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第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号：10031995（2023）07012905路基振动压实过程中振动波传播规律苏珂1 蔡德钩2 马洪生3 闫宏业2 于佳琪4 程素明51.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；3.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041；4.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；5.中铁三局集团有限公司成都分公司，成都 610031摘要 通过有限元软件建立考虑阻尼比、弹塑性本构关系的振动压路机-填料耦合数值仿真模型，得到振动压实过程中振动压路机及填料动力响应曲线，探究振动压实过程中振动波垂直及水平方向传播规律，提出了基于振动波的填料压实质量综合判别方法。结果表明：结合现场实测振动压路机及填料动力响应曲线，振动压路机-填料耦合模型能够较好地模拟填料振动压实过程；在垂直方向，加速度幅值的衰减呈现先快后慢的趋势，且在填料深度为0.5 m时衰减率达60%，路基深度为1.5 m时衰减率达90%；在填料表层水平方向，已压实土体与虚铺土体距压实作用点分别为0.8、0.5 m处，峰值衰减率均达90%；提出了基于振动波传播衰减率降低、动响应幅值增加与归一化动响应滞回圈的椭圆率增加的填料压实质量综合直接判别方法。关键词 路基；振动压实；数值模拟；现场测试；压实质量；动力响应；加速度峰值中图分类号 U213.1 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.25引用格式：苏珂，蔡德钩，马洪生，等.路基振动压实过程中振动波传播规律 J.铁道建筑，2023，63（7）：129133.路基压实质量是保障铁路、公路安全运营的重要指标之一。路基通过振动碾压机分层振动压实形成，而振动压实作用主要包含两部分：通过振动压路机钢轮中偏心块旋转产生激振力作用于填料表层，继而产生振动波传播至路基深层区域；通过大吨位振动压路机的自重作用于路基表层。填料压实质量传统检测方法主要有轮迹法、压实遍数法等经验方法，填料密度、压实度等物理指标，动态变形模量、地基系数、落锤式弯沉仪动态数据、加州承载比等力学控制方法1-3，其检测属于瞬时检测且检测结果受人为因素影响大。同时，国内外学者基于监测振动压实过程中振动轮动态响应信号，提出压实质量连续检测指标4-5，可对路基的压实质量进行连续实时检测。但是由于压实质量连续检测方法实质上是一种通过振动压路机振动轮响应信号进行检测的方法，其检测结果受振动压路机的车速、振动工况等行驶参数影响较大。此外，国内外学者通过多道面波法人工激发振动波得到面波的波速，进而建立面波波速与填料压实质量的关系6-9。以上研究表明，传统的压实质量检测指标是一种直接检测方法但是达不到实时检测的目的，而压实质量连续检测方法可实时计算连续检测指标，但实质上是一种基于振动轮响应信号的间接检测方法。基于此，本文通过数值仿真与现场测试揭示振动压路机激发的振动波传播规律，提出一种基于振动压路机振动波的填料压实质量控制方法。1 数值仿真模型 1.1模型参数振动压路机的振动碾压过程是振动轮与填料之间的相互作用进而使填料振动密实的过程。通过大型有限元软件ABAQUS，建立由振动轮与填料组成的振动压路机-填料耦合数值仿真模型，见图1。压实机构振动轮直径1.70 m、宽度2.17 m，振动轮轮圈厚度为0.04 m。通过钢轮内部偏心块旋转产生的离心力迫使钢轮振动所产生的激振力（F）计算式为F=m0e02（1）收稿日期：20230204；修回日期：20230415第一作者：苏珂(1996)，男，博士研究生。E-mail：通信作者：蔡德钩(1978)，男，研究员，博士。E-mail：铁道建筑第 63 卷式中：m0为偏心块质量；e0为偏心距；为转动角速度。填料模型主要包括地基、路基底层和路基虚铺层。其中地基为长方体，高 2 m、宽 54 m、长 50 m；路基横截面为梯形，上底面长 10 m、下底面长 34 m、高6 m；虚铺层为长方体，高 0.4 m、宽 10 m、长 50 m，见图1。路基有限单元尺寸为0.1 m，单元数量为220万。路基与地基部分沿线路纵向设置为无限单元边界，地基沿线路横向设置为固定位移，路基沿线路横向设置为自由边界，底部边界设置为固定位移约束。振动压路机的振动轮为刚性材料其变形可忽略不计，因此采用刚体模拟振动轮。