李冠华　王　刚

(华南理工大学土木与交通学院，广东 广州　510000)



冲击式压路机压实效果的有限元分析

李冠华王刚

(华南理工大学土木与交通学院，广东 广州510000)

摘要：基于ABAQUS有限元模拟软件，用瞬态动力学的方法，对冲击压路机碾压路基的过程进行数值模拟分析，研究路基密实度和沉降在冲击压路机碾压作用下的变化情况，并与现场试验数据作了对比，指出数值模拟结果与现场试验较为吻合，具有较好的可靠性。

关键词：ABAQUS，冲击压实法，密实度，沉降

0引言

高速公路线长度可达几百甚至上千公里，跨越的区域广大，地质条件复杂，所以如何经济快速合理地进行路基压实处理，成为高速公路建设中一项重要课题。为了满足高速发展的工程建设需求，适应日益复杂的工程技术和日益严格的工程质量要求，很多不同的路基压实技术得到发展。其中，冲击压实法既拥有滚动压实法高效率、高机动性的特质，又吸取了夯击法影响深度大，压实效果好的优点，因而被广泛用于我国道路、机场、水坝等工程领域。但是，对于冲击压实法的研究远远落后于工程实践，这严重阻碍了冲击压实法的发展和推广。本文结合数值模拟和现场实验数据分析手段对冲击式压路机碾压土体压实效果进行有限元分析。

1冲击压实的有限元建模

本文的研究基于广东省某高速公路主线路基三工区K123+760～K123+860高填方路基冲击碾压试验段，在模拟分析过程中，对模型进行以下的设置：

1)模型建立的土体模型为均质各向同向弹塑性体，采用ABAQUS的Mohr-Coulomb塑性模型。

2)忽略实际土体中水的影响(包括地下水、孔隙水压力、含水量等)。

3)模拟分析中引入几何非线性大变形理论和接触理论，采用ABAQUS/Explicit进行求解分析，ABAQUS/Standard计算的地应力平衡的状态(应力、位移)通过Predefined Field的Initial State传递到Explicit，这种传递将多次使用，来实现多次碾压的土体的变化。

的土料进行去除。当已有路面出现凹凸不平情况时，施工人员可使用回填或开挖处理，进而大幅度提升路基平整度。完成填筑作业后，施工人员需依据相关规范以及标准要求进行下一阶段的压实作业。当基底土质松散程度相对较高时，施工人员应使用相关设备实施重度压实，填石路基高度保持在80 cm以下时，其基底压实度应大于95%。

3.2地基排水标准

一般来说，填石路基孔隙率增加时，其会导致水分通过路面结构内渗到地基内部，从而出现路基变形以及塌陷等问题。路基施工现场地下水活动也会使得路基结构受到一定程度的破坏，因此需要使用相应的拦截以及引排等措施实施预先处理，这样可以有效解决相关问题。路堤底层填筑作业过程中，施工人员应大量使用砂砾石、片石或块石材料，这样可在保证水分分散速度的基础上，大幅度降低地下水对路基的侵蚀程度。

3.3地基坡度设置要求

实际施工阶段，施工人员应对地基坡度进行测量，如路基施工的地基坡度没达到相关设计要求时，需采用合理措施进行解决。如地基坡度小于1∶5时，施工人员需适当清理地基表层，并重点清除腐殖土和草皮等。

4结语

通过本文对填石路基前期准备工作的详细阐述，以及填石路基施工技术具体应用流程和填石路基施工注意事项的合理化分析，不难看出，填石路基施工技术是保证公路施工以及使用质量的主要保障手段之一，填石路基施工技术的实际应用需要相关人员对各个工序施工质量进行有效监控，从而保障各个工序施工质量符合相关设计要求，这样才能促进填石路基施工技术的大范围推广。

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4)土体模型参数根据室内试验和实际工程的应用效果进行综合的调整和设置，计算中土体密度r=1 800 kg/m3，弹性模量E=247 MPa，泊松比0.33，粘聚力20 kPa，内摩擦角15°。参考实际工程设置压实轮的工作速度为3 m/s，最后建立的模型见图1。

2压实效果的分析和对比

2.1数值模拟沉降与实际沉降的分析与对比

图2是ABAQUS模拟下某一区域经过多次碾压之后形成的竖向位移云图。在不断的模拟试验中，发现在模拟过程中，每次轮迹带处在的位置对于模型最后的结果十分重要，如果轮迹分布不合理，很容易出现多次压实过程后，但是区域的沉降没有很大的变化，甚至出现沉降回弹的现象，这是由于在压实轮不断的运动中，冲击荷载产生的面波会使地基表面产生松动，并产生隆起现象。由于ABAQUS模拟的局限性，表面隆起的土体的模量并不会像实际工程过程中发生改变，此时表面隆起的土体会增加，而压实沉降的土体将减少，所以必须合理的布置压实轮的运动位置才能得到较好的压实结果。

利用ABAQUS进行多次模拟可以得出表1，表1所示的是软件模拟碾压20次的工况下，区域土体的累计沉降情况。

由表1可知，最后ABAQUS模拟实际试验段得出的累计总沉降为40 mm，与工程实际测得的33 mm相比相差21.2%。如图3所示为土体沉降与碾压次数的关系曲线，图3分别给出了单次计算值、单次实测值、累计计算值、累计实测值和碾压次数的关系，计算值和实测值相比有一定的误差，但是两者的趋势基本相同，随着碾压次数的增加，土体的单次平均沉降逐渐减少，累计平均沉降逐渐增加，但增加趋势减缓，并逐渐趋于定值。

