高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究 73页

分类号：密级：UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究论文作者：魏晓培学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：交通运输工程指导教师：宋金华职称：教授nDissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterofEngineeringDegreeofCommunicationandTransportationEngineeringRESEARCHONTHETECNOLOGYOFBACKFILLINGBRIDGEBACKWALLSUBGRADEBYRAPIDIMPACTCOMPACTORbyWeiXiaopeiSupervisor:Prof.SongJinhuaNovember2015n原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：n摘要当今在高速公路的路堤填筑中，尤其是特殊地基和狭小面积的填筑，传统压实技术及施工工艺不能使得整体压实度达到规定要求，而基于此发展起来的快速液压夯实法是一种能够有效避免工后沉降大，整体压实度不能满足要求的施工技术，该技术弥补了表层压实技术、振动压实和强夯的不足之处。因此本文对快速夯实法的夯实机理和特点进行分析，并初步分析总结桥头跳车的机理和差异沉降控制标准，为数值模拟和现场施工参数选取、效果分析奠定理论基础。通过使用ANSYS软件模拟计算不同工况，针对不同的设备冲击能量和次数，不同锤重、锤径等因素，分析夯实机在夯实时的夯实有效影响深度及夯实的安全距离，夯点的布置等，模拟分析快速液压夯实对公路路基的夯实效果，结合唐廊高速公路天津段施工现场实际实测情况，针对天津地区的特殊地质采取的换填方案，提出一套针对天津地区进行快速夯实法施工的施工控制参数和施工工艺，完善桥头路基快速夯实的施工质量控制技术，用以指导现场施工，优化施工工艺、施工参数和质量控制方法。同时结合天津地区实际情况，进行软件模拟和实际情况对比分析，为工程施工提供参考价值，并为进一步研究方向的明确提供建议。关键词：快速夯实桥头地基处理有限元法施工参数补强施工InABSTRACTTodayinthehighwayretailingbackwallsubgradefilling,especiallythefillingofspecialfoundationandnarrowarea,thetraditionalcompactiontechnologyandconstructiontechnologycannotmakingthedegreeofcompactiontomeetthestandardrequirements.Therapidimpactcompactorwasinventedbasedonthissituation.Itcaneffectivelyavoidthelargepost-constructionsettlementandthenotenoughoveralldegreeofcompaction.Thistechniquemakesupthetechnologygapbetweenthesurfacecompaction,vibrationcompactionanddynamiccompaction.Sothispaperanalyzesthemechanismandcharacteristicsoftherapidcompactionmethod,andpreliminaryanalysisofthemechanismanddifferentialsettlementcontrolofthebridgeheadjump,laythetheoreticalfoundationofthenumericalsimulation,theselectionoftheparametersofthefieldconstruction,andtheeffectanalysis.ByusingANSYSsoftwaretosimulatedifferentworkingconditions,accordingtodifferentimpactenergyandimpactnumber,differenthammerweight,hammerdiameterandotherfactors,toanalysiseffectiveimpactdepthandsafedistance,andthearrangementoftheimpactpoints.Simulationanalysisontheeffectofrapidimpactcompactiononthehighwayretailingbackwallsubgradefilling.CombinedwiththeactualdatabyonsitemeasurementofTianjin-Tangshanhighwayjoblocation,accordingtothespecialgeologicalconditionsofTianjinarea,asetofconstructioncontrolparametersandconstructiontechnologyisputforwardtoimprovetheconstructionqualitycontroltechnologyofbridgefoundationinTianjinarea.Atthesametime,combinedwiththeactualsituationinTianjinarea,comparethesoftwaresimulationandtheactualsituation,toprovidevaluablesuggestionstothesiteoperation,andalsoforfurtherresearch..Keywords:RapidimpactFoundationtreatmentFiniteelementConstructionparametersReinforcingconstructionIIIn目录第一章绪论.......................................................................................................................-1-1.1研究背景及意义....................................................................................................-1-1.2夯实机国外应用及研究现状...............................................................................-2-1.3夯实机国内应用及研究现状...............................................................................-3-1.4桥头台背回填质量控制国内外研究现状............................................................-5-1.4.1桥涵台背用土工格栅处理..........................................................................-5-1.4.2加筋土整体式桥台......................................................................................-5-1.4.3应用强夯法处理桥头地基..........................................................................-5-1.4.4应用刚柔过度手段处理桥头地基..............................................................-6-1.4.5搞好后台排水，保证排水畅通..................................................................-6-1.5研究的主要内容....................................................................................................-6-1.6研究的创新性........................................................................................................-7-1.7研究的主要方法....................................................................................................-7-第二章高速公路桥头跳车机理分析和施工控制标准...................................................-9-2.1路桥过渡段跳车的原因分析................................................................................-9-2.2路桥过渡段差异沉降的危害..............................................................................-10-2.3路桥过渡段差异沉降控制标准..........................................................................-10-2.3.1容许台阶高度............................................................................................-10-2.3.2容许工后沉降............................................................................................-10-2.3.3容许纵坡坡差............................................................................................-11-2.4本章小结..............................................................................................................-12-第三章高速液压夯实的动力学分析.............................................................................-13-3.1高速液压夯实机的整体结构..............................................................................-13-3.2高速液压夯实机夯实机理分析.........................................................................-13-3.3快速液压夯实机的波动力学分析.....................................................................-15-3.4快速液压夯实机的振动力学机理分析..............................................................-16-3.5本章小结.............................................................................................................-19-第四章快速夯实法的算例数值模拟分析...................................................................-21-4.1ANSYS/LS-DYNA程序介绍............................................................................-21-Vn4.2分析求解步骤概述.............................................................................................-22-4.3土体的本构模型.................................................................................................-22-4.3.1Drucker-Prager准则..................................................................................-22-4.4快速夯实仿真模型的建立.................................................................................-24-4.4.1单元类型的选择.......................................................................................-24-4.4.2材料属性的定义.......................................................................................-24-4.4.3单元网格的划分.......................................................................................-25-4.4.4边界条件...................................................................................................-26-4.4.5荷载形式...................................................................................................-26-4.4.6荷载作用情况............................................................................................-27-4.5计算结果分析.....................................................................................................-27-4.5.1沉降量与竖向深度...................................................................................