振动压路机不同参数对土基压实效果的分析.pdf

第 2 6 卷第 8 期 2 0 0 9年 8 月 公路交通科技 J o u rna l o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h a n d D e v e l o p me n t V0 1 2 6 No 8 Au g 2 0 0 9 文章编号 1 0 0 2 0 2 6 8 2 0 0 9 0 8 0 0 0 1 0 5 振动压路机不 同参数对土基压实效果的分析 韩 丁 黄晓明 高 英 东南大学交通学院 江苏南京2 1 0 0 9 6 摘要 为了能从理论上对压实过程进行研究 分析 了振动压路机对土基的压实机理及不同的压路机碾压参数对土基压 实效果的影 响 通过 显式时 间积分的三 维有限元方法 根据土基三轴 压缩 实验得到的数据采 用弹塑性土体动 力本构模 型 对振动 压路机 碾压模型的合理性 不同振 动频 率和行驶速度 的压 实效果进行 了分析 分析 结果表 明 较低 的碾压 速度会加强表面下 0 l m深度内的压实效果 较高的碾压速度会加强表面下 1 3 m深度内的压实效果 土基的碾压 过程中 被压实的层位主要位于表面下的2 i n 深度范围内 较高的碾压频率能达到更深的有效压实深度 但是会造成 土基表 面应力的显著提升 因此应 当在 一定范 围内实行较 高频 率碾压 关键词 道路工程 土基 有限元 振动压实 压路机参数 中图分 类号 U 4 1 6 1 文献标 识码 A An a l y s i s o f Su b s o i l Co mp a c t io n b y Vi b r a t o r y R o l l e r wi t h Mu t a t iv e P a r a me t e r s HAN Di n g HUANG Xi a o mi n g GAO Yi n g S c h o o l o f T r a n s por t S o u t h e a s t U n i v e r s i N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 6 C h i n a Ab s t r a c t T o i n v e s t i g a t e s u b s o i l c o mp a c t i o n a b s t r a c t l y c o m p a c t i o n me c h a n i s m b y t h e v i b r a t o r y r o l l e r a n d t h e e f f o r t o f d i f f e r e n t r o l l e r p a r a me t e r s o n s u b s o i l c o mp a c t i o n 1 v e l e a n a l y z e d T h r o u g h 3 D F EA b a s e d o n e x p l i c i t t i me i n t e g r a t i o n t h e r a t i o n a l i t y o f c o mp a c t i o n mo d e l an d t h e e f f o r t o f di f f e r e n t v i b r a t o r y f r e q u e nc i e s o r s p e e d s we r e an a l y z e d b y d y n a mi c e l ast o p l a s t i c c o n s t i t u t i v e mo d e l o f s o i l wh o s e d a t a we r e g a i n e d f r o m t h e t r i a x i a l s u b s o i l c o mp r e s s i o n t e s t Th e r e s u l t s h o w s t h a t 1 t h e l o we r c o mp a c t i o n v e l oci t y wi l l s t r e n g t h e n t h e c o mp a c t i o n e f f e c t i n 0 1 m u n d e r t h e s u b s o i l s u rf a c e w h i l e t h e h i g h e r c o m p a c t i o n v e l oci t y w i l l s t r e n g t h e n t h a t i n 1 3 m 2 t h e m a i n e o m p a c t i b l e p l a c e l o c a t e s a t 0 2 