由于模型存在一系列假设条件：1)本文中土体模型采用摩尔库仑塑性模型，与实际的土体性质存在差异；2)本文模型假定压实轮为刚体，与实际的压实轮有较大差异，这些假设条件的存在导致模拟的沉降与实际沉降值之间有一定的误差，但是由于本文研究的冲击式压路机碾压土体存在复杂的接触过程，所以以上误差的存在可以接受。所以应用ABAQUS软件，对冲击式压路机碾压土体过程的沉降模拟分析是可行的。

2.2数值模拟密实度与实际密实度的分析与对比

由于ABAQUS自带模型没有密实度的量值输出，所以必须通过换算进行密实度的求解与分析。

在冲击过程中，冲击压实轮与土体的作用时间短，土体呈现弹性为主塑性为辅的特征，可以假设土体只存在弹性变形，忽略土体的塑性变形，可以得到冲压前后土体应变与密度的关系式：

(1)

孔隙比变化与应变的关系：

e0-e=(1+e0)ε

(2)

可以通过ABAQUS输出的应变值间接求出密度和孔隙比的变化。图4是压实轮轮迹带内某点第一次碾压后的应变随深度变化的曲线。

从图4可以看出，压实轮应变最大的点发生在深度0.25 m处，随着深度的增加应变开始迅速衰减，在深度2 m处应变趋向0。

和上节模拟沉降的步骤一样，利用ABAQUS进行多次模拟可以得出表2，表2表示的是软件模拟碾压20次的工况下，区域土体的应变和密度情况。

从图5中可以看到，ABAQUS模拟下密度最大值并不是发生在土体面层，而是发生在土体深度0.1 m～0.2 m处，这是因为冲击表层的能量虽大，但是有一大部分的能量为横波和瑞利波，横波和瑞利波的协同运动则使得地基表层松动，而压缩波在土体密实的过程中起到主要的作用，所以作者推测土体密实度最大的位置应该为压实轮轮迹底部某一深度内，下面进行的现场实验也验证了这一观点。

根据试验段的土工试验数据，得到试验段路基冲压加固前后地基土密度和压实度的变化，具体数据见表3。

从图6可以看出，冲压后密实度最大的位置处于土体深度为

0.2 m～0.4 m处，这是因为压实轮冲击产生的横波导致了土体面层有部分的松动，这在一定程度上降低了土体面层的压实度，综合本文和以往的研究，作者认为冲击压路机在试验段施工过程中，深度为0.4 m的土体压实效果最好，在0.4 m～1 m之间压实度会产生小幅度的下降，压实度约为92，在1 m～1.5 m之间压实度约为90，在深度为2 m的压实度也有少量的提升，但是提升的幅度不大，说明压实轮在冲击压实的过程中压实深度可达到2 m。所以在运用冲击压实法进行压实路基时，尽量采取分层冲压的措施，由于土体的不同、压实机械的不同也会造成压实效果的不同，所以分层的厚度需要通过试验段进行更加详细的探讨，以满足设计上压实度的要求。

3结语

本文基于广东省某高速公路主线路基三工区K123+760～K123+860高填方路基冲击碾压试验段的相关试验数据，对比和分析了ABAQUS模型下和实际工程下的压实效果，由于模型存在一系列假设条件，导致模拟的沉降和密实度理论计算值与实际沉降值之间有一定的出入，但是模拟数值在工程误差范围之内。所以应用ABAQUS软件，对冲击压实土体的压实效果模拟分析是可行的。

综合本文的研究，深度为0.4 m的土体压实效果最好，在0.4 m～1 m之间压实度会产生小幅度程度的下降，压实度约为92，在1 m～1.5 m之间压实度约为90，在深度为2 m的压实度也有少量的提升，但是提升的幅度不大，说明压实轮在冲击压实的过程中压实深度可达到2 m。数值模拟计算下估算的密实度随深度变化曲线也反映了密实度最大的区域为压实轮轮迹底部某一深度内，具体深度的数值和压实机械的机械参数及土体的各性能参数有关。

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Finite element analysis of the effect of impact compaction

Li GuanhuaWang Gang

(SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510000,China)

Abstract: Based on finite element simulation software ABAQUS, the process of impact roller compacting subgrade was simulated and analyzed by using the method of transient dynamics. The compactness and settlement variation of subgrade under the compaction of impact roller was studied. Compared with field test data, point out the numerical simulation results are in good agreement with the field test results, this shows the numerical results have a good reliability.

Key words: ABAQUS, impact compaction method, compactness, settlement

The application of rock fill embankment construction technology in highway construction

Shen Wei

(HenanFirstWaterConservancyEngineeringBureau,Zhengzhou450000,China)

Key words:road, rock fill embankment, load, drainage

Abstract:This paper analyzed the preparatory work of rock fill embankment construction in highway engineering, elaborated the technological process of rock fill embankment, and from the load, drainage, slope design and other aspects, summarized the matters needing attention of rock fill embankment construction, so as to effectively promote the widely used of rock fill embankment construction technology.

文章编号：1009-6825(2016)14-0133-03

收稿日期：2016-03-04

作者简介：李冠华(1990- )，男，在读硕士；王刚(1989- )，男，在读硕士

中图分类号：U416.2

文献标识码：A