-27-4.5.2沉降量与水平距离...................................................................................-31-4.6不同计算工况模拟分析......................................................................................-32-4.6.1不同锤重下的影响范围分析...................................................................-33-4.6.2不同锤径下的影响范围分析...................................................................-35-4.7本章小结..............................................................................................................-36-第五章高速液压夯实技术工程应用实例.....................................................................-37-5.1工程概况.............................................................................................................-37-5.2.工程地质条件.....................................................................................................-38-5.2.1特殊土........................................................................................................-38-5.2.2水文地质条件............................................................................................-38-5.2.3地层岩性....................................................................................................-38-5.2.4土层特征描述............................................................................................-39-5.2.5地基基础分析与评价................................................................................-41-5.3桥头路基处理方案的设计..................................................................................-41-5.3.1桥头路基施工方案....................................................................................-42-5.3.2试验填土控制和试验检测........................................................................-43-5.3.3快速夯实法夯实参数的选择....................................................................-44-5.3.4现场压力盒布置方案................................................................................-45-5.4夯实.....................................................................................................................-47-5.4.1应力值测定................................................................................................-47-5.4.2沉降值测定...............................................................................................-48-5.4.3压实度测定................................................................................................-52-VIn5.5现场试验与数值模拟结果对比.........................................................................-55-5.5.1数值比较....................................................................................................-55-5.5.2差异原因分析............................................................................................-55-5.6本章结论.............................................................................................................-55-第六章结论与展望.......................................................................................................-57-6.1结论......................................................................................................................-57-6.2展望......................................................................................................................-58-参考文献...........................................................................................................................-59-攻读学位期间所取得的相关科研成果...........................................................................-63-致谢...........................................................................................................................-65-VIIn河北工业大学硕士学位论文第一章绪论1.1研究背景及意义在高速公路建设项目中，由大量的立交桥涵形成的桥头台背路基施工的质量与控制问题，是一个极难解决的问题。由于大型压实机械在压实过程中容易形成该部位压实的“死角”，从而导致桥面与路面结合及填挖交接等部位产生差异沉降，通车后桥头填土与桥梁结构之间在荷载反复长期作用下，使得差异沉降进一步加剧，造成车辆行驶过该处时发生震动、颠簸等行车跳跃的现象。在高速公路的通行中，由于行车速度快，更会造成行车舒适度显著降低、车辆更容易受冲击破坏、甚至对桥头结构造成破坏等现象。天津市市区至滨海地区处于海河冲积平原与退海成陆的交汇地带，土壤[1]盐碱、粘重，有着深厚的软土层，且分布范围广泛。这类土地基承载力差，沉降变形大，这些都加大了公路桥梁的维修养护难度，同时提高了经济投入，因此针对天津地区桥头跳车现象进行研究是十分必要的。蛙夯起源于20世纪60年代，从理论分析上它只能对土壤施加一定的冲击力，但是振动波的传播缺乏连续性，夯实能量低，导致压实效果差，压实深度不够。此外其[2]-[3]耗能高，噪音大，工作效率低下，且无法夯实含有碎石沙砾等强度较高的路基。尤其在高速公路的路基回填夯实中，因分层碾压过多，整体压实质量不易控制，传统方法使用小型压实机具，或者蛙夯进行分层压实，因为冲击能量不够，可能会引起路面的工后沉降大及路基承载力不足，甚至导致路堤边坡失稳，特别是在路基工程施工中的某些特殊地段，如桥台背路基，从而造成公路运行后出现各种不利情况，如桥头跳车，路面破损，沉降较大等现象。相比而言，后续发展出的振动平板夯和振动冲击夯是比较先进的压实机械，冲击[4]-[5]夯实具有小振幅高频率，高安全性的特点，广泛的应用在局部公路的修复中。然而由于平板夯在被压材料的接触平面上施加的单位面积荷载相对较低，且其连续性差、压实效率相对低下，因此只能适用在沙砾基层和沥青路面，不能满足路基压实，尤其是桥头台背路基压实的要求。[6]法国的路易·梅那于1870年创立了强夯加固技术。原理是将8-40吨的重型夯锤从5-40米的高度自由下落，巨大的冲击能从地表迅速向土体深处传播，从而导致土体发生一系列物理力学性质的改变并且造成地基土压缩下沉，有效迅速地提高地基-1-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究[7]-[8]承载力。强夯法处理效果良好、应用范围广泛，可用于处理砂土、碎石土、湿陷性黄土、低饱和度的粉土与粘性土、杂填土和素填土等各类地基土，有效提高地基承载力和综合经济效果，因此，我国工程界很快就重视起来，并于1978年引入采用，使其得到了广泛的应用和迅速的推广。但强夯加固技术亦存在不利影响。一施工现场会产生巨大的冲击能，对邻近建筑物和周边结构影响较大，施工时需要保持较远的安全距离；二是强夯加固技术对施工压实机械要求较高，相关设备和配套的资金投入较大；三施工人工成本较高，需要多人在场检测以保证施工质量，同时对施工安全保护提出了更高的要求；四是强夯加固[9]-[10]技术施工工艺的设计及质量的检测与常规压实机械相比更加复杂；五是强夯法夯击频率较慢。因此在特殊地段地基处理中仍然不能应用此方法。综上所述，工程中迫切需要一种机动灵活、能适应狭小工作面的快速高效率的压实设备。高速液压夯实机是近年来出现的一种新型高效液压夯实机械，能够解决狭小[11]区域及路桥结合部位“死角”路基的压实问题。与传统的强夯相比，其作用力峰值小，作用时间长，具有作用柔和、不易造成相邻桥梁结构损坏的特点，并有防扬尘、防飞溅的功能。与传统的碾压技术(压路机等)相比，其贯穿能力强而均匀，在基础处理中不易形成表层硬结，可在较大的深度范围内获得较均匀的密实度。利用高速夯实[12]机夯实技术为解决这一难题提供了良好的手段。然而，现行的设计施工规范不够明确详尽，高速夯实机对桥台路基结合部位的不同路基填料的压实特性、施工工艺、质量检测指标、施工经济成本等施工基本参数缺少定量指标。高速夯实机项目更是首次正式应用在天津高速公路建设中，针对天津地区特殊土质提出的施工参数和控制工艺比较匮乏，且没有完善的仿真模型，缺少相应的理论技术支持，因此希望能够通过本文在高速液压夯实机在天津地区的普及应用提供相应的施工参数和理论依据。1.2夯实机国外应用及研究现状为了应对1990年爆发的海湾战争，北约空军联合英国BSP公司及英国国防部门联合设计研发一种能够快速移动和快速夯实的高效工程机械，即快速液压夯实机（RAPIDIMPACTCOMPACTOR），该设备可在短时间内迅速修复受损的飞机跑道和道路等基础设施至可使用状态，并能以轮式装载机、液压挖掘机和履带车等为搭载工具，方便灵活。1995年，快速液压夯实机实现了军用向民用的转变。英国建筑研究所（BRE)经过研究验证了设备的有效压实深度达到1-4m，对比于表层压实技术和振动压实优势明显，效果较为接近强夯。其对应的工法被称为“快速夯实法”，在日本[13]三信建设工业株式会社等工程公司使用时候也称之为“BSP动压密工法”。-2-n河北工业大学硕士学位论文如今在应用领域，国外己将高速夯实机应用于铁路路基夯实，堤坝、护坡夯实，环卫垃圾、有害物质填埋夯实，沙化地改造等领域，也将其应用于军用机场、高速公路的抢修、抢建，如在英国惠灵顿的停车场和辅助路段的地基处理工程中应用了高速夯实机；在哈萨克斯坦的哈萨彩格奈克(Karachaganak)油田和天然气厂地基处理中以[14]及日本的北海道油罐地基处理工程中也采用了高速夯实机。在夯实机理方面，快速液压夯实机理与强夯类似。Menard对于饱和黏性土动力固结理论提出了一个新的动力固结模型。他认为饱和土中存在约占土体总体积的少许封闭气泡，土体的压缩主要由气体的压缩引起。在夯实反复作用下，超孔隙水压力增大，土中应力也增大，土体产生放射状裂隙导致渗透性变大，随之结合水转化为自由水排出，经过土体触变恢复，强度随着时间增长逐渐增强。Gabin指出：由于冲击波的作用，地基土才得以加固。对于饱和土体旳加密，主要因素是剪切波的传播。Leonands指出强夯过程中有三种明显不同的作用：（1）压密作用，主要指土中气体的排出；（2）固结作用，指土中水或土中液体的排出；（3）预加变形作用，指土体颗粒在结构上重新排列，包括结构或形态的改变。J.K.mitchell指出：非饱和土的强夯与击实法试验机理相似；加固饱和无黏性土如同振动压密的过程，在压密过程中土体可能会液化。处理饱和细颗粒土时要破坏土体结构，超孔隙水压力增加，产生裂隙有利于排水，然后孔隙水压力消散，土体压密。Miller和Pursey研究了半空间无限弹性体在表面圆形动力荷载作用下的振动情况，得出土体中有R波、P波、S波，三种弹性波占总输入能量的比例分别为67%、7%、26%。因此，国外对夯实机的应用已经非常广泛，但是针对快速夯实机的工作能效和针对特殊地质的施工具体参数控制和工艺研究尚且欠缺进一步明确的研究，本文的研究填补了这个方向的空白，探讨了夯实机的基本作用机理和夯实施工控制参数，可以为工程提供相应参考。1.3夯实机国内应用及研究现状20世纪九十年代，我国的基础设施建设进入飞速发展的时期，因此对先进的新型的压实设备有了进一步的积极需求，促使我国的设备不再单纯依赖于进口，而开始致力于产品的开发，致使后来出现了更高效的液压系统和工作效率，更简洁的结构。国内许多厂家致力于液压夯实机的研究，并取得了一定进展。如南昌通用机械有限公司公司开发的ZCY-600型自行式液压锤，因夯板尺寸和夯击能量问题未能得到广泛的应用。2003年初，山东泰安研制成功中国首台快速液压夯实机，首台样机的垂体质量2.5t、夯极势能30KJ，采用5t轮式装载机作为承载设备，由承载设备的液压系统驱动，[15]转场灵活，工作性能稳定。并且泰安与北京欣路特科技发展有限公司合作的《高速-3-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究液压夯实机及其应用研究》也于2004年1月通过省级鉴定为国内首创，达到国际先进水平。随着工程实际应用的增加，高速夯实机经历了两代升级革新。第一代实现了设计之初的功能要求，但是经过实践验证和工程研究，其在高强度作业下的结构性能和可靠度不足。