南京某市政道路土石混合路基填料壓實特性數(shù)值模擬分析

薛鷺鷺

摘 要：為簡化路基填料壓實度測量時間與費用，本文以南京某市政道路為研究對象，借助二維顆粒模擬技術(shù)，即PFC2D進行壓實度數(shù)值模擬，詳細研究了路基填料的壓實過程與接觸力鏈的變化情況，經(jīng)與實測值對比分析，5個測點壓實度的計算誤差率在-0.135%～0.023%范圍內(nèi)，誤差較小，計算精度較高，能很好地反映實際的壓實度情況。最后，基于大量實測值建立了道路土石混合填料的EVD的預(yù)測模型計算公式。本文研究結(jié)果可為同類市政工程土石混合填料的壓實計算提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：道路填料壓實特性;數(shù)值模擬分析;計算精度比較;EVD預(yù)測模型

0 前言

南京江寧地區(qū)地基土中碎石、巖體顆粒含量較高，由于碎石、巖體顆粒硬度高、透水性好、單價低廉，是一種良好的路基填筑材料，被廣泛應(yīng)用于南京市的相關(guān)道路工程路基鋪筑建設(shè)中。同時，在實際應(yīng)用過程中，由于南京江寧地區(qū)的碎石含量占比較大，一般可達到20%以上，且粘粉粒含量小于5%，因此粘聚力較差。根據(jù)《城市道路設(shè)計規(guī)范》[CJJ37.2012]，必須對土石混合填料含量的路基進行壓實度檢測。目前常用的檢測方法有灌砂法和灌水法。這兩類方法檢測需要時間較長，需要消耗較多的人力、物力資源，影響工期進度。為研究快速檢測的方法，本文以南京某市政道路為研究對象，借助二維顆粒模擬技術(shù)，即PFC2D進行壓實度數(shù)值模擬。

1 實例工程概況

實例工程位于江寧高校區(qū)，路線全長約5.28 km，其中道路紅線寬為40 m。道路橫斷面布置為雙向6 車道，規(guī)劃為城市主干路，設(shè)計速度為60 km/h。工程所在區(qū)域地層土體中，紅黏土和中風(fēng)化白云巖的含量較高。

2 PFC2D數(shù)值模擬計算

2.1 計算流程原理

PFC2D的力學(xué)原理是根據(jù)牛頓第二定律等經(jīng)典力學(xué)，根據(jù)顆粒之間的作用力和反作用力確定相對位移，經(jīng)過迭代循環(huán)，達到所有顆粒之間的平衡和穩(wěn)定。

2.2 計算參數(shù)設(shè)定

根據(jù)實例工程的實際情況輸入顆粒的總質(zhì)量、每級顆粒組成所占的百分比含量、顆粒數(shù)目（根據(jù)該級顆粒的總質(zhì)量、平均粒徑推求顆粒數(shù)目）、顆粒重度、顆粒孔隙率、含水率、承載力參數(shù)等相關(guān)參數(shù)。

2.3 級配顆粒生成及加載

根據(jù)實例工程的實際情況，進行建模分析。在實例工程中，碎石、巖體顆粒形狀為不規(guī)則分布，其中值粒徑與最大粒徑比值基本在0.35～0.40范圍內(nèi)。為保證模型計算收斂性同時減少計算量，將碎石、巖體顆粒簡化為長寬比為1.0～1.8的圓形或橢圓形顆粒。

在PFC2D模型里生成級配顆粒圖，機進行振動壓實工況下，簡偕振動力加載過程。

2.4 壓實過程數(shù)值模擬

根據(jù)實例工程的實際情況模擬壓實過程，模擬結(jié)果見圖1。壓實1遍至5遍的過程見圖1（a）至圖1（f）。分析可知：

（1）壓實的過程實質(zhì)是填料顆粒重新排列和藿香填充的過程，隨著壓實遍數(shù)的增加，單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)量增加，密實度增大，孔隙率大幅下降，硬度和承載力也顯著提升。

（2）實例工程在壓實一遍之后，壓實度達到75%的顆粒為92.35%;平均值為94.22;實例工程在壓實兩遍之后，壓實度達到75%的顆粒為95.38%;平均值為96.17;實例工程在壓實三遍之后，壓實度達到75%的顆粒為95.65%;平均值為96.35;實例工程在壓實五遍之后，壓實度達到75%的顆粒為95.83%;平均值為96.68。

由此可見，在壓實兩遍之后，實例工程土體已基本完成壓實、固結(jié)，孔隙率基本趨于0，再被壓實的空間較小。

可見壓實2～3遍可以滿足設(shè)計壓實度要求，且最為經(jīng)濟合理。

3 數(shù)學(xué)模型計算精度分析

根據(jù)實例工程實際壓實過程與測量結(jié)果，分析本文數(shù)學(xué)模型計算的精度。

3.1 壓實度數(shù)模計算精度分析

在實例工程中選擇5個測點，各壓實遍數(shù)情況下，壓實度的模擬值與計算值統(tǒng)計結(jié)果見表1。分析表1可知，各測點壓實度的計算誤差率在-0.135%～0.023%范圍內(nèi)，誤差較小，計算精度較高，能很好地反映實際的壓實度情況。

3.2 壓實度預(yù)測模型建立

根據(jù)實測結(jié)果，對所測壓實度進行分區(qū)，取壓實度范圍處于[93.5，94.5]的測點視為94區(qū)。在5%的置信區(qū)間下進行回歸分析，分析結(jié)果如表2。

因此，可得到EVD的預(yù)測模型計算公式如下：

（式1）

式中，為含石量;為最大粒徑;為含水量。

4 結(jié)論

本文以南京某市政道路為研究對象，借助二維顆粒模擬技術(shù)，即PFC2D進行壓實度數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

（1）實例工程在壓實兩遍之后，實例工程土體已基本完成壓實、固結(jié)，孔隙率基本趨于0，再被壓實的空間較小。

（2）在滿足設(shè)計壓實度要求的前提下，實例工程進行2～3遍壓實作業(yè)最為經(jīng)濟合理。

（3）經(jīng)與實測值對比分析，5個測點壓實度的計算誤差率在-0.135%～0.023%范圍內(nèi)，誤差較小，計算精度較高，能很好地反映實際的壓實度情況。

（4）基于實測值建立了EVD的預(yù)測模型計算公式。

參考文獻：

[1]項偉圓.粗粒料振動壓實影響因素的數(shù)值模擬[D].江蘇：東南大學(xué)，2007.

[2]楊蔭華.土石料壓實和質(zhì)量控制[M].北京：中國水利水電出版社，1992：25-28.