m u n d e r t h e s u b s o i l s u r f a c e d u ri n g c o m p a c t i n g s u b s o i l 3 t h e h i g h e r c o mp a c t i o n f r e q u e n c y wh i c h i n c r e a s e s t h e s t r e s s l e v e l o n t h e s u b s o i l s u r f a c e c a n l e a d t o t h e d e e p e r e f f e c t i v e c o mp a c t i o n T h e r e f o r e a n a p p r o p ria t e c o mp a c t i o n fre q ue n c y s h o u l d b e c h o s e n i n a s p e c i fic r a n g e K e y wo r d s r o a d e n g i n e e ri n g s u b s o i l F E A v i b r a t o ry c o mp a c t i o n mi l e r p a r a me t e r 0引言 碾压工艺在路基施工过程 中占有重要地位 目前 的施 工 方 法有 静 压 振 动碾 压 夯 实 冲 击 压 实 等 1 J 选择合理高效的碾压方式对保证路基的性能具 有决定性意义 在公路建设中 振动压实机械 以其高 效率 低成本和显著的压实效果等优势得到了广泛 的 应用 当前 的路 施 工技术规 范以压实度 为控制标 准 并依据经验提出了相应的施工方案l 2 j 采用经验 和试验段 的方法 难 以充分地使用室内土工试验的结 果 而且可能会 由于压路机的不当使用而造成不好的 碾压效果 例如表 面过于压实而压实深度却不够 目 前从受力机理 上对土基振 动碾 压的效果分析并不 多 见 对于土体动力本构模型的研究 主要有粘弹性理 论 等效线性模 型 3 I 4 和曼辛型非线性模型 5 J 等 和弹塑性理 论 D e s a i 系列模 型l 7 J 塑性硬 化模量场 收稿 日期 2 0 0 8 9 0 5 基金项 i 家 高技术研究发展 汁划 八六 计划 资助项 H 2 0 0 6 A A1 I Z 1 1 0 安徽省交通科技进步课题 2 0 0 6 作荷简介 韩丁 1 9 8 2 一 男 安徽合肥 人 博 十 研究 生 研 究方 向为路 基路面T程 h a n d i n g 3 6 5 1 6 3 c o rn 2 公路交通科技 第 2 6 卷 理论 I 9 J 等 本文用有限元的方法 1 0研究振动压路 机在压实土基过程叶 1 土基内部在压路机振动和行驶 下随时间所产生的变形和受力情况 分析了碾压参数 对压实效果的影响 1 分析模型的描述 1 1 振动压路机参数的选择 振动压路机采用 目前压实领域较为广泛使用 的 D D I 1 0重型双钢轮振动压路机 计算振动碾压行驶 的时问为 1 S 本文中涉及到的参数如表 1 所示 表 1 振动压路机部分参数 Ta b 1 Pa r t i a l pa r a me t e r s o f t h e v i br a t or y r o l l e r 压路机净重 k g 钢轮宽钢轮轴 4绒振幅下钢轮激振力 F k N 前钢轮后钢轮度 m m 心距 振频 3 0 H 振频 4 0 参数5 9 7 5 5 3 9 5 1 9 8 0 4 3 0 0 5 4 1 9 8 振动频率选用 3 0 H z 激振力随时间的变化 m f 6 0 f 2 2 9 t O t 其他 振动频率选用 4 0 H z 激振力随时间的变化 n 8 0 兀 t 一 O 1 2 3 9 0 t 其他 1 2 土基 的本构模 型 土基在碾压过程 中变化较 为复杂 采 用 K r i e g 1 l 提出的弹塑性模型 见图 1 偏量塑性屈服函数 J 一 0 o a l P a 2 p 其中第 2不变量 2 1 s 屈 服面为 J 2 1 为了消除屈服应力的压力依赖性 设常数 n o 1 2 n 1 0 a 2 0 通过三轴压缩实验 得到土体材料的体积应变 与平均主席力关系 曲线 如 图 2所示 土体在碾压过程 中受力不会超过拉力阀值 一 卸 载 垃 体 积 应 变 ln 1 J 图 1 土基本构关 系的模型 Fi g 1 Co ns t i t ut i v e r e l a t i o n o f subs o B 8 喜 f 4 委 景 0 2 0 5 f I l 5 2 2 5 f 体三轴压缩的体积应变 图 2土基三轴压缩实验得到的 曲线 Fi g 2 Cur v e o f t he s ub s oi l t r i a x i a l c o mpr e s s i o n t