■阿不力克木·馬合木提

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，烏魯木齊 830000）

在高填方涵洞上方路基壓實(shí)施工過程中，有時(shí)會(huì)采用強(qiáng)夯法夯擊施工方式，不同于靜載和車輛荷載等作用，夯擊動(dòng)載對(duì)下覆涵洞穩(wěn)定性具有更大的影響[1-4]。 孫祺華等[5]通過介紹強(qiáng)夯法概念，以某高速公路為例， 闡述了強(qiáng)夯的工藝流程及夯擊方法，檢驗(yàn)了強(qiáng)夯加固地基方法的有效性。 王晉斌[6]結(jié)合涵洞的受力特點(diǎn)，分析各種涵洞上方路基處理方法的優(yōu)劣性，對(duì)于地質(zhì)較差地區(qū)，提出人工加固和機(jī)械加固相結(jié)合的方法，從而保證施工對(duì)涵洞結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響。 馬清文[7]以某高速公路中的典型高填方路堤下涵洞工程為研究對(duì)象， 采用FLAC 3D 模擬該涵洞在強(qiáng)夯作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析了強(qiáng)夯前后土體及涵洞的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律。 現(xiàn)有的研究仍存在欠缺，如強(qiáng)夯法施工對(duì)高填方涵洞結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律需進(jìn)一步探明。 鑒于此，本文基于某工程背景，采用有限元模擬的方法重點(diǎn)分析了強(qiáng)夯法施工過程中不同涵洞埋深、不同涵洞與夯擊點(diǎn)水平距離變化對(duì)涵洞穩(wěn)定性影響，以期為強(qiáng)夯法施工過程中涵洞的保護(hù)提供指導(dǎo)。

1 研究背景

以某高填方涵洞夯擊施工為研究對(duì)象，已知涵洞長(zhǎng)度為28 m，涵洞高度和寬度分別為4.5 m 和5.6 m，涵洞頂板、底板和側(cè)墻厚度依次為0.6 m、1.0 m和0.8 m，涵洞上部覆土深度為7.26 m；擬通過設(shè)置多種工況分析強(qiáng)夯法夯擊施工對(duì)涵洞的影響。

2 有限元模型建立

2.1 建立模型

采用ABAQUS 軟件進(jìn)行有限元模擬，模型尺寸為長(zhǎng)、寬和高分別為45 m、20 m 和20 m，夯錘半徑取1.0 m，涵洞尺寸按照上述實(shí)際尺寸建模，除頂部為自由界面外，其他面均進(jìn)行固定約束位移，如圖1所示。 路基、涵洞及夯錘的力學(xué)參數(shù)見表1，夯錘質(zhì)量取20 t，半徑1.0 m，夯擊次數(shù)為8 次。

圖1 數(shù)值模型圖

表1 路基、涵洞及夯錘的力學(xué)參數(shù)

2.2 強(qiáng)夯荷載輸入

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)研究結(jié)果，由于強(qiáng)夯這一持續(xù)過程很短， 可以將強(qiáng)夯沖擊荷載簡(jiǎn)化為三角形荷載形式[8]，如圖2 所示，圖中各個(gè)參數(shù)可以按照公式（1）～（4）取值。

圖2 強(qiáng)夯荷載取值示意圖

式中：Pmax表示峰值應(yīng)力，單位MPa；v 表示強(qiáng)夯法夯錘沖擊地面時(shí)的速度大小，單位m/s；tN和tR分別表示沖擊荷載作用時(shí)間以及峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)沖擊荷載作用時(shí)刻，單位s；S 和μ 分別表示彈性常數(shù)和泊松比；m 表示夯錘自身的質(zhì)量，單位t；r 表示夯錘半徑，單位m。

本文取夯擊能為2000 kN·m， 落距取10 m，夯錘質(zhì)量和半徑分別取20 t 和1.0 m， 對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力為4.16 MPa。

2.3 工況設(shè)置

為了研究強(qiáng)夯法施工對(duì)下部既有涵洞影響，取涵洞埋深分別為5 m、10 m 和15 m，取涵洞中心與夯擊中心水平距離R 分別為5 m、10 m 和15 m，共9 種工況（表2）。

