钢轮与填筑体相互作用机理及压实质量智能无损检测_杨祥.pdf

第 19 卷 第 94 期 交 通 节 能 与 环 保 Vol.19 No.2 2023 年 04 月 Transport Energy Conservation Environmental Protection April.2023 doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.02.034 钢轮与填筑体相互作用机理及压实质量 智能无损检测 杨 祥1，邸洪江1，王庆远1，薛 冬1，陈思德2（1.河北雄安荣乌高速公路有限公司，河北 雄安 071000；2.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401）摘要：决定高速公路工程建造质量的关键因素是填料和碾压，工程质量的重点在于压实质量的控制。本文基于碾压钢轮对土体振动压实过程的研究，建立钢轮与填筑体相互作用模型，土体在振动压实过程中会发生黏弹塑性变化，碾压机的移动和移动速度会影响土体与振动轮的相互作用关系；设计试验研究土体振动压实过程中物理力学性质变化，利用颗粒流程序 PFC3D 建立离散元模型，模拟振动压实过程，研究振动压实过程中土颗粒运动状态，土体孔隙率、应力变化。面波瑞利波检测压实质量是一种方便、快捷、无损的检测方法，可基于波速理论检测压实质量，对瑞利波频散曲线的提取、正反演过程进行研究，设计试验，检测土体压实质量。关键词：道路工程；相互作用机理；离散元；瑞利波；压实质量 中图分类号：U415.11 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）02-0184-07 Study on the Interaction between Steel Wheel and Filling Body and Intelligent Compaction Quality Detection YANG Xiang1,DI Hongjiang1,WANG Qingyuan1,XUE Dong1,CHEN Side2(1.Hebei Xiongan Rongwu Expressway Co.,Ltd.,Xiongan Hebei 071000,China;2.College of Civil Engineering and Transportation,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)Abstract:The key factors determining the construction quality of expressway project are filling and rolling,and the focus of project quality lies in the control of compaction quality.Based on the research on the vibration compaction process of soil by rolling steel wheel,the interaction model between steel wheel and filling body is established.The soil will change viscoelastoplastic in the process of vibration compaction,and the movement and speed of roller will affect the interaction between soil and vibrating wheel.Experiments were designed to study the changes of physical and mechanical properties of soil in the process of vibratory compaction.We established a discrete element model by using particle flow program PFC3D to simulate the process of vibratory compaction,and studied the movement state of soil particles,the changes of soil porosity and stress in the process of vibratory compaction.Surface wave Rayleigh wave testing compaction quality is a convenient,fast and nondestructive testing method.It can test compaction quality based on wave velocity theory,study the extraction and forward and inverse process of Rayleigh wave dispersion curve,design tests and test soil compaction quality.Key words:road engineering;interaction mechanism;discrete element;Rayleigh wave;compaction quality 收稿日期：2022-08-03 基金项目：高速公路智能建造装备技术与应用示范（KT-4）作者简介：杨祥（1969-），男，四川绵阳人，本科，会计师，从事高速公路建设与运营工作.