| 标题 | 轻型夯动力夯击对涵洞影响的离散元仿真分析 |
| 范文 | 张孟强 司癸卯 邵现田 摘要：为了探究轻型夯动力夯击作用对涵洞安全性的影响，利用PFC2D离散元软件进行计算仿真分析，以夯击过程中涵洞所受水平动压力和水平位移来衡量动力夯实对结构物的动力影响，模拟并计算轻型夯在涵背路基回填动力夯实作业过程中涵背产生的水平应力和水平位移的变化情况。结果表明：涵洞结构在轻型夯动力夯击作用下不会出现结构破坏。 关键词：夯击次数；水平应力；水平位移；离散元软件 中图分类号：U449.52文献标志码：B Abstract： In order to investigate the influence of the dynamic tamping on the safety of culverts， the discrete element software PFC2D was used to carry out the simulation. The dynamic pressure and horizontal displacement of the culvert were determined to measure the effect of dynamic tamping on the structure. Changes in horizontal stress and horizontal displacement of the culvert back emerging during the dynamic tamping with light tamper on the subgrade were simulated and calculated. The results indicate that the structural damage of the culvert does not occur under the action of the dynamic tamping. Key words： tamping times； horizontal stress； horizontal displacement； discrete element software 0引言 轻型夯处理桥台涵背路基的方法已经在国内的大型建设工程中得到广泛应用，并且相关学者们对轻型夯施工工艺也进行了深入研究[18]；但大多研究都是建立在夯击过程对桥台涵背路基无损害的假设之上，没有进行轻型夯施工过程对桥台涵背的安全性评价，因此研究成果可信度低[911]。以PFC2D软件为代表的离散单元法主要适用对象为黏结力小的、具有大变形、流动性的粒状集合体材料[1213]。故本文以张承高速公路建设项目为依托，利用PFC2D离散元软件进行仿真分析，研究夯击过程中涵洞所受水平动压力和水平位移对结构物的动力影响；以及涵背路基回填动力夯实作业过程中，涵背产生的水平应力和水平位移的变化情况，从而确定轻型夯施工过程中涵洞结构的安全性。 1离散元仿真模型边界條件 PFC2D离散元模型计算中均采用笛卡尔直角坐标系，以公路里程延伸方向为x轴正向，垂直路面向上方向为y轴正向。边界条件如下。 （1）整体模型仅受竖直向下的重力作用。 （2）路基模型左右两侧为刚性光滑墙体边界，路基表面自由。 （3）夯锤在夯实过程中，限制水平方向位移及z 轴方向转动，路基表面为自由边界。 （4）涵洞基础底部的水平位移及z 轴向转动受固定约束。 （5）为了模拟现实中分层填土、分层夯实的过程，软件中每层填土的夯点与涵洞结构的距离一定。 2构造物及路基尺寸 涵洞及碎石土路基模型的具体尺寸如图1所示，在PFC2D中路基模型采用总宽度为10 m、高为7 m的“回”字型结构，其中涵洞结构的宽度为5 m，高度为5 m，涵洞两侧墙体宽度为0.5 m，盖板厚度为1 m，基础厚度为0.5 m。在涵洞以下设置2 m深的土层；涵洞左侧设置4 m宽的5个土层并夯实，每个土层的厚度为1 m，土层顶端与涵洞顶部平齐，土层底端与涵洞底部平齐；涵洞右侧预留1 m宽的碎石土路基，模拟涵洞右侧碎石土产生的侧向土压力。 