填石路基快速施工工藝與壓實質(zhì)量控制

韓沛　李小勇　李夢嬌

摘要：為分析采用快速施工工藝碾壓的填石路基的壓實質(zhì)量，采用有限元軟件ABAQUS建立長方體三維土基模型，模擬分析由36、22 t壓路機在500、700 kN 2種激振力下壓實填石路基的力學響應；在現(xiàn)場試驗路段，采用36 t壓路機碾壓松鋪厚度為75、85 cm的填石路基，26 t壓路機碾壓松鋪厚度為40 cm的填石路基，采用土壓力傳感器測試土壓力，選用孔隙率和沉降差控制路基的壓實質(zhì)量。結(jié)果表明：2種激振力下36 t壓路機碾壓路基后的應力分別為22 t壓路機的1.9倍、1.5倍；土壓力主要由壓路機振動產(chǎn)生，土壓力隨距路表深度的增大而減小，土壓力降幅隨距地表深度的增大而減小，現(xiàn)場試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致；壓路機碾壓6遍后，2種松鋪厚度路基的孔隙率均小于22%，建議沉降差的控制指標為3.0 mm；采用36 t壓路機碾壓松鋪厚度為85 cm路基的最優(yōu)工作效率較26 t壓路機提高60%，工程成本降低36%。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；填石路基；快速施工；土壓力；孔隙率；沉降差

中圖分類號：U416.1+1文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）01-0029-08

引用格式：韓沛，李小勇，李夢嬌.填石路基快速施工工藝與壓實質(zhì)量控制［J］.山東交通學院學報，2024，32（1）：29-36.

HAN Pei， LI Xiaoyong， LI Mengjiao. Rapid construction technology and compaction quality control of rock-filled roadbed［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（1）：29-36.

0 引言

我國的公路建設發(fā)展迅猛，交通網(wǎng)絡不斷擴大，山區(qū)高等級公路建設工程越來越多[1-3]。山區(qū)公路建設過程中一般需深挖路基，若直接丟棄爆破產(chǎn)生的大量石料既浪費資源，又破壞當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境 [4-6]。在滿足粒徑和抗壓強度等要求后將廢棄石料作為填石路基的原材料，可提高路基的抗壓強度和穩(wěn)定性，實現(xiàn)就地取材，降低工程成本[7-9]。

國內(nèi)工程施工常采用22 t壓路機碾壓路基，壓路機噸位小且激振力偏低，需分層施工才能保證壓實質(zhì)量，施工路基的松鋪厚度一般不超過30 cm[10-13]。因天氣、環(huán)保等原因中斷路基施工時，施工周期拖長，工程費用增大。采用大噸位壓路機進行超厚層路基快速施工可很好地解決上述問題[14-16]。Kim等[17]發(fā)現(xiàn)大噸位振動壓路機在超厚層施工中碾壓效果較好，壓實質(zhì)量較高；Ghanbari等[18]研究表明距路基深2 m內(nèi)振動沖擊碾壓的壓實效果較好，深4 m處具有一定的壓實效果；Xu[19]在總結(jié)國內(nèi)外路基碾壓與檢測研究成果的基礎上，通過試驗驗證振動沖擊碾壓在路基施工中的壓實效果。近年來，大噸位壓路機超厚層路基碾壓施工已應用到國內(nèi)部分高速公路建設中，但應用效果不理想，存在大噸位壓路機壓實過程難以控制、厚度與噸位匹配性不明確、應力衰減和持續(xù)加載作用下各層壓實質(zhì)量的差異性等問題。

本文通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗研究填石路基的施工工藝及壓實質(zhì)量控制，采用有限元軟件ABAQUS建立路基模型，模擬填石路基在36、22 t 2種壓路機振動壓實下的力學響應；采用36、22 t壓路機進行現(xiàn)場試驗，通過灌水法和沉降差檢測控制路基的壓實質(zhì)量，以期為高速公路填石路基超厚層快速施工提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 有限元模型