（）第 2 期 杨祥等，钢轮与填筑体相互作用机理及压实质量智能无损检测 185 0 引言 目前高速公路的建设需求随着我国基础建设事业的发展也在不断增加，通过对高速公路路基碾压过程中碾压机振动钢轮与填筑体相互作用的研究，模拟振动压实过程，探索一种高速、高效、无损的压实质量检测方法，可进一步促进现代筑路技术的发展，将有效促进高速公路的智能化建造，提高高速公路建设速度和压实质量检测效率，形成筑路工程的革命性发展。有关碾压机振动钢轮与填筑体的相互作用机理的研究，主要是通过建立一系列振动压实模型，来反映振动压实过程中钢轮与土体的相互作用关系，促进振动碾压机振动压实技术的智能化发展。最早由YOO.T.S 等提出经典二自由度振动压实模型1，H.Thurner 考虑振动碾压机的水平作用，提出单自由度振动压实模型2，通过改进，一些学者考虑碾压机整体提出了 3 自由度减振系统模型3，5 自由度模型4，6 自由度模型5，7 自由度模型6等一系列多自由度模型；一些学者考虑“跳振”现象，建立了振动压实模型7，以及考虑土体软化应变的二自由度模型8，考虑滞回作用的黏弹性振动压实模型9，考虑碾压机行走的振动压实模型10等。通过击实试验和 PFC3D 软件模拟，总结出一套利用离散元模型，将试验和模拟相结合，不但可以验证所建模型的可靠性，还能够在一定程度上揭示土颗粒在振动压实过程中的微观机理，对宏观振动碾压试验进行验证和补充，可通过此方法来模拟和研究外力作用下土体与钢轮的相互作用规律。对于压实质量的检测，传统的检测方法，灌砂法、灌水法、环刀法11-12存在对压实土体造成损害，点测缺乏代表性、耗时长、工作量大等问题；核子密度仪13设备存在危险性，使用复杂，需要专业技术人员；承载比 CBR 实验14试件制备耗时长，点测缺乏代表性；还有其他一些间接测试压实质量的方法如探地雷达、动态回弹模量测试法15等，在使用上存在技术不成熟，精确度不高等问题。瑞利波波速与传播介质密度存在相关关系，并且检测起来安全、高效、快捷便利、无损，可应用于压实质量的检测中。1 钢轮与土体相互作用模型 在路基土振动压实过程中，碾压机通过振动轮对地基土体施加静载力和激振力，使地基土在压实过程中发生压缩变形，地基土在压缩变形过程中土体的密实度增大，孔隙率会相对降低，在变化过程中，土体抵抗外力变形能力、承载能力、防渗性和整体稳定性也随之增强。在对振动碾压机的研究过程中，通过理论分析、数据模拟、现场试验和模拟实验发现地基土的压实效果与振动碾压机的振动器质量、激振力、振幅、振动的频率和持续时间等因素有关。为达到振动碾压机的功能要求和适应振动压实技术的智能化发展，以及真实反映出振动压实过程中土体与振动钢轮的相互作用关系，建立出了一系列振动压实模型，来反映振动压实过程中钢轮与土体的相互作用机理。碾压机在振动压实过程时，位移是不断变化的，但是以上建立的模型皆没有考虑碾压机的行走，所建立的模型都是碾压机振动轮在固定位置对土体的振动压实过程，土体和碾压机振动轮的相互作用只存在固定位置竖向和水平方向的变化，并没有考虑碾压机的移动。为了使建立的模型更加贴近工程实际，需要将碾压机的移动考虑到模型的建立中。可在黏弹塑性振动压实模型的基础上考虑碾压机行走振动压实的过程，建立黏弹塑性条块模型，将土体划分为不同的条块，各个条块与碾压机振动轮接触情况不同，土体的压实度以及变形情况也不同。考虑碾压机行走的黏弹塑性模型将土体进行条形划分，分为碾压前、碾压中和碾压后，如图 1、图 2 所示。t1-碾压后、t2-碾压前、F(t)-激振力、v-行进速度。图 1 考虑碾压机行走的振动压实模型 Fig.1 Vibration compaction model considering the running of roller 186 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 m1-上机架质量、x1-上机架位移、kj-减振器弹性刚度、cj-减振器阻尼、m2-振动轮质量、x2-振动轮位移、kf1-碾压后土体塑性刚度、kf-碾压中土体塑性刚度、kf2-碾压前土体塑性刚度、xf-土体附加位移、kt1-碾压后土体弹性刚度、ct1-碾压后土体阻尼、kt-碾压中土体弹性刚度、ct-碾压土体阻尼、kt2-碾压前土体塑性刚度、ct2-碾压前土体阻尼。图 2 考虑碾压机行走的黏弹塑性模型 Fig.2 Relativistic plastic model considering the running of roller 通过对碾压机振动轮与土体相互作用机制的研究可以发现，在振动压实过程中，碾压机参数、土体的相关参数是变化的，参数的变化会引起压实度、变形情况的变化。目前缺少可以准确具体描述碾压机振动压实作用下土体变形的模型。大部分振动压实模型没有考虑碾压机行走以及行走速度对土体振动压实的影响，无法全面准确地模拟土体压实过程中土体的变化，以及土体微观参数在振动压实过程中的变化。2 设计实验模拟压实过程 2.1 通过击实实验，直剪试验测定土体黏聚力和摩擦角 击实实验采用锤重 4.5kg 的 TDJ-3 型多功能电动击实仪，锤落高为 457mm，锤击分三次进行，每次锤击 29 次。试验过程大致为，首先分 3 次在击实筒内加入含水量为 14%的扰动土样，每铺一层后启动击实仪，击锤按规定高度落下，锤击 29 次之后，该层的击实结束，需要注意每层击实结束后需将土层表面“拉毛”，3 次击实之后击实筒内装满击实土。测量击实筒的质量和体积，可以得到筒内压实土的湿密度为1.95g/cm3，取部分土样进行烘干处理，可得到被击实土样的干密度为 1.71g/cm3。采用环刀法，取出四份土样进行直剪试验，采用ZJ 型应变控制式直剪仪（四联剪）进行直剪试验，测定锤击土体的黏聚力和摩擦角。（a）剪应力与剪切位移 关系曲线（b）抗剪强度与垂直压力 关系曲线 图 3 直剪试验剪应力与剪切位移关系曲线、抗剪强度与垂直压力关系曲线 Fig.3 Relation curve between shear stress and shear displacement，shear strength and vertical pressure in direct shear test 表 1 击实实验所得相关参数 Tab.1 Relevant