段二兵

(山西晉通公路工程監(jiān)理有限公司 晉城市 048000)

0 引言

在我國(guó)山區(qū)高速公路建設(shè)過(guò)程中,挖方工程會(huì)產(chǎn)生大量棄方,而如何利用這些棄方在降低施工成本、保護(hù)周邊環(huán)境方面具有重要的研究?jī)r(jià)值。同時(shí),在山區(qū)高速公路還分布有大量高填方路段,而開(kāi)挖下來(lái)的棄方通常用于路基填筑。大粒徑路基填料粒徑大、級(jí)配差,填料內(nèi)部孔隙率大[1],直接作為路基填料使用會(huì)產(chǎn)生較大沉降。采用強(qiáng)夯法可有效降低大粒徑路基填料內(nèi)部的孔隙率和壓縮性[2],進(jìn)一步提升路基的壓實(shí)度,有效處治路基工后沉降。目前,強(qiáng)夯法對(duì)路基的加固過(guò)程是一個(gè)強(qiáng)非線性的動(dòng)力過(guò)程[3],加固機(jī)理比較復(fù)雜,施工中容易受多種因素的影響,目前還沒(méi)有建立起一套完善的設(shè)計(jì)計(jì)算體系,還處于半經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行強(qiáng)夯測(cè)試的難度大,不容易獲得可靠的數(shù)據(jù)[4-5],因此文章利用數(shù)值模擬的方法對(duì)強(qiáng)夯處治效果進(jìn)行模擬分析。以某高速公路大粒徑填石路基強(qiáng)夯處治為研究對(duì)象,利用顆粒流理論,采用離散單元法建立分析模型,模擬路基強(qiáng)夯施工過(guò)程,對(duì)路基的強(qiáng)夯加固效果進(jìn)行分析。

1 大粒徑填石路基強(qiáng)夯加固方案

1.1 工程概況

某山區(qū)高速公路沿線分布有大量高填深挖路基,在路塹開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生了大量的棄方,其中包括大量大粒徑碎石、塊石。大粒徑碎石、塊石主要為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化石灰?guī)r,是合格的路基填料。K17+570～K18+580段地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,其中表層為碎石層,密實(shí)度分布為稍密-中密,厚度為3.0～4.0 m。下層為強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r,密實(shí)度分布也為稍密-中密,厚度為3.0～5.5 m。下伏中風(fēng)化石灰?guī)r,巖石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,穩(wěn)定性和承載能力好。該路段地下水主要為裂隙水,水量不大,雨季水量大,旱季水量少。

1.2 大粒徑路基填料強(qiáng)夯加固方案

K17+570～K18+580段為一處天然沖溝,地勢(shì)較平緩且屬于高填方路段。為節(jié)約施工成本,擬采用挖方段大粒徑碎石、塊石作為路基填料,但路基填料粒徑較大,因此采用強(qiáng)夯法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處治。該路段路基填筑高度較大,最大填方高度為58.6 m,并采用拱形骨架作為路基邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)。該路段路基采用分層攤鋪、分層壓實(shí)后采用強(qiáng)夯處理。正式強(qiáng)夯施工前進(jìn)行試夯,確定強(qiáng)夯施工參數(shù):施工中選用徐工XGH1000Z直臂履帶式強(qiáng)夯機(jī),夯錘重量為40 t,落地中心無(wú)障礙半徑為3.8 m,最大落距為30 m。本項(xiàng)目單擊夯擊能為4000 kN·m,夯點(diǎn)布置間距為5 m,采用正三角布置。

