（岩土工程专业论文）冲击碾压荷载对旧水泥路面下路基的动力响应试验研究.pdf

摘要 近年来，采用冲击压路机冲击压实旧水泥混凝土路面，进行水泥混凝土路面 快速修复的技术，以其良好的实用性和明显的经济效益，引起了公路养护部门的 重视，在旧水泥混凝土路面改建工程中，呈现出广阔的应用前景。但目前，冲击 碾压技术的研究在国内尚处于起步阶段，综合理论研究、现场试验、数学模型对 冲击碾压荷载的研究很少，一些重要指标缺乏相应的标准和足够的理论依据，因 此存在较大的盲目性和随意性。 本文结合3 1 6 国道福建福州段旧水泥混凝土路面改建工程实践，对冲击碾压 技术及其在旧路改建中对路基的动力作用进行了系统研究。首先，在汲取国内外 冲击碾压技术理论研究和工程实践的基础上，对冲击碾压荷载加固原理、能量传 递机理、影响深度等进行了分析研究；然后通过现场测试试验和大量的数据分析 处理，分析了冲击碾压次数、施工速度等因素对路基动应力的影响，讨论了路基 土中动力分布特性和规律。同时，为了检验冲击碾压荷载在旧路路基补充压实的 效果，特选取了一段经冲击碾压处理后加铺水泥路面的路段进行现场试验，对交 通荷载作用下的动力响应情况进行了采集和分析，得到了冲击碾压荷载的处理效 果的评价。最后，在土体弹、塑特性及流变特性分析的基础上，结合冲击碾压破 碎改建工程中振动现场监测结果和土动力本构模型的分析，建立了冲击碾压荷载 与路基作用的动力学模型和运动学方程，为冲击破碎旧水泥混凝土路面技术的应 用提供了参考。 关键词：冲击碾压；旧路改建；路基；现场试验；动应力；流变；动力学模型； 运动学方程； a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，i m p a c tr o l l i n gt e c h n o l o g ys t a r t st ou s ei nr e c o n s t r u c t i o no fo l d c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，b yi t sg o o du s a b i l i t ya n dt h eo b v i o u se c o n o m i ce f f i c i e n c y ， t h i st e c h n o l o g yh a sa t t r a c t e dt h eh i g h w a ym a i n t e n a n c ed e p a r t m e n t sa t t e n t i o na n d s h o w naw i d ep r o s p e c ti ni t sa p p l i c a t i o n b u ti nd o m e s t i c ，t h es t u d yo ni m p a c tr o l l i n g t e c h n o l o g yi ss t i l la tt h es t a r t i n gs t a g e ，t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sm e t h o db a s e do n t h e o r e t i c a l ，e x p e r i m e n t a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e la n a l y s i si ss e l d o md i s c u s s e d s o m e i m p o r t a n ti n d e xa r e s t i l ll a c ko fc o r r e s p o n d i n gs t a n d a r d sa n dt h e o r e t i c a lb a s i s t h e r e f o r et h ec u r r e n tr e s e a r c hs h o w sb l i n d n e s sa n dc a s u a l n e s s i nc o m b i n a t i o nw i t ht h ei m p a c tr o l l i n gt e c h n o l o g yu s e di nr e h a b i l i t a t i o no fo l d c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n to nn a t i o n a lr o u t e316f u z h o us e c t i o n ，t h ei m p a c tr o l l i n g t e c h n o l o g y s a c t i o nm e c h a n i s ma n d d y n a m i c r e s p o n s e o fe m b a n k m e n ti s s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e di nt