e s t 1 3 有 限元方法建模的有效性分析 模型在平行于碾压方 向取 1 5 3 I 1 1 垂 卣于碾压方 向取 1 2 I n 土基深度取 5 H I 碾压宽度为 2 l I 1 分析的碾 压长度为 V 3 6 即 1 S 所 前进 的长度 单位是 k m h 该几何尺寸和碾压分析时问的选择是否足够精确 将在下面予以研究 模型网格划分女 u 图 3所示 图 3模型的 网格划分 Fi g 3 M e s h o fFEA mo de l 为了模拟实际的边界情况 对侧 面和底面加以无 反射的边界条件 并 R 打开膨胀波和剪切波吸收开关 参数选用 振动频率 3 0 H z 行驶速度 3 6 k m h 振幅选 择 4级 土基弹性模量 1 8 2 M P a 密度 1 7 8 o re 泊 松比 0 3 计算时问 1 s 进 行试算 通 过测定边界处 的 变形来判定尺寸是否合适 如图 4所示 平行于碾压 向边 界处 A曲线 的 0 0 2 4 6 0 8 I I i S 图 4 无反射边界条件下边界处的变形 曲线 Fi g 4 De f o r ma tio n c nl we o f bo u nd ar y un de r no n r e fle c fio n b o u nd ar y c o n di t i o n 0 2 3 4 5 L u L L I 漤 第 8期 韩 等 振动压路机不同参数对上基压实效果的分析 最大变形量为 0 8 2 4 m i l l 垂直于碾 方向边界处 B曲 线 的最大变形量为 2 5 7 7 n u u 深度方 向的边 界处 C 曲线 的最大变形 鞋为 3 9 1 5 n 蛐 可知无反射边界条 件下的尺寸已达到 r 程精度 考虑振动碾压起始处钢 轮巾点 以下的小M深度点 如 5所示 A B C D E 曲线 对应 的深 度 分 别 为 0 1 2 5 1 1 2 5 2 1 2 5 3 1 2 5 4 1 2 5 m 的 存 1 S的碾压 时间 1人 的变化曲线 当压 路机从出发 向 前行驶 0 5 s 后 其对出发点处乖直向 实产生的应变接近稳定 即可以认为对于某 1 点碾压 的有效时间为 0 5 2 1 0 S 任该点前后各 0 5 S 0 1 2 一 J 2 宣 一 4 一 0 06 0 8 一 j 0 J J 4 0 0 时fH j s 图 5出发点各深 度位 置 1 S 内产 生的应变 Fi g 5 St r a i n C I I F v e o f di ffe r e nt de pt he s u nd e r t he s t a r t p o i nt i n l S 2 不同的碾压参数对碾压效果的影响 2 1 压路机行驶速度的影响 采用 1 3小节 中选取的参数 比较行驶速度分别 为 3 6 k n v h和 4 4 k m h时前轮碾 区域中心点以下 9 4 6 8 时问 S a 1 碾压速度为 3 6 k m h 各深度位 置 处 的最终 压实效 果 从 图 6中可 以看 出 碾压 的效果 变形量 沿着深度方向是迅速衰 减的 在 0 1 m和 3 4 m内 低速行驶造成的压实 要高于较快速的行驶 在 1 3 m和 4 5 m内正好相 反 造成这种现象的原因是应力波沿深度方 向的传播 有个过程 较大的塑性变形会吸收更多的能量 从而 产生 了如图 6所示 曲线 三 娑 斟 孽 星 笆 图 6 不 同碾 压速度下土基 内各 点的变形值 Fi g 6 De f o r ma t i o n o f s ub s o i l i n d i f f e r e nt de pt h s a t di f f e r e nt r o l l i ng s p e e d s 土基表面以下 0 1 2 5 m处所受的最大主应力如图 7所示 在 3 6 k m h和 4 4 k m h情况 下都 出现在 0 5 s 但是 4 4 k r r dh的最 大主应力要 比 3 6 k m h的 最大主应力小 8 说明较快 的行驶速度会 降低最大 应力值 但 0 5 0 6 s 内较快 的行驶速度能保持较大 的应力水平振荡 强 I re f H S b 碾压速度为 4 4 k m h 图 7不 同碾 压速度下土基表面 以下 0 1 2 5 I l l 位置的最大 主应 力 Fi g 7 M a x p r i n c i pa l s t r e s s i n 0 1 2 5 m d e pt h u i l de r s u bs o i l s u r f a c e a t d i ffe r e nt r o l li ng s pe e d s 土基表 面以下 1 1 2 5 2 1 2 5 3 1 2 5和 4 1 2 5 m k m h和 4 4 k m h的压实效果不一样 较低 的碾压速 位置 分别对应图 8巾的 A B C D曲线 的最大 度会加强碾压位置的碾压效果 