第二代通过提高和改进液电控制系统，提高工作效率两方面进行了研究，并且具备了5t以上中型液压锤的开发能力。但是未能够兼顾路基补强作业等特殊条件下的使用，结构强度也有待进一步提高。第三代夯实机产品的开发应用了更多专利，垂体质量达到了2.5~7t，锤体额定势能达到30~84KJ，无论是结构形式还是操作使用[16]性能都进行了较大的调整，工作效率和无故障工作时间大大延长。[17]在作业工艺方面，张焕新及邓捷等根据室内试验和甘肃刘白高速现场试验路的总结，提出了针对黄土土质情况相应的作业工法，包括夯锤点布置、夯击方式和作业锤数等，提出夯击次数的控制标准，即最后3锤沉降量不大于1cm作为确定作业锤数的确定依据，此标准也得到安徽、广东等工程应用的验证和采纳。在施工单位最关注的作业安全距离方面，即保证结构物使用性能安全的前提下，夯锤底座边缘与结构[18]物的最小距离。刘莉、敖卓铎等结合广东广梧高速河口至平台段，开展了高速液压夯实机补强高速公路台背路基施工参数的试验研究，通过对一处悬臂式通道桥桥台的混凝土结构进行应力应变的监测表明高速液压夯实机作业时，台背混凝土主要发生不超过10με的弹性变形，最大应变随夯击次数增加略有增大。并根据试验结果提出了作业的安全距离为10cm。通过动土压力监测和轻型动力触探试验，对高速液压夯实机作业影响深度和范围展开了研究，结果表明:(1)随着深度增加，夯实机产生的竖向动应力减小，应力主要影响深度在2.0～2.5m之间，夯实机在2.5m深度处的影响宽度约为1.5m;(2)路基相同深度处振动压路机产生的动应力约为夯实机的16%～20%，小型打夯机产生的动应力约为夯实机的3.1%～3.9%。(3)路基夯实后承载力增大范围主要在2.5m深度内。[19]-[20]在理论研究方面，在土壤力学的半空间理论的基础上，冯忠绪、刘本学等建立了高速液压夯实机夯锤与土壤相互碰撞过程的力学模型，并且研究了液压夯实机的压实性能。根据室内模型试验提出高速液压夯实机的有效作业深度(平均压实度大于93%)为1.5m。在应用领域方面，高速液压夯实机填补了表层压实技术如碾压、振动压实和传统的强夯之间的能量级别空白，因此冲击压路机和常规压实机械难以有效作业的区域都可作为高速液压夯实机的应用范围。在可良好作业的土质方面，目前高速液压夯实机已经能够在西北黄土地区、华北粉质粘土地区、华南潮湿红粘土地区、华中高含水量粘性土地区实现良好应用，收到了良好的实际效果。-4-n河北工业大学硕士学位论文1.4桥头台背回填质量控制国内外研究现状现在国内外处理“桥头跳车”现象的方法主要从以下五个方面着手：（1）有效的地基处理手段；（2）适当的填料选择（3）特殊场地环境的处理；（4）施工管理及施工工艺的改善（5）排水设备的完善。1.4.1桥涵台背用土工格栅处理土工格栅是一种抗拉强度较高的材料，具有良好的水稳性。对路基土料存在一定的约束作用，可以增加土基的整体回弹模量，防止土基和基层产生裂缝并辐射到路面面层上，还可以增加路面基层的强度，对不设桥头搭板的桥涵台背较为适用，对设有桥头搭板的高填方路段路堤也有较好的增加路基整体强度的优点，具体方法如下。1.先开挖基坑砌筑构造物（桥台、通道、涵洞），将构造物砌筑到一定标高（至少高于地面线）。2.用砂砾或其他的材料把构造物两端的场地整平，并充分压实。3.分层填筑砂砾至构造物的砌筑标高。4.在构造物两端5～10mm范围内，铺筑一层土工格栅，把30～80mm长的格栅伸入到构造物内，然后再砌下一层，把格栅的一端压入到构造物中，压入长度自上而下逐渐减少。5.砌筑时压入土层的砂浆一定要充分，被砾石压紧土工格栅的末端不能留缝，用U形钉锚固在压实好的填土上，钉子间距根据实际情况而定。6.按上述步骤，砌筑一层块石压一层土工格栅，控制在30～40cm或者60～80cm，然后填土，并压实。1.4.2加筋土整体式桥台加筋土整体式桥台可以用来解决软土地基路桥结合处的差异沉降。加筋体是由筋带与填料层交替铺设并紧密压实而成的一种复合材料，它的内部稳定性是通过筋带与填料之间的摩擦作用实现的。加筋土整体式桥台起到了普通桥台的作用。1.4.3应用强夯法处理桥头地基强夯法一般采用100~400kN的重锤，从6~40m的高处自由落下，对地基土施加强大的冲击能，在地基中形成冲击波和动应力，将地基土压密、振实，以加固地基土，达到提高地基强度、降低其压缩性的目的。从公路试验的研究及其他工程应用来看，在路基填土高小于5.0m的情况下，采用100t•m夯击功对地基按8击左右满夯一遍，-5-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究然后将表面松散土整平。经过强夯处治地基的工后沉降一般小于5.0cm，且可以在3个月内完成，基本不影响路面铺筑以后的地基稳定性。1.4.4应用刚柔过度手段处理桥头地基结构物台背是用刚性很大的石块或钢筋砼浇筑而成，是刚性体，而路基一般是用柔性较大的土填筑而成，是强塑性体。显然路基体与结构物之间存在着较大的刚度差，这个刚度差的存在必然引起路基与结构物之间产生较大的相对变形差和较大的刚度突变。所以台背回填物应使用刚度介于路基土和结构物材料刚度之间的某种材料，并沿长度方向变化其厚度，即台背回填与路基接头采用一定的倾斜角相连接，台背回填远薄近厚，使台背回填整体刚度逐渐变化，从而实现台背回填的刚柔过渡。1.4.5搞好后台排水，保证排水畅通桥台顶面属于大面积结构物，在雨天雨水容易汇聚，通常汇聚面积可达几十平方米，因此台面雨水向后台汇聚后经排水设施排出路基外，但是往往在施工期间或者工后排水设施不完善，因为大量雨水势必渗入后台填土，如台后用砂性土填筑沉陷会小一些，若用黏性土填筑，加上夯实因素必定会引起大的沉陷。为此在施工期间必须注意排水问题，一要及时碾压封闭填土表面，而要做好临时排水设施。亦可以在后台填土表层增加封闭层。综上所述，在桥梁路基连接区域的施工工艺有待进一步提高，作业机械的选择上由于强夯法施工作业面和经济及工期等各种因素的限制，使得快速液压夯实机的应用成为必然趋势。同时，对与之配套的施工工艺参数和检测标准的需求也更加紧迫。1.5研究的主要内容本课题研究了高速夯实机在台背路基回填中的应用，并探讨了高速夯实机的工作原理和施工工艺。结合实体工程现场的试验研究，全面分析了高速夯实机对桥台台背路基进行夯击时的作用效果。通过对夯实机械能量以及夯实遍数、夯实后沉降量以及压实度的变化规律等影响路基填筑质量因素的综合分析，提出一套完整的、适合于天津地区桥台路基夯实的高速夯实机施工工艺，可以用来进行桥头台背的高速夯实机检测性施工，从而有效的减少了桥头台背的沉降量。本课题所做的工作主要有：（1）总结分析高速夯实机夯实路基的作用原理，包括夯实作用行程、作用时间、应力大小、以及有效夯实深度。（2）运用ansys软件对夯实作用进行了模拟分析，将理论推导出来的应力模拟到-6-n河北工业大学硕士学位论文计算机中，从而对高速夯实机的夯实过程进行模拟，得到夯实过程中施工安全距离、锤击次数、不同性质填料的影响等具体控制参数。（3）结合天津地区工程实例和现场土压力盒试验，针对天津地区全面的分析高速夯实机加固路基的影响作用。（4）对试验得到的数据进行整理分析，并将数据和模拟数据进行对比，证实模拟数据的准确性，从而用以指导施工。（5）分析高速夯实机现场夯实过程的沉降量和压实度，结合现场施工控制参数，提出一套完整的、适合于天津地区桥台路基夯实的高速夯实机施工工艺。1.6研究的创新性（1）本文运用ansys软件对夯实作用进行了模拟分析，将理论推导出来的应力模拟到计算机中，从而对高速夯实机的夯实过程进行模拟，得到夯实过程中应力影响深度和有效沉降、影响范围等数据。（2）针对天津地区因特殊土质而采取灰土换填的情况，有效地解决因台背路面与桥面的差异沉降所引起的“桥头跳车”现象。通过夯实机补夯作用，能够使路基的沉降提前完成，从而能够消除这种差异沉降量。（3）研究完善桥头路基快速补夯夯实的施工质量控制技术。1.7研究的主要方法本课题研究方法和技术路线为：准备阶段理论分析软件模拟总结与对比分析现场试验展望1.准备阶段包括试验段填土、施工机械以及高速液压夯实机的选用等工作。2.理论分析分析高速夯实机加固路基的作用机理以及相应的理论分析。3.软件模拟用Ansys模拟高速夯实机对路基夯实的作用过程，分析夯锤在对路基作用过程中-7-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究产生的应力变化，并在理论基础上上模拟分析高速夯实机的有效作用深度及沉降等数据。4.现场试验通过现场试验来验证高速夯实机的夯实效果。包括土压力盒的埋设、现场夯点的布置以及数据采集等工作。5.对比分析对现场试验得到的数据进行整理分析，并将数据和模拟数据进行对比，验证模拟数据的准确性，并提出相应的高速夯实机施工工艺和检测性施工方案。6.长期观测、效果分析通过总结展望，对夯实效果进行全面分析，并对进一步的研究提供方向。-8-n河北工业大学硕士学位论文第二章高速公路桥头跳车机理分析和控制标准2.1路桥过渡段跳车的原因分析随着我国经济的飞速发展，高速公路里程飞速增加，大量的高速公路建设和桥梁等基础设施建设造就很多路桥衔接部位。在路桥衔接部位，因为桥台后路基与桥台沉降不一致，致使两者产生一定高差，从而造成了跳车现象。造成跳车现象的原因比较复杂，影响因素比较多样化，经归纳后主要分为以下几个方面：1、地基土质[21]沿海地区通常地下水位较高，地基土以软土为主。软土的通常含水量较高，孔隙比较大，压缩性较高，渗透性能差，抗剪强度低，具有明显流动性。特别是滨海地区软土，一旦受到扰动，其结构受到破坏，强度将明显降低。另外，受限于客观条件，致使有些桥梁在路桥过渡段处的填筑高度较大，从而增大了基地承受的附加应力，加上行车荷载，地基更易压缩、沉陷。2、桥头与路基填土的刚度差异桥梁结构属于刚性结构，其墩柱下方一般都存在坚实的基础支撑，基础刚度较大，沉降几乎可以忽略不计。路基因为土基的松散性属于柔性结构，自身刚度较小，且受限于土体固结时间效应和行车荷载下不同的沉降，从而产生沉降差。3、结构或设计问题桥台的类型、接缝的种类、压实方式和搭板的设计不合理等原因导致过量的差异沉降。特别是当搭板压实后再铺筑桥和桥台时将导致路桥过渡段的压实非常困难。同时排水系统设计不好，雨水不能及时排出，从而冲刷和侵蚀路基填土，造成各种细粒土流失，导致土基沉降和搭板下沉。4、填筑材料的压缩桥梁工程通常作为控制工程优先施工，而路桥过渡段路基一般是在桥梁建成、或主体建成时才施工，路桥过渡段集中填筑，几乎没有静置沉降和趋于稳定的时间，导致运行后的初期沉降变形较大。且造成填筑后施工作业面狭小，大型机械无法进场操作，小型压路机能量不够，压实度很难达到工程质量的要求。5、施工质量问题在施工中对桥头沉陷病害认识不够，加之工期紧，滞后会带来成本增加，在施工-9-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究质量上未能做到严格把关，不能按照标准的施工工艺流程进行施工，同时监理监管不[22]严格，从而造成工程施工质量问题。2.2路桥过渡段差异沉降的危害（1）影响车辆运行速度与安全当路桥过渡段存在沉降差，当车行驶至病害处时，驾驶员不得不急刹车以减少机车的颠簸以及防止意外情况发生，这就大大降低了行车速度，而若当行至病害处时，驾驶员没有及时采取措施，高速驶过病害处，车辆的大幅度跳动与颠簸可能造成车辆失控而发生安全事故。跳车会对车体本身和桥梁结构造成附加的冲击荷载，加速桥梁[23]桥台等结构部位的损坏，同时也对车体造成损伤。（2）车辆运行成本路桥过渡段病害处所引发的机车频繁变速以及刹车势必会加大机车的破坏跟磨损程度，而急速的转变行车速度也会大大加大机车的燃油消耗，加大尾气排放，再加之减慢的行车速度必然会导致行车时间的增加，各方面均会带来运营成本的增加。（3）增加公路养护费用桥头跳车所引发的行车速度骤变，机车行驶不稳定以及其他的情况同时会加大机车对道路的损坏，据相关统计证明，桥头跳车对桥梁与相关路段的损害程度非常严[24]重，随之所产生的养护费用也十分惊人。2.3路桥过渡段差异沉降控制标准2.3.1容许台阶高度为减少桥头跳车，国内外许多研究人员对路桥过渡段差异沉降提出了很多控制指[25][26]标，潘晓东等从行车舒适性出发，研究了驾驶员心率变动、行车加速度和桥头跳[27]车严重程度的关系。陈景星，冯忠居等建立了设搭板和不设搭板2种情况下的路桥过渡段差异沉降的计算模型。引入动荷载系数作为行车安全性评价指标，将车辆系统简化为5自由度半车模型进行垂直振动的力学模拟，提出随着车辆通过的台阶高度为5cm时，前后轮受力的最小值已逐渐接近于0，当台阶高度为7cm时，前后轮受力已出现负值。因此应控制台阶高度在3cm范围内，以减少维修养护费用，增加安全性。2.3.2容许工后沉降国内外许多资料以引道路堤的容许工后差异沉降作为桥头跳车的沉降控制指标。-10-n河北工业大学硕士学位论文Daniel等人根据美国、加拿大公路部门在20年内对800多个桥头进行现场调查分析后发现：当搭板长6.1~9.1cm时，引道与桥台沉降差接近2.54cm时不会造成桥头[28][29]跳车。Wahls通过对美国大量桥头进行调查，结果发现桥台后填土竖向位移不大于100mm，水平位移不大于50mm时不致使桥与路面产生结构损坏。美国公路研究报告《公路路堤软基处理》中也指出：在公路的经济寿命期间（10-15年），一般路堤的容许工后沉降为30-60cm，但桥头引道容许工后沉降为15-30cm。日本道路协会《道路土工、软弱地盘对策指南》指出：路堤中心处路面铺筑后三年的允许剩余沉降量根据道路的重要性确定，与桥梁构造物连接的路堤为10~30厘米。联邦德国对工后沉降的限制则特别严格。一般要求控制路堤的工后沉降，有两个指标：即相对沉降为5~15%，绝对沉降为3~5cm，特殊情况下为10cm。且要求两个指标同时控制。如对路基作分段处理时，要注意相邻路段间的沉降差不能过大，必要时要设置沉降高差过渡段。交通部重庆公路科研所等单位在天津新港地区软土地基上修筑公路路堤的试验研究报告中指出：对于高等级公路路堤铺筑路面20年内，容许工后沉降为30~50cm，邻接桥梁等人工构筑物的路堤，容许工后沉降值定为10~20cm较为适当，这一段长度根据桥头路堤纵坡情况，可设为50~100m，与长路堤相接的桥台可设搭板来减少沉降的影响。[30]《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（JTJ017-96）对容许工后沉降的规定见表2.1。表2.1容许工后沉降道路等级路桥相邻处涵洞或箱型通道处一般路段高速公路、一级公路≤0.1m≤0.2m≤0.3m二级公路（采用高级路面）≤0.2m≤0.3m≤0.5m综合以上资料，得出我国已建和在建高速公路桥头引道基本上以容许工后沉降量为指标，控制标准为10cm。2.3.3容许纵坡坡差路桥过渡段发生工后沉降前后的坡度变化称为纵坡坡差（或纵坡相对差）。James[31]H.Long等人结合Illinois州的调查研究，认为相对坡度0.8%~1%可以作为桥头引道[32]沉降处理的判定依据。叶见曙等人通过实验证明，在通过对设置桥头搭板时桥台基[33]础和引道土体之间差异沉降分析的基础上，建议容许纵坡变化值∆i为0.4%。凌建明采用桥头纵坡坡差评价“马鞍型”桥头引道沉降，通过理论分析和试验研究，得到了“马鞍型”最大纵坡容许值，当车速为80~140km/h时，相应的纵坡变化容许值为-11-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究0.4%~11.5%。福建泉厦高速公路的研究结果指出当桥头纵坡变化小于6‰时不会产生[34-36]桥头跳车。冯光乐等根据试验得到马鞍型桥头沉降养护判定标准和养护目标限值见表2.2。表2.2马鞍型桥头允许纵坡差与行车速度关系表纵坡最大坡差允许值（%）行车速度（km/h）养护判定标准养护目标限值1400.40.251200.50.351000.750.5801.150.75602.11.35由以上国内外研究结论可以看出，如果桥头纵坡变化在超过3‰~6‰的情况下容易发生桥头跳车。综上所述，可以从对台阶高度、工后沉降、纵坡坡差的改善情况判定高速液压夯实机对桥头台背施工质量的作用。