h ep a p e r f i r s t l y ，b a s e do nc o m p r e h e n d i n gt h er e c e n ts t u d y o fi m p a c t r o l l i n gt e c h n o l o g y a n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c ea th o m ea n da b r o a d ， r e i n f o r c e m e n tp r i n c i p l e ，e n e r g yt r a n s f e rm e c h a n i s m ，i n f l u e n c ed e p t ho fi m p a c t r o l l i n g a r ea n a l y z e d t h r o u g hf i e l dt e s ta n dp l e n t yo fd a t a a n a l y s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n d d i s t r i b u t i o nr u l e so fd y n a m i cs t r e s sw e r ec o n c l u d e df r o md i f f e r e n tt i m e sa n dd c o n s t r u c t i o ns p e e de t c m e a n w h i l e ，i no r d e rt ot e s tt h ei m p a c tr o l l i n ge f f e c t s o m e s e c t i o nt h a tw a sr e i n f o r c e db yi m p a c tr o l l i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nc h o s e nf o rd y n a m i c r e s p o n s et e s tw h i l ei t su n d e rt r a f f i cl o a d s b yt h ed y n a m i cd a t ac o l l e c t i o na n ds i g n a l a n a l y s i s ，t h ea s s e s s m e n to fi m p a c tr o l l i n ge f f e c tw a so b t a i n e d f i n a l l y ，o nt h eb a s i so f e l a s t i c i t y ，p l a s t i c i t ya n dr e h o l o g yp e r f o r m a n c e ，c o m b i n i n gt h ef i e l dt e s tr e s u l t sw i t ht h e s t u d yo ft h es o i ld y n a m i cc o n s t i t u t i v em o d e l ，ad y n a m i cs t r e s sw o r k i n gm o d e la n di t s k i n e m a t i c se q u a t i o no fi m p a c tr o l l i n gl o a da n de m b a n k m e n tw a se s t a b l i s h e d ，w h i c h w i l lp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no fi m p a c tr o l l i n gt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：i m p a c tr o l l i n gt e c h n o l o g y ；r e c o n s t r u c t i o no fo l d p a v e m e n t ； e m b a n k m e n t ；f i e l dt e s t ；d y n a m i cs t r e s s ；r e h o l o g yp e r f o r m a n c e ； d y n a m i cs t r e s sw o r k i n gm o d e l ；k i n e m a t i c se q u a t i o n i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：必八 日期：纠脾厂月，v 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：务犬 导师签名：互积秒 日期：乃卯矿年厂月 f7 日 日期：年月日 第一章绪论 1 1 冲击碾压技术概论 冲击碾压技术采用冲击压路机对碾压面的压实，主要作用是提高被压对象的 密实度与破碎度，冲压效果与土质状况、冲击压路机的型号、行驶速度有关。