高填方路堤强夯试验与数值模拟研究
第4卷 第3期2007年6月
铁道科学与工程学报
J OURNA L OF RAI LWAY SCIENCE AND EN GI NEERI N G
Vol14 No13
J une2007
高填方路堤强夯试验与数值模拟研究Ξ
郭乃正,邹金锋,杨小礼,李 亮
(中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075)
摘 要:在现场进行单点夯击试验,然后,通过数值模拟进行研究。得出:4种夯击能量在5.5m的深度处的下沉位移均达到5.0～7.0cm;但是在深度超过6.0m之后产生的沉降量几乎相等,各点的地表隆起量只在夯锤边缘2.0m内有影响,超过这个距离,夯击对土体的隆起量的影响甚微。数值分析和现场试验所揭示的土体应力应变规律相同且数值相近;对于直径为2m的夯锤,土体在1200kN?m夯击能作用下的有效影响深度为4～6m,锤间距(中心距)不宜大于3.5m。上述试验和数值模拟成果可为同类条件下路基强夯加固施工提供参考。
关键词:红砂岩;强夯;夯沉量;压实度
中图分类号:T U472 文献标识码:A 文章编号:1672-7029(2007)03-0053-05
Re search of te st and simulation on dynamic compaction in high roadbed
G UO Nai2zhen,Z OU Jin2feng,Y ANG X iao2li,LI Liang
(School of Civil and Architectural Engineering,Central S outh University,Changsha410075,China)
Abstract:The relations between tam per times and settlement,the rule of settlement along the depth were obtained by local test,the numerical calculation was given.The settlement can be5.0-7.0cm when the depth is up to5.5m, but the settlement will be the same when the depth is up to the6.0m.the influence of the heave is2.0m along the tam per,or the in fluence is small.On the assum ption that the upheaval around the tam per hole and the radial deforma2 tion is m ore small,The result is m ore closed that of the local test.The above s olution can be used to provide consul2 tant for the analogy engineering.At last,the reliability and validity of the tam per construction design was proved by a series of trail took action in local.
K ey w ords:Red Sandstone;dynamic com paction;settlement,com paction degree
1 工程概况
强夯法自1969年由法国工程师Menard提出并应用于加固地基以来,得到了广泛的发展[1-3]。强夯法就是利用起重设备将重锤提升到一定的高度,然后使重锤自由下落,以巨大的冲击能量作用在地基上,使土中产生极大的冲击波,以克服土颗粒间的各种阻力,使地基压变,因此,冲击波在土中的传播过程是这种地基处理方法的基础[4-5]。
实测强夯冲击波在土中所产生的动应力场和它的变化情况,对深入研究强夯加固机理有很大的意义。但以往的研究大多是针对强夯引起的动土压力进行的。孔令伟[6]、蒋鹏[7]、童小东[8]等对强夯的边界接触应力进行了理论研究,H.Brandl和W.Sadg orski在奥地利连接东西欧的一条公路路基强夯试验测出了土中动应力的分布图[9],但其测点均不在强夯作用的有效范围内,裘以惠[10]等在山
Ξ收稿日期:2007-02-15
基金项目:湖南省科学技术厅科技计划重点资助项目(04SK2009)
作者简介:郭乃正(1961-),男,河南获嘉人,研究员,从事软土地基处理应用的研究