路基填料为弹塑性材料需要重点关注其加速度与变形幅值，本文采用DruckerPrager弹塑性材料模型模拟地基及路基填料，土体参数见表1。1.2计算工况为了模拟振动压路机的振动碾压过程，选取常用单钢轮振动压路机，质量为26.7 t。其中振动轮分配质量17.1 t，驱动桥分配质量9.6 t；弱振工况名义振幅为1.03 mm，振动频率为31 Hz，激振力为275 kN，模拟车速为3 km/h。1.3模型验证为验证数值模型有效性，将现场测试振动轮加速度时程曲线、填料中加速度峰值归一化衰减曲线与数值仿真结果进行对比，见图2和图3。可知现场测试结果与数值仿真结果基本吻合。2 计算结果分析 2.1垂直方向振动波衰减规律通过细化网格和增加输出计算频率（5 000 Hz）的方式获取路基垂直方向加速度信号时程曲线，见图4。可知：振动轮在1.7 s时经过路基测点，且路基表面加速度峰值最大达4.8g；随着深度的增加，加速度幅值衰减。在距离路基表层深度为00.5 m时，加速度峰值衰减速率极快；但在0.5 m以下深度时加速度峰值衰减逐渐趋于平稳。选取垂直于振动压路机行进方向车道进行振动波沿深度方向的衰减研究，深度在1.5 m以内。衰减曲线见图5。一个位置测点位于振动轮正下方，其余四个位置测点位于同一车道外侧方向。可知，加速度峰值随着测点距振动轮距离的增加而减少。不同位置加速度峰值垂直方向衰减归一化曲线见图6。可知：加速度峰值沿深度方向呈现出衰减速度先快后慢的趋势。振动加速度峰值在路基深度为0.5 m时衰减率达60%，路基深度为1.5 m时衰减率达图1振动轮及路基模型图4不同深度路基垂直方向加速度时程曲线表1填料土体参数名称厚度/m弹性模量/MPa泊松比密度/（kgm-3）内摩擦角/（）阻尼比摩擦角/（）应力比受压屈服应力/Pa路堤61200.31 837200.02200.89295 136路基21200.32 184270.01270.855177 847.9虚铺层0.460-1200.31 500200.05200.8929 513图2振动轮加速度峰值归一化衰减曲线图3填料中加速度峰值归一化衰减曲线130第 7 期苏珂等：路基振动压实过程中振动波传播规律90%以上。对于路基表面测点，振动加速度峰值随着距振动轮距离的增加而减少，且振动加速度峰值在距振动轮 0.8 m 和 1.1 m 的位置大致相等，分别为0.63g、0.53g，即振动波在路基表面传播至0.8 m时即达到稳定状态。2.2水平方向振动波衰减规律为分析振动波在同一车道水平方向的振动波传播规律，选取路基深度为10 cm的测点进行加速度时程信号分析，研究水平方向上4.15 m以内传播规律。振动压实过程中路基表层水平方向加速度时程曲线见图7。可知：测点1与测点6分别位于振动轮起振位置之前与结束振动位置之后，因此没有明显的峰值变化区域。测点2测点5为振动轮振动过程中测点，在振动轮达到振动测点时加速度峰值有突变现象，随着振动轮远离测点加速度幅值逐渐减小。为研究由振动轮引起的振动波在水平方向的衰减，在不同深度平面上各取一点绘制时程曲线。以0.2 m 深度的加速度时程曲线为例，结果见图 8。可知，振动压路机于1.6 s时位于测点的正上方；01.6 s为振动压路机位于虚铺填料时测点加速度时程曲线；而1.65.0 s为振动压路机位于已压实填料加速度时程曲线。不同深度下振动波水平方向衰减曲线见图9。可知，振动压路机在已压实填料与虚铺填料距振动轮分别为 0.8、0.5 m 处加速度峰值衰减率均达 90%。综上，振动压实过程中由振动压路机激发的振动波在压实状态填料的衰减率明显小于虚铺状态的衰减率。2.3基于振动压路机振动波的路基压实质量判别方法在振动压实过程中，填料的动力响应信号特征与填料的压实质量密切相关10-11。振动频率与动力响应信号幅值可直接反映填料压实质量。振动压实过程中填料的振动频率与压路机的振动频率一致，约为30 Hz12。由前述分析可知，填料的动力响应幅值及其沿水平方向的衰减率，可直接反映振动压实过程中路图7路基表层水平方向加速度时程曲线图9不同深度下振动波水平方向衰减规律图8振动波水平方向衰减曲线图5不同位置加速度峰值垂直方向衰减曲线图6不同位置加速度峰值垂直方向衰减归一化曲线131铁道建筑第 63 卷基填料的压实质量。基于此，以10 MPa为量级探究虚铺层弹性模量为60200 MPa时路基表面填料动力响应幅值，见图10。可知，随着振动压路机振动碾压次数增加，填料压实质量及物理力学性能逐渐改善，填料给予振动轮的反作用力增大，进而导致路基表层填料加速度幅值增加。因此，路基表层填料的加速度幅值可表征填料的压实质量。为进一步分析振动压实过程中振动波的传播特性，虚铺层填料弹性模量分别取30、60、90、120、150、180 MPa，建立振动压路机-填料耦合数值仿真模型，分析固定间距（2 m）的测点1与测点2振动响应信号的关系。