冲 击碾压技术于2 0 世纪8 0 年代在国外开始投入生产使用，首先应用于土石压实。 我国于1 9 9 5 年由南非引进，南非蓝派公司1 9 9 5 年完成香港新机场的场道建设后， 于1 9 9 6 年将冲击压路机引入内地，先后在云南、黑龙江、河北唐山等地进行过试 验与演示性质的冲击碾压。1 9 9 8 年3 月，八达岭高速公路( 二期) 工程中有一段3 4 m 的高路堤填筑工程，每层填筑厚度约为0 8 m - 1 o m ，采用2 5 k j 的三边形冲击压路 机碾压2 0 遍，经检测压实度平均达9 5 以上。该工程仅用5 0 多天的时间便完成 了压实任务，为八达岭高速公路于当年1 0 月通车起了关键的作用。此后，八达岭 高速公路遂全线采用2 5 k j 三边形双轮冲击压路机对振动碾压达标的路床进行了增 强补压，冲压2 0 遍后，平均下沉量超过5 a m 。1 9 9 8 年5 月，河北宣( 化) 大( 同) 高 速公路应用冲击碾压技术处理湿陷性黄土地基，通车后的情况表明，其处理是成 功的。这两个工程均由交通部公路科学研究所对其碾压效果进行了详细的跟踪检 测研究，明确了冲击压路机在不同土质条件下的碾压效果，为其合理使用奠定了 基础，并在相关期刊上发表论文对冲击碾压技术进行了宣传。1 9 9 8 年7 月，湖南 的湘末路、福建的福泉路、陕西的铜黄路等相继采用冲击压路机进行路床补压。 2 0 0 0 年以后开始应用于旧路改建，此后，冲击压路机的压实效果逐渐得到了公路 界的认同，冲击碾压的应用领域也不断扩大。目前我国的冲击压路机数量已达数 百台，广泛应用于公路行业的多个领域： 高路堤、路床、填挖交界路基的冲击增强补压； 湿陷性黄土等软弱地基、路堑的冲击碾压处理； 路堤等的分层填筑冲压； 旧砂石路、旧沥青路的冲击碾压与加宽部分的增强补压等。 冲击碾压技术的特点如下乜3 1 ： ( 1 ) 低频高振幅 冲击压路机动力特征与传统振动式压路机的高频低振幅相反，属于低频高振 幅( 约每秒2 击，落距约l o - - - , 2 0 c m ) 。冲击能量可达1 5 - - 一3 0 k j ，冲击荷载达2 5 0 0 - - 3 5 0 0 k n 。 压实轮以每秒两次左右的频率冲击地面产生低频大振幅冲击波向地下深层传 播，具有地震波的传播特性。该机将冲击碾压能量、压实轮转动惯性所具有的能 量以及压实轮水平运动所具有的动能得以有机结合，对地面产生动能与势能的联 合冲击作用，起到强夯与振击的双重作用效果。 ( 2 ) 冲击能量大，影响深度深 以2 5 k j 三边形双轮冲击压路机为例，其双轮静重1 2 t ，行驶最佳速度为 1 2 k m h ，对地面产生集中冲击力2 0 0 - - - 2 5 0 t ，相当于“1 1 1 5 4 3 k p a ，产生强烈的 冲击波，向下具有地震波传播特性。据国家海洋局第二海洋研究所在杭金衢高速 公路的宕渣、砂砾路基上经2 5 k j 三边形双轮冲击压路机以1 2 k m h 速度冲碾3 0 遍 后，实测深度0 8 、1 5 、2 0 、2 5 m 的平均垂直动土压力分别为：1 3 6 6 、3 0 6 、2 7 2 、 1 3 8 k p a 。产生的冲击功能达到超重型击实功，可使地下深层土体的密实度不断累 积增加，达到重型标准9 0 以上压实度。有些土石材料性状有效压实厚度达1 0 1 5 m ，比现有振动压实机械有更好的压实功效，使被冲压的土石填料更接近于弹 性状态，显示出克服土石路基隐患的技术优势，冲击碾压路基的原理示意如图1 1 。 森一 ( a ) 横向( b ) 竖向 图1 1 冲击碾压对路基影响的示意图【4 】 ( 3 ) 冲击压实路基效果好，施工速度快( 如图1 2 ) 提高了路基压实度。各种类型路基，经过冲击碾压足够遍数，在不同深度 范围内，压实度均有不同程度的提高。碾压后，压实度可达9 6 以上。 增强了路基土的水稳性。经碾压后，土工实验表明，在影响深度内湿陷性 样品检出率大幅度降低，饱和前后压缩性指标变幅减小。 提高了路基整体强度。根据土工试验结果，大部分碾压路段路基回弹模量 增大，弯沉值减小，说明冲击碾压后路基土强度及承载能力提高，弯沉变形得到 改善。 减小了路基土工后沉降变形。观察碾压前后压缩模量的变化。在影响深度 范围内，压缩模量增大，压缩性降低。同时，碾压过程中压沉量随碾压遍数增加 而增加。冲击碾压后孔隙体积与最大干容重计算的孔隙体积之差明显减小，路基 工后沉降变形得到改善。 2 查明了路基土局部软弱区。冲击碾压技术对路基土在压实作用的同时，也 具有查明原有路基饱水软弱带分布位置的检验作用，在施工过程中可随时发现， 从而进行挖换填土压实，及时处理，保证了路基压实质量及整体均匀性。 公路升级改建需要加宽修建新路基，使用冲击碾压技术能较好地解决新老 路结合引起的变形裂缝问题。在加宽路基与坡脚外1 o m 地基范围内，进行冲击碾 压加固处理，如属于特殊土地基，则可采用相关技术措施与冲击碾压结合进行加 固处理。当新加宽路基分层压实到路床后，对新老路结合部与新路床进行了冲击 碾压检验性补压，再视完成路基的具体状况，必要时在结合部路床内加铺土工格 栅，这样处理后能较好地避免产生因新老路结合所引发的沉降变形裂缝。 