通讯作者:邹金辉(1978-),男,博士研究生;电话:138********;E-mail:z oujin feng-0@https://www.wendangku.net/doc/c516687118.html,
西潞城对夯锤冲击地面的作用过程进行了实测,但由于测点有限,且没有涉及连续夯击过程中土体的变形规律,也很难全面说明夯锤影响区域内的变形分布特征。
针对以上问题,中南大学在常(德)吉(首)高速公路进行了大型的现场试验,在试验路段埋设了16个沉降板、4个测斜管以及多个地表测试点进行
位移变形监测。在此,本文作者利用数值方法进行模拟和试验研究的方法对强夯对土体的规律进行研究。
2 单点夯击试验
2.1 单点夯击试验方案
为了更好地了解大颗粒填料在强夯时的夯沉量变化特性,在施工现场选择一个场地进行不同能量下的试夯试验。试验点分别为A ,B ,C 和D 共4个点,相应的夯击能量分别为1200,1080,960和840kN ?m 。为了详细了解大颗粒红砂岩高填方路基在强夯后的压密程度,在每个夯点下沿着深度方向上每2m 处埋设1块沉降板(共计16块沉降板)并记录其初始标高,以便在试夯完成后测量该点的沉降量。其具体的布设方法如图1所示
。
图1 试夯试验布置方案图
Fig.1Sketch of trail scheme
夯点的夯击顺序为A →C →B →D ;相应的夯
击次数分别为9次、5次、7次、5次;相应的夯击能量分别为1200,960,1080和840kN ?m 。在夯击过程中,要记录下各个点每次夯击后夯坑周边的地表隆起量和夯坑的沉降量;待4个点的夯击试验都完成之后,再对这4个点进行开挖并量测每个沉降板的标高,同时计算出每个沉降板的沉降量。2.2 夯坑周围地表沉降试验结果分析
不同夯击次数下的夯沉量、夯坑周围隆起量与夯击次数的试验结果如图2～6所示。
从图2～5可以看出:红砂岩路基中夯击对夯点周围的影响较小,其隆起量只在夯锤边缘2.0m
内有影响,超过这个距离,夯击对土体的隆起量的影响甚微,而且在2.0m 之内,
各个夯点的最大
图2 夯击能为1200kN ?m 时夯坑及其周边地表变
形示意图
Fig.2Sketch of deformation around the tam per hole when
the energy is 1200kN ?
m
图3 夯击能为1080kN ?m 时夯坑及其周边地表变形
示意图
Fig.3Sketch of deformation around the tam per hole when the
energy is 1080kN ?
m
图4 夯击能为960kN ?m 时夯坑及其周边地表变形
示意图
Fig.4Sketch of deformation around the tam per hole when
the energy is 960kN ?m
4
5铁道科学与工程学报2007年6月
图5 夯击能为840kN ?m 时夯坑及其周边地表变形
示意图
Fig.5Sketch of deformation around the tam per hole when
the energy is 840kN ?m
隆起量也不会超过7.0cm 。当夯击能量为1200K N ?m 夯击3锤时,其最大隆起量也只有5.0～6.0cm ,整个夯坑周围的平均隆起量也就在3.0cm 左
右
。
图6 A ,B ,C ,D 各点的单击和累计夯沉量与夯
击次数的关系图
Fig.6Relationship between the tam per times and the
settlements in different tam per energies
从图2～6可以看出:当夯击能量分别为1200,960,1080和840kN ?m 且夯击次数分别为9次、5次、7次、5次时,它们相应的最终夯沉量可以达到66.7,44.3,40.7,35.2cm 左右;相应的单击平均夯沉量分别为7.4,6.3,7.0和8.1cm 左右;最后1击的夯沉量分别为3.1,4.1,4.1和6.5cm 左右。
需要说明的是,图2～6中的个别点沉降出现波动可能是夯锤的偏心夯击的结果,而有的点出现夯沉量过大可能是填土中的大颗粒被冲碎造成压密的结果,但是,总体曲线都呈现出随着夯击次数的增加,夯沉量都在逐渐减小的趋势。2.3 不同夯击能量作用下夯沉量随深度的变化
在不同能量作用下不同深度处夯沉量的变化
曲线如图7所示
。
图7 不同夯击能量下不同深度处夯沉量随深度变
化关系
Fig.7Curves of the variety settlements along the depeth
从图7可以看出:
1)在同一深度处,能量越大,其产生夯沉量就越大;