其中测点1为靠近振动压路机测点，测点2为距离振动压路机较远的测点。模拟结果见图 11。可知：不同虚铺层填料弹性模量的路基表面振动响应信号差别主要分为动力响应幅值与动力响应信号波形。以一个周期内测点1和测点2的加速度时程曲线为横坐标与纵坐标得到加速度幅值标准归一化曲线，见图 12。可知：随着虚铺层填料弹性模量的增加，测点1、测点2归一化加速度幅值滞回曲线形状发生了明显变化，具体表现为虚铺层填料弹性模量为30 MPa时滞回圈近似为圆形，而随着弹性模量的增加滞回圈呈现椭圆形，且其椭圆率逐渐增加。因此，路基表层填料固定间距测点的归一化动力响应滞回圈的椭圆率可有效表征填料压实质量。3 结论 1）建立了振动压路机-填料耦合数值仿真模型，得到了振动轮及填料不同深度的动力响应曲线，经数值仿真与现场试验动力响应曲线对比，验证了数值仿真模型的准确性。2）揭示了在填料中加速度峰值沿深度方向上的衰减呈现先快后慢的趋势，加速度峰值沿填料深度为0.5 m时衰减率达60%，路基深度为1.5 m时衰减率达90%。在填料表层水平方向上，已压实填料与虚铺填料距振动轮分别为0.8、0.5 m位置加速度峰值衰减率均达90%。3）阐明了振动压实过程中振动波传播衰减率、动响应幅值、归一化动响应滞回圈与填料压实质量的关系，提出了基于振动波传播衰减率降低、动力响应幅值增加与归一化动力响应滞回圈的椭圆率增加的填料压实质量综合直接判别方法。图11不同虚铺层弹性模量测点加速度时程曲线图10路基表面加速度幅值随压实质量的变化规律图12加速度幅值标准归一化曲线132第 7 期苏珂等：路基振动压实过程中振动波传播规律参考文献1 姬亦工，王复明，郭忠印.基于落锤式弯沉仪（FWD）动态数据的路面模量反演方法 J.土木工程学报，2002，35（3）：31-36.2 赵明华，张常耀，肖鹤松.路基土回弹模量E0和野外承载比CBR 研究J.湖南大学学报（自科版），1993，20（5）：107-111.3 张智豪，李波，魏永政，等.基于轻型落锤式弯沉仪动态数据的路面质量控制 J.中外公路，2018，38（4）：54-58.4 徐光辉.路基系统形成过程动态监控技术 D.成都：西南交通大学，2005.5 叶阳升，蔡德钩，朱宏伟，等.基于振动能量的新型高速铁路路基压实连续检测控制指标研究 J.铁道学报，2020，42（7）：127-132.6 KARRAY M.Utilisation De L analyse Modale DES Ondes DE Rayleigh Comme Outil D investigation Gotechinique In-situD.Sherbrooke，Que：Universit de Sherbrooke，1999.7 KARRAY M，LEFEBVRE G，ETHIER Y，et al.Assessment of Deep Compaction of the Pribonka Dam Foundation Using“Modal Analysis of Surface Waves”（MASW）J.Canadian Geotechnical Journal，2010，47（3）：312-326.8 李炳秀，何明峰.瞬态瑞雷面波法检测路基填筑质量的定量分析 J.铁道勘察，2018，44（4）：55-59.9 马清文，乐金朝，黄江华.瑞利波法在土石混填路基压实度检测中的应用 J.路基工程，2010。28（2）：103-105.10 蔡德钩，叶阳升，闫宏业，等.基于现场试验的高铁路基智能压实过程中振动波垂向传播机制 J.中国铁道科学，2020，41（3）：1-10.11 叶阳升，闫宏业，蔡德钩，等.高速铁路路基压实参数对振动波演化特征的影响研究 J.铁道学报，2020，42（5）：120-126.13 蔡德钩，叶阳升，肖金凤，等.高速铁路路基不同虚铺厚度填料压实特性试验研究 J.铁道学报，2020，42（12）：135-141.Propagation Laws of Vibration Waves During Process of Subgrade Vibration CompactionSU Ke1，CAI Degou2，MA Hongsheng3，YAN Hongye2，YU Jiaqi4，CHENG Suming51.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，China；3.Sichuan Highway Planning，Survey，Design and Research Institute Co.Ltd.