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理有限公司 晉城市 048000)

0 引言

在我國山區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、保護周邊環境方面具有重要的研究價值。同時,在山區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。現場進行強夯測試的難度大,不容易獲得可靠的數據[4-5],因此文章利用數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巖,是合格的路基填料。K17+570～K18+580段地基結構穩定,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。下層為強風化石灰巖,密實度分布也為稍密-中密,厚度為3.0～5.5 m。下伏中風化石灰巖,巖石結構穩定,穩定性和承載能力好。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: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值模型建立

2.1 模型建立

根據設計資料,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。本研究取施工現場15 m×10 m的施工區域作為研究對象,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。根據施工現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,利用抗滾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。模型細觀參數主要包括:有效模量為0.15 GPa,接觸剛度比為1.3,摩擦系數為1.2,抗滾動摩擦數為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設置一個監測點,對各透射邊界的吸收效果進行監測,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,并施加重力場,在自重作用下逐步達到穩定狀態。

(2)設置模型邊界條件,通過計算使模型達到穩定狀態。

(3)生成夯錘模型。優化計算過程,根據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或設定停夯條件。

3 大粒徑路基填料強夯數值模擬結果分析

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的主要依據之一,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。本項目通過試夯,確定夯擊次數為10 次。利用數值模型,對夯點中出現的地表夯沉量進行監測,取夯擊次數為10 次,夯擊能為4000 kN·m時的地表夯沉量數量,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,說明隨著夯擊次數的增加,夯擊效果隨夯擊次數的增加逐步下降。

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,且不同擊數隨深度曲線變化規律基本一致。其中,第一擊不同深度路基土體所產生的位移量最大,隨著擊數的增加位移量不斷下降,說明隨深度的增加和夯擊次數的增加,強夯效果不斷下降。

3.3 強夯有效加固深度分析

根據《建筑地基處理技術規范》(JGJ 79—2012)中的相關規定,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,整理數據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的增加逐步下降。

(2)隨著夯擊次數和深度的增加,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、夯擊次數為10 次時,路基土有效加固深度為7～8 m之間,滿足規范要求。