表2 涵洞工況設(shè)置

2.4 模擬方法可靠性驗(yàn)證

有限元模擬方法及模擬過程的正確性是保證分析結(jié)果正確的前提，為了驗(yàn)證本文模擬方法的正確性，采用同樣模擬方法對(duì)文獻(xiàn)[8]中模型進(jìn)行還原模擬，并將實(shí)測(cè)和模擬得到的地表振動(dòng)速度進(jìn)行對(duì)比，由圖3 可知，實(shí)測(cè)和模擬曲線吻合良好，驗(yàn)證了本研究模擬方法的正確性。

圖3 實(shí)測(cè)和模擬得到的地表振動(dòng)速度對(duì)比曲線

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 不同埋深時(shí)涵洞應(yīng)力結(jié)果分析

涵洞埋深不同時(shí)，在上部夯擊的作用下，其受力規(guī)律不同。 圖4 為涵洞埋深5 m 時(shí)夯擊前和夯擊完成后的應(yīng)力云圖，由圖可知，強(qiáng)夯法夯擊施工對(duì)涵洞的影響較大，涵洞埋深5 m 時(shí)，隨著涵洞中心與夯擊中心水平距離R 的增大，涵洞整體應(yīng)力水平降低。 由于篇幅有限，其余埋深涵洞應(yīng)力云圖省略。

圖4 涵洞埋深5 m 時(shí)夯擊前后的應(yīng)力云圖

為了進(jìn)一步分析涵洞所受應(yīng)力最大值與涵洞不同埋深以及夯擊水平距離的影響，圖5～7 給出了涵洞埋深5 m、10 m 和15 m 時(shí)的涵洞應(yīng)力最大值隨夯擊次數(shù)變化曲線。 由圖5 可知，涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取5 m、10 m 和15 m 時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力最大值分別為4.19 MPa、3.38 MPa 和3.04 MPa，說明當(dāng)涵洞埋深5 m 時(shí)，隨著涵洞中心與夯擊中心水平距離的增大，涵洞所受夯擊的影響越小。由圖6可知，當(dāng)涵洞埋深10 m 時(shí)，涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取5 m、10 m 和15 m 時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力最大值分別為4.58 MPa、4.01 MPa 和3.57 MPa， 說明該工況下隨著涵洞中心與夯擊中心水平距離的增大，涵洞所受夯擊的影響也越小。 由圖7 可知，當(dāng)涵洞埋深15 m 時(shí)， 涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取5 m、10 m 和15 m 時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力最大值分別為4.82 MPa、5.23 MPa 和5.17 MPa， 產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因與較大埋深時(shí)的荷載分布形式及應(yīng)力波的傳播有關(guān)。

圖5 涵洞埋深5 m 時(shí)應(yīng)力最大值隨夯擊次數(shù)變化曲線

圖6 涵洞埋深10 m 時(shí)應(yīng)力最大值隨夯擊次數(shù)變化曲線

圖7 涵洞埋深15 m 時(shí)應(yīng)力最大值隨夯擊次數(shù)變化曲線

3.2 不同夯擊次數(shù)時(shí)涵洞應(yīng)力驗(yàn)算分析

由于涵洞的材質(zhì)為混凝土，拉應(yīng)力對(duì)其有著重要的影響，且涵洞混凝土開裂破壞是其主要的破壞形式， 因此著重對(duì)涵洞進(jìn)行抗拉驗(yàn)算。 根據(jù)JTGD65-04-2007T《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》，計(jì)算得到混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.2 MPa， 即為驗(yàn)算應(yīng)力。 圖8 給出了涵洞埋深為5 m 時(shí)涵洞最大拉應(yīng)力隨夯擊次數(shù)變化曲線，由圖可知，涵洞埋深為5 m時(shí)，夯擊次數(shù)大于4 次之后，涵洞最大拉應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。 當(dāng)涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取5 m 時(shí)，涵洞最大拉應(yīng)力均大于驗(yàn)算應(yīng)力，說明該工況下涵洞將會(huì)出現(xiàn)開裂；當(dāng)涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取10 m 時(shí)，在第2 次夯擊時(shí)涵洞最大拉應(yīng)力大于驗(yàn)算應(yīng)力，此時(shí)涵洞存在開裂風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取15 m 時(shí)，涵洞最大拉應(yīng)力均大于驗(yàn)算應(yīng)力，此時(shí)涵洞不會(huì)發(fā)生開裂。