2)沿着深度方向上,夯沉量与夯击能量为非线性关系,且能量越大,其非线性关系就越显著,但是,当深度超过6.0m 之后,4种情况下的夯沉量几乎相等;④夯点之下的土体在夯击作用下发生了整体下沉,在不同夯击能量下以及在不同夯击次数下,其最终的下沉位移在5.5m 处达到5.0～7.0m 。需要说明的是,上述结论是在单点夯击次数为多次夯击之后得出的结果,而不是夯击1次的试验结果。
3 强夯数值仿真模型的建立
下面以红砂岩碎石土路基强夯试验研究为例
介绍数值建模和计算结果。虽然本文采用的是动态模拟,但是所取的数据仍然是模拟结果的最终结果,这与现场采用静态测试的结果可以进行对比。3.1 有限元模型的建立
数值建模包括2部分:一为强夯夯锤,二为土体。由于计算空间体积尺寸过大,因此,计算时按轴对称条件对模型进行简化,取1/4夯锤和土体进行建模,全部采用三维实体块单元(8节点六面体实体单元s olid164),通过软件的网格自动划分。夯锤半径1m ,高0.5m ,划分为36个实体单元,并赋予等效密度来获得与实际情况相符的质量(12t );土体由锤体中心沿x 和y 方向建模6m ,沿深度方向建模10m ,共划分了4.5万个实体单元,边界采用无反射边界条件。夯锤与土体之间定义了自动的面对面接触。
5
5第3期郭乃正,等:高填方路堤强夯试验与数值模拟研究
3.2 材料本构模型的选择
土体选用Drucker -Prager 模型,它能较好地模拟岩土体在冲击荷载作用下的弹塑性状态,且在大变形计算中不会出现不稳定现象,材料的参数来自于现场土体的室内试验结果,如表1所示。强夯作用下岩土体的应力状态为σ1>σ2=σ3,参考表1,α,k 与C 和φ的拟合关系取为α=2sin φ/[3(3-sin φ)],k =6C cos φ/[3(3-sin φ)],夯锥采用刚性体材料。
表1 Drucker -Prager 材料参数
T able 1The parameters of Drucker -Prager ’s materials 重度ρ
/(kg ?m -3)
弹性模量
E /MPa
粘聚力
C /kPa
内摩擦角φ/(°
)泊松比v
196014.418
30
0.20
4 求解及结果分析
4.1 土体的竖向变形随深度的变化
夯区竖向变形的计算与实测比较曲线如图8所示。结果表明,计算结果与实测结果基本吻合,竖向变形随深度的增加衰减很快,深度超过7m 后,与实测值相比,LS -DANA 计算结果衰减速度更快,经分析认为,这是受建模深度(10m )的影响所致。由图8可知本次强夯的影响深度达到了10m ,但深度达到5m 后土体的竖向位移已经很小
,有效影响深度需要根据工程的要求和检测标准确定。
图8 中心点竖向位移随深度变化曲线
Fig.8The change curves of vertical displacement with
the depth
4.2 土体的竖向位移随水平距离的变化
图9显示了不同深度处土体竖向位移随水平距离的变化情况,竖向位移随离中心点的水平距离的增加迅速衰减,而且离地面越近,衰减越快,如深度为6m 土体时,竖向位移已经很小,曲线衰减已经很慢,十分平缓。比较图9分析结果与图2～5的实测结果发现,其曲线性状和变化规律基本一致,
说明数值计算是准确的。
图9 土体的竖向位移随水平距离的变化曲线
Fig.9The change curves of vertical displacement with
the horizon distance
4.3 强夯的地表变形
图10显示了土体的总位移矢量。可以看出,
在地表附近土体的位移方向是向上的,在深度0.4m 以下逐渐转为向下,说明这一区域为膨胀区。图10显示夯击区边缘土体确有小量隆起现象,进一
步说明在地表附近存在一个膨胀区,这与实际观察结果相吻合。
这些充分说明了强夯冲击波对地表土体具有一定的震松破坏作用。
图10 土体的总体位移矢量图
Fig.10T otal displacement vector
5 结 论
1)4种夯击能量在5.5m 的深度处达都达到
了5.0～7.0m ,但是在深度超过6.0m 之后产生的
沉降量几乎相等。各点的地表隆起量只在夯锤边缘2.0m 内有影响,超过这个距离,夯击对土体的隆起量的影响甚微。
2)数值分析结果和现场试验结果所揭示的土体应力应变规律相同,数值相近,说明数值计算结果的准确性,同时表明现场试验是成功的。
3)对于直径为2m 的夯锤,土体在1200kN ?m 夯击能作用下的有效影响深度为4～6m ,锤间距(中心距)不宜大于3.5m 。
6
5铁道科学与工程学报2007年6月
4)上述试验成果可以为以后同类条件下路基加固施工提供参考。
参考文献:
[1]地基处理手册编写委员会.地基处理手册[M].北京:中
国建筑工业出版社,1994.