而较快的行驶速度也 主应 力表 现 出 了 相 同 的规律 1 1 2 5 m位 置 4 4 会给周围的土体带来一定的碾压效果 k m h的主应力峰值虽然小于 3 6 k r r dh 但是产生 了 2 2 压路机振动频率的影响 2 个波峰 这是 1 较快速度下前后钢轮产生的应力波 采用 1 3小节 中选取的参数 比较振动频率分别 叠加产牛的 2 1 2 5 m位置 4 4 k m h的主应力峰值要 为 3 0 H z 和 4 0 H z 时前轮碾压 区域平行于行驶方 向的 高于 3 6 k m h 由分析 l lI丁 以看 出 行驶 速度 取 3 6 边线 中点 即钢轮边缘轮迹线的中点 以下各深度位 4 公路交通科技 第 2 6 卷 脚 喀 浓 四 R 堪 JI 寸 间 s a 碾压速度为 3 6 k m h 度 度 度 度 时间 s b 碾 压速 度为 4 4 k m h 图 8 不 同碾压速度 下土基表 面 以下 1 1 2 5 4 1 2 5 m 位置 的最 大主应力 Fi g 8 Max pr i nc i p a l s t r e s s i n 1 1 25 4 1 2 5 m d e pt h u i l de F s u b s o i l s ur f a c e a t d i ffe r e n t r o i l i ng s pe e d s 置 处 的最终压实效果 变形量 从图 9中叮以 看出 振动频率采用 4 0 H z 时产生的土基压缩量要 明 显高于 3 0 H z时 在土基上层表现更为显著 3 0 H z 时钢轮边缘轮迹线中点的最终压缩量只有图 6中碾压 区域 中心位置 的 5 7 4 可知碾压钢 轮边 缘区域 的 压实是不充分的 应 当对钢轮边缘区域进行再碾压 说明在压实过程中 相邻的 2次碾压应当有一定的交 叠 区域 兰 蛰 自 雹 崮 图 9 不 同振动频率下土基内各点的变形值 Fi g 9 De f o r ma t i o n o f s u b s o i l in d i ffe r e nt d e p t h s a t d i ffe r e n t v i b r a t o r y f r e qu e n c i e s 土基表面以下 0 1 2 5 m处所受的最大 主应力如图 1 0 所示 在振动频率 为 3 0 H z情 兕下出现在 0 5 S 此时是碾压轮直接作用引起的 在 4 0 H z 情况下 出现 在 0 6 S 产生延迟 的原因是较高应力波时所产生的 叠加造成的 应力波沿着行驶方向的传播强度要高于 反方向 一 主 0 2 0 4 0 6 J 8 II 问 s a 振动频率为 3 l 1 0 0 2 1 4 0 6 8 时间 s b 振动频率为 4 0 H z 图 1 0不同振动频率下土基表面以下 0 1 2 5 m 位置 的最大主应 力 Fi g 1 0 M a x p r i n c i pa l str e s s i n 0 1 2 5 m d e pt h u nd e r subs o il s u r f a c e a t d i ffe r e nt vibr a t o ry f r e q ue nc i e s 土基表面以下 1 1 2 5 2 1 2 5 3 1 2 5 4 1 2 5 m位 置 分别对应图 1 1中的 A B C D曲线 的最大 主应力规律表明 较低频率住 1 H 1 深度左右的振幅较 为均匀 而较高频率能在较深位置产牛 更有效 的压 实 由以上分析可知 振动频率提高造成最大主应力 的显著增加 因此对于不同的土 碾压频率有 1 个范 围 既要达到足够的有效压实深度 又要保证激振力 不会造成土体的破坏 3结论 1 土基的碾压过程中 被压实的层位主要位于 表面下的2 IT I 深度范围内 2 不同的行驶速度产生不同的压实效果 较低 的碾压速度会加强表面下 0 1 H I 深度内的压实效果 较高的碾压速度会加强表面下 1 3 m深度内的压实 效果 对不同的土基存在 1 个最适合碾压速度 3 碾压钢轮边缘区域的 实 与碾压中心相 比是 不充分的 而且是有显著的差距 应当对钢轮边缘区 6 5 4 3 2 2 8 6 4 2 0 第 8 期 韩丁 等 振动压路机不同参数对土基压实效果的分析 4 3 0 2 2 0 5 O 5 0 1 1 2 5 m深度 0 0 2 0 4 6 0 8 时问 s a 振动频率为3 0 H z 度 度 度 0 2 0 4 6 0 8 I 时间 s b 振动频率为 4 OH z 度 度 度 度 图 1 1 不 同振 动频 率下土基表面 以下 1 1 2 5 4 1 2 5 m 位置的最大主应 力 F i g 1 1 Ma x p r i n c i p a l s t r e s s i n 1 1 2 5 4 1 2 5 1 1 1 d e p t h u nd e r s u b s o