2.4本章小结（1）从地基土质、桥头与路基填土刚度差异、结构与设计、填筑材料、施工质量等几个方面分析了桥头跳车产生的原因。（2）对桥头跳车产生的危害进行简要分析总结，从而指出避免桥头跳车现象的必要性。（3）从容许台阶高度、工后沉降、纵坡坡差三个角度指出了解决桥头过渡段差异沉降的施工控制指标，为后续确定快速夯实机功效的数值分析和工程实践奠定理论基础。并且为后期长期观测提供理论指导依据。-12-n河北工业大学硕士学位论文第三章高速液压夯实的动力学分析3.1高速液压夯实机的整体结构高速液压冲击夯利用装载机或液压挖掘机作为载体，夯实动力由装载机或液压挖掘机来提供。高速液压冲击夯的某些动作如机架提升、机架倾斜、整体转场等可通过[37]装载机或液压挖掘机的相应力臂来实现。图3.1为唐廊高速施工现场采用的高速液压冲击夯实机实体图。本节只对高速液压冲击夯的结构进行简单介绍，装载机或液压挖掘机只作为冲击夯的承载和动力设备，其结构这里不做介绍。图3.1施工现场夯实机3.2高速液压夯实机夯实机理分析利用液压提升系统将重3~9t的夯锤提升至一定高度后释放，在重力和液压蓄能器的共同作用下依靠下落能对土壤进行压实，并在液压缸的作用下实现快速的上下往复动作，在装载机装置的牵引下，机动灵活地对不同的位置进行准确、快速的压实，从而满足对冲压作业面积进行单点或连续的压实要求，其整机结构见下图3.2。-13-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究其动力固结过程可概括为以下过程，高速夯实机的冲击能量使得路基土中的孔隙得到压缩，从而使路基土体出现局部液化。同时，快速液压夯实机的夯点周围土体出现了裂痕，给土中孔隙水提供了良好的排水通道，从而促进土体的固结。具体可概括为以下几点：（1）路基土体的压缩阶段路基回填土的土体主要成分为空气、水、土壤颗粒。在快速液压夯实机对路基土体刚开始作用时，路基土体就处于压缩阶段。随着不断地夯实，路基土体的少量孔隙水和空气不断被排出，从而使得路基土体密实度得到提高。（2）路基土体的液化阶段快速夯实机对路基作用的第二个过程就是路基土体液化过程。经过快速夯实机的夯实作用，路基土体中的孔隙水和空气被排出，从而压缩了路基土体，知道路基土体的密实度达到要求。这个阶段，孔隙水压力不断增大，当其与竖向应力向均衡的时候，土体就会出现液化现象。由于路基土体中含有一定的水分，经过高速夯实机的作用，会导致路基出现振动，也提升了路基的温度，所以这些水分会游离成自由水，减小路基土体之间的内聚力，降低路基强度。（3）路基土体的孔隙水排出阶段当路基土体出现液化现象，高速夯实机停止夯实作业后，路基的孔隙水压力慢慢降低。由于快速液压夯实机的夯击能量较大，致使路基液化，路基土体颗粒之间由于超孔隙水压力和瞬态孔隙水压相等，而有裂缝的出现，给路基土体的孔隙水提供了一个排出的通道，增加了路基土体的渗透率。随着时间的推移，路基土体内的孔隙水压力慢慢降低，当其小于路基土体的横向压力时，孔隙水排出通道就会关闭，路基土体的孔隙水恢复正常阶段。（4）路基土体的恢复阶段在高速液压夯实机对路基土体进行夯实作用时，由于路基土体发生液化现象，致使了路基土体抗剪强度不断减弱，土体会由于抗剪强度的降低而出现裂缝，吸附在土体的水分就会转换成自由水。随着孔隙水压力的消散，路基土体的变形模量以及抗剪强度有一定程度的增长。导致了土颗粒把游离的自由水吸附过来，形成路基土体的变形循环。该快速夯实机为强制落锤式冲击夯，其夯实强度接近强夯，可产生达到84KJ的夯击能，最大夯击势能频率可达80次/min，夯击能量根据需要有低、中、强三档可[38]调(以下简称1，2，3档)。击实频率也可以根据不同的工况设为自动与手动两种不同的操作模式，能够满足不同工况的要求。与传统的强夯相比，其作用力峰值小，作用时间长，具有作用柔和、不易剪切填层流线的突出特点，有防扬尘、防飞溅的功能。与传统的表层碾压技术(压路机等)相比，其贯穿能力强而均匀，在基础处理中-14-n河北工业大学硕士学位论文不易形成表层硬结，可在较大的深度范围内获得较均匀的密实度。图3.2夯实机工作原理示意图3.3快速液压夯实机的波动力学分析[39]根据冲击机械波动力学理论，建立快速夯实机压实路基动力模型，将夯锤简化为刚体，土体为弹塑性介质，则合理加载波为矩形。快速液压夯实的特点是将机械能转换为势能，再变为动能作用于土体。在重锤作用于地面一瞬间，土体产生强烈震动，类似于地震的震源，在地基土中产生震动波，从震源向四周传播。又因地基为一弹塑性材料，在巨大的冲击能作用下，质点连续介质的振动，其振动能量可以传递给周围介质，而引起周围介质的振动。振动在介质内的传播形成波，根据其作用、性质和特点的不同，可分为体波和面波两种。在土体内部进行传播的体波包括压缩波（P波）和剪切波（S波）。而在土壤中传播的面波有瑞利波（R波）乐甫波等。如果将路基视为弹性半空间体，夯锤为自由下落过程，也就是势能转换成动能的过程，在落到地面以前的瞬间，极大部分势能转换成动能。夯锤夯击地面时，声波形式向四周的传播消耗了一部分动能，夯锤和土体摩擦而变成热能消耗了部分动能，其余的大部分冲击动能则使土体产生自由振动，并以压缩波、剪切波和瑞利波的波体系联合在路基内传播，在地基中产生一个波场，如下页图3.3所示。-15-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究图3.3振动波加固土体示意图大量前期研究用弹性波动理论去分析强夯加固过程和机理，根据弹性半无限空间内点源激发的各种波型的粒子运动特点，认为压缩波（P波）对强夯加固起主要作用、[40]剪切波（S波）和瑞利面波（R波）作用不明显，甚至起扰动破坏作用。而其后又有一部分研究者指出瑞利面波（R波）在整个半无限弹性空间波场中所占能量为总能量的67%，剪切波（S波）能量占26%，如果仅认为占总能量7%的压缩波（P波）对强夯加固有贡献，那么这在能量利用上的解释是极不合理的。而后这些研究者又根据瑞利面波（R波）的影响深度并非在直观意义上的仅在地表附近传播，而是在强夯加固范围内一定深度内均有影响，所以推测占总能量最大部分的R波也可能对强夯[41]-[42]加固地基土起到了明显作用。对于非饱和土而言，夯实产生的压缩波的反复作用和波的折射、反射重复做功，使颗粒破碎或使颗粒产生瞬间的相对运动，迅速排出或压缩土壤空隙内的空气，使得土体产生压缩，孔隙体积减少，使路基土形成较密实的结构。快速夯实法处理饱和粘性土时，巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，使土体原结构遭到破坏，使土体局部发生液化，产生许多裂隙，增加了排水通道，使得孔隙水可以顺利逸出，超孔隙水压力消散，土体产生固结。由于软土的触变性，强度得到提高，这就是动力固结。对饱和黏性土，因其渗透性较小，土体大部分在夯后固结，因此，夯击后的土体应有足够的间隔时间以恢复和提高强度，否则即使较小能量的过早夯击也是有害无益的。3.4快速液压夯实机的振动力学机理分析根据图3.1，建立高速夯实机与路基土体的力学模型，如图3.4所示(图中：r为夯锤的半径；K1为土壤刚度；C1为阻尼系数；G为土壤的剪切模量；ρ为土壤的密度)。该模型可以分为3个过程：①夯锤下落与底座碰撞过程；②底座与路基土体碰撞过-16-n河北工业大学硕士学位论文程；③土壤与底座相互作用过程。图3.4快速夯实机与土壤的力学模型（1）夯锤下落并与底座相撞模型夯锤在液压系统作用下加速下落到底座上。假设夯锤的质量为ma。底座质量为mb，底座半径为r，液压系统的动力系数为α。根据动量定理有：mava0+mbvb0=mava1+mbvb1（3.1）其中va0为夯锤的初始速度（m/s），va1为碰撞后的初速度（m/s）。vb0为底座的初始速度（m/s），vb1为底座碰撞后的初速度（m/s）。v-vb1a1假设θ=为恢复系数。当θ=0时，为完全非弹性碰撞；当θ=1时，为完全v-vboa0弹性碰撞。在通常情况下，θ的取值范围为0到1。对于夯锤而言，在与底座碰撞前的瞬间有1/2m2ava0=（1+α）magh（3.2）上式中有h为夯锤下落的高度（m），g为重力加速度。此时有vb0=0。碰撞瞬间极为短暂，此时忽略土壤变形，则有mava0ma1ghva1=vb1==（3.3）mambmamb此时，可以将va1与vb1作为夯锤与底座共同作用的时候共同初速度。（2）底座与路基土体碰撞的力学模型强夯法加固深层地基由法国工程师MenardL于1969年首次提出，随后得到了世[43]-[44]界范围内广泛的认可。随着工程实践的增加，强夯加固法的工程实践应用也逐渐[45]成熟了起来，其理论也得到了广泛的探讨和研究。由于高速液压夯实机是一种比强-17-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究夯更快捷的重型夯实方法(比强夯法要轻)，故其运动规律可参考强夯的有关理论。根[46]-[47]据土壤力学中的半空间理论，将底座与路基土体的碰撞过程作为研究对象，当夯锤与底座碰撞后，并以速度vb1撞击土体，将路基土体压实。其运动方程如下：mbZ(t)+CZZ(t)+KZZ(t)=F0（3.4）上式中，Z(t)为底座位移（m）；Z(t)为底座的速度（m/s）；Z(t)为底座的加速度（m/s2）；F0为夯锤对底座的作用力（KN）；Cz与Kz分别为等效集总体系的阻尼系数和弹簧刚度，其数值与土壤的剪切模量G、土壤的泊松比λ以及着力装置半径r有关，其表达式为24rGrGKz=，Cz=（3.5）1-1-根据振动力学，求解式（3.4）。令无阻尼的系统圆频率w1=Kz/m，阻尼比b2=Cz/（2Kzm），参数=Cz/2mb，有阻尼的系统圆频率w2=1-w。则对于b1欠阻尼系统来说（<1），求解式（3.4）有GZ（t）=e-w1t[Asin(w02t)+Bcos(w2t)]+（3.6）Kz上式中，A、B均为待定系数，由边界条件确定；t为时间。对于路基土体与底座的相互碰撞过程，可以看成一个非完全弹性碰撞的过程，其恢复系数与土体及底座的性能参数有关系。设参与碰撞的土体质量为mc，则可以由式（3.1）与式（3.2）可以推出mbvb1+mcvc0=mcv2+mbv1。v-v21令=，vc0=0，其中vc0为参与撞击土壤的初速度，vc为撞击土壤的速v-vb1c0m-mbc度，则可得出与土壤碰撞后的底座的初速度为vb=vb1，亦为夯锤运动的初mmbc速度。碰撞的过程很短暂，假设运动的初始位置为0，则在t=0时，有Z（t）=0，Z(t)=vb，带入式（3.6），可推出底座的为位移方程为v（-/Kz）GGG-tbZ（t）=e[sin（w2t）-cos（w2t）]（3.7）wKzKz2G-t即为Z（t）=eAsin（w2-）+（3.8）Kz式中A=vb（-/Kz）G2G2；arctan[w2G]。[][]wKzKzvbG2对式（3.7）进行推导，可得到底座的速度和加速度表达式分别为-18-n河北工业大学硕士学位论文-t22Z(t)=eAwcos（wt-）（3.9）22-t22Z(t)=eA（w）sin（w-）（3.10）22式中φ'=arctan[σ/w2]。由于底座底面积较小，可以看成均匀受力，则底面的应力公式为-t222=mbZ(t)/A=mbeA（w）sin（w-）/r（3.11）122通过对高速液压夯实机与土壤力学模型的分析可看出，高速液压夯实机对土壤作用的效果不仅与自身的参数(如夯锤与着力装置的落差、系统的加力系数、着力装置的质量和面积)有关，还与土壤的弹性模量、泊松比和阻尼系数密切相关。因此，该模型基本反映了与机械性能及土体参数的关系，能够反映出其工作状态。由土壤压实原理及土力学的知识可知，土壤中压实度除与土壤自身一些参数有关外，还与被施加的外力及土体的沉降量密切相关。同一块土体所受到的外力越大，它的沉降量就越大，相应的密实度就越高。高速液压夯实机的底面与土壤作用时的底面应力也是土壤所受的外力，着力装置的运动也与被压实土壤沉降密切相关。因此，研究夯锤的受力、运动情况有利于研究土壤的沉降、密实度及承载力。3.5本章小结（1）详细介绍和分析了快速液压夯实机的整机结构，并对其夯实机理进行了简要分析。（2）从波动力学的角度出发，考虑对于不同性质的土体，分别分析了夯实机的作用机理，并认为瑞利面波亦能起到巩固地基的重要作用。（3）从相互冲击振动的角度出发，利用土力学创建了基础土体与高速液压夯实机的力学模型，然后综合各种因素的作用，最后得出高速液压夯实机与基础土体之间的互相作用而产生的瞬时速度、加速度以及地面的应力的影响因素，为探讨速液压夯实机的性能和主要施工参数选择提供了进一步的资料。-19-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究-20-n河北工业大学硕士学位论文第四章快速夯实法的算例数值模拟分析本章模拟工况为为唐廊高速公路天津段一期工程七标段褚家庄大桥桥头路基处理。该工程自塘承高速宁河区以北三公里处起，路线自东向西，从马江路、西关引河跨越之后，穿过宁河镇和板桥镇之间，并相交于宝芦路、蓟运河、滨玉路。北部达到岳龙镇西蛇麻港，最后衔接唐廊高速公路唐山段于褚家庄东侧省界，工程全长都为34公里。七标段起始桩号K31+000，终止桩号K35+173，长度为4173米，标段内主要拟建构筑物为K31+482箱型通道、东大寨路分离式立交、K32+766.0中桥、丰津联络线互通式立交、K33+690.1中桥、褚家庄大桥和主线收费站等。桥头路基过渡段分层填筑8%石灰土，高度为从原地面(或深层复合地基的桩顶碎石褥垫层顶面)起至路床顶面，每层压实度应不小于96%。过渡段部分的路床应与其相连的路提路床同步填筑，并采用快速液压夯实机对桥头路基进行压实。本章节的数值模拟采用动力有限元方法，分析模拟快速液压夯的单点夯击过程，建模工具为有限元分析软件ANSYS13.0的前后处理器，夯击过程选择LS-DYNA程序进行求解计算。4.1ANSYS/LS-DYNA程序介绍ANSYS/LS-DYNA除了兼具ANSYS程序的丰富功能外，更是将显式有限元程序LS-DYNA的前后处理功能纳入其中。在求解瞬时大变形动力学、大变形和多重非线性准静态问题以及复杂的接触碰撞问题方面，LS-DYNA显示算法能够实现快速求解。在本次模拟当中，利用LS-DYNA显式求解ANSYS模型，然后用LS-PREPOST处理模拟结果。也可以在ANSYS和ANSYS/LS-DYNA之间执行连续的隐式－显式/显式－隐式分析，用来传递几何或计算信息，如坠落实验、回弹、变形体对刚体接触及其[48]-[51]它需要此类分析的应用。ANSYS/LS-DYNA程序以动力松驰技术为基础，除了能够进行普通的静力分析外，亦兼具了计算预应力的功能，而预应力通常建立在动力分析之前计算。软件的图形显示采用了交互式形式，还添加了包括阻尼、加载、约束、重启动、不同刚体与刚体之间连接方式等功能的程序，同时具备自适应功能、网络自动重划分功能、自适应网络划分、子循环功能和质量缩放、可交互式重新划分网络功能等。因此，具有很强[52]的数值分析功能的程序，在民用、工业等领域应用较广。-21-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究4.2分析求解步骤概述（1）前处理即Preprocessor建模用前处理解算器①进行Preference选项的设置选择ANSYS/LS-DYNAEXPLICIT。②进行单元类型、算法、实常数的设置（即ElementType，Option，RealConstant）。③进行材料性质的定义（MaterialProperties）。④进行结构实体模型的构筑（Modeling）。⑤进行有限元网格划分(Meshing)。⑥进行接触界面的定义（Contact）（2）施加荷载和分析求解①进行约束类型选择和大小方向定义、同时定义初始速度及其方向。②进行求解控制参数的设置。③控制输出文件类型和文件的输出频率。④求解Slove，选择生成关键文字文件即K文件。⑤运用LS-PREPOST对K文件进行参数修改和添加，并再次调用LS-PREPOST求解。⑥在完成求解后可以用ANSYS/LS-DYNA程序进行图像和数据的后处理。（3）后处理程序LS-PREPOST可以用来进行整体变形和应力应变状态的观测，同时也具备输出变量的时间历程曲线的功能。