基于PFC2D的快速液壓夯實機數值模擬研究

蘇衛國,金招華,邱 瑩,李建誠

(1.華南理工大學土木與交通學院,廣東廣州 510640;2.中電建路橋集團有限公司,北京 100048)

基于PFC2D的快速液壓夯實機數值模擬研究

蘇衛國1,金招華1,邱 瑩1,李建誠2

(1.華南理工大學土木與交通學院,廣東廣州 510640;2.中電建路橋集團有限公司,北京 100048)

為研究粉質粘土在快速液壓夯實作用下的動力響應機理,以汕湛高速揭博項目T10標段的現場試驗為基礎,通過引進顆粒流程序(PFC2D),研究夯板與土體的動力響應,分析土體顆粒運動以及其與夯板的運動規律。結果表明:在有效壓實范圍內,土顆粒運動密實的順序是由上而下,會造成沖擊能量的耗散;夯板加速度峰值與不同深度處土體的壓實度呈二次曲線關系,數值模擬結果與現場試驗基本吻合。

快速液壓夯實機;PFC2D;數值模擬;動力響應

0 引 言

在基礎設施建設過程中,需碾壓的土石方邊角、狹小工作面、橋涵臺背回填區等成為現有大型壓實機具的工作盲區,而快速液壓夯實機(Rapid Hydraulic Impact Compactor)因具有體積小、機動性強、能量大、多角度夯擊等優點,完美解決了這一難題。不過常規的土體壓實檢測依然停留在傳統的結果抽樣檢測,與機械化施工的高效率特性不相匹配,有必要開發快速液壓夯實機機載壓實效果實時檢測系統[1-4]。因此,研發人員有必要深入理解施工過程中地基土體顆粒位移、力鏈網絡圖、夯板加速度峰值等的分布規律和變化特征。

由于夯擊過程中地基的動力響應問題非常復雜,理論上很難用解析方法進行分析和求解,目前國內外學者主要采用試驗方法和數值方法等進行研究。何長明等采用大型現場試驗來研究強夯動應力的規律[5]。張清峰等采用數值模擬試驗研究了不同夯擊能和夯擊次數作用下土體的動應力分布特征及其衰減規律[6]。常家樂用二維顆粒流軟件建立土體和重錘與土體的離散元數值模型,得出了夯擊過程中夯錘與土體的動力響應變化[7]。但是,土體宏細觀變化、機械作用部件動力響應和土體壓實質量檢測指標間的數學關系仍有很多不明之處。

本文采用基于顆粒離散元法的PFC2D進行數值仿真,并結合現場試驗對沖擊荷載作用下土體內部動應力場、位移場的分布和變化規律以及夯板加速度變化值與土體壓實指標間的關系作進一步的分析。

1 PFC2D數值模型的建立

1.1 顆粒接觸模型

在PFC2D中,圓盤是構成模型的最基本單元,可以模擬任意大小的粒子[8]。墻體元用有限長度的線段表示。接觸模型存在于圓盤與圓盤、圓盤與墻體之間,接觸形式體現著本構關系,是離散元計算的核心。接觸模型主要分為3種:剛度模型、滑動模型、黏結模型(點黏結和平行黏結)[9]。比較了3種接觸模型的優缺點并結合實際情況,本文最終選擇黏結模型。

1.2 土體、夯錘、夯板和墻體的細觀力學參數

本文研究的快速液壓夯實機夯錘質量為3 t,寬度為0.5 m;夯板質量為300 kg,直徑1 m,厚度為0.02 m,每次最大夯擊能可達57 kJ。可知3 t夯錘的壓實有效深度在2 m左右,有效寬度為夯板直徑的1.5倍(即1.5 m)左右。因此確定模型箱尺寸為3 m×3 m。模型邊界處的墻體為剛性墻體,夯板和夯錘均由剛性clump進行模擬,顆粒-夯板、夯板-夯錘以及顆粒-墻體間均為線性無黏結接觸,具體的細觀力學參數見表1。

表1 細觀力學參數

1.3 顆粒的細觀力學參數

實際工程中粉質黏土的粒徑非常小,考慮到計算機能力,最終確定的顆粒粒徑為6~16 mm,且均勻分布。根據實際情況,土體在自然堆積狀態下,內部空隙的分布并不均勻,具體表現為深層土內部空隙較小,而表層土空隙較多。本次計算將整個模型按高度平均分成4層,空隙率由下向上逐漸變大,室內試驗及現場試驗中所測的空隙率為三維,本文模型為二維模型。

根據文獻[10],本文原型土樣空隙率為0.52,因此面層的二維設計空隙率為0.3,往下層依次是0.25、0.2、0.15。粉質黏土顆粒間接觸模型及細觀力學參數見表2。