。1 r o 鬣黉塑霉器蒸 蒸 i 冀。辩糍蠢翻囊艇露麓 善嚣满鬣一 ( 4 ) 修复大面积破损的水泥混凝土路面时，修复质量高、施工速度快，而且 工程成本低、影响交通时间短，环境污染少，经济效益明显。 当公路升级需要改建旧路时，必须提高路基质量，满足新路等级的压实标准， 通常的做法是丌挖路面与路床、路堤，重新回填分层压实，以达到规定的压实度， 对沥青或水泥路面需要破碎，翻挖与清除。采用冲击碾压技术则不必开挖路面与 路基，可以直接在原路面上用冲击压路机进行冲碾施工，使路基达到质量要求， 旧路面能得到利用。应用这种新工艺能节约筑路材料，有利于环境保护，保证工 程质量，加快改建公路进度。广东、河南、浙江、福建、安徽等地用五边形、四 边形冲击压路机进行水泥混凝土路面改建的冲击碾压试验与施工实践表明，技术 效果良好。 1 2 冲击碾压技术的发展 冲击压实技术在我国古代己初具雏形，人们适用夯石的冲击力来密实堤坝和 房屋的地基等，但把这一原理应用于大面积的连续压实作业却经历了很长的一段 时间。最初关于非圆形冲击碾的设想诞生于上一世纪三十年代。1 9 5 0 年制造出了 第一台样机一冲击滚。冲击滚为五面体，宽2 米，长4 米，高1 5 米，总重量1 2 t 。 第二台冲击滚为四面体。两种样机经使用发现存在有许多问题，诸如平稳牵引、 自由下落等。后经南非国家运输和道路研究所( n i t r r ) 长时间的研究，才发展成 为比较成熟的技术，其工作原理见图1 3 ，并报专利：z a 7 8 5 0 3 7 一a 。 图1 3非圆形滚轮工作示意图 方形碾的轮廓线由四段直线和若干段圆弧组成，在滚动过程中，当滚动角圆 弧与地面接触点a 与重心o 处于同一铅垂线上时，滚轮升至最高位置( a ) 。越过 此角后，重力相对接地点a 产生一使滚轮坠落的冲击力矩( b ) ，在这一边矩的作 用下滚轮冲击地面，此时冲击力矩达到最大( c ) ，此后碾轮的冲击面向前方搓挤 地壤而产生某种强力的搓揉作用，并使土壤产生很大的反力r 。在牵引力f 、反力 r 所形成的举升力偶的作用下，碾轮以滚动角与地面接触的瞬时中心为转动轴心向 前滚动，并提升碾轮至最高位置( a ) 。显然，当非圆形滚轮转动一圈，将对地面 产生4 次冲击作用。冲击来源于滚轮重心位置提升所蓄的势能，同时滚轮以一定 的速度运动，因而具有一定的动能。此外，滚轮在滚动过程中依靠静生使土壤产 生理想的变形。滚轮能量的大小与滚轮的重心高度、牵引速度、滚轮的轮廓尺寸 及多边形的边数等参数的变形，获得高的压实效率。 在这一领域研究中，n i t r r 曾作出了较大的贡献。他提出了一系列的新的改进 设想，并通过模型试验，验证了设想的正确性，解决了以下几个难题： ( 1 ) 牵引车在牵引滚轮时必须保持平衡的牵引负荷。不工作时，能方便拖拉、 转移； ( 2 ) 冲击质量下落时，必须保证滚轮自由转动，不受牵引车的限制； ( 3 ) 尽量避免机器受荷载影响，保持机器较长的使用寿命。 采取的措施是：采用复合的连杆系统连接碾轮与机架，不工作时，用液压举 升机构将碾轮支承在由轮胎组成的车轮架上；碾轮的悬挂系统采用可控形式。它 使碾轮在举升阶段中加载悬挂弹簧，在冲击阶段则脱离悬挂弹簧自由坠落。 经过管些难题的攻克，使得非圆形滚轮冲击压路机的技术已趋成熟，同时又 在控制系统及结构造型等方向作了进一步完善。在八十年代开始生产，同时又在 控制系统及结构造型等方向作了进一步完善。在八十年代开始生产，九十年代已 形成了系列冲击压实产品。图1 4 为南非l a n d p a c 公司生产的冲击压路机。 4 图1 4 南非l a n d p a c 公司生产的冲击压路机 1 3 国内外研究现状 1 3 1 冲击碾压技术研究现状 在冲击压路机适用范围方面，南非的专家们作了大量的试验研究工作，从含 水量1 2 的单一颗粒尺寸到砂到塑性指数达2 5 和含水量达1 7 的饱和粘土， 均获得了良好的压实效果。对于饱和粘土，非圆形冲击滚轮显示出了其独特的压 实能力。在碾轮和强力搓揉作用下，可将空隙中的水挤出到地表面，从而保证了 下层土的含水时降低，因而改善了压实效果。专家还进行了范围更广泛的各种土 壤的葡式压实度试验，均获得了很高的压度。此外，冲击压路机的压实深度远大 于其它各种压路机，在原地基的压实上，深度达4 5 米，填方压实一次达0 5 1 米，其碾压速度高达l2 15 k m h 。显而易见，冲击型压路机在路基压实施工中具 在比其他机型无法比拟的高作业效率。 在冲击理论研究上，压实专家拉斯福斯布莱得教授也进行了大量的试验研 究，发表了多篇论文“1 。他以功能原理为基础，分析了冲击能量在压实过程中 的转化规律以及冲击波的传播特性。指出：冲击压力波在土壤中的传播速度至少 在2 0 0 - - - 4 0 0 m s ，作用时间在0 0 15 0 0 2 s ，作用深度达数米。试验中采用9 8 k g 的爆破锤，行程3 0 c m ，产生平均沉陷4 6 c m ，相当于等效静压力6 3 9 0 k g ，大约作 用5 0 次产生的效果。