4.3土体的本构模型将夯锤看作刚体，采用LS-DYNA3D中的020-RAGID建模。由于大变形问题遇[53]到传统Mohr-Coulomb模型时，计算结果往往不能收敛。彭建兵等在研究黄土在冲击荷载下的动力响应问题时，采用Drucker-Prager本构模型（简称D-P模型）并取得较为理想的结果。本文将延续这一做法，并通过对比现场实测数据，从而验证D-P模型在快速液压夯实模拟中的有效性。4.3.1Drucker-Prager准则由于静水压力（正应力或第一不变量I1）会影响屈服和破坏的影响，1952年，[54]，Drucker和Prager共同研究出Drucker-Prager准则，它是一种Mises准则的广义形式，下文简称D-P准则。-22-n河北工业大学硕士学位论文fy=q-33ɑp-3km=0（4.1）式中，ɑ、km为材料常数。材料参数ɑ、km可由真三轴试验直接测定，在不同的应力状态下会产生不同的表达式。D-P准则的材料常数ɑ、km在三维应力状态下可以换算成与C-M准则材料参数c、φ，其屈服函数亦推导得出几种简单的应力状态。详见下表4.1。表4.1C-M准则与D-P准则不同拟合条件下的α和k拟合条件应力（应变）条件ɑk1>2=32sin6Ccos一压缩锥。=—30=-1（33-sin）（33-sin）般1=2>3三2sin6Ccos拉伸锥。维=+30=1（33sin）（33sin）应力折中锥压缩锥与拉伸锥平均值23sin63Ccos2232-sin23-sin2=0sinsin3Ccos内切锥tg=3033sin223sinDrucker-Prager准则在主应力空间中会屈服成一个圆锥面，该圆锥面的中心轴为空间对角线（静水压力线），在扁平面来看，其屈服曲线是圆，Mises准则是D-P准则在α=0时的特例，见下图4.1。图4.1D-P准则D-P准则的主要特点是：在本构特性适用于土体，便于利用试验的方法测定其为数不多的材料参数，当然，这些参数亦可以由C-M准则的材料换算，在计算塑形-23-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究增量时，有良好的屈服面特性。4.4快速夯实仿真模型的建立因快速夯实过程中，影响因素较多，且过程极为复杂，为简化计算，本文在进行有限元分析和建模时，采用如下假设：（1）路基填土土体为均质理想各向同性弹塑性体；（2）认为夯锤是刚体材料，忽略其在冲击过程中的形变；（3）认为在夯击过程中不产生热能声能转化损失；（4）在本工况中，忽略地下水对计算结果的影响；（5）夯锤底部在夯击过程中始终保持水平状态。4.4.1单元类型的选择ANSYS/LS-DYNA程序的共有九种显式单元类型。其中，SOLID164为八节点六面体单元，其节点在三个坐标方向具有平动、速度、加速度的自由度等特点。单点积分和沙漏控制是其默认方式，由此可快速得到单元列式。单点积分不仅能大量节省计算时间，还能增加耐用性以适应大变形条件。如果担心沙漏现象，如泡沫材料等，可采用多点积分公式，因无须使用沙漏控制，计算结果会更精确，但是计算时间会增加三倍。作为六面体退化产物的SOLID164楔形和四面体单元应在分析过程中避免使用，[55]以免出现问题。由于在快速夯实机夯实时土体产生较大的塑性变形，因此采用此类型单元模拟土体较为恰当。夯锤采用刚体材料即LS-DYNA3D中的020-RAGID。4.4.2材料属性的定义对于夯锤，本文将其作为刚体对待以模拟其材料属性。弹性模量为206GPa，密度为7900kg/m3。泊松比为0.33。对于地基填土的土体，其本构模型采用D-P模型。根据天津市公路局唐廊高速公路标段实测情况，D-P模型需要的参数见下表4.2。表4.2D-P模型材料参数表。名称弹性模量E（MPa）粘聚力C（kPa）内摩擦角（）泊松比密度（Kg/m3）夯锤206000————0.307850灰土20025.6200.301560夯实机数值模拟原型采用山东泰安恒大机械有限公司的HC系列快速液压夯实机，其外形尺寸和相关数据见下表4.3。-24-n河北工业大学硕士学位论文表4.3HC系列高速液压夯实机主要技术性能及参数项目单位HC30HC36HC42HC60HC84额定冲击能量KJ3036426084锤体质量t2.533.557锤体行程mm20-1200锤击频率min-130-80标准配置夯板直径mm10001000100010001250长mm14801480148014301550外形尺寸宽14201420142014201420高373037303730396043984.4.3单元网格的划分夯锤的半径和高均为0.5m，共有等效单元240个。为了获得符合实际情况的质量，其密度为等效密度。土体XY边界距锤体中心的距离均为4m，同时土体模型高度亦为4m。由于轴对称结构，取1/4进行建模，即x，y方向取2m，深度方向建模4m。单元网格长度为0.1m，单元网格长度采用人为控制网格尺寸，划分为16000个单元。见下图4.2。图4.2模型网格划分示意图-25-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究夯实机快速夯实路基属于大变形问题会使微分方程会产生奇异点。因为材料内部在冲击中产生的冲击波会造成土体结构内的压力、密度、能量和质点的加速度的间断点。因此，本文通过引用人工体积粘性（BUIKVISCOSITY）来进行修正这一现象。可通过ANSYS/LSDYNA中的主菜单AnalysisOption选项修正。人工体积粘性选项设置中，根据其算法原理将QuadraticViscoityCoefficient设置为1.0。4.4.4边界条件为控制沙漏能，添加沙漏控制卡*HOURGLASS，选择4号模式。接触方式定义为*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE侵蚀接触，即ESTS类型。设置夯锤接触面为Mastersegment，土体接触面为Slavesegment。土体约束存在以下三种情况：在两xz面约束y方向位移；在yz面约束x方向位移；底面位移则约束z方向，土体模型外侧两个面和底面设置为无反射边界条件，以此来模拟无限域，通过定义组员NONREFLECT来完成。夯锤初始接触速度v=4.85m/s，重力加速度通过定义*GRAVITY_PART完成。4.4.5荷载形式由接触应力的理论分析可以得出碰撞的接触应力时间曲线存在一个明显且历时很短的峰值。在模拟方面，吴铭炳、孔令伟等通过将简化强夯瞬态荷载为三角形而取得了一定成效。裘以惠通过实测山西黄土区的夯实过程，得出作用时间0.04～0.2秒的尖峰应力波，其简化形式符合瞬态荷载特征。本文沿用这一方法：vmsP0max=（4.1）2rmtN=（4.2）stR=（1/4~1/2）tN（4.3）2S=2rE（1-）（4.4）式中，夯锤与地面接触前的速度为v0，夯锤质量为m，半径为r，弹性常数为s，变形模量为E，泊松比为μ。快速夯实分析模型的荷载因素全部确定。夯锤从1.2m高2，度落下时接触地面速度为4.85m/s。其中重力加速度g取9.8m/s夯锤半径为0.5m，质量为3t，计算得出计算模型的冲击力F=7*105N。夯锤与土体接触时间t模型N为0.057s。为节省计算时间和计算机内存，接触时间取0.06s，荷载施加间隔控制为0.1s。荷载形式见下页图4.3：-26-n河北工业大学硕士学位论文图4.3冲击荷载等效简化示意图4.4.6荷载作用情况本次模拟，以每三次夯击后沉降量小于1cm作为停止夯实的标准。模拟夯击次数设置为九次。为节省计算机内存并减少计算时间，将冲击荷载间隔设置为0.1s。TerminationTime设置为1.4s。因建模过程中Z采取自上向下建模方式，故Z轴向上，荷载为负值。荷载作用情况见图4.4。图4.4荷载时间作用曲线4.5计算结果分析4.5.1沉降量与竖向深度为分析沉降量与夯实深度的关系，取夯实模型中轴线上的七个节点作为分析对-27-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究象。分别是A（0,0,0），B（0,0,-0.5）C(0,0,-1)D(0,0,-1.5)E(0,0,-2)F(0,0,-3)G(0,0,-4)。模拟夯击次数为九次。沉降时程图如下。图4.5T=0.16s时刻(即第一次夯击后的竖向位移图)图4.6T=0.46s，即第三次夯击后的竖向位移云图-28-n河北工业大学硕士学位论文图4.7t=0.86s,即第六次夯击后的竖向位移云图图4.8T=1.4s，第九次夯击后的竖向位移云图汇总上图后可得出竖向位移沉降时程曲线图4.9和中心点竖向位移终值随深度变化曲线图图4.10。-29-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究0.01000.20.40.60.811.21.41.6-0.01A808B1253-0.02C1258D1263-0.03E1268F1278竖向位移（m）-0.04G368-0.05-0.06时间（s）图4.9竖向位移时程曲线图00.40.81.21.622.42.83.23.640.00E+00-1.00E-02-2.00E-02-3.00E-02-4.00E-02竖向位移（m）-5.00E-02-6.00E-02深度（m）图4.10中心点竖向位移终值随深度变化曲线由上图可看出，土体Z方向的位移增加值随着土体深度的增加而减小，并且伴随着两次夯击的时间间隙出现了土体的恢复回弹，达到最终的沉降量后趋于稳定。夯锤周边土体出现位移正值，这与土体隆起的实际情况相吻合。在夯击九次后，土体沉降增加量已经小于1cm，地表土体产生沉降量最大，达到5.53cm。当节点位于夯锤下方1.5m时候，Z方向的位移仅为3.34mm。由以上可以看出，土体的沉降量随着深度的增加而减小，并且衰减较为迅速，当深度大于1.5m时，沉降几乎为零，由此可以得到快速液压夯实机的有效影响深度为1.5m左右。由L.Menard提出的有效深度影响公式可算出影响深度为1.8m，修正系数α可根据土体力学性质、夯锤和路面的接触面[55]积取值为0.8（一般情况下0.4<α<0.8）,则得出快速液压夯实机在夯实路基土体时的有效加固深度可达到1.44m，这与本文模拟结果基本相同。-30-n河北工业大学硕士学位论文4.5.2沉降量与水平距离为分析沉降量与夯点水平距离的关系，取路基夯实模型地表处对称轴上的4个节点作为分析对象。分别是A（0，0.5，0），B（0，0.6，0）C(0，0.7，0)D(0，0.8，0)E(0，0.9，0)F（0，1.0，0）。模拟夯击次数为九次。各点位置示意图如下图4.11。图4.11各点位置示意图汇总后上图后可得出不同水平距离处竖向位移时程图4.12和不同深度处竖向位移随水平距离变化图4.13。0.020.010A81400.20.40.60.811.21.41.6-0.01B815C816-0.02D817-0.03E818竖向位移（m）F819-0.04-0.05-0.06时间（s）图4.12不同水平距离处竖向位移时程图-31-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究00.20.40.60.811.21.41.61.821.00E-020.00E+00-1.00E-02Z=0m-2.00E-02Z=-0.5mZ=-1m-3.00E-02Z=-1.5m-4.00E-02Z=-2m竖向位移（m）Z=-3m-5.00E-02-6.00E-02-7.00E-02水平距离（m）图4.13不同深度处竖向位移随水平距离变化图由上图可以看出，在深度相同的情况下，随着节点距离夯锤中心距离越来越远，其沉降量产生了明显的降低。在夯锤周围土体产生隆起现象，这与现场实际情况相吻合。竖向位移的衰减速度随着深度的增加而减慢，衰减曲线趋于平缓。在水平距离夯锤中心0.5m的地方，沉降衰减为0.5cm以下。在距离行坑中心1.2m处，各个深度的位移曲线基本重合，夯击对土体的影响已经基本为零。由此可认为在本算例中，夯锤的加固半径为0.5m。因此夯点布置可以采取1m*1m。4.6不同计算工况模拟分析为了通过数值模拟计算分析HC系列液压夯实机在不同锤重和锤径下夯实机对路基土动力夯实的夯实效果及影响深度，得到适合桥头处治的较优施工机械及经济合理的施工工艺控制参数，根据HC系列夯实机种类及类别，共进行以下7种工况的路基夯实有限元动力计算分析，为了便于分析计算，材料参数见下表4.4，模型参数的修改利用LS-PREPOST即可。各工况对应能量级见表4.5。表4.4D-P模型材料参数表。名称弹性模量E（MPa）粘聚力C（kPa）内摩擦角（）泊松比密度（Kg/m3）夯锤206000————0.30等效密度灰土10022.6250.301560-32-n河北工业大学硕士学位论文表4.5各工况对应夯击能级表（KJ）名称档工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7位112101420281212224202840562424336304260843636工况1：设计方案，模拟HC36型夯实机。锤重3t，锤体底面直径1m，路基为填土路基，土体参数同上，夯实能量为三级，重力加度g=10m/s2。工况2：比选方案，模拟HC30型夯实机，锤重2.5t，其他条件同工况1。工况3：比选方案，模拟HC42型夯实机，锤重3.5t，其他条件同工况1。工况4：比选方案，模拟HC60型夯实机，锤重5t，其他条件同工况1。工况5：比选方案，模拟HC84型夯实机，锤重7t，其他条件同工况1。工况6：设计方案，模拟HC36型夯实机。锤重3t，锤体圆形底面，锤底直径1.5m，路基为填土路基，土体参数同上，夯实能量分为三级，重力加度g=10m/s2工况7：比选方案，锤体直径2m，其他条件同工况5。4.6.1不同锤重下的影响范围分析为分析沉降量与夯实深度的关系，取夯实模型中轴线上的九个节点作为分析对象。分别是A（0,0,0），B（0,0,-0.5）C(0,0,-1)D(0,0,-1.5)E(0,0,-2)F(0,0,-2.5)G(0,0,-3)H（0,0,-3.5）I（0,0,-4）。模拟夯击次数为一次，夯击能档位均为三级，即最大档位满行程。在不同工况下，工况3和工况5模拟计算得出的应变示意云图如图4.14所示，一次夯击夯锤下方不同深度处竖向位移如图4.15所示；一次夯击时土体表层距离夯锤中心不同水平距离处竖向位移如图4.16所示。由图4.14可以看出，不同能级作用下随着深度的增加，夯点正下方不同深度处土体的竖向位移都呈现出衰减规律。夯点正下方土体在不同深度处的竖向位移随着夯击能的增加都相应增大，可以看出在2m深度范围内土体竖向位移受能级的影响较大。在竖向位移给定某个值判定加固深度时，不同能级对应的深度不同，能级大的对应的深度也大，这说明能级越大，加固深度越大。同时可以看出，加固深度的提高与能级的增加并非线性关系，在工况5中，夯实加固深度较其他工况有了明显提高，加固的影响深度可达3m左右。由图4.15可以看出，随着夯实能量能级的增加，夯实机加固影响的水平范围并未产生明显变化，不同能级下水平位移呈现相似衰减规律。同时，在相同的夯锤直径下，随着能级的增加，衰减速度加快。-33-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究图4.14工况3和工况5模拟计算得出的应变示意云图图4.15夯锤下方不同深度处位移变化曲线图0.05000.511.522.533.544.5工况1-0.05工况2工况3-0.1工况4竖向位移（m）工况5-0.15-0.2深度（m）图4.16土体表层距离夯锤中心不同水平距离处竖向位移变化曲线00.50.550.60.650.70.750.80.850.90.951-0.05工况1工况2工况3-0.1工况4竖向位移（m）工况5-0.15-0.2水平距离（m）-34-n河北工业大学硕士学位论文4.6.2不同锤径下的影响范围分析为分析不同锤径下的有效夯击影响深度及水平影响范围，取工况1、工况6、工况7进行建模，锤体赋予相同等效密度以实现相同锤重。工况1、6、7的落锤高度一致，以实现相同能级。