壓路機的激振器旋轉(zhuǎn)后中心偏離轉(zhuǎn)動中心產(chǎn)生振動，在此振動荷載往復作用下，填料由開始的靜止狀態(tài)變?yōu)檫\動狀態(tài)，顆粒間相互移動重新排列。在填料運動過程中，大顆粒間相互接觸形成骨架，起主要支撐作用，小顆粒或細顆粒重新排列，填補骨架孔隙，水分包裹填料顆粒起潤滑作用，填料顆粒間摩擦力減小，顆粒間的運動阻礙減少。填料間的互相運動使路基更緊致密實，壓實度和承載能力明顯提高。

將填石路基的壓實過程視為平面應變問題。土基上的填石路基厚度有限[13]，假定土基在水平方向和豎直向下方向為無限大。采用ABAQUS建立10 m×10 m×10 m的正方體三維數(shù)值模型[20]，下層為厚5 m的土基，上層為厚5 m的填石路基。結(jié)構(gòu)各界面受相應約束，底部受完全約束，上表面為自由表面，無約束，結(jié)構(gòu)各側(cè)面受水平約束。

由中大YZ362和徐工XS223J 壓路機提供路基碾壓荷載，壓路機的參數(shù)如表1所示。壓路機的振動輪長2.3 m，沿前進方向的接地寬度為0.2 m，填石路基采用彈塑性本構(gòu)模型，參考地質(zhì)勘察報告和填石路基工程中類似的巖石物理力學性質(zhì)指標建議，綜合選取填料的力學參數(shù)如表2所示[13]。振動輪的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.30。

壓路機的荷載表現(xiàn)為正弦荷載形式，包括工作輪荷載和壓路機通過激振器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激振力， 測試不同工況下長方體三維數(shù)值模型所受壓力：YZ362壓路機振動輪的質(zhì)量為24 t，選擇700 kN（振動頻率為24 Hz）和500 kN（振動頻率為21 Hz）2種常用激振力計算壓力荷載，分別記作模擬1、2；XS223J 壓路機振動輪的質(zhì)量為11 t，選擇激振力為374 kN（振動頻率為28 Hz）計算壓力荷載，記作模擬3。振動輪作用在路基表面的總荷載

F=mg+F0sin ωt，

式中：m為振動輪的質(zhì)量；g為重力加速度；F0為壓路機的激振力；ω為振動圓頻率，ω=2πf，其中f為振動頻率；t為時間。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)1.1節(jié)參數(shù)進行有限元分析，模擬填石路基在36、22 t壓路機在激振力為700、500 kN振動壓實下的應力，如圖1所示。

由圖1可知：填石路基表面的豎向應力隨距路表深度的增大而減?。宦坊韺痈浇鼞p小較快，應力降幅隨深度的增大而減小；壓路機荷載的影響深度約為2.00 m，距路表不超過0.75 m路基的應力最大，距路表不超過1.00 m路基的應力相對較大，距路表1.00～2.00 m路基的應力相對較小。采用36 t壓路機，激振力為700 kN時路基的最大應力為975.3 kPa，激振力為500 kN時路基的最大應力為777.2 kPa；采用22 t壓路機，激振力為374 kN時路基的最大應力為522.2 kPa；36 t壓路機激振力為700、 500 kN時路基的應力分別為22 t壓路機的1.9倍、1.5倍。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 原材料檢測

依托濰青高速進行現(xiàn)場試驗，路線全長47.077 km，雙向6車道，設計最高速度為120 km/h?，F(xiàn)場隨機選取填料進行巖石飽和抗壓強度試驗、最大干密度試驗和室內(nèi)篩分試驗。巖石飽和抗壓強度為10.3 MPa，為軟質(zhì)巖石，填料最大干密度為2.558 g/cm 巖石破碎后的最大粒徑小于150 mm，滿足文獻[21]的技術(shù)要求。巖石顆粒的級配曲線如圖2所示。

2.2 現(xiàn)場試驗方案

為研究填石路基超厚層快速施工的壓實質(zhì)量，采用36 t壓路機碾壓松鋪厚度分別為75 cm（TS-75）和85 cm（TS-85）的路基，采用22 t壓路機碾壓松鋪厚度為40 cm（TS-40）的路基作為對照，施工工藝參數(shù)如表3所示。

