落錘強夯施工對涵洞結(jié)構(gòu)物的安全距離研究

劉延祥， 孫 通

(中國市政工程中南設(shè)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(chǎn)生沖擊波來破壞土體原本結(jié)構(gòu),使得土顆?；旌现亟M,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(chǎn)生并得到廣泛應(yīng)用,但至今仍未形成比較成熟的體系,規(guī)范針對落錘強夯的參數(shù)確定、施工距離等方面,僅作了原則性的規(guī)定要求[4]。工程中落錘強夯施工參數(shù)的確定大多以經(jīng)驗性為主,通過土體工程性質(zhì)來初擬施工參數(shù),通過試夯試驗確定夯沉量、壓實度與夯擊錘數(shù)的關(guān)系，從而進行施工參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整。在落錘強夯施工作業(yè)時,其產(chǎn)生的巨大沖擊波會對道路結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性造成一定影響,要保證落錘強夯作業(yè)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(jù)規(guī)范可知,墩、臺身的豎直度不得超過其結(jié)構(gòu)物高度的0.3%且不超過20 mm[5]。以此為評價指標,根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果來分析涵洞所產(chǎn)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(yè)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(shù)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(shù)

涵洞與土體接觸關(guān)系設(shè)置為通用接觸,采用三維應(yīng)力C3D8R對模型劃分網(wǎng)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(zhuǎn)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(jù)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(shù),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(zhì)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(yè)對涵洞的影響,確定1 100 kN·m夯擊能落錘夯作業(yè)距涵洞的安全距離。

2 對涵洞結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的巨大沖擊力使得夯擊點附近土體均發(fā)生不同程度的沉降,土體距夯擊點越近產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的最大水平距離整理匯總,并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制涵洞最大水平位移與夯錘距涵洞水平距離的關(guān)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(guān)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(fā)生的最大水平位移由18.40 mm減小為14.61 mm,二者關(guān)系曲線可用線性方程擬合且擬合度較高,由規(guī)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(chǎn)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(chǎn)生的最大水平位移將達到16.8 mm從而導(dǎo)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(yīng)保證夯錘施工時涵洞水平距離超過5.6 m。

3 結(jié) 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(yīng)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(chǎn)生的最大水平位移將達到16.8 mm從而導(dǎo)致涵洞破壞。因此，應(yīng)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(xiàn)場施工時應(yīng)注意夯錘與道路結(jié)構(gòu)物的距離,在保障結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性與安全性的基礎(chǔ)上保證壓實補強效果。