沖擊壓路機(jī)在黃土路基補(bǔ)強(qiáng)壓實(shí)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)

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沖擊壓路機(jī)在黃土路基補(bǔ)強(qiáng)壓實(shí)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(gè)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(jì)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(yàn)，并和理論計(jì)算進(jìn)行比對。通過理論計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)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(shí)。沖擊壓路機(jī)作為一種新型的壓實(shí)技術(shù)，具有沖擊、振蕩、強(qiáng)夯綜合性壓實(shí)功效，由于沖擊壓路機(jī)沖擊力大、作用深度深等特點(diǎn)，沖擊壓路機(jī)被廣泛的應(yīng)用在工程建設(shè)的各個(gè)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(shí)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(jì)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(shí)，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(dòng)到如圖1(2)，此時(shí)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(diǎn)時(shí)，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(dòng)能逐漸增大。最后，如圖1(4)所示，勢能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)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(shí)。沖擊碾每轉(zhuǎn)動(dòng)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(yàn)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(jì)算出各點(diǎn)土的總應(yīng)力

σ′=σcz+σz

(9)

該工程選用的沖擊壓路機(jī)型號(hào)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(jì)速度10～15 km/h,按行駛速度12 km/h進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算可得如表1。

表1　應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)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?。划?dāng)填土深度<1.5 m時(shí)，附加應(yīng)力衰減較快；當(dāng)填土厚度到達(dá)2 m時(shí)，附加應(yīng)力已衰減84%；當(dāng)填土深度超過2 m時(shí)，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(shí)作用，考慮到黃土路基的特殊性，同時(shí)為了保證路基的壓實(shí)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(yàn)

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(shí)效果，所以進(jìn)行了不同填土深度的土壓力檢測試驗(yàn)，試驗(yàn)不但能與驗(yàn)證理論計(jì)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(yàn)采用土壓力傳感器埋設(shè)方法得到檢測數(shù)據(jù)，試驗(yàn)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(hào)，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(yàn)方案

設(shè)計(jì)埋設(shè)土壓力傳感器，每一組由5個(gè)土壓力傳感器組成，5個(gè)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(yàn)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(shí)，沖擊壓力還沒有土自重應(yīng)力大，對土的壓實(shí)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(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比

通過理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)比對得到：理論結(jié)果和實(shí)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(jì)算比實(shí)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(jì)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(shí)測數(shù)據(jù)為任意點(diǎn)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(gè)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(jì)算出沖擊輪最大接觸應(yīng)力，根據(jù)擬靜力法計(jì)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(yàn)，將理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，得到理論計(jì)算和實(shí)測數(shù)據(jù)變化趨勢總體上一致。最終通過理論研究和實(shí)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。

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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(xiàng)目：重載鐵路黃土路基沖擊壓實(shí)機(jī)理與質(zhì)量控制研究(207-003)

中圖分類號(hào)：U416

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2016)06-0011-03