基于FLAC-PFC耦合算法研究動(dòng)力夯實(shí)對(duì)橋頭基礎(chǔ)的影響

梁亦垅,徐清清

（核工業(yè)湖州工程勘察院,浙江 湖州 313000）

基于FLAC-PFC耦合算法研究動(dòng)力夯實(shí)對(duì)橋頭基礎(chǔ)的影響

梁亦垅,徐清清

（核工業(yè)湖州工程勘察院,浙江 湖州 313000）

摘要：采用FLAC-PFC耦合算法研究動(dòng)力夯實(shí)對(duì)橋頭基礎(chǔ)的影響?；谝簤汉粚?shí)技術(shù)為例，以夯擊過(guò)程中橋頭基礎(chǔ)所受動(dòng)土壓力來(lái)衡量動(dòng)力夯實(shí)對(duì)橋頭基礎(chǔ)的擾動(dòng)作用。討論了不同夯擊水平距離和不同錘頭底面形狀兩種情況下夯擊過(guò)程橋頭基礎(chǔ)所受動(dòng)土壓力的變化，得到平底面夯錘適合橋頭基礎(chǔ)處治的最佳夯擊水平距離為8m,球形底面夯錘對(duì)橋頭基礎(chǔ)近距離夯擊時(shí)對(duì)橋頭基礎(chǔ)的影響要大于平底面夯錘。

關(guān)鍵詞：橋頭路基；動(dòng)力夯實(shí)；FLAC-PFC耦合；動(dòng)土壓力

1　引言

液壓夯實(shí)方法是目前一種新型的動(dòng)力夯實(shí)技術(shù)，其原理是使用液壓缸將夯錘提升至一定高度，夯錘在重力和液壓蓄能器共同作用下加速下落，擊打帶緩沖墊的夯板夯擊地面。目前該方法主要用來(lái)對(duì)橋臺(tái)臺(tái)背邊角處壓路機(jī)無(wú)法進(jìn)入的地方進(jìn)行回填補(bǔ)壓，提高了臺(tái)背回填和壓實(shí)質(zhì)量,減少工后沉降，可以有效解決或減少橋頭跳車病害[1]。

通常通過(guò)動(dòng)力夯擊過(guò)程中引起的橋頭基礎(chǔ)的動(dòng)土壓力來(lái)判斷動(dòng)力夯實(shí)對(duì)橋頭基礎(chǔ)的影響。由于試驗(yàn)方法很難測(cè)得整個(gè)夯實(shí)過(guò)程中應(yīng)力變化，而利用離散-連續(xù)耦合的數(shù)值分析方法是解決該問題的有效途徑。由于夯擊過(guò)程中橋頭基礎(chǔ)的應(yīng)力及變形是動(dòng)態(tài)變化的，很難精確得到每一過(guò)程中橋基的受力與變形。本文以單點(diǎn)液壓夯實(shí)為例，使用FLAC（連續(xù)有限差分）建立橋頭基礎(chǔ)模型，PFC（顆粒流離散元）建立路基模型，考慮土體動(dòng)力滯回特性，以夯擊過(guò)程中橋頭基礎(chǔ)靠路基一側(cè)的水平應(yīng)力變化為依據(jù)，使用FLAC-PFC耦合方法對(duì)不同夯擊水平距離及不同夯錘底面形狀情況下動(dòng)力夯實(shí)效果對(duì)橋頭路基的影響進(jìn)行計(jì)算分析，以判斷適合橋頭基礎(chǔ)處理的最佳夯擊距離及夯錘底面形狀，進(jìn)而更好的服務(wù)于工程實(shí)際。

2　理論及方法

耦合方案的實(shí)現(xiàn)。由于PFC軟件和FLAC軟件同為Itasca開發(fā)，為這兩個(gè)軟件均提供了Socket I/O接口，通過(guò)該接口PFC和FLAC軟件可以交換數(shù)據(jù)。通過(guò)編寫 fi sh語(yǔ)言程序來(lái)實(shí)現(xiàn)FLAC-PFC耦合，通過(guò)Socket I/O接口在每個(gè)計(jì)算時(shí)步前將離散-連續(xù)交界面上的節(jié)點(diǎn)和顆粒信息匯總，計(jì)算出接觸力，將接觸力轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)荷載傳到 FLAC中，同時(shí)以荷載形式作用在交界面上的顆粒上,然后FLAC和PFC同時(shí)進(jìn)入下一個(gè)計(jì)算時(shí)步。

3　數(shù)值分析

3.1模型及邊界條件

圖1　有限差分和離散元耦合計(jì)算模型及邊界條件

使用PFC2D建立填石路基模型及夯錘模型如圖1所示。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，路床厚度0.8m,上路堤厚度0.7m，路基土顆粒為碎石土，碎石土顆粒粒徑范圍規(guī)定為0.05～0.2m之間，其中路床顆粒粒徑范圍0.05～0.1m，路堤顆粒粒徑范圍0.1～0.2m。由于不能生成底面形狀是完全平面的夯錘計(jì)算模型，故用多球組合近似替代，夯錘落錘高度2.0m。在FLAC2D建立橋頭基礎(chǔ)模型，橋基寬4m、深10m，埋深為5m,橋基劃分為133個(gè)節(jié)點(diǎn)160個(gè)單元。

路基模型左右兩側(cè)為剛性光滑墻體邊界，組成夯錘的球體全部約束水平向位移及z軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，路基表面為自由邊界。橋基底部受固定約束，整個(gè)橋基假定為一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，橋基變形為大變形。

3.2計(jì)算參數(shù)