i l s u r f a c e a t di ffe r e n t v i br a t or y f r e q ue n c i e s 域进行一定范围内的再碾压 4 较 高的碾压频 率能达 到更深 的有 效压实深 度 但是会造成土基表面应力的显著提升 因此应当 在一定范围内实行较高频率碾压 参考文献 Re f e r e nc e s 2 李昶 王传文 路基 冲击压实效果分析 J 公路交 通科技 2 0 0 8 2 5 4 5 7 6 1 L I C h a n g W A NG C h u a n w e n C o mp a c t i o n E ff e c t A n a l y s i s o f R o a d b e d U s i n g I m p a c t C o m p u t e r l J j J o u r n a l o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t a t i o n Re s e a r c h a n d D e v e l o p me n t 2 0 0 8 2 5 4 5 7 61 王鹏 郭成超 王海涛 增大击实功的路基压实试验 研究 J 公路交通科技 2 0 0 7 2 4 2 1 4 WAN G P an g G UO C h e n g c h a o WAN G Ha i t a o E x p e ri me n t a l Re s e a r c h f o r S u b g r a d e Co mp a c t n e s s Eff e c t o f I n c r e a s e d Co m p a c fi o n E n e r g y J J o u r n a l o f H i g h w a y a n d T r ans por t a t i o n Re s e arc h a n d D e v e l o p me n t 2 0 0 7 2 4 2 1 4 3 陈存礼 高鹏 何军芳 考虑结构性影响的原状黄土 等效线性模型 J 岩土工程学报 2 0 0 7 2 9 9 1 3 3 0 1 3 3 6 C H EN C anh G AO P e n g H E J u n f a n g E q u i v al e n t L i n e ar Mo d e l o f I n t a c t C o n s i d e ri n g S tr u c tu r a l E ff e c t l J C h i n e se J o u rna l o f G e o t e e h n i c a l E n g i n e e r i ng 2 O O 7 2 9 9 1 3 3 0 1 3 3 6 4 H A R D I N B O D R N E V I C H V P S h e a r M o d u l u s a n d D a m p i n g i n S o i l s M e a s u r e m e n t a n d P ar am e t e r E ff e c t s J J o u r n a l o f t h e S o i l Me c h a n i c s a n d F o u n d a t i o n En g i n e e rin g Di v i s i o n 1 9 7 2 9 8 6 6 0 3 6 2 4 5 高广运 时刚 顾中华 一个考虑循环荷载作用的简 化模型 J 岩土力学 2 0 0 8 2 9 5 1 1 9 5 1 1 9 9 GAO 1 舒l J 1 S i l l Ga n g GU Z h o n g h u a A S i mp h fie d El a s t o p l a s t i c Const i t u t i v e Mode l u n der U n d r a i n e d C y c h c L o a d i n g J R o c k a n d Soi l M e c han i c s 2 O O 8 2 9 5 1 1 9 5 1 1 9 9 6 P R E V O S T J H C A T H E R I N E M K S h e a r S t r e s s s t r a i n C u r v e G e n e r a t i o n f r o m S i m p l e Ma t e ri a l P ar am e t e r s l J j J o u r n a l o f G e o t e c h n i c al E n g i n e e ri n g 1 9 6 7 3 4 3 1 1 1 9 7 刘汉龙 余湘娟 土动力学与岩土地震工程研究进展 J 河海大学学报 1 9 9 9 2 7 1 6 1 5