Editorial Board of G round T reatment Handbook.G round treat2 ment handbook[M].Beijing:China C onstruction&Building Press,1994.
[2]王铁宏.全国重大工程项目地基处理工程实录[M].北
京:中国建筑工业出版社,2005.
W ANG T ie2hong.Case Histories in G round T reatment of
G reat Engineering of China[M].Beijing:China C onstruction
&Building Press,2005.
[3]冶金工业部建筑研究总院.地基处理技术①:强力夯实
法与振动水冲法[M].北京:冶金工业出版社,1989.
Design Institute of Central Research Institute of Building&
C onstruction of M MI.T echnology of G round T reatment①:
Dynamic cons olidation&vibro-com paction[M].Beijing: Metallurgical Industy press,1989.
[4]张洪亮,胡长顺,刘保健,等.压实石灰黄土力学特性试
验[J].交通运输工程学报,2003,3(4):13-16.
ZH ANG H ong2liang,H U Chang2shun,LI U Bao2jian,et al.Me2 chanical properties experiment of com pacted loess-lime[J].
Journal of T raffic and T ransportation Engineering,2003,3(4): 13-16.
[5]王吉利,刘怡林,栾茂田.强夯法处理黄土路基检测方
法试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(增刊): 4562-4567.
W ANGJi2li,LI U Y i2lin,LUAN Mao2tian.Subsidence of buck2
et foundation under horizontal dynamic load[J].Chinese Jour2 nal of R ock Mechanics and Engineering,2004,23(Suppl):4 562-4567.
[6]孔令伟,袁建新.强夯的边界接触应力与沉降特性研究
[J].岩土工程学报,1998,20(2):86-92.
K ONG Ling2wei,Y UAN Jian2xin.S tudy on sur face contact stress and settlement properties during dynamic cons olidation [J].Chinese Journal of G eotechnical Engineering,1998,20
(2):86-92.
[7]蒋 鹏,李荣强,孔德坊.强夯大变形冲击碰撞数值分
析[J].岩土工程学报,2000,22(2):222-226.
J I ANG Peng,LI R ong2qiang,K ONG De2fang.Numerical analysis of large deformation im pact and collision properties during dynamic com paction[J].Chinese Journal of G eotech2 nical Engineering,2000,22(2):222-226.
[8]童小东,蒋永生,龚维明等.解决动力接触问题的一种
新方法[J].工程力学,2000,17(6):82-86.
T ONG X iao2dong,J I ANG Y ong2sheng,G ONG Wei2ming,et al.A new method for dynamic contact analysis[J].Engi2 neering Mechanics,2000,17(6):82-86.
[9]徐至钧.强夯和强夯置换法加固地基[M].北京:机械工
业出版社,2004.
X U Zhi2jun.Dynamic com paction&dynamic replacement for rein forcing ground[M].Beijing:China Machine Press, 2004.
[10]裘以惠,郭玉玲.强夯法加固地基的土体动应力量测
[J].太原工学院学报,1984(1):45-52.
QI U Y i2hui,G UO Y u2ling.The in-situ measurement of dynamic stress in s oil mass during heavy tem ping by dynamic cons olidation method in ground im provement[J].Journal of T aiyuan Institute of T echnology,1984(1):45-52.
75
第3期郭乃正,等:高填方路堤强夯试验与数值模拟研究