沖擊壓路機在黃土路基補強壓實中應力分析

張　雷，梁　鴻，李　穎

(內蒙古農業大學能源與交通工程學院，內蒙古 呼和浩特　010018)

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沖擊壓路機在黃土路基補強壓實中應力分析

張雷，梁鴻，李穎

(內蒙古農業大學能源與交通工程學院，內蒙古 呼和浩特010018)

摘要：為了確定沖擊壓路機在黃土路基中的有效影響深度，通過對沖擊碾壓過程中一個循環周期進行力學分析，把沖擊荷載簡化成半正弦荷載形式，選用擬靜力法進而計算出不同填土深度土的應力，得到應力分布規律；進行不同填土深度的壓力檢測試驗，并和理論計算進行比對。通過理論計算結果和現場實測數據共同確定出沖擊過程中的有效影響深度。

關鍵詞：沖擊壓路機；沖擊荷載；應力分布；有效影響深度

1引言

準池鐵路是一條承擔煤炭資源加速快運任務的重要樞紐線，屬于重載鐵路，要求路基有更高的剛度、強度、穩定性和抵抗變形能力。本段路基主要是由黃土組成，黃土對水很敏感，遇水后物理、力學性質發生變化；具有孔隙大、壓縮性高、承載力低、均勻性差等物理特性。鑒于路基填料特殊性，該段路基需要更充分的壓實。沖擊壓路機作為一種新型的壓實技術，具有沖擊、振蕩、強夯綜合性壓實功效，由于沖擊壓路機沖擊力大、作用深度深等特點，沖擊壓路機被廣泛的應用在工程建設的各個方面。為了高質量的完成這段路基的施工，進一步解決和改善黃土路基難以壓實的工程難題，特地采用了YCT-25型沖擊壓路機進行黃土路基的補強沖擊碾壓。

2土中應力計算

2.1沖擊壓路機工作原理

沖擊壓路機對路基碾壓示意圖如圖1。當沖擊碾靜止時，即圖1(1)所示位置，沖擊碾只有自重壓力作用在路基上。伴隨牽引車的前行，沖擊碾轉動到如圖1(2)，此時沖擊碾的重心上升，產生重力勢能，當沖擊碾重心上升到最高點時，沖擊碾的勢能最大。圖1(3)，隨著沖擊碾的重心下降，勢能逐漸減小，動能逐漸增大。最后，如圖1(4)所示，勢能全部轉化為動能，并且全都用來對路基土做功，兼具揉壓、滾壓的綜合作用，使土體達到密實。沖擊碾每轉動一周，其重心上升下降三次，即對地面沖擊碾壓三次，由此可以把對地面的每一次沖擊碾壓簡化成強夯，本文將對其沖擊碾壓的三分之一周期進行力學分析。

2.2最大接觸應力

本文將采用擬靜力法對沖擊碾壓進行理論分析，所謂擬靜力法就是先通過某種理論得到接觸面上的最大接觸應力，然后把最大接觸應力看為靜力荷載作用在土體上，進而求得土中附加應力。表面接觸應力，是理論分析的基礎，也是數值模擬的前提。大量的試驗和研究表明：沖擊荷載沒有明顯的第二應力波，劉漢龍等人在錢家歡法基礎上，將強夯沖擊荷載形式簡化成標準的正弦函數。將采用半正弦荷載進行力學分析，沖擊荷載可表示為

σ=σmaxsin(ωt)，(t≤T)

(1)

在沖擊應力達到最大值時，豎向位移達到最大值，然后隨著荷載的減小，而出現一定回彈，最終的殘余沉降量wf為

假定在加荷階段某時刻t1位移達到殘余沉降wf后，位移不再增加也不回彈而將其作為殘余沉降保持不變，即w=wf，可解得

(3)

時刻t1對應的應力為

(4)

式中：πa2為沖擊輪與路基接觸面積。

將t1時刻的應力作為考慮阻尼修正后的最大沖擊應力σmax

(5)

把式(5)代入式(1)可得正弦荷載下應力公式

(6)

2.3土的自重應力

σcz=γZ

(7)

式中：γ為土的容重。

2.4土的附加應力

把接觸面簡化成為條形基底受豎直均布荷載作用的情況考慮，土中任意點M(x,z)的豎向應力σz為

=αup

(8)

2.5土的總應力

由自重應力與附加應力的線性疊加，可以計算出各點土的總應力

σ′=σcz+σz

(9)