表2 粉質黏土顆粒間接觸模型及細觀力學參數

1.4 離散元模型的建立

在現場試驗中,夯錘的行程為1.20 m,考慮液壓加力系數,實際夯擊能等效為1.9 m高的重力勢能。對夯錘施加初始速度6.1 m·s-1。離散元模型如圖1所示。

圖1 快速液壓夯實機夯擊黏性土體離散元模型

2 數值模擬及結果分析

2.1 土體顆粒位移及力鏈網絡

數值模型中的單元顆粒位移云圖能很好地反映出有效區域內的顆粒運動規律,力鏈網絡圖則能很好地反映出沖擊荷載在土體內的傳遞路徑、荷載力度大小、荷載傳遞深度[11-15]。通過模型夯錘對夯板進行20次夯擊,記錄其顆粒位移與力鏈發展網絡圖,如圖2~8所示。可以看出,夯點下方的土顆粒發生位移的區域在二維平面上呈一個弧面,弧的拱高略大于夯坑直徑,弧的弦長約等于1.5倍的夯坑直徑,弧面隨著夯擊次數的增加向下發展。夯坑兩側有土體隆起現象。夯點下方局部顆粒受到的力大小不一,使得顆粒間接觸力有強弱之分,其中傳遞較大份額荷載的路徑構成強力鏈。

圖2 第1次夯擊顆粒位移云圖與力鏈發展網絡

圖3 第2次夯擊顆粒位移云圖與力鏈發展網絡

圖4 第3次夯擊顆粒位移云圖與力鏈發展網絡

時,力鏈集中在土體表面靠近夯坑邊緣,接近豎軸方向,且強力鏈與網格結構不明顯。此時面層土體初始狀態比較疏松,沖擊荷載使土顆粒產生豎向與橫向的位移,造成應力耗散,沒有多余的力繼續往下傳遞。

圖5 第6次夯擊顆粒位移云圖與力鏈發展網絡

圖6 第12次夯擊顆粒位移云圖與力鏈發展網絡

圖7 第18次夯擊顆粒位移云圖與力鏈發展網絡

圖8 第20次夯擊顆粒位移云圖與力鏈發展網絡

第2次夯擊時開始出現橫向力鏈,即一部分力開始橫向傳遞。隨著夯擊次數的增加,力鏈發展成網絡模型,強力鏈逐漸向下移動。這是因為夯擊過程中,土層顆粒自上而下由相對疏松狀態逐漸達到密實,形成新的骨架結構,即產生新的導力路徑。強力鏈下移則是因為沖擊荷載仍然可以破壞上層局部土顆粒間的接觸狀態,使其發生新的位移而造成部分應力耗散;但隨著夯實的進行,上層土體的應力耗散能力變弱,有更多的力能傳遞到下層土體。

力鏈發展的深度即為沖擊荷載所能達到的深度,第3、6、12次夯擊時,沖擊荷載到達深度分別為1、1.5、2 m,到20次夯擊結束時深度發展到2.5 m。在前12次夯擊形成的力鏈網絡中可以看出,橫向發展的強力鏈多于豎向發展的強力鏈;自12次夯擊開始,力鏈網絡格局逐漸發生變化,豎向發展的強力鏈逐漸多于橫向發展的強力鏈。

從力鏈網絡的密度可以看出:隨著夯擊的進行,土體趨于密實,顆粒間發生相對位移逐漸變難,由此導致應力耗散逐漸減少,即有較多的沖擊力沿著顆粒接觸發散傳遞,使得力鏈網絡越來越密。若要使土顆粒間再次發生明顯位移,則需要提高夯擊能量。

2.2 土體的物理變化

隨著夯擊的進行,夯坑總沉降量持續變大,相對沉降量逐漸變小,如圖9所示。這是因為:夯擊開始時,土體較為疏松,易夯實,隨后土體趨于密實,則較難進一步夯實,故空隙減少量越來越少。

圖9 夯擊次數與夯坑總沉降量的關系

夯擊次數與土體空隙率的關系如圖10所示。可以看出:在前6次夯擊中,夯點下方0.5 m深度范圍內的土體空隙率明顯減小,但到第11次夯擊時基本不再下降;夯點下方1.0 m深度范圍內的土體空隙率在第7次與第14次夯擊時明顯減小;夯點下方1.5 m深度范圍內的土體空隙率在第14次夯擊后開始減小;在整個夯擊過程中,1.5 m深度以下的土體空隙率均沒有變化。

圖10 夯擊次數與土體各深度處空隙率的關系

這也正符合土體夯實的特性,即沖擊能量先對上層土體做有效的壓實功,當上層土體難以進一步壓實時,則部分沖擊能量傳遞至下層土體做有效的壓實功,直到沖擊能量完全耗散。

2.3 夯實機械的動力響應

快速液壓夯實機夯板與夯錘的加速度變化可以反映土體壓實的狀態。本文數值試驗得出夯擊過程中夯板加速度峰值與夯錘減速度峰值的變化曲線,如圖11所示。由圖11可以看出,夯板加速度峰值曲線呈現上升趨勢,而夯錘的減速度峰值曲線在前9次夯擊時上升,之后出現了一個平臺段。通過對比發現:夯板加速度峰值能與土體參數建立關系,且存在較好的相關度;而夯錘的減速度峰值在前幾次夯擊過程中反映出了相關度,之后的夯擊過程中相關度消失。因此用夯板的加速度峰值來反映土體壓實狀態更有代表性。