，Chengdu 610041，China；4.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；5.Chengdu Branch of China Railway No.3 Engineering Group Co.Ltd.，Chengdu 610031，ChinaAbstract Through finite element software，a numerical simulation model of vibrating roller filler coupling considering damping ratio and elastic-plastic constitutive law was established，and the dynamic response curves of the vibrating roller and filler during the vibration compaction process were obtained.The vertical and horizontal propagation laws of vibration waves during the vibration compaction process were explored，and the comprehensive judgment method for filling compaction quality based on vibration waves was proposed.The results show that，combined with the on-site measurement of the dynamic response curves of the vibrating roller and the filling material，the coupling model of the vibrating roller and the filling material can effectively simulate the vibration compaction process of the filling material.In the vertical direction，the attenuation of acceleration amplitude shows a trend of first fast and then slow，and the attenuation rate reaches 60%when the filling depth is 0.5 m，and 90%when the subgrade depth is 1.5 m.In the horizontal direction of the filling surface，the compacted soil and the virtual laid soil are located at a distance of 0.8 and 0.5 meters from the compaction point，respectively，with a peak attenuation rate of 90%.A comprehensive direct identification method for filling compaction quality was proposed based on the reduction of vibration wave propagation attenuation rate，increase of dynamic response amplitude，and increase of ellipticity of normalized dynamic response hysteresis loop.Key words subgrade；vibration compaction；numerical simulation；site testing；compaction quality；dynamic response；peak accelerationCitation format：SU Ke，CAI Degou，MA Hongsheng，et al.Propagation Laws of Vibration Waves During Process of Subgrade Vibration Compaction J.Railway Engineering，2023，63（7）：129133.（编辑：刘莉 校对：葛全红）133