其余建模步骤同上。锤径不同时，夯点下方不同深度处土体竖向位移变化如图4.17所示；表层土体距离夯锤中心不同水平距离处竖向位移变化如图4.18所示。由图4.17可以看出，在深度1.5m~2m范围内，小直径夯锤强夯产生的竖向位移大，也即土体压缩量大；在深度2m以下时三种直径夯锤产生的压缩量差距不明显，说明在深度2m范围内小直径夯锤夯实加固效果好。由图4.18可以看出，小直径夯锤夯沉量最大，大直径夯锤夯沉量最小。小直径夯锤引起的地面隆起位移比大直径夯锤引起的地面隆起位移大，大直径夯锤水平方向加固范围较大，说明在采用小直径夯锤强夯时，夯点间距不能过大。图4.17夯点下方不同深度处土体竖向位移变化图000.511.522.53-0.02-0.04工况1工况6-0.06工况7竖向位移（m）-0.08-0.1深度（m）图4.18土体表层距离夯锤中心不同水平距离处竖向位移变化曲线00.50.60.70.80.911.11.21.31.41.51.61.71.81.922.12.22.32.42.5-0.05工况1工况6-0.1工况7竖向位移（m）-0.15-0.2水平距离（m）-35-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究4.7本章小结（1）本章阐述了利用ANSYS进行建模的基本步骤，在Drucker-Prager准则的基础上建立了土壤的本构模型，并给出了具体参数和条件。（2）利用LS-DYNA强大的后处理功能分析了模型在夯实过程中的各项参数。（3）由以上理论分析可以看出，快速液压夯实机在竖直方向的影响深度为1.5m，并且应力波主要向下传播。在水平方向上，应力加固半径为0.5m，故在实际工程应用中，夯点布置可以采用梅花状。（4）在本工程工况下，液压夯实机的能够使土体发生5.5cm左右的沉降，与上文提到的容许工后沉降10cm相比，显著减少了工后沉降。（5）大直径夯锤水平方向加固范围较大，小直径夯锤对浅层回填土竖向加固效果好，锤径小可以很好地集中冲击力，有利于浅层土体发生变形，但水平方向加固范围较小，需要更小的夯实点间距才能达到加固要求。因此，在实际工程中应合理采用锤径，对需要加固浅层土体时，若土体性质较差，承载力要求高，可采用小直径锤进行夯击，同时应该减小夯实点间距，并进行多遍夯击。（6）在2m深度范围内土体竖向位移受夯实能级的影响很大，表现出能级越大，加固深度越大的现象。同时可以看出，加固深度的提高与能级的增加并非线性关系，夯实能量能级的增加对加固影响的水平范围影响不大，不同能级下水平位移呈现相似衰减规律。同时，在相同的夯锤直径下，随着能级的增加，衰减速度加快。-36-n河北工业大学硕士学位论文第五章高速液压夯实技术工程应用实例5.1工程概况本工程为唐廊高速公路天津段一期工程七标段，一期工程路线起点为塘承高速宁河区以北3Km处，路线东西走向，向东分别跨越马江路、西关引河之后，线位在宁河镇和板桥镇之间穿过，分别与宝芦路、蓟运河、滨玉路相交后，向北延伸至岳龙镇西蛇麻港，最后在褚家庄东侧省界处，与唐廊高速公路唐山段衔接，路线全长33.7Km。同时，为方便丰津路与唐廊高速的快捷沟通，在褚家庄西侧通过联络线与河北省丰津路衔接。七标段起始桩号K31+000，终止桩号K35+173，长度为4173米，标段内主要拟建构筑物为K31+482箱型通道、东大寨路分离式立交、K32+766.0中桥、丰津联络线互通式立交、K33+690.1中桥、褚家庄大桥和主线收费站等。图5.1唐廊高速天津段一期七标段夯实机试验段简介-37-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究5.2.工程地质条件本标段为天津市冲积、海积滨海平原，地面坡度一般1/500~1/1000，地势较为平坦。地表多为农田、树林，存在少量沟渠。场区内及其附近目前不存在对工程安全有影响的岩溶、滑坡泥石流、崩塌、地下洞穴、地面塌陷和地裂缝等不良地质作用。5.2.1特殊土1、填土人工填土在本线路沿线场地表层普遍分布，其层厚在0.70m至1.30m之间，主要组成成分为素土，并掺杂有植物根茎和石粒，具有结构松散，孔隙比大，压缩性高的特点，不能作为路基段的持力层。2、软土本路段广泛分布着第I海相层软弱乱性土，场地内的软弱土主要为淤泥质土以及流塑状的黏性土，其具有孔隙比大、压缩性高、灵敏度高、承载力低、沉降时间长等特点。结构强度建立在天然状态下，一经扰动，会急剧降低其结构强度，不利于路基沉降。因此，应通过精心设计、施工来消除其不良影响。另外，分布在沿线水塘和沟渠内的黑色淤泥层在施工前必须全部清除。因其富含腐殖质，天然强度很低，且成流塑状态，工程性质极差。5.2.2水文地质条件根据勘察结果可以看出，第四系孔隙潜水为本工程地下浅层地下水的主要构成，在第I海相层及以上土层中含量丰富，而第II陆相层乱性土层则起到了相对隔水底板的作用。该层潜水的补给形式为大气降水与周边河水，蒸发为其主要排泄形式。本次勘察期间，本路段浅层潜水水位埋深为0.10至3.50米，标高为1.22至2.69米.根据区域经验，天津市浅层地下水具有明显的丰、枯水期变化，丰水期水位上升，枯水期水位下降，多年变化幅度0.50至1.0m。5.2.3地层岩性本工程施工区域第四系继承了第三系以来的构造运动特点，持续下降的同时伴随着间隙上升，第四系地址层沉积较厚。由南向北厚度逐渐减小。施工区第四系地层分为下更新统（Q1）、中更新统（Q2）、上更新统（Q3）及全新统（Q4）。在第四系底部普遍沉积了第三系（N2）地层，特征如下表5.1：-38-n河北工业大学硕士学位论文表5.1地层岩性一览表地层时代时代符号岩性岩性描述以粉土、粉质粘该段为灰色、黄灰色冲积、海积、湖沼相沉积物，土、粉细砂为主，全新统Q4含少量分散钙与钙核，质地疏松夹有淤泥层该段为一套冲洪积、冲海积混合类型沉积物，呈灰以粉土、粉质粘色、灰黄色、褐黄色、棕黄色，含较多的分散钙与土为主，砂层以上更新统Q3钙质结核，少量铁锰质结核，砂层分选磨圆较好，细砂、砂砾卵石珠状砂明显。一般上段夹有一个海相层，下段夹有为主两个海相层及钙质淋溶沉积层。该段为一套冲洪积及河湖相沉积物，呈棕黄、棕褐、上段岩性以粉土棕红色，滨海低平原区以灰色为基色，有锈黄色染为主，次为粉质和灰绿色斑。含较分散钙核、铁锰质结核，珠状砂中更新统Q2粘土，砂层以细明显可见。下段粘土与粉质粘土明显增厚，分散钙砂、砂砾卵石为含量减少，珠状砂消失。上段夹有两个海相层，下主段仅有海相迹象。该段为冲洪积相及河湖相沉积物，呈深棕黄、棕红、以粘土、粉质粘锈黄、褐灰、兰灰等色。致密，富含钙质结核和铁下更新统Q1土为主锰结核，砂层以砂砾卵石为主，次为中细砂，风化状。该段呈紫褐色、棕红色、棕黄色及蓝灰色，具白红第三系上以粘土、粉质粘N2斑。致密、块状，岩化－半岩化，含钙质结核、铁新统土为主质结核及锰质结核，砂层为细砂及砾砂5.2.4土层特征描述第1层素填土（Qml）：本层分布在本标段大部分标段表层，灰褐色或者褐黄色粘性土，湿，厚度在0.50~1.50m之间，平均厚度为1.15m，含有一定量的铁质、有机质、云母，顶部有耕土可见植物根系，受自然环境因素影响较为严重，物理力学性质差异较大。层底的标高在1.86~3.51m之间。第2层为新近组坑底新近沉积淤泥（Q3Nsi）：黑灰色，软塑~流塑，物理力学4性质变化较大，该层主要分布在沿线的沟渠底部，切面光滑，干强度韧性中等。第3层为第I陆相河床及河漫滩相沉积（Q34al）的黏土或者粉质黏土：呈灰褐色至褐黄色，软塑~可塑，切面光滑，干强度韧性中等，其中含有一定量的铁质、云-39-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究母及有机质等，压缩性为中到高压缩性，主要以黏土组成。本土层广泛、连续分布，且层位较为稳定。层厚通常在1.00~3.00m，层底标高在-0.27~1.37m。地基承载力基本容许值为fa0＝110kPa。压缩模量建议值为4.50kPa。第4-1层为第I海相浅海相沉积（Q24m）粉质黏土及黏土：呈灰色至褐灰色，软塑~流塑，切面光滑，干强度韧性中等，其中含有一定量的云母、有机质、腐殖质及贝壳等，压缩性能为中到高压缩性，主要由粉质黏土组成。本土层广泛、连续分布层位较为稳定，层厚在0.60~8.70m之间，层底标高在-9.67~-3.89m之间。地基承载力基本容许值为fa0＝110kPa。压缩模量建议值为6.0kPa。第4-2层为第I海相浅海相沉积（Q2m）淤泥质土：呈灰色，软塑状，其中含有4一定量的有机质、腐殖质及贝壳碎片等，压缩性能为高压缩性，主要由淤泥质土组成。本土层分布不连续，多以透镜体状分布，层厚在0.50~6.50m之间。地基承载力基本容许值为fa0＝70kPa。压缩模量建议值为3.5kPa。第4-3层第I海相浅海相沉积（Q2m）淤泥质土粉土、粉砂：呈灰色，湿，稍密4~中密，分选好，极配差，可见贝壳碎片、云母、有机质等，压缩性能中等。本土层在本标段局部分布较厚，但层位和埋深不稳定，厚度在1~3m之间。承载力的特征值fak＝160kPa。压缩模量建议值为6.0kPa。第5-1层为第II陆相河床~河漫滩相沉积（Q1al）粉质黏土、黏土：呈灰黄至褐4黄色，可塑状，其中含有一定量的铁质、云母等，压缩性能为中压缩性，本土层广泛、连续分布层位较为稳定，层厚在0.90~5.00m之间，层底标高在-13.77~-7.48m之间。地基承载力基本容许值为fa0＝130kPa。压缩模量建议值为4.5kPa。第5-2层为第II陆相河床~河漫滩相沉积（Q1al）粉土、粉砂：呈灰黄至褐黄色，4很湿，密实度为中密到密实，其中含有一定量的铁质、云母等，主要求粉土组成，本土层分布不连续，层厚在1.00~10.10m之间，层底标高在-21.90~-17.79m之间。地基承载力基本容许值为fa0＝160kPa。压缩模量建议值为7.5kPa。第6-1层为第III陆相河床~河漫滩相沉积（Qeal）粉质黏土、黏土：呈黄褐至灰3褐色，具有可塑性，压缩性能为中等，其中含有一定量的锈斑、云母等，局部含有少量的姜石粒，本土层分布连续、广泛，层位较为稳定。层厚在0.60~4.80m之间，层底标高在-24.39~-20.60m之间。地基承载力基本容许值为fa0＝150kPa。压缩模量建议值为6.5kPa。第6-2层为第III陆相河床~河漫滩相沉积（Qeal）粉细砂、粉土：呈黄褐色，具3有饱和、密实的特点，具有中等到低压缩性能，其中含有一定量的铁质、云母等，本标段中主要有粉土组成，砂质均匀。本土层分布连续、广泛，层位较为稳定。层厚在0.60~7.00m之间，层底标高在-30.75~-23.43m之间。地基承载力基本容许值为fa0＝180kPa。压缩模量建议值为13.5kPa。-40-n河北工业大学硕士学位论文第6-2夹层为第III陆相河床~河漫滩相沉积（Qe3al）粉质黏土：呈黄褐色，具有可塑的特点，其中含有一定量的锈斑、云母等，压缩性能中等。本土层主要是以透镜体状分布。层厚在1.00~2.70m之间。地基承载力基本容许值为fa0＝160kPa。压缩模量建议值为12.5kPa。第7-1层为第IV陆相河床~河漫滩相沉积（Qc3al）粉质黏土、黏土：呈黄褐至灰褐色，具有可塑性，具有中压缩性能，其中含有一定量的铁质、云母等，本标段中主要有粉质黏土组成。本土层分布不稳定，层厚的变化较大。层厚在0.70~4.20m之间，层底标高在-35.37~-26.52m之间。地基承载力基本容许值为fa0＝180kPa。压缩模量建议值为16.0kPa。第7-2层为第IV陆相河床~河漫滩相沉积（Qc3al）粉细砂、粉土：呈褐黄色，具有饱和、密实的特点，具有中等到低压缩性能，其中含有一定量的铁质等，本标段中主要有粉细砂组成，砂质均匀。本土层分布连续、广泛，层位较为稳定。层厚在1.00~8.10m之间。地基承载力基本容许值为fa0＝200kPa。压缩模量建议值为18.0kPa。第7-2夹层为第IV陆相河床~河漫滩相沉积（Qcal）粉细砂、粉土：呈褐黄色，3具有饱和、密实的特点，具有中等到低压缩性能，其中含有一定量的铁质等，本标段中主要有粉细砂组成，砂质均匀。本土层分布连续、广泛，层位较为稳定。层厚在1.00~8.10m之间。地基承载力基本容许值为fa0＝200kPa。压缩模量建议值为18.0kPa。5.2.5地基基础分析与评价本场地地表分布厚度较厚的第四系全新统人工填土层，图纸不均，结构松散，密室程度差，压缩性能高，工程性质差。在沟渠、河道和水塘处分布着厚度不均的淤泥层，含有大量有机质、腐烂质，工程性质差。第I陆相层（Q3al）中分布着工程性质一般的软塑~可塑状的黏土、粉质4黏土层，该土层具有分布稳定、层厚较薄的特点。本场地的第II、III陆相层（Q1al、4Qe3al）主要组成部分为工程性质尚好的黏土、粉质黏土、粉土和粉细砂，在水平方向上这些土层分布稳定，黏性土具有中压缩性，可塑~硬塑状态的特征，砂性土具有中cal）、第III海相层（Qb低压缩性且多呈现密实状态。第IV陆相层（Q33m）和第V陆相层（Qaal）在本场地主要由较适合施工、呈现中压缩型的可塑~硬塑状态的黏性土3和密实状态的粉土、粉细砂和中砂组成。总体上，本标段适宜工程建设。场地稳定，势较平坦，地基土分布具有均匀、稳定的特征。但场地内分布较厚的软弱土层，应针对具体工程要求采取适宜的处理措施。5.3桥头路基处理方案的设计-41-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究5.3.1桥头路基施工方案褚家庄大桥小桩号方向台背回填8%灰土，桩号及填筑范围：K34+498.124~K34+511.57，共13.446m，总工程量2181.1m3，总填筑层数33层，在压路机进行压实是路基压实度达到要求后，进行高速液压夯实机补强压实，并分别测定压实度和沉降，并选取测点埋设压力盒，测定压实过程中的应力，压力盒埋设方式及要求见下文。压实度要求见表5.2。运用石灰土填筑桥头路基过渡段，其填筑高度为应从原地面到路床顶面。石灰土外应有保证边坡植草成活的包边素土，厚度0.5m。在过渡段顶部加铺4层用钢构件与桥台连接的钢塑格栅，以减少工后沉降从而避免跳车现象。其应在路基纵向方向铺设，同时严禁纵向搭接，横向搭接宽度应大于30cm。其铺设宽度应该比相应层位的路基宽度窄150cm。钢构件应涂沥青防腐。过渡段基底与桥台的最小水平距离为6.0m，其与路基连接处的坡率为l：1.5。在一般路基与石灰土的填筑界面处，搭接应按台阶状，位于路床下的台阶的高度为68cm，宽度为100cm。在隐蔽工程验收合格后再进行过渡段分层回填压实，每层压实度应大于等于96%。过渡段部分的路床应与其相连的路提路床同步填筑，并采用快速液压夯实机对桥头路基进行压实。表5.2路基填料最小强度、最大粒径及压实度要求一览表项目分类压实度（%）填料最大粒径（cm）填料最小强度CBR（%）上路床（0~30cm）≥96108下路床（30~80cm）≥96105上路堤（80~150cm）≥94154下路堤（>150cm）≥93153零填及路堑路床≥96108（0~30cm）零填及路堑路床≥96105（30~80cm）地基表层≥90108桥头、通道两侧路基≥96108（0~25m范围内）桥头、通道两侧路基≥95105（25m~50m范围内）-42-n河北工业大学硕士学位论文图5.2唐廊高速一期工程七标段项目部图5.3唐廊高速公路一期七标段高速液压夯实试验段5.3.2试验填土控制和试验检测桥头填土高度为4.95m，分层填筑，每层填筑高度为15cm，共33层。采用8%的石灰土，为保证粒径，应对细粒土进行粉碎使得土块尺寸小于10mm，并过筛处理。在拌合过程中采用旋耕机多次拌和，使填料的粒径和灰剂量达到规范设计的要求，防止出现素土或灰土夹层现象。灰剂量应经多次自检。为方便填土完成后的夯实，其表面应尽量保持平整。为了在夯击前测得填土的最大干密度和回填土的最佳含水量，应取样进行室内标准击实试验。台背回填质量检测应按JTJ041－2011《公路桥涵施工技术规范》有关-43-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究规定执行，根据试验土的击实曲线，得出其最大干密度为1.81g/cm3，最佳含水量为12.5%。详细实验数据见表5.3。