此后，分析各种因素对冲击压实的影响方面，指出：振动对 冲动有较大的影响，若在振动的同时，施以冲击作用，其压实效果远远好于单纯 冲击的压实效果。 国内对冲击碾压技术的研究较为滞后。1 9 9 5 年冲击碾压技术引入我国，首先 应用于高速公路和机场的大面积冲击压实，张汤 1 ，杨世基心1 儿8 叫以及其它一些 专家学者n 2 。3 们分别根据冲击碾压技术在自己所在地区不同工程中的应用，对采用 冲击碾压技术压实不同填方材料进行实验研究与总结，指出冲击碾压技术在路基 压实工程中的应用相较于传统压实技术而言具有工艺简单、机械化程度高、施工 速度快、工效高、造价低、调动灵活等优点。 但相对于静碾压实技术和振动压实技术，冲击碾压技术比较年轻，相关研究 还主要基于某地区或某种特殊土的压实试验或施工监测结果的分析，相关的理论 研究深度还不足。近年来，冲击碾压技术开始在旧水泥混凝土路面改建工程进行 应用，深入的理论研究很少，关于冲击碾压荷载对水泥混凝土路面下路基动力响 应的研究则更少。 目前，国内针对冲击压实处理旧水泥混凝土板进行的试验研究、理论研究成 果主要有： 王玉泉，杜荣杰等口5 3 介绍了冲击压实技术改造旧水泥混凝土路面的工作原理、 施工工艺、施工注意事项、质量控制以及对加铺层的要求等。指出冲击压实技术 是应用于旧水泥混凝土路面改造的新技术，具有施工速度快、工程费用低，而且 避免了废弃水泥混凝土板造成的环境污染，具有良好的经济效益和社会效益，值 得推广。 刘庆爱口6 1 、潘忠良等口刀根据不同型号冲击压路机改建混凝土路面的工程试验 情况指出，利用冲击压路机比一般常用的破碎设备在对路面的破碎、稳固和压实 方面，有较大优越性，可以快速破碎旧水泥混凝土面板，破坏其板体结构，有效 减少和缓解反射裂缝，且能够压实嵌锁，稳固新路面底基层，提高路基强度，保 证路面改造质量，同时可以避免弃置旧水泥混凝土路面带来的严重环境污染。 蒙华，唐伯明口印针对西部地区大量旧水泥混凝土路面损坏严重的现状，介绍 采用冲压稳固技术处理旧水泥混凝土路面板作为底基层，水泥稳定碎石作为基层 补强，简易加铺的水泥混凝土路面维修加铺技术。指出采用冲击压实稳固技术处 治旧水泥混凝土路面施工工艺简单，施工时间短，对行车干扰小；将破碎板作为 底基层，有效利用了旧路面的强度，且充分加强了对旧路基的压实。 许海云、吴景泉们阐述了旧水泥路面冲击压实、钻孔灌浆、改性沥青等新技 术、新材料的应用。指出利用冲击压实技术和钻孑l 压浆方法处理旧水泥混凝土路 面是有效的，但冲击压实技术更为可靠。 山西省公路局晋中分局庞国强h 引，对冲击压路机压实效果的有限元分析法进 行了研究，利用有限元法计算了冲击压路机作用下土坡的应力状态，并与实侧值 进行了比较，认为利用有限元法可以预测冲击压路机压实深层土时的压实效果。 上海交通大学土木工程系唐学军、华南理工大学交通学院苏卫国h 卜川，结合冲 击压实技术在旧水泥混凝土路面修复工程中的应用，采用三维有限元方法对冲击 压实旧混凝土路面路基的力学行为进行了研究，分析了冲击压实过程中旧路面结 6 构及土基的受力变形特征以及冲击压实载荷位于路面板不同位置时对板体破裂及 土基受压效果的影响，探讨了冲击压实载荷在板下路基中的传递规律及作用深度 等问题。后来，他们又对冲击压实施工中不同路基刚度条件下的旧路面结构及路 基的受力、变形特征进行研究，分析路基刚度对旧面板破裂及路基受压效果的影 响；但是，他们在进行分析时采用拟静力代替动力，并且考虑材料为线弹性体， 与实际情况差别较大。 东南大学的刘荥h 5 1 等通过有限元对冲击压实技术改建旧水泥混凝土路面的破 碎尺度进行了研究，讨论了破碎板块平面尺度的可能范围。并与黄晓明等h 们对冲 击破碎混凝土路面的三维叠层模型进行了研究，认为常规的层状连续模型不能反 映破碎混凝土板块的工作状态，他们建立了一种分块三维叠层结构有限元模型， 该模型中的加铺层和地基弯沉是连续的，破碎水泥混凝土板之间的弯沉是不连续 的，上下层之间的弯沉也可以是不连续的。另外，他们还通过对旧水泥混凝土路 面冲击破碎的动力响应特性的分析，在旧水泥混凝土路面改建工程中，采用冲击 破碎方法使原路面结构沉降趋于稳定。利用三维叠层有限元建立路面动力模型， 模拟新旧路面之间的动力耦合现象，以g b 7 2 2 0 8 6 和d i n 4 15 0 中的标准安全振速峰 值为参考标准，计算出道路分幅两侧的路面结构振动的速度和振幅。由此给出路 面和其它结构物的安全振动速度和相应确保安全的处理措施和界定标准。 为正确引导冲击压实技术，提高公路工程质量，交通部下达了公路冲击碾 压应用技术规范的编制任务，交通部公路科学研究所课题组于2 0 0 3 年1 0 月完 成公路冲击碾压应用技术指南报批初稿，2 0 0 4 年1 月总校后正式报批，目前 处于待批阶段。 该“指南”对冲击压实技术的术语、符号、一般要求、铺筑试验段、施工准 备、施工质量管理与验收等做了初步总结。基本涵盖冲击碾压技术在我国公路工 程中的主要应用领域：地基和路堑冲击碾压；土石混填；填石路堤分层冲击：路 基冲击增强补压：旧路改建冲击碾压。 “指南”基本反映了目前我国冲击碾压技术在公路工程中的应用水平，提出 了许多比较合理的指标，相关内容也将纳入到公路路基设计规范和公路路 基施工技术规范中。