分析大噸位壓路機碾壓過程中路基不同深度的應力分布。沿路基深度方向埋設土壓力傳感器，檢測土壓力。填石路基石料易造成土壓力傳感器破損，影響檢測數(shù)據(jù)，埋設土壓力傳感器時，用標準砂作為介質(zhì)覆蓋土壓力傳感器后再填筑填料，TS-1、TS-2、TS-3、TS-4為測點，如圖3所示。在路基不同深度沿道路縱向每隔0.5 m布置土壓力傳感器，如圖4所示。

壓實質(zhì)量的控制指標為孔隙率和沉降差。檢測壓實質(zhì)量時，采用水準儀測試路基壓實前后標高，計算累計沉降和沉降差，通過灌水法測試路基壓實后的干密度并計算孔隙率。設計要求沉降差為5 mm，孔隙率需滿足填石路基壓實質(zhì)量標準[21]，如表4所示。

試驗路段為極重荷載等級軟質(zhì)巖石下路堤施工路段，要求孔隙率不大于22%。巖石填料的孔隙率

η=1－ρd/ρd，max×100%，

式中：ρd為現(xiàn)場干密度，ρd，max為最大干密度。

采用灌水法檢測現(xiàn)場干密度，選擇水平地面清理表層浮土和雜物等，根據(jù)巖石顆粒級配曲線最大粒徑及填筑厚度，選擇開挖直徑800 mm的試坑，整平試坑坑壁和坑底，稱取濕土質(zhì)量后灌水測定試坑體積。測定濕土的含水率，根據(jù)文獻[22]檢測細粒土和石料（以粒徑60 mm為界劃分細粒土與石料）的含水率。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 土壓力

在TS-85試驗路段，采用YZ362壓路機在頻率為24 Hz、激振力為700 kN作用下碾壓路基，以距路基底面60 cm處土壓力傳感器的實測數(shù)據(jù)為例，壓路機帶來的土壓力變化如圖5所示。圖5a）中的左、右2個峰值分別對應振動輪、非振動輪的最大土壓力，最大土壓力分別為0.46、0.07 MPa；圖5b）頻譜分析中峰值對應的振動頻率為24 Hz。由圖5可知：主要由壓路機振動產(chǎn)生土壓力，土壓力非源自壓路機質(zhì)量。

距路基底面不同深度的最大土壓力隨碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律如圖6所示。以距底60 cm處的土壓力為例，由圖6a）可知：碾壓第1遍未開啟振動，碾壓時的土壓力為0.263 MPa，采用激振力為700 kN（振動頻率為24 Hz）碾壓時，距路基底面60 cm處路基的土壓力為0.716 MPa，第1章數(shù)值模擬結(jié)果中激振力為700 kN時，距路表15 cm內(nèi)的最大土壓力為0.732 MPa，實測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。激振力為700 kN（振動頻率為24 Hz）時繼續(xù)碾壓，實測土壓力由0.716 MPa增至0.771 MPa，原因是第1遍碾壓后下層路基填料逐漸密實，為上層路基填料提供持力層，上層土壓力增大。根據(jù)表3施工工藝，碾壓第4、5遍時激振力為500 kN（振動頻率為21 Hz），土壓力分別為0.531 、0.556 MPa，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。路表附近的土壓力最大，土壓力隨路基深度的增大而減小。路表附近土壓力的降幅較大，土壓力降幅隨路基深度的增大而減小，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。松鋪厚度為75 、85 cm路基的土壓力結(jié)果變化規(guī)律相同。

3.2 孔隙率

檢測路基的孔隙率時，每碾壓1遍測試1次，水平方向每隔50 m取1點，共檢測3點，取此3點的平均孔隙率，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：路基的孔隙率隨松鋪厚度的增大而增大，常規(guī)壓路機碾壓松鋪厚度為40 cm的路基時，碾壓6遍后路基的孔隙率由30.4%降至21.4%，降幅為29.6%；碾壓松鋪厚度為75 cm的路基時，碾壓1遍后路基的孔隙率為30.168%，碾壓5遍后為21.992%，小于22.0%，第6遍靜壓收尾后路基的孔隙率降至20.4%，與第1遍相比孔隙率降幅為32.3%；碾壓松鋪厚度為85 cm的路基時，碾壓1遍后路基的孔隙率為32.3%，碾壓6遍后路基的孔隙率為22.0%，滿足規(guī)范要求[21]，可認為該施工工藝的最優(yōu)松鋪厚度為85 cm。3種松鋪厚度的路基分別碾壓6遍后，路基的孔隙率均不超過22.0%。