表5.3褚家庄大桥台背填料物理指标最大干密度最佳含水量检测方法液限塑限塑性指数（g/cm3）（%）标准条款1.8112.521174T0131另外，根据现场实验报告，颗粒直径大于0.75mm的颗粒质量占到了95%以上，细颗粒含量较少，所以路基刚度受含水量影响较小。根据结构物回填压实度的控制要求，从填方基底或涵洞顶部至路床顶面均为95%。测点按照每50m2取一个，不足50m2按1个点检验。压实度采用灌砂法测量。5.3.3快速夯实法夯实参数的选择（1）夯击能的选择本次工程使用机械为山东省泰安市泰安恒大机械有限公司的HC36型快速液压夯实机，该机械自重6.4t，额定冲击能量为36KJ，锤体质量为3t，锤体行程0.2-1.2m。夯锤直径1m，夯极频率可达30~80次/min。（2）夯点布置此次施工采用间隔梅花型布置，夯点之间间距1.5m。作业方式采用直线作业方法。每次单点作业，在前进或后退进行下一个点的作业。如图5.4所示。图5.4夯点布置图（3）夯击能量及作业锤数-44-n河北工业大学硕士学位论文本次工程的夯击能共有三档，夯击能最大为36KJ。初次作业次数为3锤，每次累加3锤进行夯实作业。确定现场作业锤数的依据为相应现场试验的检测结果；另外，在夯实机最后3锤作业的相对沉降小于1cm时，停止夯击。（4）夯击安全距离为保证实际施工时夯实机不损伤涵台砼结构，夯实前采取试夯的办法，通过人工观测桥台表观质量和施工经验确定夯击锤与涵台表面的安全距离为0.5m。即夯实机锤心距离桥台为1m。5.3.4现场压力盒布置方案本工程采用长沙市喜雅电子科技有限公司的XY-TY02B系列压力盒，采用振弦理论设计制造，量程为2Mpa，灵敏度达到0.001Mpa，可过载150%，并配备了智能读数仪。压力盒在布置时，考虑一下几个原则：1、力学传感响应布置在夯锤锤击的正下方，以确保传感器能够测量到快速夯实作用下的最大响应。压力盒要保持水平，如有偏差将会引起测量结果的偏差，是测量的结果偏小，因此要保证土压力盒尽量在水平面上，且避免压力盒底部与地面之间出现空隙。2、不同测量位置和测量方向上的压力盒应有平行数量，保证整个桥涵台背后的关键位置力学响应能够测量得到，同时平行位置的压力盒数据可以互相校正。3、压力盒纵向布置的最大埋深依据工程经验和理论推导计算结果，设定为1.5m。压力盒应采取固定措施，以减少在压实过程中行实际作用对压力盒造成的偏移影响，夯实过程中应该对输出线增加套管，以避免在压实过程中将输出线压断从而影响检测结果。4、由于台背填土为分层填筑，则在第一层填土完成后，应该在表层埋设土压力盒，观测其对上层填土夯实时对下层的影响。在安装过程中，应注意对设备及其配套设施进行检测，以保证其灵敏度和可靠度。5、土压力盒应布设在中央分隔带两侧重车道的轮迹带上，采用先填筑路基，再采用挖坑式埋设压力盒的方法，在施挖过程中，应注意坑地面平整，用中粗砂进行下底面的填筑，压实后埋设压力盒，以保证其平整度和沉降符合要求。6、在埋设过程中，注意清楚大颗粒、杂物等，避免在压实中对管线造成破坏，导线与压力盒的连接长度尽量保持一定的余量，避免压实干扰导致连接线破坏，由于压力盒埋设数量较多，应在施工过程中注意确认压力盒及其对应的连接线编号，绘制相应表格，以保证检测结果的配套。土压力盒布置方案如图5.5和图5.6所示，其埋设过程如图5.7所示。-45-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究图5.5土压力盒平面布置图图5.6土压力盒竖向布置图图5.7土压力盒埋设-46-n河北工业大学硕士学位论文5.4夯实在试验段开展了未预压和预压两种工况，在不同的能量等级，不同的夯击次数下进行了路基土体的夯实处理。在夯实处理过程中分别就土体的累计沉降量和土体表层的压实度进行了测量记录。并在预压处理工况下，埋设压力盒，测试并记录夯实过程中的应力。压实土壤的压实度和其表面沉降量存在一定的对应关系。相对沉降量越大,则该次压实所获得的压实度越高一般压实试验的累计沉降量越大,则该种压实方式获得的土壤压实度越高。因此,在评价土壤压实效果时,将试验所得土壤压实度和表面沉降量结合起来分析。5.4.1应力值测定液压夯实机根据布置好的夯点位置进行夯实,夯击时应按试验和设计确定的强夯参数进行,专人在夯实机前指挥落点,保证夯实位置的准确。夯实的顺序从边缘夯向中央。压力盒1、2、3、4、5、6读数取值为夯实机在测点正上方夯实时，测点7、8、9、10、11、12度数取值为夯实机在夯实测点相邻南侧夯点时的读数。压力盒读数测量结果如下表5.4所示：表5.4实测应力值表填筑高压度0m1.2m1.95m2.7m3.45m4.2m应力盒力值度10.925Mpa0.112Mpa0.001Mpa0.000Mpa0.000Mpa0.000Mpa2——1.003Mpa0.372Mpa0.001Mpa0.000Mpa0.000Mpa3————0.842Mpa0.426Mpa0.002Mpa0.000Mpa4——————1.233Mpa0.687Mpa0.021Mpa5————————0.982Mpa0.347Mpa6——————————0.894Mpa70.011Mpa0.000Mpa0.000Mpa0.000Mpa0.000Mpa0.000Mpa8——0.046Mpa0.000Mpa0.000Mpa0.000Mpa0.000Mpa9————0.014Mpa0.000Mpa0.000Mpa0.000Mpa10——————0.011Mpa0.000Mpa0.000Mpa-47-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究11————————0.024Mpa0.000Mpa12——————————0.056Mpa根据上表中原始数据，得出应力值变化柱图如下：1234应力值（Mpa）5601.21.952.73.454.2填筑高度（m）图5.8测点1~6不同高度处实测应力值变化柱图由以上图表可以看出，高速液压夯实机夯实影响的有效深度在1.5m左右，局部影响深度可达到2m。在水平范围内影响衰减很快，在距离夯锤1m的水平范围内，应力值几乎可以忽略不计，说平夯锤的有效影响距离不大于0.5m。夯实的主应力总体向下传播，对桥台结构物是安全的。综上所述，高速夯实机能量基本分布在夯锤周围0.5m及其以下的范围内，对侧向的结构影响很小，由此可见，高速液压夯实机在施工过程中可以做到有效夯实的同时，对桥头台背结构物也是安全的，施工时，可取夯锤距离台背0.5m距离作为夯实安全距离。5.4.2沉降值测定沉降值测定采用精密水准仪测定，测定时，注意将前后视尺和水准仪保持在同一直线上，并注意观测误差，如果超过规定标准，要进行重新测量。每一个夯点要进行往返测量，测站的数量应为偶数，并按照后、前、后、前、的顺序进行观测，往测向返测转换时，应该对换两根标尺的位置，并重新校核水准仪。在同一侧段往返测的过程中，不得对水准仪的焦距进行二次调整。夯实过程如下页图5.9所示。-48-n河北工业大学硕士学位论文图5.9夯实现场及夯点选取示意图沉降值测量分为预压和未预压两种工况，并分别取18个夯点作为数据拾取点。分别试验在不同的档位下，土体的沉降量，并以最后三次夯实沉降小于等于1cm作为停止夯击的标准。在未经预压时，其测试结果如下表5.5、表5.6和表5.7。表5.5一档时夯击次数与沉降量观测值的关系（未预压）夯击累计沉降量（cm）平均沉降档位次数测点1测点2测点3测点4测点5测点6量(cm)320.318.619.219.621.420.920.0623.321.321.922.125.024.222.91档925.823.124.123.926.725.924.91226.523.925.225.027.526.725.815————25.925.4————26.7表5.6二档时夯击次数与沉降量观测值的关系（未预压）夯击累计沉降量（cm）平均沉档位次数测点7测点8测点9测点10测点11测点12降量(cm)324.924.322.723.324.121.223.4627.326.825.926.427.023.926.2930.729.828.428.930.225.428.9二档1232.831.530.130.131.826.730.51533.632.630.931.132.827.631.418——33.2——31.7————32.5-49-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究表5.7三档时夯击次数与沉降量观测值的关系（未预压）累计沉降量（cm）平均沉夯击档位降量次数测点13测点14测点15测点16测点17测点18(cm)336.135.333.533.934.532.234.2637.436.835.034.135.933.835.5三档937.837.935.834.736.335.136.312——38.2——————35.636.940353025201档152档沉降量（cm）103档500369121518夯击次数图5.10未预压时不同档位、夯击次数与沉降量关系曲线由表5.4到表5.7可以看出，高速夯实机在夯实未经预压的路基土体时，前三次夯击沉降量增长很快，一般能够达到沉降量稳定之前总沉降量的80%以上，尤其是三档，其强度增长很快，三档时三次夯击沉降达到总沉降量的94%左右。经过九次夯击之后，沉降量增长基本趋于稳定，这与上文数值分析结果基本一致。另外，由图5.10可以看出，一档二档夯击时，沉降差异并不与其能量差异成正比关系，采用三档作业时，沉降较一档二档产生了较大的提高，说明在实际施工未预压的填土路基时，采用三档六至九次施工，沉降量最明显，最终的沉降量一般可达35cm以上，同时施工工艺衔接最优。在路基分层填筑并充分碾压后，采用快速液压夯实机进行补夯，在不同冲击能量下测试其沉降量，实测数据绘制成图表，详见下。表5.8，表5.9，表5.10，其沉降量-50-n河北工业大学硕士学位论文平均值绘制成图5.11。表5.8一档时夯击次数与沉降量观测值的关系（预压95%）累计沉降量（cm）平均沉档夯击位次数测点1测点2测点3测点4测点5测点6降量（cm）31.21.41.31.41.11.31.3一61.92.01.92.11.81.91.9档92.32.32.52.52.22.42.4122.52.62.92.72.42.82.7表5.9二档时夯击次数与沉降量观测值的关系（预压95%）累计沉降量（cm）平均沉档夯击位次数测点7测点8测点9测点10测点11测点12降量（cm）31.61.41.91.82.01.81.762.12.22.42.32.52.22.3二档92.82.72.92.83.02.72.8123.13.03.23.03.22.93.1表5.10三档时夯击次数与沉降量观测值的关系（预压95%）累计沉降量（cm）平均沉档夯击位次数测点13测点14测点15测点16测点17测点18降量（cm）32.82.32.02.22.33.62.564.33.63.13.33.35.03.8三档95.14.63.84.14.26.04.612——5.3——————6.45.9-51-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究65431档2档沉降量（cm）23档1003691215夯击次数图5.11预压度95%时不同档位、夯击次数与沉降量关系曲线图由表5.8到5.10可以看出，在预压度为95%时，高速液压夯实机仍能表现出良好的地基夯实效果。由图5.11可以得出，一档和二档对路基夯实时沉降差异不明显，三档时，沉降与前两档产生了明显差异，这与未预压时的沉降量规律基本一致，由此可以看出，只有在能量达到一定级别之后，路基的沉降量才会产生较大变化。在能量较小时，其沉降变化并不和能量的增加成正比关系。另外，在预压度为95%时，液压夯实机能够使路基土体产生6cm左右的沉降，可以有效地减少工后的沉降，从而保证在通车后，大大减少桥台部位的差异沉降，从而避免桥头跳车现象的发生。同时，对于桥头部位沉降的长期观测仍有待进行，以确定高速液压夯实机对减少桥头跳车现象所产生的长期经济效益。5.4.3压实度测定JTJ041－2011《公路桥涵施工技术规范》有关规定，按照结构物回填压实度控制要求从填方基底或涵洞顶部至路床顶面均为95%。本次压实度测量在两种不同工况下进行。工况一为现场试验段，在未预压情况下填土直接运用快速液压夯实机压实。工况二的测量建立在基础压实，压实度达到95%后进行快速液压夯实机补夯的基础上。测量均采用灌砂法测定其压实度，本次测量为每个工况选用三个夯点进行压实度测定，其测量结果如下。灌砂法现场测量压实度如图5.12所示，未经预压时夯实机夯实后的压实度见表5.11和图5.13。夯实机在夯实预压后的土体压实度见表5.12和图5.14。-52-n河北工业大学硕士学位论文图5.12压实度的测定表5.11夯实后压实度测定表（未预压）夯夯击次数3次6次9次12次击能量一档91.7%93.1%95.2%95.6%二档92.4%95.9%96.8%96.5%三档94.1%97.2%98.9%99.2%100.099.098.097.096.0一档95.0二档94.0三档压实度（%）93.092.091.090.036912夯击次数图5.13未预压时夯点压实度与档位、夯击次数关系曲线-53-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究表5.12预压95%时压实度测定表夯夯击次数0次3次6次9次12次击能量一档95.1%96.3%96.9%97.2%97.1%二档95.6%96.8%97.4%98.2%98.3%三档95.3%97.4%98.9%99.6%100.3%100.099.599.098.598.0一档97.5二档97.0三档压实度（%）96.596.095.595.0036912夯击次数图5.14预压度为95%时夯点压实度与档位、夯击次数关系曲线由表5.11和图5.13不难看出，在未预压情况下，压实度随着夯击次数的增加增长很快，三次夯击之后压实度基本都达到了90%以上。三至九次夯击，压实度增长有所减缓，在九次夯击之后，压实度增长小于0.5%，即可认为在九次夯击之后，压实度基本不再增长，这与沉降情况基本相吻合。另外，在未预压情况下，在二档和三档情况下，经过三次夯实之后，压实度基本达到95%以上，已经能够满足桥头台背路基填筑的规范要求。由表5.12和图5.14不难看出，在预压压实度为95%的情况下，随着夯击次数的增加，压实度亦能产生明显的增加。这与沉降量变化规律大体一致。在一档时，随着夯击次数的增加，前六次夯击压实度呈明显变化，第6至9次夯击变化趋势平缓，最后三次夯极压实度则产生下降趋势，可能是最后一次压实度测量，计算或操作方面产生了问题所致。总体来讲，夯击能得到传播，土壤压实度有所提高。二档夯击和三档夯击时前六次夯击，压实度增长几乎成直线趋势，随着压实次数的增加，压实度增加趋势趋于平缓。第九到十二次夯击，压实度几乎不产生增长。所以可以认为在本项目的工况条件，即预压度在95%的情况下，采用三档的九次夯击，压实度能够达到最大增长，最高可以达到接近10%的压实度。故最佳夯击次数为九次，-54-n河北工业大学硕士学位论文这样可以以较低的能耗得到最大的压实度。这与上文在数值分析中得出的结论：“一定的落高、底面半径及重量的夯锤其影响深度是一定的”这一结论基本吻合。5.5现场试验与数值模拟结果对比5.5.1数值比较由于现场试验分两种补强施工和直接压实施工两种工况，而数值模拟仅就补强施工进行了分析，所以对比仅限于补强施工。观察数据分析结果和现场实测结果，我们可以得出如下结论：（1）从最大沉降度而言，对于补强施工的数值模拟结果，最大沉降达到5.53cm。而对于实体工程而言，得到的测点处最大沉降为5.90cm。（2）从竖直影响深度及水平影响而言，数值模拟的有效影响深度均为1.44m，而现场实测结果为1.5m，局部可达到2m左右。而在水平方向，数值模拟与现场实测结果基本一致，均为0.5m左右。（3）从应力值角度来看，数值模拟的计算表层应力值约为0.9Mpa，现场实测表层应力平均值为从0.98Mpa。从未验证了数值模拟应力计算公式的正确性。