大粒徑填石路基強夯加固模擬分析

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

在我國山區(qū)高速公路建設過程中,挖方工程會產生大量棄方,而如何利用這些棄方在降低施工成本、保護周邊環(huán)境方面具有重要的研究價值。同時,在山區(qū)高速公路還分布有大量高填方路段,而開挖下來的棄方通常用于路基填筑。大粒徑路基填料粒徑大、級配差,填料內部孔隙率大[1],直接作為路基填料使用會產生較大沉降。采用強夯法可有效降低大粒徑路基填料內部的孔隙率和壓縮性[2],進一步提升路基的壓實度,有效處治路基工后沉降。目前,強夯法對路基的加固過程是一個強非線性的動力過程[3],加固機理比較復雜,施工中容易受多種因素的影響,目前還沒有建立起一套完善的設計計算體系,還處于半經驗的狀態(tài)?，F(xiàn)場進行強夯測試的難度大,不容易獲得可靠的數(shù)據(jù)[4-5],因此文章利用數(shù)值模擬的方法對強夯處治效果進行模擬分析。以某高速公路大粒徑填石路基強夯處治為研究對象,利用顆粒流理論,采用離散單元法建立分析模型,模擬路基強夯施工過程,對路基的強夯加固效果進行分析。

1 大粒徑填石路基強夯加固方案

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,在路塹開挖過程中產生了大量的棄方,其中包括大量大粒徑碎石、塊石。大粒徑碎石、塊石主要為強風化和中風化石灰?guī)r,是合格的路基填料。K17+570～K18+580段地基結構穩(wěn)定,其中表層為碎石層,密實度分布為稍密-中密,厚度為3.0～4.0 m。下層為強風化石灰?guī)r,密實度分布也為稍密-中密,厚度為3.0～5.5 m。下伏中風化石灰?guī)r,巖石結構穩(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 大粒徑路基填料強夯加固方案

K17+570～K18+580段為一處天然沖溝,地勢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,因此采用強夯法進行補強加固處治。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結構。該路段路基采用分層攤鋪、分層壓實后采用強夯處理。正式強夯施工前進行試夯,確定強夯施工參數(shù):施工中選用徐工XGH1000Z直臂履帶式強夯機,夯錘重量為40 t,落地中心無障礙半徑為3.8 m,最大落距為30 m。本項目單擊夯擊能為4000 kN·m,夯點布置間距為5 m,采用正三角布置。

2 大粒徑路基填料強夯數(shù)值模型建立

2.1 模型建立

根據(jù)設計資料,采用顆粒流軟件對大粒徑路基填料強夯處治建立模型進行模擬分析。模型建立主要包括大粒徑填石路基和夯錘兩個方面,分別利用圓盤顆粒和剛性簇單元建立模型,并對路基的強夯施工過程進行模擬。本研究取施工現(xiàn)場15 m×10 m的施工區(qū)域作為研究對象,采用顆粒流軟件建模。建模過程中首先根據(jù)設計資料確定模型尺寸,依次生成下、左、右三面墻體,然后根據(jù)顆粒級配曲線在墻體內部生成圓盤顆粒,即大粒徑路基填料。模型設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生成9893 個圓盤顆粒。通過軟件為各圓盤顆粒賦予重力加速度,使顆粒之間相互嵌擠、固結得到路基模型,如圖1所示。根據(jù)施工現(xiàn)場所選強夯機夯錘尺寸和質量模擬夯錘,生成的圓盤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顆粒模擬,利用抗?jié)L動線性接觸模型對大粒徑填石路基的強夯施工過程進行模擬。模型細觀參數(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動摩擦數(shù)為1.2。

2.2 模型邊界條件

在大粒徑填石路基強夯施工模擬時,需要限定模型邊界條件,以消除應力波對數(shù)值模擬分析結果的影響。本模型利用FISH語言生成透射邊界,根據(jù)填料級配建立20 m×5 m的模型,開展透射試驗:使入射波從模型一側進入,并在模型另一端施加一個應力沖擊荷載,在模型內部每10 m設置一個監(jiān)測點,對各透射邊界的吸收效果進行監(jiān)測,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 強夯施工過程模擬

大粒徑填石路基強夯施工過程的模擬主要包括以下幾步:

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

(2)設置模型邊界條件,通過計算使模型達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)生成夯錘模型。優(yōu)化計算過程,根據(jù)強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)路基強夯施工模擬。模擬夯錘下落過程,并在夯擊過程中監(jiān)測夯錘的速度,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)重復上述兩個步驟,完成多次夯擊模擬,直到達到設計的夯擊次數(shù)或設定停夯條件。

3 大粒徑路基填料強夯數(shù)值模擬結果分析

3.1 地表夯沉量分析

地表夯沉量是衡量強夯加固效果的主要指標之一,是合理確定夯擊次數(shù)的主要依據(jù)之一,通常以最后三級平均夯沉量在5～10 cm范圍內確定夯擊次數(shù)。本項目通過試夯,確定夯擊次數(shù)為10 次。利用數(shù)值模型,對夯點中出現(xiàn)的地表夯沉量進行監(jiān)測,取夯擊次數(shù)為10 次,夯擊能為4000 kN·m時的地表夯沉量數(shù)量,繪制單擊夯沉量與累計夯沉量變化曲線,如圖2和圖3所示。

圖2 單擊夯沉量變化曲線

圖3 地表累計夯沉量變化曲線

分析圖2和圖3所示曲線變化趨勢,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 夯點中心不同深度土體的豎向位移分析

路基強夯施工模擬過程中,對不同夯擊次數(shù)下、夯點中心處深度分別為1 m、3 m、5 m、7 m、9 m位置的豎向位移進行模擬計算,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,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位置在夯擊過程中所產生的豎向位移較小,但各深度曲線總體變化趨勢基本一致。

分析圖5所示曲線變化趨勢,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生的位移量最大,隨著擊數(shù)的增加位移量不斷下降,說明隨深度的增加和夯擊次數(shù)的增加,強夯效果不斷下降。

3.3 強夯有效加固深度分析

根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ 79—2012)中的相關規(guī)定,在夯實能為4000 kN·m時填石路基強夯有效深度應該為7～8 m。為確定本項目強夯方案的有效加固深度,取強夯后地表夯沉量5 %作為確定路基土有效加固深度的標準,即夯實后路基土豎向變形量達到地表夯沉量的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。

通過數(shù)值模擬計算強夯10次夯點中心位置各深度路基土的豎向位移,自地表以下每隔1 m深度取一個測點,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,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,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,說明本項目有效加固深度為7～8 m之間,達到了規(guī)范要求。

4 結語

以高速公路高填方大粒徑填石路基強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,并模擬路基強夯施工過程,分析在夯擊能為4000 kN·m時的路基強夯加固效果,得出以下結論:

(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,路基土有效加固深度為7～8 m之間,滿足規(guī)范要求。