3夯点及测量圆布置 台背路基的每层填土分别夯击1#、2#、3#三个夯点，每个位置夯击10次。前一个夯击位置的夯板边缘紧贴后一个夯击位置的夯板边缘。夯板右边缘与涵背的水平距离为01 m。得到的夯点布置尺寸如图2所示。 台背路基中测量圆的布置如图3所示，在每层填土和涵洞结构的不同高度处布置测量圆；测量圆主要测量夯击过程中涵洞结构应力和位移的变化及路基土空隙率的变化[1416]。图3左侧路基部分中编号为101到503的测量圆分别对应第1、2、3、4、5层回填土中的测量圆，在碎石土路基中设置这些测量圆的目的在于测量路基土空隙率的变化。碎石土路基中测量圆的直径均为06 m，圆心位于对应的夯板中心的正下方，其中编号为503、403、303、203、103的测量圆位于夯板和夯锤圆球圆心的正下方，即1#夯点位置。 图3测量圆布置 涵洞结构左侧编号为11、22、33、44、55的测量圆分别对应涵背中高度为1、2、3、4、5 m的位置，测量在动力夯实过程中涵台结构不同高度处的水平应力及位移变化[17]。不同高度即涵洞结构中的不同位置与涵洞底部的竖向距离。涵洞结构中布置的测量圆直径为0.3 m，相邻的测量圆圆心间距为1.0 m。 4动力夯实模拟步骤 现场的涵背回填施工过程是在已建好涵洞的2个背侧同时对称分层填筑，并用轻型夯进行夯实。夯击点的位置沿涵身方向成排分布，每一排夯击点间有一定的间隔。在PFC2D软件中，动力夯实的模拟步骤如下。 （1）确定墙边界。利用PFC2D软件中的“wall单元”（即“墙单元”）命令形成“U”型墙边界。墙体边界与颗粒间具有一定的接触刚度。 （2）生成地基。生成地基是在“U”型边界墙围成的计算区域内按照高斯分布随机生成一定粒径范围的大小不等的圆盘，在重力作用下圆盘在“U”型区域内下落、沉积，经过一定的时间步最终形成稳定的地基离散元计算模型[18]。图4为墙边界与地基的生成（即生成涵洞以下2 m深度地基）过程。 （3）生成构筑物。利用PFC2D软件中的FISH语句在特定位置采用等粒径颗粒密排方法生成涵洞基础，并与路基模型相接，固定桥基底部的水平位移。图5为以紧密排列方式生成的涵洞结构以及局部放大图。 （4）夯击与测量。首先在对应的位置用紧密排列法生成夯板模型，使用1个半径为05 m、质量为3 t的大颗粒模拟夯锤在垫层以上12 m作自由落体运动，并编制FISH函数程序实现夯锤10次反复夯击。夯锤在指定位置完成夯击后，改变夯锤、夯板的位置进行重复夯击，并监测整个夯击过程中涵洞基础的动应力变化、水平位移变化以及路基土体的空隙率变化[19]。圖6为涵背第1层填土3#夯击点的夯击模型。 （5）生成涵背分层填土。在指定区域内生成回填路基垫层，并重复前4步直到垫层高度和涵洞顶部平齐。图7为生成涵背第2层填土的模型，图8为第5层填土1#夯击点的夯击模型。 5涵洞水平应力模拟分析 5.1不同水平距离的水平动应力 涵背结构应力变化典型时程曲线如图9所示。从图9中可看出，在距离涵背最近（0.1 m）的1#夯点处有明显的夯击产生的动应力（应力最大）；随着夯击点与涵背间距离的增加，其他夯点则没有明显的影响，并且应力值远小于混凝土抗压强度，说明夯实作业对涵洞的影响很小。其他填土高度下，动应力变化规律一致，由于篇幅原因不一一列出。 图9填高5 m时各夯点水平动应力时程变化曲线 综上可知：夯击作用在碎石土路基中的能量传递随距离的增加而减弱；夯点离结构物越近，结构物中产生的水平应力越大，距离夯点最近的结构物部分产生的动力响应也最大。 5.2不同填土高度1#夯点的水平动应力 距离涵背最近的夯点对涵洞产生的动应力最大，因此选取1#夯点进行研究；由于填高1 m时的动力夯实产生的结构水平应力较小，所以舍去填高1 m时的情况，从填高2 m开始研究。每层填土的1#夯点经历10次夯击使涵洞结构中的不同位置的水平应力发生变化，变化曲线如图10所示。 