5.5.2差异原因分析造成数值模拟结果与现场实际观测结果差异的原因是多方面的，包括仿真模拟的建模、实体工程的施工情况、测量设施的埋置情况等等。分析如下：（1）在利用有限元仿真数值模拟实体工况的过程中，所用材料参数与现场实际情况有差别，初始应力的确定与实际情况有差别；（2）人为或者自然因素会影响到现场实际施工状况和数据的测量及工器具埋设，从而加剧现场实际与模拟分析的差异。（3）数值仿真建立在理想环境的假设条件下，无论是本构模型、形变还是能量转化均与现场实际情况有差别。5.6本章结论（1）从上述分析不难看出，高速液压夯实机在解决桥头跳车现象，压实桥头台背填土，保证桥头台背施工质量方面有强大的优势和良好的作用。通过结合沉降量与压实度两方面不难看出，在未预压情况下，最优施工工艺是采用二档六次至九次夯实的作业方法，压实度即可达到规范要求的95%以上，同时沉降量基本趋于稳定，基本-55-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究可达到25~30cm左右。（2）高速液压夯实机夯实路基土体时，路基土体可在其有效深度影响范围内一次填筑，从而避免传统压实分层碾压的特点，可有效避免传统分层压实路基各层连接力有限的缺点，大大的节省施工工期和费用。并且高速液压夯实机具有转场灵活，租赁费用较低等特点，可以为施工单位在节省工期的同时，减少机械的租赁费用，实现较少的资金占用。（3）对于补强施工，最优施工工艺是采用三档六至九次夯实的作业方法。压实度可达到99%左右，沉降量可达5cm左右，这对于减少工后沉降，在一定程度上避免通车后的桥头跳车现象有重要的作用，同时，压实度提高增强了路基土体的整体性能，能够有效减少通车后因横向路面塌陷形成的台阶高度。（4）在路桥过渡段施工时，施工安全距离可缩减到50cm，有效提高了过渡段处的压实面积，同时又能保证桥头台背结构物的安全。（5）在补强施工中，快速液压夯实机其影响深度可以达到1.5m左右，局部的影响深度可以达到2m左右。相较于传统夯实设备而言，影响深度大大提高，同时保证了结构的安全。-56-n河北工业大学硕士学位论文第六章结论与展望6.1结论在高速公路建设过程当中，桥头跳车这一病害的出现不仅使得乘车的舒适性难以保证，更可能会造成安全事故。同时，国内外资料表明，因“桥头跳车”现象也使得道路维修费用剧增。而快速液压夯实机的出现很好的解决了这一问题，其比传统夯实设备影响深度大，夯击能量高，还可以用来做补强压实，满足不同压实度的地基要求。因此，本文进行了桥头跳车的动力学分析，在此基础上进行软件数值模拟分析，再从施工实践的角度出发，验证数值分析结果，并得出有效的施工控制参数。主要得到以下结论：（1）通过建立路基土体和夯实机相互作用的模型，分析了路基土体与夯实机的相互作用，初步分析了影响夯实机夯实作用的各个因素。（2）高速液压夯实机夯实台背填土可以有效的提高台背填土的密实度，可实现厚层填土的整体压实，减少分层。而且能够降低工后沉降，延长了台背处的养护周期，从运营维修的角度降低了成本。（3）工作效率高，不影响下一步工序。高速液压夯实机在最大夯击势能的夯实频率可达80次/min，完成300平米作业面的夯实时间不到两小时，可以通过调整可变工序将其作为高填方路段的压实补充，而不会影响总工期。（4）与传统的夯实技术相比，液压夯实机更加安全、环保，更加快速、灵活，具有很好的可控性。（5）由数值模拟计算结果与现场实际施工数据采集对比可知，在预压度达到施工规范要求的情况下，采用液压夯实机补夯时，采用三档九次夯击其沉降可达5cm左右，大大降低了工后沉降。同时压实度得到较大提高，可达到99%以上，有效提高路基土体整体度，减少后期局部沉陷造成的台阶高度。（6）在未预压情况下，可采用液压夯实机进行二档六至九锤的作业方法，压实度即可达到规范要求的95%以上，同时沉降量基本趋于稳定，基本可达到25~30cm左右。（7）数值模拟与现场实际结果的差异可能有数值模拟采用的本构模型不能完全反应土壤的特性，在现场实测过程中，实测结果可能产生误差等原因。-57-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究（8）大直径夯锤水平方向加固范围较大，小直径夯锤对浅层回填土竖向加固效果好，但水平方向加固范围较小，需要更小的夯实点间距才能达到加固要求。因此，在实际工程中应合理采用锤径，对需要加固浅层土体时，若土体性质较差，承载力要求高，可采用小直径锤进行夯击，同时应该减小夯实点间距，并进行多遍夯击。（9）在2m深度范围内土体竖向位移受夯实能级的影响很大，表现出能级越大，加固深度越大的现象。同时可以看出，加固深度的提高与能级的增加并非线性关系，夯实能量能级的增加对加固影响的水平范围影响不大，不同能级下水平位移呈现相似衰减规律。同时，在相同的夯锤直径下，随着能级的增加，衰减速度加快。6.2展望快速液压夯实是未来进行路基压实，尤其是解决路桥过渡段差异沉降的发展趋势，其课题是复杂而又长远的。本文的工作是初步的，更进一步的研究应该放在如何改善和建立更能够反映实际的土体本构模型，从而进一步研究土体各项性能参数在夯实过程中的变化，并得出成熟完善的计算方法，从而为工程提供强有力的支撑。具体来说应该从以下几个方面着手。（1）进一步加深夯实机理的理论研究，结合室内外实验，以及数值分析，进一步探讨加固机理。（2）本文土壤本都模型描述土体有一定的近似性，但是由于ANSYS并没有在岩土工程中广泛使用的土壤Duncan-chang本构模型，如何自定义Duncan-chang本构模型，建立起模型参数，需要进一步探讨。（3）进一步加深快速液压夯实的效果影响因素分析，进行大量的现场不同工况实验和测试工作，得出更有效，更全面结论。（4）快速液压夯实的发展离不开与其他处理方法的结合，是一种复合化的趋势。其与更过处理方法结合的研究效果有待进一步深入。-58-n河北工业大学硕士学位论文参考文献[1]黎炳燊.天津滨海新区道路软基工程特性研究[D].长安大学2009[2]冯忠绪.工程机械概论[M].北京.人民交通出版社.2004.[3]孙祖望我国路面与压实机械面向21世纪的展望、发展对策与技术创新[J].天津.工程机械文摘.2002.10.[4]孟宪颐,李韶岗.振动冲击夯研究的现状及对策分析[J].北京建筑工程学院学报.2004(04)[5]王良文,崔晓康,李安生,郭惠民.国产冲击夯的改进措施[J].建筑机械.2006(07)[6]MenardL,BroiseY.Theoreticalandpracticalaspectsofdynamicconsolidation[J].Geotechnique,1975,25(1):3-18.[7]田大治.强夯加固技术在高速公路路基处理中的应用[J].黑龙江交通科技.2010(03)[8]王晓平.强夯加固软土地基的数值分析[D].天津大学2014[9]龚晓南,地基处理手册（第三版）[M],北京:中国建筑工业出版社,2008.[10]邵荣春.强夯加固机理及强夯影响效果研究分析[D].中南大学2007.[11]邓捷,等.高度液压夯实机在路基工程中的实践.交通世界,2004(6).[12]曹斌,邓捷,申培华.E系列高速液压夯实机及其应用特点[J].交通世界.2004(05)[13]LenerdH,Recentresearchonthetrack-subgradeofhigh-speedimpact[J].JournalofZhejiangUniversity-SCIENCE[14]Franz-JosefFalkner,ChristophAdam.RapidImpavtCompationForMiddle-DeepImprovementoftheground-Numericalandexperimentalinverstigation[J].ResearchtoDesigninEuropeanPractice.2010(06)[15]曹斌,邓捷.高速液压夯实机的开发应用[J].公路交通科技(应用技术版).2012(07)[16]黄彰荣.高速液压夯实机在桥台回填中的应用[J].交通标准化.2008(01)[17]刘莉.采用液压夯实机补强高速公路台背路基施工参数的试验研究[J].铁道建筑2009(6):84-87.[18]张焕新.液压夯实技术补强高速公路台背路基施工工艺试验研究[J].公路,2010(6):140-143.[19]冯忠绪,刘本学,赵侃.高速液压夯实机(RHIC)夯实效果的试验研究[J].郑州大学学报(工学版),2007(28)1:56-63.[20]刘本学,郝飞,张志峰,等.高速液压夯实机动力学模型试验[J].长安大学学报(自然科学版),2009,29(1):95-98.[21]孙筠.已建软基桥梁桥头跳车的处治方法机理分析及试验研究[D].浙江大学2010[22]李清芾,陈新强.桥涵台背回填施工控制研究[J].交通标准化.2011(22)-59-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究[23]聂志红高速铁路轨道路基竖向动力响应研究[D].长沙:中南大学博士学位论文,2005.[24]潘晓东、杜志刚、杨晓光,桥头跳车对行车安全影响评价指标的研究[J].同济大学学报2006(5):634-637.[25]冯忠居，方贻立,龚坚城,等.高等级公路桥头跳车的危害及其机理的分析[J].西安公路交通大学学报,1999,19(4):33-35.[26]PANXiaodong,DUZhigang,YANGXiaoguang.EvaluationIndexesoftheImpactofVehicleBumpingatBridge-headonDrivingSafety[J].JournalofTongjiUniversity:NaturalScienceEdition,2006,34(5):634－637.[27]陈景星,冯忠居,郑木莲,孟建党.基于安全性的路桥过渡段差异沉降控制标准[J].公路交通科技.2013(02)[28]陈晓麟.路桥过渡段沉降控制指标及控制方法研究[D].长安大学硕士学位论文.2003.15-25[29]Wahls,H.E.NCHRPSynthesisofHighwayPractice159:Designandconstructionofbridgeapproaches.Transportationresearchboard.Nationalresearchcouncil,Washington,D.C.,1990:27[30]《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》JTJ017-96.人民交通出版社.1997[31]MenardL,BroiseY.Theoreticalandpracticalaspectsofdynamicconsolidation[J].Geotechnique,1975,25(1):3-18.[32]ThilakasiriHS,GunaratneM,MullinsG,etal.Inves-tigationofimpactstressesinducedinlaboratorydy-namiccompactionofsoftsoils[J].InternationalJour-nalforNumericalandAnalyticalMethodsinGeome-chanics,1996,20(10):753-767[33]MaynePQ,JonesJS.Impactstressduringdynamiccompaction[J].JournalofGeotechnicalEngineering,1983,109(10):1342-1347.[34]水伟厚,高广运,吴延炜,等.湿陷性黄土在强夯作用下的非完全弹性碰撞与冲击应力解析[J].建筑结构学报,2003,24(5):92-96.[35]王进,马军星.液压高速夯实机及其应用[J].筑路机械与施工机化,2006,23(1):51-53.[36]曹斌,邓捷,申培华.E系列高速液压夯实机及其应用特点[J].交通世界.2004(05)[37]王延尉,程平.高速液压夯实技术在结构物台背回填中的应用[J].山西建筑.2009(30)[38]李夕兵,刘德顺,刘爱华冲击机械合理加载波形的研究[J].中南工业大学报,1998,29(2):116-119.[39]牛志荣.土体动力压密问题及其工程应用[D].太原理工大学2003[40]姚成华,曾建华,杨天春.地基强夯中的瑞利波研究及检测应用[J].西部探矿工程.2008(12)[41]孔令伟,袁建新.R波在强夯加固软弱地基中的作用探讨.工程勘察.1996(5)[42]JamesH.Long,ScottM.Olson.DifferentmovementatEmankment/BridgeStructureInterfaceinIllinois[J].TransportationResearchBoardPaper,1998[43]叶见曙桥头引道工后沉降控制标准的研究[Ｊ]东南大学学报,1997(3):12-17[44]袁捷,凌建明.桥头引道工后沉降评价与养护标准的研究[J].同济大学学报.2004,32(1)：49-53-60-n河北工业大学硕士学位论文[45]凌建明,袁捷,严永斌等.高等级道路桥头引道沉降处理决策辅助系统研究[J].中国公路学报.2001(14)Sup:16～18[46]冯光乐,许志鸿,凌天清.基于道路使用功能的桥头引道沉降标准研究[J].公路交通科技.2005,22(2):35-38[47]冯光乐,凌天清.桥头跳车防治措施分析[J].重庆交通学院学报.2002,21(4):34-38[48]美国ANSYS公司.ANSYS/LS-DYNA技术应用报告[EB].2002[49]LivermoreSoftwareTechnologyCorporation.LS-DYNAUser’sManual(960v)VolumeⅢ(StructuredFormat)[EB].Livemore,2001[50]北京理工大学,ANSYS/LS-DYNA中国技术支持中心.ANSYS/LS-DYNA算法基础和使用方法[M].1999[51]时党勇,李裕春,张胜民著.基于ANSYS/LS-DYNA进行显示动力分析[M].北京：清华大学出版社,2005[52]尚晓江,苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京:中国水利水电出社,2005[53]彭建兵，陈立伟，邓亚虹，等．车辆动荷载作用下黄土暗穴对路基稳定性影响的数值[J].中国公路学报,2006,19(4):17-22[54]卢廷浩等.高等土力学[M].北京:机械工业出版社,2006.01[55]张洪信,赵青海等编著,ANSYS有限元分析[M].北京:机械工业出版社,2008,3-61-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究-62-n河北工业大学硕士学位论文攻读学位期间所取得的相关科研成果[1]魏晓培.高速液压夯实数值模拟及施工参数初探.建筑与环境,2015.11(6)-63-n高速夯实机桥台背路基施工的应用技术研究-64-n河北工业大学硕士学位论文致谢光阴荏苒，硕士研究生的学习即将结束，两年半的学习生活使我受益匪浅。经历一年多的磨砺，硕士毕业论文终于完稿，回首一年来收集、整理、思索、停滞、修改，直至最终完成的过程，我得到了许多的关怀和帮助，在此我要向他们表达我最诚挚的谢意。首先，诚挚地感谢我的论文指导老师宋金华老师。他在忙碌的教学工作中挤出时间来审查、修改我的论文。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向宋金华老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！感谢在我论文写作过程中给予我帮助的无私的朋友们，你们的耐心和细心指导让我收益颇丰，再次向你们真诚的表示谢意。本次论文的现场试验部分得到了天津市唐廊高速公路项目部的大力支持，在此，对给予我帮助的无私的项目部领导和工作人员表示深深地谢意。最后向此次参加论文评审的专家教授表示衷心的感谢！-65-