3.3 沉降差與累計沉降

按圖4所示的高程測點，采用水準儀檢測不同松鋪厚度（h1～h3）路基的沉降差和累計沉降，碾壓工藝如表3所示，每碾壓1遍測試1次，檢測結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表3施工工藝方案，由表5可知：在碾壓過程中，3種松鋪厚度路基的累計沉降均保持一定幅度的增長。碾壓松鋪厚度為75、85 cm的路基6遍后，路基的累計沉降分別由26.72、30.49 mm增至114.28、116.51 mm，碾壓前2遍路基的累積沉降增幅較大，在第4、5遍激振力變?yōu)?00 kN后路基的累計沉降增幅有所下降，與孔隙率的變化結(jié)果一致，2種路基松鋪厚度的松鋪系數(shù)分別為1.18、1.16。碾壓松鋪厚度為40 cm的路基6遍后，路基的累計沉降為42.93 mm，松鋪系數(shù)為1.12。碾壓過程中，沉降差持續(xù)減小，

碾壓6遍結(jié)束后，松鋪厚度為40 cm的路基沉降差最大，松鋪厚度分別為85 、75 cm的路基沉降差次之。大噸位壓路機的碾壓效果優(yōu)于常規(guī)壓路機，碾壓松鋪厚度分別為40、75、85 cm的路基6遍后，沉降差分別為3.2、2.3、2.9 mm，均滿足沉降差小于5.0 mm的設計要求。

碾壓松鋪厚度為85 cm的路基時，碾壓第5遍路基的沉降差小于5 mm，但碾壓第5遍后路基的孔隙率為23.7%，未達到規(guī)范要求，至碾壓第6遍后路基的孔隙率小于22.0%。因此，沉降差5.0 mm并非該路基填料適合的標準沉降差。將沉降差與孔隙率進行相關(guān)分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：沉降差與孔隙率的相關(guān)性較好，松鋪厚度為75、85 cm路基的相關(guān)系數(shù)分別為0.912、0.924?？紫堵蕿?2%時，計算得對應的沉降差分別為2.991、2.975 mm，建議填石路基的標準沉降差為3.0 mm。

3.4 經(jīng)濟效益分析

分析2種壓路機碾壓3種松鋪厚度路基的經(jīng)濟效益。

碾壓6遍結(jié)束后，采用26 t壓路機碾壓松鋪厚度為40 cm的路基，36 t壓路機碾壓松鋪厚度為75、85 cm的路基，最終路基沉降分別為42.93、114.28、116.51 mm，壓實后路基的最終厚度為35.71、63.57、73.35 cm。試驗路段長200 m，寬50 m，2種壓路機平整壓實路基的成本如表6所示，經(jīng)濟效果對比如表7所示。

由表7可知：36 t壓路機碾壓松鋪厚度為75、85 cm路基的工作效率和方均成本均優(yōu)于26 t壓路機，松鋪厚度為85 cm的路基施工的最優(yōu)工作效率為815 m3/d，成本為2.04元/m 比26 t壓路機的最優(yōu)工作效率提高60%，成本降低36%；松鋪厚度為75 cm的路基施工的最優(yōu)工作效率為706 m3/d，成本為2.36元/ m 工作效率較常規(guī)施工提高38%，成本降低26%。采用36 t壓路機超厚層施工可提高施工效率，降低施工成本。