但考虑到冲击压实技术在我国的应用时间较短，应用领域 也在不断扩大，一些指标还要进一步地研究完善，尤其是在质量检测与评价指标 方面，与问题的个别规范还有不相衔接的地方。且“指南中关于冲压区内构造 物的保护间距，也并未找到专门研究结论。 由此可以看出，目前国内外对冲击碾压技术处理水泥砼路面相关理论、试验 研究成果不多。关于冲击碾压荷载对水泥混凝土路面下路基动力响应的研究深度 更是十分有限。 7 1 3 2 路基设计理论模型研究现状 自2 0 世纪初，水泥混凝土路面广泛使用以来，刚性路面的荷载应力一直是人 们十分关注的重要研究课题。国内外许多学者在刚性路面荷载应力研究方面做出 了很大的贡献，为刚性路面应力分析和设计方法奠定了基础。水泥混凝土路面设 计方法主要是以弹性地基板理论为基础的，按照弹性地基上薄板的模式分析刚性 路面应力状态，对地基模型的假定有三类，即w i n k l e r 地基、弹性半空间地基、 p a s t e r n a k 地基。路基的力学模型对刚性路面设计具有重要的作用。分析水泥混凝 土路面时，国外最广泛采用的是板在液体地基上的模型，即w i n k l e r 地基模型， 国内最常用的地基模型是弹性半空间地基。各个模型有各自不同的特点。 ( 1 ) w i n k l e r 地基模型：也称为稠密液体地基模型。地基如同由许多紧密排列 而互不关联的线性弹簧所组成，地基顶面任一点的挠度仅同作用于该点的压力成 正比，而与其它点上的压力无关。此压力同挠度的比例系数k ，称为地基反应模量。 ( 2 ) 弹性半空间地基模型：也称为半无限或弹性固体地基模型，地基看作是均 质的半无限连续介质。地基顶面任一点的挠度不仅同作用于该点的压力，也同顶 面其它点上的压力有关，采用弹性模量和泊松比o 表征弹性性质。 ( 3 ) p a s t e r n a k 地基模型：假设w i n k l e r 地基的弹簧单元之间存在一定程度的 剪切阻尼作用，类似于弹簧顶部与由不可压缩的梁或板单元组成的剪切层相联结， 层内各单元间由于横向剪切而变形。采用地基反应模量k 和剪切模量g 两个系数 表征地基的性质。当g 为零时，此模型即为w i n k l e r 地基模型；而当g 增大时， 便可通过增加横向联系来调整地基的反应，使之趋近于半空间地基，所以这是一 种介于前述两种地基之间的地基模型。 a ) w i n k l e r 地基模型b ) 弹性半空间地基模型c ) p a s t e r n a k 地基模 型 图1 5 三种不同地基模型 地基模型在水泥混凝土路面设计过程中是很重要的一部分。1 9 2 5 年 w e s t e r g a a r d 应用w i n k l e r 地基模型建立了刚性路面应力分析计算理论。其推导出 的计算公式适用于圆形、半圆形、椭圆形或半椭圆形接触面积的单轮荷载。1 9 5 1 年p i c k e t t 推导了弹性半空间体上混凝土板的理论解。由于涉及到数学上的复杂 性，这个改进了的方法没有得到应有的重视。但p i c k e t t 和b a d a r u d d i n 于1 9 5 6 年开发了基于固体地基的板边应力影响图。 半个世纪以来，这些地基假说的计算方法都有所发展。以w i n k l e r 地基假说 为基础的计算方法应用很广，目前世界上多数国家采用这种方法。虽然它低估了 地基的侧向联系，却使计算结果略偏于安全，而且w i n k l e r 地基模型可以考虑发 生在水泥板的接缝处重要荷载传递现象与伴随着主要的失效类型，比如断板、板 角破裂。液体地基模型是最简单的地基模型，它只需要一个参数，即地基反应模 量k 。在这种模型中，土基变形具有一定的特性，它只发生在受荷板板底。而且， 它们是弹性体，在荷载解除后变形可以恢复。弹性半空间地基，通常考虑现实中 土的性状。变形在弹性半空间地基模型中通常呈现球形分布的特性，而且变形不 仅只发生在受荷板底下，还发生在相邻的土基中，所有的变形是线弹性的。这种 模型是用土的回弹模量与土的泊松比来表示的。当以现实为出发点来讨论地基模 型时，液体地基模型或者弹性半空间地基模型不能完全满足现实土基的要求，这 两种模型与所观测到实际土的性状存在差异。一方面，液体地基模型假定相邻弹 簧单元之间没有剪力作用，而且地基反应模量k 跟用来测定它的金属板的尺寸有 很大的关系。另一方面，弹性半空间地基模型中考虑土的剪力作用比实际土来的 大。实际上，超出受荷板边缘的部分土的挠度响应曲线分布是介于液体地基模型 与弹性半空间地基模型之间。 因此，美国学者试图找出第三种更能体现土基真实受力性状的地基模型，即 p a s t e r n a k 地基模型。它有两个参数g 与k ，也叫g k 地基模型。其地基反力可以 通过下式进行计算： q = 枷一g v 2 w ( 卜5 ) 式中：k 一竖直弹簧刚度( 意义跟温克勒地基模型一样，大小不一样) 。 g 一用来描述相邻弹簧间的相互作用。 v 一拉普拉斯算子。 在最近的几年里，一些外国研究者已经对这个模型进行了研究。g k 地基模型 的解析解类似于w e s t e r g a a r d 的液体地基模型，在有限元程序里，g - k 模型比弹性 半空间模型更好，因为里面已经给出了g k 模型的地基刚度矩阵。