該工程選用的沖擊壓路機型號為YCT-25，壓路機質量為15.5 t，沖擊輪質量為12 t，靜態能量為25 kJ，N=mgh，g=9.8 m/s2，h=R-r=0.2 m，r為沖擊輪內側半徑，R為沖擊輪外側半徑，設計速度10～15 km/h,按行駛速度12 km/h進行計算。通過計算可得如表1。

表1　應力計算結果

通過計算可以得出沖擊輪接觸面下方不同深度土的總應力。正如表1所示：隨著填土深度的增大，作用在路基上的沖擊荷載隨之減?。划斕钔辽疃?1.5 m時，附加應力衰減較快；當填土厚度到達2 m時，附加應力已衰減84%；當填土深度超過2 m時，附加應力衰減緩慢。綜上所述，沖擊荷載對2 m以下的填土幾乎起不到壓實作用，考慮到黃土路基的特殊性，同時為了保證路基的壓實度，所以沖擊壓路機在該工程中有效影響深度范圍為1.5～2 m。

3現場試驗

通過不同填土深度的壓力大小，可以表明沖擊荷載對路基的壓實效果，所以進行了不同填土深度的土壓力檢測試驗，試驗不但能與驗證理論計算做比對，而且能進一步分析沖擊壓路機的有效影響深度。本試驗采用土壓力傳感器埋設方法得到檢測數據，試驗采用科研CYG712型土壓力傳感器。主要參數如下：

固有頻率：≥20 kHz

非線性：±0.2%～±0.5%

供電方式：①恒流源或恒壓源，②±15VDC

輸出方式：差分毫伏信號，標稱值100 mV±30%；配有放大器，標準值0～5 V

測量介質溫度：-10～100 ℃

補償溫度：0～60 ℃

年穩定性：0.2～0.5%FS/年

3.1現場試驗方案

設計埋設土壓力傳感器，每一組由5個土壓力傳感器組成，5個土壓力傳感器對應埋設在填筑了1 m、2 m、3 m、4 m和5 m高度的黃土路基下。每一組傳感器布局如圖2所示。

圖2　埋設土壓力傳感器示意圖

3.2試驗方法

(1)選擇代表性路段，對原地面進行處理。

(2)埋設土壓力傳感器(見表2)。

表2　現場儀器埋設位置

(3)鋪筑路基。

(4)數據采集及分析。

根據土壓力傳感器對應的轉換公式，將采集到的頻率值換算成壓力值

P=K×(F0-Fi)

(10)

式中：K為應力盒標定參數；F0為初始頻率；Fi為檢測到的頻率。

表3　現場沖擊壓力值

根據表3可以看出 ：在有效沖擊遍數范圍內，伴隨沖擊次數增多，同一埋深處壓力值顯著增大；埋深在1 m處最大壓力值108.7 kPa，2 m最大壓力值為36.9 kPa，3 m最大壓力值僅為17.1 kPa；可見沖擊力隨填土深度增加衰減明顯，當填土深度在2 m以下時，沖擊壓力還沒有土自重應力大，對土的壓實基本不起作用，表明沖擊壓力有效影響范圍為2 m。

3.3理論計算與現場實測數據對比

通過理論計算結果與現場實測數據比對得到：理論結果和實測數據衰減規律總體上一致，當填土深度達到2 m，沖擊應力衰減85%左右；理論計算比實測數據略大，這種偏差是必然存在的，但在合理范圍內。分析其中原因主要有：

(1)把土體假設為無限均勻分布的彈性體；

(2)通過半正弦荷載模型計算出沖擊輪最大接觸應力；

(3)理論結果是沖擊輪接觸面正下方土的豎向應力，實測數據為任意點土的應力。

4結束語

通過研究沖擊壓路機工作原理，把沖擊壓路機一個循環周期的三分之一視為一次強夯。把沖擊荷載簡化為半正弦荷載，通過半正弦荷載模型計算出沖擊輪最大接觸應力，根據擬靜力法計算出土的總應力，由附加應力衰減趨勢確定出有效影響深度。并在現場進行了不同填土深度的土壓力檢測試驗，將理論計算結果與現場實測數據進行比對，得到理論計算和實測數據變化趨勢總體上一致。最終通過理論研究和實際數據，確定了沖擊壓路機在該黃土路基有效影響深度。

參考文獻：

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收稿日期：2015-11-05

作者簡介：張雷(1989-)，男，山西運城臨猗人，碩士研究生，從事道路工程相關工作研究。

基金項目：重載鐵路黃土路基沖擊壓實機理與質量控制研究(207-003)

中圖分類號：U416

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)06-0011-03