土體材料在承受動(dòng)力循環(huán)荷載的情況下，應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系呈滯回圈的形狀發(fā)展的，即土體反應(yīng)滯后于動(dòng)荷載的變化[3]。故在本文填石路基的計(jì)算中加入滯回阻尼Rh（0＜Rh＜1）的影響。加載和卸載過(guò)程中的接觸剛度分別為：

離散元計(jì)算參數(shù)取值表

本文PFC計(jì)算中所采用的計(jì)算模型為線彈性接觸模型，可以考慮球體與球體之間的摩擦，模擬碎石土和卵礫石等的力學(xué)行為，計(jì)算分析中將法向和切向接觸剛度的數(shù)值取值相同。文獻(xiàn)[4]探討了離散元計(jì)算參數(shù)對(duì)動(dòng)力夯實(shí)效果的影響，本文基于以上背景得到離散元計(jì)算參數(shù)如表所示。

FLAC計(jì)算中橋基模型采用的本構(gòu)模型為線彈性模型，橋基材料為混凝土，彈性模量E=1×107Pa，泊松比μ=0.2。

3.3計(jì)算分析結(jié)果

（1）不同夯擊水平距離計(jì)算結(jié)果。針對(duì)距離橋頭基礎(chǔ)不同的夯擊點(diǎn)研究動(dòng)力夯擊對(duì)橋基的影響，將問題分為距離橋頭基礎(chǔ)水平距離分別為2m、4m、6m和8m四種情況，計(jì)算在夯擊作用下引起的動(dòng)土壓力，得到適合橋基的最佳夯擊水平距離。

圖2為不同夯擊水平距離情況下橋頭基礎(chǔ)動(dòng)土壓力與夯擊次數(shù)的關(guān)系，從圖中可以看出，夯擊點(diǎn)距橋頭基礎(chǔ)水平距離2m的情況下動(dòng)力夯實(shí)引起的動(dòng)土壓力對(duì)橋頭基礎(chǔ)的擾動(dòng)很大，隨著水平距離的增加，動(dòng)力夯實(shí)引起的橋頭基礎(chǔ)動(dòng)土壓力值逐漸較小，到水平距離8m的情況動(dòng)土壓力在±1MPa之內(nèi)，說(shuō)明夯擊點(diǎn)離橋基的水平距離越近，對(duì)橋頭基礎(chǔ)的影響越大。圖3為橋頭基礎(chǔ)同一深度處，在不同夯擊水平距離情況下，動(dòng)土壓力隨夯擊次數(shù)的變化，同樣可以看出隨著夯擊點(diǎn)遠(yuǎn)離橋頭基礎(chǔ)，對(duì)橋頭基礎(chǔ)的擾動(dòng)作用越小這種規(guī)律。

（2）不同夯錘底面形狀計(jì)算結(jié)果。圖4和圖5分別為不同夯錘底面形狀在水平夯擊距離為2m、4m情況下橋頭基礎(chǔ)動(dòng)土壓力與夯擊次數(shù)的關(guān)系。從圖4中可以看出，在水平夯擊距離為2m情況下，球形底面夯錘夯擊后引起的橋基動(dòng)土壓力約是平底面夯錘的2倍。從圖5中可以看出，夯錘離橋基水平距離為4m的情況下，球形底面夯錘夯擊后引起的橋頭基礎(chǔ)動(dòng)土壓力相比平底面夯錘逐漸接近。

綜上所述，可以得出選用圓形底面夯錘對(duì)橋頭近距離夯擊時(shí)對(duì)橋基的影響要大于平底夯錘，隨著水平距離的增加圓形底面夯錘動(dòng)力夯實(shí)對(duì)橋基的影響與平底夯錘相接近。

圖2　不同水平距離情況橋頭基礎(chǔ)動(dòng)土壓力與擊次關(guān)系

圖3　不同水平距離情況橋頭基礎(chǔ)動(dòng)土壓力與擊次關(guān)系

圖4　不同錘形情況橋頭基礎(chǔ)動(dòng)土壓力與夯擊次數(shù)的關(guān)系

圖5　橋頭基礎(chǔ)動(dòng)土壓力與夯擊次數(shù)的關(guān)系

4　結(jié)論

使用FLAC-PFC耦合分析動(dòng)力夯實(shí)對(duì)橋頭基礎(chǔ)的影響，以夯擊過(guò)程中的動(dòng)土壓力為衡量標(biāo)準(zhǔn)分析了在不同夯擊水平距離以及不同夯錘地面形狀兩種情況對(duì)橋頭基礎(chǔ)的影響，具體結(jié)論為：

平底面夯錘適合橋頭基礎(chǔ)處治的最佳夯擊水平距離為8m，在該水平距離情況下使得橋頭基礎(chǔ)動(dòng)土壓力最小，球形底面夯錘對(duì)橋頭基礎(chǔ)近距離夯擊時(shí)對(duì)橋頭基礎(chǔ)的影響要大于平底面夯錘，隨著水平距離的增加球形底面夯錘動(dòng)力夯實(shí)對(duì)橋頭基礎(chǔ)的影響與平底面夯錘接近。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹斌,鄧捷.高速液壓夯實(shí)機(jī)的開發(fā)應(yīng)用[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）,2012（07）：353-356.

[2]謝定義.土動(dòng)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2011.

[3]馬宗源,徐清清,黨發(fā)寧.碎石土地基動(dòng)力夯實(shí)的顆粒流離散元數(shù)值分析[C].第21屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：工程力學(xué),2012：410-416.

作者簡(jiǎn)介：梁亦垅（1962—），男，浙江瑞安人，中專，高級(jí)工程師，研究方向：巖土工程勘察設(shè)計(jì)。