2 大粒徑路基填料強(qiáng)夯數(shù)值模型建立

2.1 模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)資料,采用顆粒流軟件對(duì)大粒徑路基填料強(qiáng)夯處治建立模型進(jìn)行模擬分析。模型建立主要包括大粒徑填石路基和夯錘兩個(gè)方面,分別利用圓盤(pán)顆粒和剛性簇單元建立模型,并對(duì)路基的強(qiáng)夯施工過(guò)程進(jìn)行模擬。本研究取施工現(xiàn)場(chǎng)15 m×10 m的施工區(qū)域作為研究對(duì)象,采用顆粒流軟件建模。建模過(guò)程中首先根據(jù)設(shè)計(jì)資料確定模型尺寸,依次生成下、左、右三面墻體,然后根據(jù)顆粒級(jí)配曲線在墻體內(nèi)部生成圓盤(pán)顆粒,即大粒徑路基填料。模型設(shè)置路基填料的初始孔隙率為0.1,按照模型大小和填料尺寸共計(jì)生成9893 個(gè)圓盤(pán)顆粒。通過(guò)軟件為各圓盤(pán)顆粒賦予重力加速度,使顆粒之間相互嵌擠、固結(jié)得到路基模型,如圖1所示。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)所選強(qiáng)夯機(jī)夯錘尺寸和質(zhì)量模擬夯錘,生成的圓盤(pán)顆粒相互疊合形成剛性簇,得到夯錘模型如圖1所示。

圖1 大粒徑填石路基模型和夯錘模型

大粒徑路基填料采用二維圓盤(pán)顆粒模擬,利用抗?jié)L動(dòng)線性接觸模型對(duì)大粒徑填石路基的強(qiáng)夯施工過(guò)程進(jìn)行模擬。模型細(xì)觀參數(shù)主要包括:有效模量為0.15 GPa,接觸剛度比為1.3,摩擦系數(shù)為1.2,抗?jié)L動(dòng)摩擦數(shù)為1.2。

2.2 模型邊界條件

在大粒徑填石路基強(qiáng)夯施工模擬時(shí),需要限定模型邊界條件,以消除應(yīng)力波對(duì)數(shù)值模擬分析結(jié)果的影響。本模型利用FISH語(yǔ)言生成透射邊界,根據(jù)填料級(jí)配建立20 m×5 m的模型,開(kāi)展透射試驗(yàn):使入射波從模型一側(cè)進(jìn)入,并在模型另一端施加一個(gè)應(yīng)力沖擊荷載,在模型內(nèi)部每10 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)各透射邊界的吸收效果進(jìn)行監(jiān)測(cè),得出反射波振幅大幅下降,確定模型邊界投射效果良好。

2.3 強(qiáng)夯施工過(guò)程模擬

大粒徑填石路基強(qiáng)夯施工過(guò)程的模擬主要包括以下幾步:

(1)模型箱建立。按照級(jí)配和孔隙率模擬生成填料顆粒,設(shè)定細(xì)觀參數(shù),并施加重力場(chǎng),在自重作用下逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)設(shè)置模型邊界條件,通過(guò)計(jì)算使模型達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)生成夯錘模型。優(yōu)化計(jì)算過(guò)程,根據(jù)強(qiáng)夯落距和夯錘尺寸生成夯錘模型,按落距20 m為其賦予夯錘下落初速度v=19.8 m/s。

(4)路基強(qiáng)夯施工模擬。模擬夯錘下落過(guò)程,并在夯擊過(guò)程中監(jiān)測(cè)夯錘的速度,直至其降低到0為止,夯錘從初速度降低為0即完成了一次夯擊。

(5)重復(fù)上述兩個(gè)步驟,完成多次夯擊模擬,直到達(dá)到設(shè)計(jì)的夯擊次數(shù)或設(shè)定停夯條件。

3 大粒徑路基填料強(qiáng)夯數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 地表夯沉量分析

地表夯沉量是衡量強(qiáng)夯加固效果的主要指標(biāo)之一,是合理確定夯擊次數(shù)的主要依據(jù)之一,通常以最后三級(jí)平均夯沉量在5～10 cm范圍內(nèi)確定夯擊次數(shù)。本項(xiàng)目通過(guò)試夯,確定夯擊次數(shù)為10 次。利用數(shù)值模型,對(duì)夯點(diǎn)中出現(xiàn)的地表夯沉量進(jìn)行監(jiān)測(cè),取夯擊次數(shù)為10 次,夯擊能為4000 kN·m時(shí)的地表夯沉量數(shù)量,繪制單擊夯沉量與累計(jì)夯沉量變化曲線,如圖2和圖3所示。

