不同壓實工藝在道路填石路基中的應用效果分析

宋憲行

（中鐵十八局集團第一工程有限公司， 河北 涿州 072750）

1 引言

公路路基的壓實度是影響其穩定性的主要因素之一， 合理的路基壓實方案能顯著提高路基的壓實效果， 提高道路的穩定性。 近年來， 許多專家學者針對路基壓實方案開展研究。

蔡德鉤等人[1］建立有限元模型， 并結合現場試驗， 分析路基壓實過程中， 路基的振動響應狀態變化規律， 結果表明， 在路基的壓實過程中， 其加速度響應幅值呈橢圓狀向四周衰減的變化趨勢。 畢志剛等人[2］以某高速公路路基為研究對象， 采用有限元軟件， 對路基的振動壓實過程進行分析， 分析不同壓路機壓實效率的差異性， 結果表明， 增大振動輪質量可提高路基的壓實效率。 胡志文等人[3］基于沉降差和動態變形模量， 分析路基壓實的質量， 結果表明， 堆土預壓有利于提升路基的壓實質量。 曹麗萍等人[4］以某公路工程為研究對象， 結合數值模擬與現場試驗， 對其路基壓實的均勻性進行研究， 結果表明， 壓實計值與壓實度具有一定的相關關系。 李盛等人[5］以填石路基為研究對象， 分析不同壓路機參數對路基壓實效果的影響， 并得出最優壓實方案， 結果表明， 最優壓實方案的可行性良好， 可應用于實際工程中。

本研究以陽城路為研究對象， 分析不同壓實方案下， 路基的有效壓實深度、 路表沉降等參數的變化規律， 得出路基的最優壓實方案， 并將該方案應用于實際工程中， 以驗證其可行性。

2 工程概況

本研究以陽城路為研究對象， 陽城路 （開源大道-雪松大道） 北起開源大道南側的陽城路橋， 南至雪松大道， 工程修筑起點樁號為K1+010.725， 終 點 樁 號 為K2+998.530， 全 長 約1987.805m， 道路等級為城市次干路， 設計速度40km/h， 標準段道路紅線寬度40m， 雙向六車道標準。 本項目跨越規劃水系2 處， 全線設置中橋1 座。 該道路的路基、 路面壓實度如表1 所示。

表1 路基、 路面壓實度

3 填石路基振動壓實仿真模型的建立

本研究采用彈性、 彈塑性本構模型對路基的壓實過程進行模擬。 當采用壓路機對路基進行壓實時， 路基表面所受的荷載 （P） 如式 （1） 所示。

式中：G為振動輪重力， kN；F0為壓實過程產生的激振力， kN； ω 為振動圓頻率， rad/s；t為時間， s。

采用有限元軟件對填石路基振動壓實過程進行模擬， 該模型采用的相關模型參數如表2 所示。

表2 模型相關模型參數

為研究不同壓實方案下， 路基路面的變形及沉降變化規律， 分析壓路機振動頻率、 行駛速度等因素對沉降的影響， 模擬的工況參數如表3 所示。

表3 模擬工況參數

4 路基計算及優選壓實工藝確定

在路基壓實過程中， 不同壓路機的相關參數及其行駛速度等因素具有一定的差異性， 會影響路基的壓實效果及后續的路基沉降變形， 本節針對填石路基的路基壓實過程進行模擬計算， 分析上述因素對路表沉降的影響規律。 根據表3 所示的工況， 選取標準路面截面進行模擬計算， 得出不同工況下的路表沉降結果， 如表4 所示。

由表可知， 不同工況下的路基壓實情況具有一定的差異性， 其中， 工況14 的路表沉降有最大值， 經過8 次壓實后， 其值為16.140mm； 工況3 的路表沉降有最小值， 經過8 次壓實后， 其值為8.518mm， 說明壓路機的振動輪質量及其相關參數對路基的壓實情況有一定的影響； 工況9的有效壓實深度最大， 經過8 次壓實后， 其值為8.147m； 工況4、 工況8 和工況12 的有效壓實深度最小， 經過8 次壓實后， 其值均為5.418m， 說明在工況9 下， 壓路機對路基的壓實效果較好。隨著壓實次數的增大， 不同工況下的最大壓應力、 有效壓實深度及路表沉降均呈增大趨勢， 說明壓實過程的進行可顯著提升路基的壓實效果，其中， 壓實次數的增大對有效壓實深度的提升效果較為明顯。 在工況11 下， 其提升率最大， 其值為192.5%。 對比工況1 和工況5 可得， 當其他參數不變， 當激蕩力較大時， 路基的有效壓實深度較小， 路表沉降較大； 工況2 和工況6 的計算結果與工況1 和工況5 存在一定的差異性， 當激蕩力較大時， 得出的有效壓實深度和路表沉降較大， 出現該差異的原因主要在于其行駛速度，工況1 和工況5 的壓路機行駛速度為2km/h， 而工況2 和工況6 的壓路機行駛速度為4km/h， 說明當壓路機的行駛速度較大時， 增大激蕩力對路基壓實效果有提升， 而壓路機行駛速度較小時，增大激蕩力對路基的提升效果不明顯， 反而會減小其有效壓實深度。 當保持其他因素不變， 對比不同壓路機行駛速度下的計算結果可得， 當行駛速度較大時， 得出的有效壓實深度較小， 路表沉降較大， 說明當壓路機行駛速度較大時， 路基的壓實效果較差， 且路表易發生變形， 降低壓路機的行駛速度有利于提升路基的壓實效果。 對比工況1 和工況3 可得， 當振動頻率較大時， 計算得出的有效壓實深度較小， 路表沉降較大， 說明提高壓路機的振動頻率對路基的壓實效果有負面影響， 增大路表變形。 對比工況1 和工況9 可得，當振動輪質量較大時， 計算得出的有效壓實深度和路表沉降較大， 但是有效壓實深度的提升效果較不明顯， 說明提高壓路機的振動輪質量可提升路基的壓實效果， 但是其提升效果較不明顯。