比如i l l i s l a b 就可以用g - k 模型来分析的。s t e t 等人还提出了g - k 模型参数的反算程序。从第 四次国际水泥混凝土路面理论模型的研讨会到第八次水泥混凝土路面的国际研讨 会上，g - k 地基模型被认为是地基模型最好的选择。 1 9 9 3 年p r o n k 通过对比液体地基模型和g - k 地基模型，建议g - k 地基模型可 以被认为是液体地基模型合理的改进。g - k 地基模型的弯沉轮廓比相应的弹性半空 间模型的弯沉盆消失快的多。g k 地基模型中弯沉轮廓变化速度更接近于有限深度 真实地基的情况。如果剪切模量g = 0 ，那么g - k 地基模型就会简化成w i n k l e r 地 基模型。另一方面，如果给出一个精确的板的宽度与长度，剪切模量g 可以与放 在相同弹性半空间地基模型上板的临界响应非常匹配。 美国学者试图通过f w d 板中加荷试验来确定g k 地基模型中的参数g ，即想 9 通过调查地基抗剪作用对f w d 试验在板中间产生的弯沉的影响来确定g 值，但是 试验表明地基抗剪能力不会很明显的影响内部荷载作用下的弯沉盆形状。之后， 又通过f w d 试验在板边施加荷载，把所得到板边最大弯沉值与在板中得到的弯沉 值进行对比，然后确定参数g ，但是一方面，温度翘曲对板边的弯沉有很大的影响， 用这个试验来确定剪切模量并不可靠；另一方面，由于板底下基层宽度大于路面 板而且有路肩的存在，使得这个试验很难适用。 美国学者对三个模型的研究结果表明，g - k 地基模型比液体地基模型更符合实 际的地基模型。而计算量又比弹性半空间模型少，它提供与弹性半空间模型一样 精确的板的重要响应。然而，由于p a s t e r n a k 地基模型对研究者来说很熟悉，但 是其他从事这方面工作的人并不是很了解，没有确定的或试验检验方法来指导 p a s t e r n a k 地基模型参数g 与k 的选择。而且，p a s t e r n a k 地基模型中k 值不同于 液体地基模型中的k 值，会使实践中的工程师们发生混淆。同时大部分有关 p a s t e r n a k 地基模型的研究主要关注只考虑交通荷载( 不考虑翘曲影响) 单块板的 情况。虽然最新的i l l i - s l a b 版本在p a s t e r n a k 地基模型中考虑了翘曲分析，但 是这只是一种比较新的技术，没有统一的标准。再加上在对刚性路面设计进行选 择地基模型时，差不多都选液体地基模型。因此，换成p a s t e r n a k 地基模型后， 在重新制定这些模型标准存在困难。 目前，考虑到这些限制，液体地基模型将还是美国路面设计中最好的选择。 因为液体模型很好确定也很好测试，而且液体模型中的k 值是从一些重大的研究 中得到的，很可靠。 因此，虽然荷载作用下地基挠度分布的实际情况既不完全符合w i n k l e r 地基 假说，也不完全符合弹性半空间地基假说。前者低估了地基的分布能力，后者夸 大了它的分布能力，真正的挠度分布曲线介于二者之间，满足双参数p a s t e r n a k 地基模型。但是由于双参数地基假说的复杂化，至今还没有提出一个理想的、实 用的以双参数地基假说为基础的刚性路面应力分析方法，而且大量试验表明，按 照温克勒地基模型和弹性半空间地基模型计算的面板应力基本符合实际情况，所 以刚性路面应力分析仍然是以温克勒地基模型和弹性半空间地基模型为基础。 基于以上分析可以发现，描述地基刚度的设计参数目前国内外最常用的还是 土基回弹模量与地基反应模量这两个参数，我国常用土基回弹模量e 而美国通常 采用地基反应模量k ，我国也经常更还有采用弯沉检测近似反算回弹模量的方法。 1 3 3 路基土动力响应研究现状跖旷7 0 3 荷载作用下的路基动力响应这一课题的研究涉及面很广泛，从研究方法上可 分为理论研究，试验研究和数值分析研究三种方法。从研究内容上有在移动荷载 作用下无限大面板和无限长梁在各种地基模型上的动力响应 以及无限长梁或列 i o 车轨道在交通荷载作用下的位移和路基表面反力及其对周围环境和建筑物的影响 h 8 i ，复合土体和复合地基的性状研究，还有研究复合路基在冲击或振动荷载作用 下的动力响应与地震响应分析n 引等等。目前的研究多数停留在单纯是交通荷载或 冲击荷载对路基的动力响应分析上。真正综合冲击、振动、移动荷载进行路基动 力响应的分析研究很少，而针对处理水泥砼方面进行的动力响应研究则少的可怜。 以下就以理论研究，试验研究和数值分析研究三种方法为分类依据，将荷载作用 下路基动力响应的研究现状加以综述。 ( 1 ) 理论研究 早在十九世纪末，h e r z ( 1 8 8 4 ) 提出了著名的液体支承板理论，假设板下各点 的竖向支承力与板在该点的弯沉成正比，在进行数学推算时，则忽略了板的竖向 应变和板底的水平剪应力，在土力学中，这就是文克勒( e w i n k l e r ) 地基假设。 b o u s s i n e s q ( 1 8 8 5 ) 推导了半无限均质弹性体表面受法向集中力作用( 不计自重) 时体内各点的位移和应力分布情况。c e r r u t i ( 1 8 8 8 ) 推导了半无限均质弹性体表 面受切向集中力作用( 不计自重) 时体内各点的位移和应力分布情况。 