圖8 涵洞埋深5 m 時(shí)最大拉應(yīng)力隨夯擊次數(shù)變化曲線

圖9 給出了涵洞埋深為10 m 時(shí)涵洞最大拉應(yīng)力隨夯擊次數(shù)變化曲線，由圖可知，涵洞埋深為10 m 時(shí)，夯擊次數(shù)大于5 次之后，涵洞最大拉應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。 當(dāng)涵洞中心與夯擊中心水平距離R取5 m 和10 m 時(shí)， 涵洞最大拉應(yīng)力整體上大于驗(yàn)算應(yīng)力，說明上述工況下涵洞將會(huì)出現(xiàn)開裂；當(dāng)涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取15 m 時(shí)， 在夯擊3 次和4 次時(shí)涵洞最大拉應(yīng)力略超過驗(yàn)算應(yīng)力，可以認(rèn)為此時(shí)涵洞存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 涵洞埋深10 m 時(shí)最大拉應(yīng)力隨夯擊次數(shù)變化曲線

圖10 給出了涵洞埋深為15 m 時(shí)涵洞最大拉應(yīng)力隨夯擊次數(shù)變化曲線，由圖可知，當(dāng)涵洞埋深為15 m，夯擊次數(shù)大于6 次之后，涵洞最大拉應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。 當(dāng)涵洞中心與夯擊中心水平距離R取5 m、10 m 和15 m 時(shí)，涵洞最大拉應(yīng)力均大于驗(yàn)算應(yīng)力，說明上述工況下涵洞將會(huì)出現(xiàn)開裂。 值得注意的是，R 取5 m 時(shí)的涵洞最大拉應(yīng)力要小于R取10 m 和15 m 時(shí)。 究其原因，主要是當(dāng)涵洞埋深逐漸增大時(shí)， 在夯錘沖擊力和土壓力的共同作用下，產(chǎn)生的荷載會(huì)類似于均布荷載的形式施加到涵洞上；且當(dāng)涵洞與夯擊位置靠近時(shí)，涵洞主要承受夯擊壓縮波的影響，當(dāng)涵洞與夯擊位置略遠(yuǎn)時(shí)，涵洞主要承受夯擊橫波的影響，而一般情況下壓縮波的能量小于橫波，因此，夯擊點(diǎn)距離涵洞水平距離5 m時(shí)的最大拉應(yīng)力小于夯擊點(diǎn)距離涵洞水平距離10 m 和15 m 時(shí)。

圖10 涵洞埋深15 m 時(shí)最大拉應(yīng)力隨夯擊次數(shù)變化曲線

4 結(jié)論

以強(qiáng)夯法施工對(duì)高填方涵洞的影響為研究對(duì)象，采用有限元模擬方法重點(diǎn)分析了強(qiáng)夯法施工過程中不同涵洞埋深、不同涵洞與夯擊點(diǎn)水平距離變化對(duì)涵洞穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：（1）強(qiáng)夯法夯擊施工對(duì)涵洞的穩(wěn)定性影響較大，當(dāng)涵洞埋深取5 m 和10 m 時(shí)， 隨著涵洞與夯擊點(diǎn)水平距離的增大，涵洞所受夯擊的影響減小；當(dāng)涵洞埋深取15 m，規(guī)律發(fā)生變化；（2）不同埋深的涵洞，在夯擊3～5 次之后達(dá)到應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)；涵洞埋深為5 m 時(shí)，僅有與夯擊點(diǎn)水平距離取15 m 時(shí)的涵洞不會(huì)發(fā)生開裂破壞；涵洞埋深為10 m 和15 m 時(shí)，對(duì)應(yīng)所有工況的涵洞均存在開裂風(fēng)險(xiǎn)；（3）當(dāng)涵洞與夯擊位置靠近時(shí)，涵洞主要承受夯擊壓縮波的影響，而當(dāng)涵洞與夯擊位置略遠(yuǎn)時(shí)， 涵洞主要承受夯擊橫波的影響，而壓縮波的能量小于橫波， 導(dǎo)致涵洞在埋深15 m時(shí)，夯擊點(diǎn)距離涵洞水平距離5 m 時(shí)的最大拉應(yīng)力小于夯擊點(diǎn)距離涵洞水平距離10 m 和15 m 時(shí)。