穩(wěn)定，在地基土體中，隨著深度的增加，土體達(dá)到最大位移的時(shí)間相對(duì)滯后，這也反映了沖擊作用產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力向下傳播的特性。在路基表面下3 m處土體豎向位移最大值為0.61 cm，最終豎向位移為0.5 cm，在深度5 m處土體豎向位移為0 cm，隨著時(shí)間的增加也沒(méi)有任何變化，說(shuō)明1次沖擊碾壓對(duì)該土基的有效加固深度小于5 m。

5結(jié)語(yǔ)

（1）沖擊碾壓加固分層路基是通過(guò)沖擊輪沖擊路基表面產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力破壞土體結(jié)構(gòu)，從而使路基土體密實(shí)，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬研究，結(jié)果顯示沖擊碾壓加固粉質(zhì)粘土路基效果顯著。

（2）從土體在沖擊作用下的動(dòng)應(yīng)力等值線及沖擊碾壓作用下的有效加固范圍可以看出，土體中加固區(qū)的范圍近似為橢球體，其剖面為橢圓形。

（3）沖擊碾壓引起的動(dòng)應(yīng)力沿徑向的衰減速度大于豎向的衰減速度，徑向的影響寬度小于豎向影響深度。

（4）沖擊壓路機(jī)保持正常的工作速度12 km·h-1，當(dāng)路基填筑高度為1 m時(shí)，沖擊碾壓次數(shù)宜在20次左右。

參考文獻(xiàn)：

References：

[1]王吉利，劉怡林，沈興付，等.沖擊碾壓法處理黃土地基的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2005，26（5）：755758.

WANG Jili，LIU Yilin，SHEN Xingfu，et al.Experimental Investigation on Treatment of Loess Subgrade with Impaction and Grind Method （IGM）[J].Rock and Soil Mechanics，2005，26（5）：755758.

[2]CLIFFORD J M.Impact Rolling and Construction Techniques[C]//ARRB.Proceedings of ARRB Conference.Melbourne：ARRB，1976：114.

[3]CLIFFORD J M.The Impact Rollerproblems Solved[J].The Civil Engineer in South Africa，1978，20（12）：321324.

[4]李冰，焦生杰.振動(dòng)壓路機(jī)與振動(dòng)壓實(shí)技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2001.

LI Bing，JIAO Shengjie.Vibratory Rollers and Vibratory Compaction[M].Beijing：China Communications Press，2001.

[5]譚煒，凌建明，劉文.沖擊碾壓處理不均勻軟弱地基試驗(yàn)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，4（2）：310315.

TAN Wei，LING Jianming，LIU Wen.Experimental Study on Treatment of Uneven Soft Ground with Impaction and Grind Method （IGM）[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2008，4（2）：310315.

[6]TABRIZI S K.3D Finite Element Modeling of Soilnailed Wall[D].New Brunswick：The State University of New Jesey，1996.

[7]陳旭.沖擊壓實(shí)技術(shù)在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道地基工程中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2003，34（3）：3940.

CHEN Xu.Impact Compaction Technology in Airport Runway Foundation Engineering[J].Yangtze River，2003，34（3）：3940.

[8]孔德森，門(mén)燕青，張偉偉，等.軟土深基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（增1）：186190.

KONG Desen，MEN Yanqing，ZHANG Weiwei，et al.Numerical Analysis of Basal Heave Stability for Deep Foundation Pits in Soft Soils[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32（S1）：186190.

[9]李巧生，趙鈞，李坤維.淺談淺層軟基處理新技術(shù)[J].機(jī)場(chǎng)工程，2004（4）：3537.

LI Qiaosheng，ZHAO Jun，LI Kunwei.New Technology of Shallow Soft Foundation Treatment[J].Airport Engineering，2004（4）：3537.

[10]胡昌斌，袁燕.沖擊碾壓改建路面施工對(duì)路基動(dòng)力作用的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（3）：745752.

HU Changbin，YUAN Yan.Dynamic Soil Pressure Characteristics of Embankment Under Impact Rolling Load During Rehabilitation of PCCP[J].Rock and Soil Mechanics，2011，32（3）：745752.

[11]唐學(xué)軍，蘇衛(wèi)國(guó).沖擊壓實(shí)舊混凝土路面路基的力學(xué)行為研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26（6）：804808.

TANG Xuejun，SU Weiguo.Analysis on Mechanical Behaviors of Existing Cementconcrete Pavement and Soil Subgrade in the Process of Impact Compaction[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，26（6）：804808.

[12]鄭仲琛，丁建.藍(lán)派沖擊壓實(shí)技術(shù)在面板壩堆石體填筑中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2004，35（11）：4648，55.

ZHENG Zhongchen，DING Jian.Application of Landpac Impact Compaction Technology to Deck Dam Rockfill Construction[J].Water Resources and Hydropower Engineering，2004，35（11）：4648，55.

[13]徐可，黃文雄，黃立亞.顆粒土現(xiàn)場(chǎng)碾壓的數(shù)值模擬與分析[J].人民黃河，2014，36（7）：124127.

XU Ke，HUANG Wenxiong，HUANG Liya.Numerical Simulation and Analysis of Roller Compaction of Granular Soil[J].Yellow River，2014，36（7）：124127.

[14]孫祖望.壓實(shí)技術(shù)與壓實(shí)機(jī)械的發(fā)展與展望[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2004，21（5）：47.

SUN Zuwang.Developing and Prospectives of Compaction Technology and Machinery[J].Road Machinery & Construction Mechanization，2004，21（5）：47.

[15]徐超，陳忠清，葉觀寶，等.沖擊碾壓法處理粉土地基試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（增2）：389392，400.

XU Chao，CHEN Zhongqing，YE Guanbao，et al.Experimental Research on Ground Improvement of Silt Using Impact Roller Compaction[J].Rock and Soil Mechanics，2011，32（S2）：389392，400.

[16]葉觀寶，劉青，陳忠清，等.沖擊碾壓沖擊能量及有效加固深度分析[J].工程勘察，2014（3）：1619.

YE Guanbao，LIU Qing，CHEN Zhongqing，et al.Analysis on Impact Energy and Effective Reinforced Depth of Impact Roller Compaction[J].Geotechnical Investigation & Surveying，2014（3）：1619.

[17]李繼光，蔡子亮.沖擊壓實(shí)機(jī)沖擊力及沖擊能量的計(jì)算[J].許昌學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，23（5）：2527.

LI Jiguang，CAI Ziliang.The Calculation of Impact Compactors Impact Power and Impact Energy[J].Journal of Xuchang University，2004，23（5）：2527.

[18]MAYNE P W，JONES J S，DUMAS J C.Ground Response to Dynamic Compaction[J].Journal of Geotechnical Engineering，1984，110（6）：757774.

[19]MENARD L，BROISE Y.Theoretical and Practical Aspects of Dynamic Consolidation[J].Geotechnique，1975，25（1）：318.