為綜合分析不同工況下， 路基的壓實情況，以第8 次壓實后的路基為研究對象， 對其壓實效果進行評分， 以得出不同工況的壓實效果， 將最大壓應力、 有效壓實深度和路表沉降的得分相加， 得出不同工況的壓實效果得分。 其中， 當其數值最大時， 得一分， 根據數值排序依次遞減0.1 分， 最低分為1 分， 不同工況下的壓實效果得分如表5 所示。

表5 不同工況下的壓實效果得分

由表可知， 工況13 的得分最高， 工況4 的得分最低， 說明采用工況13 的路基壓實效果最優， 工況4 的路基壓實效果最差。 工況13 與工況14 的壓實效果得分差距僅為0.1， 其工況上的差異主要體現在其行駛速度， 說明行駛速度會影響路基的壓實效果， 但是其影響效果較小。 對比工況13 和工況5 可得， 二者之間的壓實效果得分差距為0.5， 其工況差距主要體現在振動輪質量， 說明提高振動輪的質量有利于提升路基的壓實效果， 且其對路基壓實效果的影響較大。 工況13 與工況15 的壓路機振動頻率不同， 其壓實效果得分差距為1.1， 說明增大壓路機的振動頻率不利于提高路基的壓實效果， 并且不同壓路機振動頻率導致的壓實效果得分差距最大， 說明改變壓路機的振動頻率時， 對路基的壓實效果影響最大。 綜合以上分析可得， 壓路機的相關參數與其行駛速度對路基的壓實效果有一定的影響， 且其影響程度具有一定的差異性， 其中， 壓路機的振動頻率對路基的壓實效果影響最大。 由于工況13與工況14 的壓實效果差距較小， 其工況的差異主要體現在壓路機的行駛速度， 在實際工程中，為提高工程的施工效率， 可采用工況14 為優選壓實工藝進行施工。

為分析該壓實方案在實際工程中的應用情況， 在陽城路選取兩段道路， 以工況14 為壓實方案， 開展路基壓實試驗， 對其壓實過程中的路段孔隙率進行監測， 孔隙率監測結果如表6 所示。

表6 孔隙率監測結果

由表可知， 各測點間的孔隙率差距較小， 說明采用該壓實方案的路基壓實效果較為均勻。 根據相關規范可得， 下路堤的孔隙率應小于25%，上路堤的孔隙率應小于23%， 采用工況14 得出的路段孔隙率均小于規范規定的限值， 說明采用該壓實方案的施工效果良好， 在實際工程中， 將工況14 作為壓實方案的可行性較高。

為了更直觀地反映路基的壓實情況， 選取3個測點， 采用22t 和26t 壓路機 （振動輪質量分別為11t、 13t） 對路基進行壓實， 采用PFWD 方法對路面的回彈模量進行監測， 以分析壓實方案的壓實效果， 其壓實次數-回彈模量曲線如圖1所示。 由圖可知， 隨著壓實次數的增大， 路基的回彈模量逐漸增大， 說明增大壓實次數可提升路基的壓實效果； 不同測點的回彈模量數值具有一致性， 說明采用該壓實方案的壓實效果較為均勻。 26t 壓路機壓實后的路基回彈模量顯著大于22t 壓路機， 說明提高振動輪的質量能顯著提升路基的壓實效果， 與前文數值模擬的結果一致。

圖1 壓實次數-回彈模量曲線

為分析壓實過程后， 路基的長期穩定性， 以采用26t 壓路機的道路為研究對象， 選取4 個測點， 對其沉降量進行監測， 其監測時間-沉降量曲線如圖2 所示。 由圖可知， 各測點的沉降量變化趨勢具有一致性， 隨著監測時間的增大， 各監測點的沉降量逐漸增大； 當監測時間較小時， 各測點之間的沉降差異較小， 隨著監測時間的增大， 各測點間的沉降量差距逐漸增大， 且其沉降均在規范規定的限值之內， 說明在實際工程中，采用該壓實方案的可行性較高。

圖2 監測時間-沉降量曲線

5 結論

本研究以陽城路為研究對象， 分析不同壓實方案下， 路基的有效壓實深度、 路表沉降等參數的變化規律， 得出路基的最優壓實方案， 并將該方案應用于實際工程中， 以驗證其可行性， 得出以下結論：

（1） 當壓路機的行駛速度較大時， 增大激蕩力對路基壓實效果有提升效果， 而壓路機行駛速度較小時， 增大激蕩力對路基的提升效果不明顯， 反而會減小其有效壓實深度。

（2） 壓路機的相關參數與其行駛速度對路基的壓實效果有一定的影響， 且其影響程度具有一定的差異性， 其中， 壓路機的振動頻率對路基的壓實效果影響最大。

（3） 采用工況14 得出的路段孔隙率均小于規范規定的限值， 說明采用該壓實方案的施工效果良好， 在實際工程中， 將工況14 作為壓實方案的可行性較高。

（4） 隨著壓實次數的增大， 路基的回彈模量逐漸增大， 說明增大壓實次數可提升路基的壓實效果； 26t 壓路機壓實后的路基回彈模量顯著大于22t 壓路機， 說明提高振動輪的質量能顯著提升路基的壓實效果。