圖2 單擊夯沉量變化曲線

圖3 地表累計(jì)夯沉量變化曲線

分析圖2和圖3所示曲線變化趨勢(shì),可以得出隨著夯擊次數(shù)的增加,地表夯沉量前期增速較快,后期增速逐步變緩。前6擊夯沉量較大,而后夯沉量增加幅度逐步減小,曲線逐步趨于平緩,說(shuō)明隨著夯擊次數(shù)的增加,夯擊效果隨夯擊次數(shù)的增加逐步下降。

3.2 夯點(diǎn)中心不同深度土體的豎向位移分析

路基強(qiáng)夯施工模擬過(guò)程中,對(duì)不同夯擊次數(shù)下、夯點(diǎn)中心處深度分別為1 m、3 m、5 m、7 m、9 m位置的豎向位移進(jìn)行模擬計(jì)算,分別繪制不同深度路基土豎向位移變化曲線,如圖4和圖5所示。

圖4 不同深度路基土單擊豎向位移變化曲線

圖5 不同夯擊次數(shù)路基土隨深度變化曲線

分析圖4所示曲線變化趨勢(shì),可以得出隨著夯擊次數(shù)的增加,路基土豎向位移增速不斷下降,且夯點(diǎn)中心處深度為1 m、3 m、5 m在夯擊次數(shù)為6擊以前豎向位移增速較大,而后增速趨緩;而深度為7 m、9 m位置在夯擊過(guò)程中所產(chǎn)生的豎向位移較小,但各深度曲線總體變化趨勢(shì)基本一致。

分析圖5所示曲線變化趨勢(shì),可以得出隨著夯擊次數(shù)和路基土深度的增加,路基土豎向位移不斷下降,且不同擊數(shù)隨深度曲線變化規(guī)律基本一致。其中,第一擊不同深度路基土體所產(chǎn)生的位移量最大,隨著擊數(shù)的增加位移量不斷下降,說(shuō)明隨深度的增加和夯擊次數(shù)的增加,強(qiáng)夯效果不斷下降。

3.3 強(qiáng)夯有效加固深度分析

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)中的相關(guān)規(guī)定,在夯實(shí)能為4000 kN·m時(shí)填石路基強(qiáng)夯有效深度應(yīng)該為7～8 m。為確定本項(xiàng)目強(qiáng)夯方案的有效加固深度,取強(qiáng)夯后地表夯沉量5 %作為確定路基土有效加固深度的標(biāo)準(zhǔn),即夯實(shí)后路基土豎向變形量達(dá)到地表夯沉量的5 %以上。地表夯沉量為1.336 m,即有效加固深度處的豎向位移最小值按0.067 m控制。

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算強(qiáng)夯10次夯點(diǎn)中心位置各深度路基土的豎向位移,自地表以下每隔1 m深度取一個(gè)測(cè)點(diǎn),整理數(shù)據(jù)繪制不同深度路基土夯沉量變化曲線如圖6所示。

圖6 夯點(diǎn)中心處不同深度土體豎向位移曲線

分析圖6所示曲線變化趨勢(shì),得出隨著深度的增加,路基土豎向位移不斷下降,自地表向下2 m范圍內(nèi),路基土豎向位移增加幅度較大,隨著深度的增加,增幅逐漸變小。深度為7 m位置路基土豎向位移為0.114 m,深度為8 m位置豎向位移為0.064 m,小于最小值0.067 m,說(shuō)明本項(xiàng)目有效加固深度為7～8 m之間,達(dá)到了規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

以高速公路高填方大粒徑填石路基強(qiáng)夯加固施工為研究背景,利用顆粒流軟件建立路基和夯錘模型,并模擬路基強(qiáng)夯施工過(guò)程,分析在夯擊能為4000 kN·m時(shí)的路基強(qiáng)夯加固效果,得出以下結(jié)論:

(1)隨著夯擊次數(shù)的增加,夯沉量前期增速較大,第6擊以后夯沉量增速逐步趨緩,說(shuō)明夯擊效果隨夯擊次數(shù)的增加逐步下降。

(2)隨著夯擊次數(shù)和深度的增加,路基土豎向位移逐步下降,強(qiáng)夯效果也隨之下降。

(3)在夯擊能為4000 kN·m、夯擊次數(shù)為10 次時(shí),路基土有效加固深度為7～8 m之間,滿足規(guī)范要求。