t e r a s a w a ( 1 9 1 6 ) 对轴对称荷载下的半空间体，采用贝塞尔函数法求得了应力和位 移计算的完整表达式。1 9 2 5 年，w e s t e r g a a r d 以h e r t z 理论为基础，把地基反应系 数k 作为衡量地基特性的指标，计算了地基上混凝土板中的应力和位移。这些都是 研究交通荷载作用下路基动力响应问题的最基本理论基础。其中一些理论直到现 在仍广泛地应用于很多国家的刚性路面设计中。 由于数学和弹性力学的发展，本世纪4 0 5 0 年代，路面力学理论又有了较大 的发展。舍赫捷尔( 1 9 3 9 ) 提出了弹性地基上无限大板在圆形均布荷载下底板中 心处最大弯拉应力的计算值。以此为基础，i v a n o v 等提出了以弹性模量作为地基 强度指标路面设计的实用方法。b u r m i s t e r ( 1 9 4 5 ) 提出了双层和多层弹性体系应 力和位移计算的理论解。 在路基的动载作用理论解方面，国内外学者也进行了一定的研究。j o n e s 和 p e t y t 将地基模拟为一弹性半空间，利用f o u r i e r 变换先后研究了矩形荷载、条形 荷载作用下地基的响应。h u n g 将地基模拟为粘弹性半空间，研究了不同车辆荷载 形式和不同车辆速度时地面的响应。l e f e u v e 等考虑成层地基，从理论上研究了高 速移动的矩形简谐荷载作用下地基土的振动。 ( 2 ) 数值分析 东南大学的刘荥副等通过有限元对冲击压实技术改建旧水泥混凝土路面的破 碎尺度进行了研究，讨论了破碎板块平面尺度的可能范围。并与黄晓明等h 们对冲 击破碎混凝土路面的三维叠层模型进行了研究，认为常规的层状连续模型不能反 映破碎混凝土板块的工作状态，他们建立了一种分块三维叠层结构有限元模型， 该模型中的加铺层和地基弯沉是连续的，破碎水泥混凝土板之间的弯沉是不连续 的，上下层之间的弯沉也可以是不连续的。另外，他们还通过对旧水泥混凝土路 面冲击破碎的动力响应特性的分析，在旧水泥混凝土路面改建工程中，采用冲击 破碎方法使原路面结构沉降趋于稳定。利用三维叠层有限元建立路面动力模型， 模拟新旧路面之间的动力耦合现象，以g b 7 2 2 0 8 6 和d i n 4 1 5 0 中的标准安全振速峰值 为参考标准，计算出道路分幅两侧的路面结构振动的速度和振幅。由此给出路面 和其它结构物的安全振动速度和相应确保安全的处理措施和界定标准 ( 3 ) 现场动力测试 国外学者在单纯动荷载或冲击荷载的动力响应方面己较早地开展了现场试验 研究。b a r k e r 将飞机荷载考虑为静荷载，对单轮荷载作用下道面与地基的共同变 形问题的研究而开展的大型现场试验，通过试验量测了试验路段不同深度的位移 和应力，研究了荷载不同作用位置的影响；英国工程与科学研究委员会在 b o t h k e n n a 的软土地基上建立一个全尺寸的试验路段，研究了交通荷载下的公路的 力学和沉降特性；日本建设省在a r i a k e 粘土上进行了低路堤的交通荷载试验，对 车辆动载作用下的路基土中的附加动应力进行了研究。 国内学者也对交通荷载作用下路基土现场动力响应进行了系列研究，而大部 分集中在铁路路基方面。刘尧军等在秦沈客运专线测试了列车荷载下路基的动力 响应，通过布置压力传感器和位移计测得了路基的动应力和动位移，得到了路基 不同深度处动应力和动位移随列车荷载及速度的变化规律，并据此计算了不同路 基填料的动刚度，对填料的选择提供了一定的借鉴。聂志红等进一步对秦沈客运 专线路基振动进行了频谱分析，得到了列车荷载作用频率、路基自振频率与列车 荷载作用下路基振动频率，分析了路基振动频率及振动加速度与列车速度的关系。 结果表明，列车荷载作用下路基振动与路基自振频率与列车速度密切相关，在一 定列车速度下路基振动加速度达到最大值。田海波等结合合肥一南京高速客货共 线铁路试验段进行路基原位动载试验，通过模拟测试路基在相同机车轴重，不同通 过车速情况下的弹性变形及振动加速度，对路基在不同行车速度条件下的动力响 应加以研究。通过对循环荷载下沿线路横向不同距离路基弹性变形、加速度以及 轨下不同深度动应力测试，获得路基弹性变形、加速度以及动应力衰减规律。研究 表明，现有规范对弹性变形的建议值不尽合理。提出时速2 0 0k m h 及以上客运专 线铁路弹性变形合理建议值，为新建铁路客运专线设计及规范提供依据。孙常新等 结合秦沈客运专线d k 2 4 3 + 4 0 0 9 0 0 现场三个试验段的动态测试数据，探讨了高 速行车条件下路基的动应力响应问题，并分析了影响动应力分布的因素，将测试数 据与传统路基一轨道形式作了比较，为进一步研究提供了参考依据。律文田等对我 国第一条时速1 6 0k m 以上的运营线一秦沈铁路客运专线d k 4 6 + 7 6 5 9 5 - - - d k 4 6 + 7 9 0 9 5 的路桥过渡段路基在高速列车作用下的动应力进行了原位测试，分 析了沿路桥过渡段线路纵向的动应力分布规律、列车速度和动应力的关系，以及 1 2 动应力沿路基深度方向的变化规律等。分析结果认为：沿铁路线纵向动应力随车 速的增大，动土