圖11 夯擊次數與加速度峰值的關系

2.4 夯板加速度與壓實度指標的關系

建立夯擊過程中機械動力響應與土體壓實質量檢測指標間的關系是本文研究的重點,數值仿真的結果如圖12所示。從圖12可以看出:在夯點下方0.5 m深度處的土體壓實度與峰值具有較好的二次曲線關系,相關系數達到0.948 2。散點在200g~250g之間比較分散,在250g~290g之間較密集,這是由于隨著夯擊次數的增加,夯板加速

圖12 夯板加速度峰值與各深度土壓實度的關系

度峰值與土體壓實度均在較小范圍內變化;1.0 m深度處土體的壓實度在第7次夯擊時才開始明顯變化,其與夯板加速度峰值的擬合區間為250g~ 290g;1.5 m深度處土體的壓實度在第14次夯擊時開始變化提高,其與夯板加速度峰值的擬合區間為260g~285g。

3 現場試驗與數值仿真結果驗證

3.1 現場試驗設計

為了驗證數值仿真結果與實際情況的相關性,在汕湛高速揭博項目T10標段進行現場試驗,得出相關數據并與數值仿真結果對比。本次試驗選擇在較疏松的填方區3個間距2 m并按三角形分布的測點進行。試驗步驟如下。

(1)在夯板內側焊接1個螺釘,將夯板靜壓于測點土體表面,安裝加速度傳感器并連接數據采集儀與筆記本電腦。

(2)打開采集程序進行系統調試,待穩定后開始采集每次夯擊過程中夯板的加速度值。

(3)每完成3次夯擊后提起夯板,用環刀在夯坑中取土樣,取樣時用小刀小心分離環刀與周圍土體,避免對坑內土體造成大的擾動;用修土刀對土樣進行修整后及時用保鮮膜包裹好,并做好標記;之后對取樣點進行修補,確保夯坑底部平整;夯板歸位。如此反復,直到20次夯擊完成。拆除加速度傳感器,移至下一個測點,重復所有步驟。

3.2 現場試驗與數值仿真結果比對

現場試驗與數值仿真結果對比如圖13、14所示。

圖13 現場試驗與數值試驗空隙率對比

圖14 現場試驗與數值仿真結果加速度峰值對比

由圖13、14可知,3個測點的空隙率隨夯板加速度峰值的變化趨勢與數值仿真結果基本一致,說明數值仿真是可行的。

4 結 語

(1)以57 kJ夯擊能對土體模型進行20次夯擊后的有效壓實深度為1.5 m。在有效壓實范圍內,土顆粒運動密實的順序是由上而下,且顆粒運動會造成沖擊能量的耗散。

(2)夯板的加速度峰值比夯錘的減速度峰值更能反映土體壓實狀態,且夯板加速度峰值與不同深度的空隙率呈二次曲線關系。

(3)通過夯板的加速度峰值和土體壓實度的關系,可以實時了解夯實過后的壓實狀況,使效率和準確率極大提高,節省相關費用,有效降低工程施工成本。

(4)現場試驗建立了夯板加速度峰值與測點面層空隙率的關系曲線,曲線趨勢與數值仿真結果一致,說明數值仿真有效、可靠。

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[責任編輯:杜衛華]

Numerical Simulation of High-speed Hydraulic Tamper Based on PFC2D

SU Wei-guo1,JIN Zhao-hua1,QIU Ying1,LI Jian-cheng2
(1.School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology,Guangzhou 510640, Guangdong,China;2.Power China Road&Bridge Group Co.,Ltd.,Beijing 100048,China)

In order to study the dynamic response mechanism of silty clay under the action of rapid hydraulic compaction,based on the field test of T10 section of the Jiexi-Boluo project of Shantou-Zhanjiang Expressway,the dynamic response of the tamping plate and the soil was studied by introducing the particle flow code(PFC2D).The movement of soil particles and its movement with the tamping plate were analyzed.The results show that within the effective compaction range,the order of the density of soil particle movement is top-down,which will cause the dissipation of the impact energy;the relationship between the peak value of the acceleration of the tamping plate and the compaction degree of the soil at different depths is rendered in a quadratic curve.The results of the numerical simulation are in line with the field test.

high-speed hydraulic tamper;PFC2D;numerical simulation;dynamic response

U415.52

B

1000-033X(2017)07-0092-05

2017-02-08

廣東省交通運輸廳科技項目(2016-02-043)

蘇衛國(1962-),男,山西介休人,博士,副教授,研究方向為道路預防性養護。