从图10可以看出：随着夯击的进行，涵洞结构中高度低于填土高度部分的侧向水平压应力呈锯齿状增加趋势，这是由于碎石土逐渐被夯实压密，作用于涵洞结构的土压力逐渐增大；涵洞结构高于填土高度的部分受到动力夯实的影响，水平应力呈震荡缓慢增加状态，这是由于“回”型结构中未受到土体侧压力的部分受到了整体涵洞结构变形产生的内力，该内力的大小与结构的形状等参数有关，其规律性较差。 填土越高，结构物越不安全，这是涵洞结构中应力累积的结果。同一填土高度离夯击点最近的结构位置产生的应力最大。如填土高度为2 m时，结构物中高2 m处的测量圆比其他测量圆所测到的水平应力更大。 填土高度从1 m增加至5 m的过程中， 1#夯点夯击时对涵背最大水平动应力的影响规律如图11所示。 从图11可以看出：在同一夯点（1#）、同一填土高度处，随着夯击次数的增加，结构中的水平动应力逐渐增加；随填土高度的增加，水平应力逐渐增加，夯击使结构物产生的动压力增量增加。可以得出：在填土高度为5 m时涵洞结构中的动应力增量最大，是最不利填高位置，夯击10次时产生的最大夯击动应力增量约为8.9 kPa。 6涵洞结构水平位移模拟分析 6.1同一填土高度、不同水平距离夯击对涵洞水平位移的影响 水平夯击距离分为0.1 m（1#）、1.1 m（2#）、21 m（3#）三种情况，通过颗粒流离散元计算后得到同一填土高度、不同水平距离夯击时涵洞结构水平位移的变化。取填土高度为3 m，计算得到夯点水平距离对涵洞结构水平位移的影响，如表1所示。计算发现其他填土高度下水平位移的变化规律类似。 由表1可以看出：随着夯板边缘距涵洞距离的增加，涵洞结构水平位移量呈逐渐减小趋势；随着夯击次数的增加，涵洞结构水平位移大体呈增加的趋势。前几次夯击过程中土体未被夯实，大多夯击能量消耗在松散土体之间的错动和摩擦中，只有较少的能量传递并作用在涵洞上使之产生位移。随着夯击次数的增加，土体颗粒相互错动，使其处于更加稳定的状态，夯击产生的影响范围逐步扩大，传递到涵洞结构的水平应力也逐渐增大。 6.2不同填土高度、同一水平距离夯击对涵洞水平位移的影响 同一水平距离（0.1 m）、不同填土高度对涵洞水平位移的影响规律如图12所示。可以看出：在填土高度为1 m和2 m时，涵洞结构上部有向左倾斜的微小量；在填土高度为3、4、5 m时涵洞结构整体向右侧偏移，且涵洞结构上部向右侧有微小倾斜，倾斜量随填土高度的增加而增加，即涵洞有向一侧倾斜的趋势，但相对于涵洞的结构尺寸，这种倾斜的水平位移很小。 7结语 采用PFC2D软件对涵洞进行模拟，通过对模拟数据的分析可知：距离涵背最近且位于第5层回填材料表面的夯点，即第5层1#夯点，使涵洞产生的应力和位移最大。因此，在对涵洞进行安全性分析时只采用此夯点的数据。 （1）公路结构物施工所用水泥一般为C30或更高的标号。其中C30的混凝土抗压强度值在30～35 MPa之间，此次测量中的压应力最大值为89 kPa，远小于30 MPa。另外，由于路基碎石土对涵背的静止土压力和水平动应力的共同作用，5 m深度的竖向土压力达100 kPa。侧压力系数k<1，则涵背土压力远小于30 MPa，因此涵洞结构不会因为夯击能而被破坏。 （2）在1#夯点夯击，涵洞出现的最大水平位移为20（0.1 mm），方向向右。这相对于5 m高的涵洞结构是个微小的量值，而且位移随填高的变化较均匀，基本可以认为是填土高度增加引起的，即土的静止土压力作用产生的水平位移量为主要部分，因此，涵洞结构在轻型夯动力夯击作用下不会出现结构破坏。 参考文献： [1]郭中华，徐宁强.夯法在我国的发展现状及应用前景[J].城市建设理论研究，2012（21）：56. [2]王卓琳.基于离散单元法的混凝土细观力学模型及其应用[D].上海：同济大学，2009. [3]冯雄辉.台背液压夯实处理现场试验与数值模拟研究[J].铁道科学与工程学报，2013，10（1）：4954. [4]闫东霄.砂土稳态强度实验研究及颗粒流模拟[D].上海：同济大学，2007. |
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