基于填石路基施工技术的公路施工研究

王志建

（福建巧匠建筑工程有限公司,福建 三明 365000）

0 引言

随着中国公路建设迅速发展，山区公路建设也越来越普遍。在山路建设过程中会产生大量弃石，若不合理处理将对周围生态环境造成破坏。为了实现该建筑工程的利益最大化，可以利用填石路基的施工技术将弃石用于铺设路面和修筑路基。与传统的土石路基相比，填石路基在碾压过程中存在一些差异。由于碎石颗粒的形状和尺寸不同，粗料比较多、含石比例大、碾压过程中土石的匀称性不够好，导致土石的破坏比例和孔隙比例较高。因此，在对道路进行压实工艺时，填石路基与常规的土石路基有很大的区别。此外，由于施工性能指标的检测结果分散性较大，也会导致检测结果的精度下降。通过对某路面的填石路基施工碾压技术施工，可以计算出碎石道路上不同碾压速率下的压力影响因素和道路系数的变化，从而设定适当的压路机技术参数。在公路填石路基中，碎石颗粒呈散体特征，因此，项目组使用了EDEM 软件来体现颗粒的三维模型，并采用离散单元方式对碾压施工技术进行研究。从碎石颗粒的应力场和流速场两个角度，对其进行了分析，得到了在不同碾压参数下的基础关系。希望这些研究结果能为未来山区公路填石路基碾压工程提供参考。

1 工程概况

以某山区的公路工程为例，其路面全线长是14.865 km。该公路属于山脚下山丘地域，地形地貌比较复杂，所以该地段周围有较多的岩石，为了确保该工程的施工效率以及成本，最终选用填石路基技术来实施公路施工。施工单位为了保证施工质量，必须做好每个公路路基施工作业环节。

2 构建山区公路填石路基压实模型

2.1 山区公路路基种类

山区公路的填石路基通过选择规定区域内的粒径碎石作填料，结合堆积和挤压的方式而形成。碎石填料压实是通过物理的作用下，让碎石颗粒达到紧密性较好的效果，而从微观层面来看是碎石颗粒间的剪切、移动、嵌挤的一个过程，从宏观层面来看是指路基的松铺层变薄。所以说，路基填筑工程更多地体现出散体运动过程。

2.2 构建离散化模型

离散单元法（EDEM）属于典型的离散性化软件[1]，能够与各种流体动力学模拟软件相结合。主要用于物料的堆积、压实以及粒子的运输。由于道路地基上的碎石填充物是一种离散的颗粒，因此，对地基进行碾压操作也是离散的运动方式。于是，利用EDEM 的方法对公路基础碾压夯实的过程进行了模拟研究[2]，从而得到了颗粒与夯实过程接触力以及夯实程度的变动状况等。根据施工现场可知，筛选得出填料级配组成（如表1 所示）。而在实际铺筑基础施工的过程中，必须对颗粒较大的颗粒使用压路机进行二次破碎方可通过，该路面的碎石最大粒度为200 mm。为了把计算速度提升上来，把5 mm以内的岩石碎料忽略不计，因此，将该文研究的粒径确定在5～200 mm 范围内[3]。根据相关研究可知，典型粒径形状包括球形、棱锥形等，如图1 所示。

图1 典型粒径结构模型

表1 填料级配组成

它在压实和破碎材料的堆放以及颗粒的运输方面有着广泛的应用。由于碎石填料属于分散颗粒，压实过程也属于分散运动过程。

路基的高度由施工过程中所使用碾压机的轮子大小和路基松铺尺寸决定。如果该段公路中碎石颗粒的粒径最大值为200 mm，通常情况下，粒径的最大值是松铺尺寸的1/3～2/3，同时在进行模拟压实的过程中不考虑侧限这一问题，所以，得出松铺尺寸是490 mm。为了保证该山区公路路基施工质量，项目组选择使用18 t 激振力设备开展路基的压实施工作业[4]，将激振力仪器的振动轮阻角设定成8.863 °，并假定激振力仪器的振动齿轮与公路的路面以条形的形式相碰撞。通过激振力设备的振动齿轮的参变量，得出所建立模拟模型的尺寸要比0.309 mm 大，为1.6 m×0.9 m×0.72 m。为了让模拟结果精准度更高一些[5]，必须校准填料碎石间碰撞参数[6]。该文构建模型选用的颗粒材料为石灰岩，详细参数见表2。

表2 模拟颗粒材料参数

项目组采用Hertz-Mindlin 模型研究道路路基砾石层的碰撞问题。将仿真条件与现场的实际条件相结合，将模型的静止摩擦角设为37.36 °，停止状态的滑动摩擦角因子设为0.2，滑动条件的摩擦因子设为0.05，恢复因子设为0.15。并利用EDME 软件的几何模块来构建盒子的三维模型，将重力加速度设定为9.6 m/s²，将碎石的初始速度设定为3 m/s[7]。该模型的碎石颗粒总质量定义为1 200 kg，岩石颗粒生成模型见图2。

图2 岩石颗粒生成模型

2.3 荷载施加形式

振动碾石机是通过机械本身的重量和偏心引起的激励作用来工作的，并通过激振力来对土层实施碾压的过程。根据相关的研究能够了解到，激振力越大，振幅和频率越高，反之振幅和频率就越低。因此，振幅、频率和激振力之间存在着正比关系。机械振动轮的荷载施加计算公式如下：