4 結(jié)論

從數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗2方面研究填石路基大噸位壓路機超厚層施工的壓實質(zhì)量控制，模擬分析36 t壓路機在2種常用激振力下，22 t壓路機在1種激振力下碾壓施工后路基的應力；在試驗路段埋設土壓力傳感器，測試36 t壓路機碾壓松鋪厚度為75、85 cm的路基的土壓力，與22 t壓路機碾壓松鋪厚度為40 cm的路基的土壓力對比。

1）36 t壓路機在2種激振力下碾壓施工后，路基的應力分別為22 t壓路機碾壓施工后的1.9倍、1.5倍；在距路表0.75 m內(nèi)路基的應力最大，0.75～1.00 m內(nèi)路基的應力較大，1.00～2.00 m內(nèi)路基的應力較小。

2）主要由壓路機振動產(chǎn)生土壓力，而非源自壓路機自身質(zhì)量。36 t壓路機在激振力為700 、500 kN下，距路基松鋪厚度的底部60 cm處的土壓力為0.716～0.771、0.531～0.556 MPa，與數(shù)值模擬結(jié)果相近，路表附近沿深度方向土壓力的降幅較大，土壓力的降幅隨路基深度的增大而減小，現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

3）采用36 t壓路機碾壓施工松鋪厚度為75、85 cm的路基，碾壓6遍后路基的孔隙率均小于22%，累計沉降和沉降差均優(yōu)于常規(guī)施工，表明采用大噸位壓路機對路基進行快速施工的壓實效果較好，適用于路基超厚層施工?？紫堵逝c沉降差的相關(guān)性較高，建議填石路基的控制指標改為沉降差為3.0 mm。

4）采用36 t壓路機碾壓施工2種松鋪厚度路基的工作效率和成本均優(yōu)于26 t壓路機，碾壓松鋪厚度為85 cm路基的工作效率和經(jīng)濟性最優(yōu)，工作效率為815 m3/d，成本為2.04元/m 比26 t壓路機的最優(yōu)工作效率提高60%，成本降低36%。

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Rapid construction technology and compaction quality control of

rock-filled roadbed

HAN PeiLI Xiaoyong1*， LI Mengjiao2

Abstract：To analyze the compaction quality of stone-filled roadbeds using a rapid construction process， athree-dimensional soil foundation model of a rectangular prism is established using the finite element software ABAQUS. The mechanical response of stone-filled roadbeds compacted with 36-ton and 22-ton rollers under two different vibratory forces of 500 kN and 700 kN is simulated and analyzed. In the field test section， 36-ton roller compactor are used to compact stone-filled roadbeds with loose thicknesses of 75 cm and 85 cm， while a 26-ton roller is used to compact a stone-filled roadbed with a loose thickness of 40 cm. Soil pressure is measured using soil pressure sensors， and compaction quality is controlled based on pore ratio and settlement difference. The results show that the stresses in the compacted roadbeds using 36-ton roller are 1.9 times and 1.5 times higher than those using 22-ton roller under the two different vibratory forces. Soil pressure is mainly generated by the vibration of the roller compactors， which decreases with increasing depth from the road surface. The decrease in soil pressure with depth becomes smaller as the depth from the ground surface increases. The field test results matches the numerical simulation results. After six passes of compaction by the roller compactor， the pore ratio of the roadbeds with both loose thicknesses is less than 22%. The recommended control index for settlement difference is 3.0 mm. The optimal working efficiency of compacting the roadbed with a loose thickness of 85 cm using a 36-ton roller is 60% higher than that of a 26-ton roller， leading to a 36% reduction in construction cost.

Keywords： numerical simulation; rock-filled roadbed; rapid construction; soil pressure; porosity; settlement difference

（責任編輯：王惠）

收稿日期：2023-02-23

基金項目：交通運輸行業(yè)重點科技項目（2020-MS1-044）

第一作者簡介：韓沛（1991—），男，山東濟寧人，工程師，主要研究方向為高速公路結(jié)構(gòu)與材料、高性能公路結(jié)構(gòu)與材料性能的檢測與研發(fā)，E-mail：761402142@qq.com。

*通信作者簡介：李小勇（1993—），男，山東濟寧人，工程師，工程碩士，主要研究方向為高速公路結(jié)構(gòu)與材料，E-mail：1048303054@qq.com。