落錘強夯施工對涵洞結構物的安全距離研究

劉延祥， 孫 通

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

強夯法,即強力夯實法,最早是Menard工程師提出的地基處理方式[1,2]。通常是將重錘吊起至一定高度,讓其自由下落,給予地面強力沖擊,通過產生沖擊波來破壞土體原本結構,使得土顆粒混合重組,從而達到增強土體承載力、減少工后沉降的效果[3]。強夯雖在20世紀產生并得到廣泛應用,但至今仍未形成比較成熟的體系,規范針對落錘強夯的參數確定、施工距離等方面,僅作了原則性的規定要求[4]。工程中落錘強夯施工參數的確定大多以經驗性為主,通過土體工程性質來初擬施工參數,通過試夯試驗確定夯沉量、壓實度與夯擊錘數的關系，從而進行施工參數的優化調整。在落錘強夯施工作業時,其產生的巨大沖擊波會對道路結構物的穩定性造成一定影響,要保證落錘強夯作業的安全進行,需對落錘強夯的安全施工距離進行分析。

本文針對落錘強夯距離涵洞的安全距離進行分析,以昌九高速公路改擴建工程試驗段為例,通過ABAQUS有限元軟件,建立有限元模型來分析1 100 kN·m夯擊能的落錘強夯施工對鋼筋混凝土涵洞的影響。根據規范可知,墩、臺身的豎直度不得超過其結構物高度的0.3%且不超過20 mm[5]。以此為評價指標,根據數值模擬的結果來分析涵洞所產生最大水平位移,進而對比分析不同水平距離下,落錘強夯施工作業對涵洞安全性的影響,最終確定安全施工距離。

1 有限元模型建立

取路基縱斷面(包括涵洞)建立三維分析模型,模型沿縱斷面長60 m、沿橫斷面寬5 m、豎直高度20 m(取6 m路基高度,14 m地基深度),涵洞頂距上部2 m,凈尺寸為4 m×4 m,板厚均為0.8 m。路基、地基土體采用Mohr-Coulomb模型[6],材料計算參數見表1。C30鋼混涵洞采用線彈性模型,取模量E=30 000 MPa,泊松比為0.17。

表1 模型材料計算參數

涵洞與土體接觸關系設置為通用接觸,采用三維應力C3D8R對模型劃分網格,模型四周約束x或z方向、底部固定其x、y、z軸的位移與轉角。夯錘重130 kN,直徑1.5 m,施工落距8.5 m。為簡化考慮,將夯錘作用簡化為平面荷載施加于模型上部,如圖1所示。

圖1 拓寬道路縱斷面(含涵洞)模型示意圖

根據文獻方法按照式(4)、式(5)確定荷載作用力Pmax與作用時間[7-9]。

Pmax=umSπr2

(4)

t=πmS

(5)

式中:S為彈性常數,S=2rE1-μ2;u為夯錘接觸土體時速度,m/s,u=2gh;μ為土體泊松比;m為夯錘質量,kg;r為夯錘半徑,m;E為土體模量,MPa;h為夯錘落距,m。

分別計算涵洞與夯錘不同水平距離下強夯作業對涵洞的影響,確定1 100 kN·m夯擊能落錘夯作業距涵洞的安全距離。

2 對涵洞結構物的安全距離分析

夯錘落地時對周圍土體的影響如圖2所示。

圖2 距涵洞7 m位置落錘強夯時土體豎向變形圖

由圖2可知,強夯產生的巨大沖擊力使得夯擊點附近土體均發生不同程度的沉降,土體距夯擊點越近產生的沉降越大,最深可達35.3 cm,同時1 100 kN·m夯擊能的沉降橫向影響范圍可達11.5 m,豎向影響范圍可達16.6 m。運用Hide Instance將路基地基模型隱藏,計算不同水平距離下涵洞產生的水平位移來分析強夯施工的安全距離,如圖3所示。

圖3 不同距離下涵洞水平變形圖

將6種情況下涵洞產生的最大水平距離整理匯總,并根據數據繪制涵洞最大水平位移與夯錘距涵洞水平距離的關系曲線,如表2和圖4所示。

表2 不同水平距離下涵洞最大水平位移

圖4 涵洞最大水平位移與夯錘距涵洞水平距離關系曲線

由圖4可知,夯錘與涵洞的水平距離由4.5 m增大至7.5 m時,涵洞所發生的最大水平位移由18.40 mm減小為14.61 mm,二者關系曲線可用線性方程擬合且擬合度較高,由規范可知當涵洞的最大水平位移超過0.3%H即16.8 mm時將會產生破壞,依照擬合公式計算可知當夯錘與涵洞水平距離為5.6 m時,涵洞受夯錘施工影響所產生的最大水平位移將達到16.8 mm從而導致涵洞破壞。由此可知，在1100 kN·m夯擊能的落錘強夯施工時,應保證夯錘施工時涵洞水平距離超過5.6 m。

3 結 論

本文針對昌九高速拓寬工程中試驗段的落錘強夯施工應用,通過ABAQUS有限元軟件建立強夯模型研究分析,確定1 100 kN·m夯擊能的落錘強夯對涵洞的施工安全距離,即當涵洞與夯錘水平距離為5.6 m時,其受夯錘施工影響所產生的最大水平位移將達到16.8 mm從而導致涵洞破壞。因此，應保證1 100 kN·m夯擊能夯錘施工時與涵洞水平距離超過5.6 m。在現場施工時應注意夯錘與道路結構物的距離,在保障結構物穩定性與安全性的基礎上保證壓實補強效果。