式中，WZ——压路机振动轮负荷；F0——压路机所产生的激振力，与偏心块静偏心力矩、角速度有关；ω0——初始角速度。

荷载增加形式的主要作用是迁移和墙元增加。尽管墙块具有易于控制和施力精确的特点，但在离散元模拟中却没有惯性。因此，项目组可以使用加载位移块来调整负载速度。该文采用了墙元加载的方法来增加负荷，并提出了使用荷载作用下的能量曲线来模拟填料地基断面压实度的方法[8]。项目组通过调节振动幅度的频域来控制激励力，频率范围为29～36 Hz，振幅范围为1.0～2.1 mm。不同振幅和频率下的激振力结果见表3。

根据不同振幅来模拟公路路基的压实状况，为了提升模拟效果的真实性，将路基的静压次数设为两次，再按照表3 的振幅从小到大实施压实作业，模拟2 次，能够获得在不同压实程度下山区公路路基碎石碾压特征。

3 结果分析

公路路基实施碾压作业是减小碎石填料颗粒之间距离的过程。在这个过程中，一些颗粒的形状发生显著变化并受到了较大的碰撞力和外力作用，从而形成了强力链。而那些被遗漏的碎石颗粒则会进入缝隙中。因此，这些被遗漏的碎石颗粒所受到的外部负荷很小，形成的力链就是弱力链。这两种链在公路路基中均匀分布，并且力链的强度会随着外力负荷的变化而变化。通过选择一个法向量为（0,1,0）的断面平面，可以观察到，在不同堆积压力下，填石地基的压力场和速度场曲线越粗，则碰撞阻力越大。

3.1 颗粒自重和静压作用下的碰触力和速度变化

分析颗粒自身重力及静压作用下颗粒的碰触能力和频率。在静压的影响下，原来稳定情况下堆积的粒度情况进行变化，打破了原有的平衡现象，其中大的碎石颗粒所承受的碰触力要比小碎石大很多，因此，小碎石颗粒起到填充的作用。通过速度场可知，碎石颗粒整体运动趋势处于向下以及斜下的方向，在运动的过程中首先是大颗粒碎石移动，其移动时将挤压小颗粒碎石移动，因此，颗粒移动的趋势是由大应力向小应力移动，并且移动的速度是随着振幅的增大而加快。在碎石颗粒总量的影响下，路基上层的碰触力要小于下层的碰触力。当路基受到不同作用力时，所形成的力链是不相等的，碎石颗粒的稳固性取决于由大颗粒组成的粗粒链。在受到外界载荷时，上下的碎石颗粒会相互碰撞，导致颗粒间挤压并向下运动，从而使路基的松铺层变薄。形成的力链为上部粗粒链和下部细粒链，碰撞力集中在上方。

3.2 应力场和速度场

分析在不同振幅作用下公路填石路基的应力场和速度场发生的变化。外部荷载的作用破坏了原有平衡的颗粒链，导致碎石颗粒排列发生改变，松铺面变薄，从而提高了填充物的紧密程度。在1 mm 振幅作用下，产生的最大碰触力为3.1×104N，所形成的最大速率为1.02 m/s；最大碰撞力为4.36×104N。在1.9 mm 振幅作用下，最大速度为1.16 m/s。因此，在1.0～1.9 mm 振幅作用下，碰触力的变化幅度要大于速度的变化幅度，表明了撞击能量在由表面碰撞变化时消耗了大量动能，而由摩擦力引起的动能变化相对较小。当振幅增加到2.1 mm 时，最大碰触阻力为4.37×104N，最大速度为1.21 m/s。此时，撞击力的很大一部分转化为动能。碎石填充物颗粒相互撞击，产生碰撞动态摩擦，减弱的抵抗导致力链断裂，不断碰撞使颗粒越来越紧密。

3.3 卸载后碎石颗粒应力场和速度场

在卸荷后，一些碎石颗粒会发生回弹现象，大颗粒碎石会上升，而小颗粒则相反。在达到一种新的平衡后，整个碎石颗粒将向下移动。因此，选择小颗粒碎石作为公路路基填料，以提高路基表层的密实度。分析整个压实施工过程可以得出，路基的结实程度是由于颗粒力链的持续破坏和重组所产生的。在这种情况下，大颗粒形成了强大的链状结构，为道路路基的密实提供了良好的基础，而小颗粒则填补了空隙。因此，可以看出，大颗粒碎石的粒径是影响道路路基压实程度的关键因素，并且对于振动压实工艺有着良好的作用。当振幅较大时，可以降低碎石颗粒之间的摩擦，从而降低力链网络。因此，在具体的道路路基施工中，选择较大振幅可以获得良好的压实施工技术。

4 结语

综上所述，该文利用离散元模型（EDEM）方法建立了该公路填石基础的实现技术，研究了在压实过程中填石基应力场和速度场之间的变换现象，以判断填石路基技术实现的主要影响因子。在对砾石块进行冲击和碾压时，小颗粒链结构会持续地破坏和重组，大粒径所构成的链框架会变得更强大，并承担外部大部分载荷，而小颗粒则成为比较脆弱的链条。与此同时，大粒径碎石会引领着小粒径碎石整体向下或斜下部移动。随着压实度的不断提高，振动幅度也不断增大，从而增加了公路路基的密实程度。