夯实机夯实高速公路台背涵填土的数值研究

摘要：通过有限元方法对夯实机夯实过程中对路基竖向应力、台背侧向应力和台背混凝土应变的分析，给出了竖向动应力、侧向动应力沿深度及横向的变化规律，确定了动应力的影响范围及其影响因素，结果表明：竖向应力沿深度方向迅速减小，夯实机工作时对路基产生的最大动应力受夯实势能、夯实路基高度和路基模量等因素影响，其中夯实势能是主要影响因素，本文研究成果为理解夯实机夯实机理和工程应用提供了基础。

关键词：动应力; 填土夯实; 夯实机; 数值模拟

Abstract: through the finite element method of tamper tamp process on the vertical analysis of stress and abutment concrete strain stress, abutment lateral, vertical dynamic stress, the lateral dynamic stress along the depth and the lateral variation is given, the dynamic stress influence range and its influencing factors, the determination result show that: the vertical stress decreased rapidly along the depth direction, the maximum dynamic tamping machine work influence on Subgrade stress generated by tamping, tamping energy height of roadbed and subgrade modulus and other factors, the tamping energy are the main influence factors, the results of this study provide a basis for physical solutions of rammer tamping mechanism and engineering application.

Keywords: dynamic stress; soil compaction; compaction machine; numerical simulation

中图分类号：TU662文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

由于施工工艺的不完善，使台背填筑物压实度不够所导致的不均匀沉降过大，是造成公路桥头跳车的原因之一。按照我国目前的施工工艺，桥涵台背的填筑是在这些构造物完成后进行填筑，施工时，既要保证不损害构造物，又要求有足够的压实度。但由于该处比较狭窄，大型压实机械运行不便，小型夯实设备作业后，基础也难以达到规定的压实度，因此施工难度较大，导致线路纵向刚度差异悬殊；再加上动荷载的长期作用，易在连接处产生差异沉降，引起跳车[1]。

高速液压夯实技术可以有效地解决这一工程问题。高速液压夯实机用液压缸将夯锤提升到一定高度后快速释放，夯锤在重力和液压储能器的共同作用下加速下落，落下后击打带缓冲垫的、静压在地面上的夯板，并通过夯板间接夯击地面。高速液压夯实机装在普通装载机的动臂上，可以对不同作业位置进行夯实，也可以对作业面积进行单点或连续的夯实，特别适合于作业面狭窄的工地使用[2]。

本文以广梧高速公路K63+913通道桥1#台台背路基填筑为工程背景，采用数值模拟分析为基础，研究高速液压夯实机对高速公路台背涵填土的施工效果。

1. 数值模型建立

1.1 液压夯实机模型建立

现场夯实机选用HC25E高速液压夯实机，为北京欣路特科技发展有限公司研制开发的一种新型高效液压夯实机械，为强制落锤式液压夯实机，夯锤2.5吨，夯击能量根据需要有低、中、强三档可调（以下简称一、二、三档），对应提升高度分别为0.5、1.0和1.5m，产生的夯击势能分别为12.5、25和37.5kJ，最大夯击势能时的频率可达15次/min。击实频率也可以根据不同的工况设为自动与手动两种不同的操作模式，能够满足不同工况的要求。

在有限模型中，计算中假设夯锤与土体直接接触，根据自由落体运动，夯锤与土体接触时的竖向速度为，对于一、二和三档情况，夯锤高度分别为0.5、1.0和1.5m，相应速度为3.13、4.42和5.42m/s，计算时间从夯锤以此速度与土体接触开始。

本次分析的主要内容是路基的受力状态，因而对夯锤进行简化，夯锤采用解析刚体进行计算。

1.2 台背涵填土有限元模型建立

1.2.1 有限元模型

根据现场台背涵填土的实际情况，建立的有限元模型，并进行了网格的剖分，为了能更好的模拟土体在动力荷载作用下的响应，考虑到一阶单元比二阶单元能更好模拟应力波的传播，采用一阶八节点的三维实体减缩积分单元(C3D8R)，这种单元引入一个小量的人工“沙漏刚度”以限制沙漏模式的扩展，如图1所示。

图1夯实机靠近台背模型网格划分

1.2.2本构关系

在数值模型中，混凝土台采用混凝土采用弹性模型。填土采用Mohr-Coulomb塑性模型，夯锤采用解析刚体进行计算。刚体在整个过程中，只产生刚体运动，不发生变形。采用刚体取代可变形的有限单元，可以得到更大的整体时间增量，这并不会显著影响求解的整体精度，可以明显提高计算效率。各材料参数如表1所示。

表1模型物理力学参数

1.2.3边界条件

夯实机在夯实过程中产生的各种应力波向外传播，影响甚远，为缩小计算模型，提高计算效率，在计算模型的底面和侧面设置人工边界，采用三维一致粘弹性人工边界，如图2所示，并在ABAQUS软件中成功实现。

图2三维粘弹性动力人工边界的有限元实现

其中与为人工边界参数，其推荐值如表2所示。

表2人工边界参数

2. 数值计算结果

2.1 竖向动应力

不同高度路基在一、二和三档夯实作用下，锤心下方不同深度处竖向动应力分布如图3~图4所示。从图中可知，应力总体上沿深度方向迅速减小，应力主要影响深度分布在2.0~2.5m，由于夯实路基是先经过压路机碾压，其模量相对基底模量略高，故而相同深度处应力随夯实路基高度增加略有增大，但增幅不大。夯实机工作时对路基产生的最大动应力受夯实势能、夯实路基高度和路基模量等因素影响，主要影响因素是夯实势能。

(a) 靠近台背路基竖向应力(夯实2.0m) (b) 靠近台背路基竖向应力(夯实2.5m)

(c) 靠近台背路基竖向应力(夯实3.0m) (d) 靠近台背路基竖向应力(夯实3.5m)

图3靠近台背路基竖向应力

图4锤下2.5m处最大动应力横向分布

图4为锤下2.5m处最大动应力横向分布情况。从图中可知，主要应力分布宽度为1.5m，这说明夯实机在2.5m深度处的影响宽度约为1.5m，即三倍夯实机直径。

2.2 侧向动应力

夯实机在靠近台背距离10cm处夯实时对台背混凝土产生的侧向应力如图5所示。从图中可知，最大侧向应力发生在1m范围内，主要影响深度约有3m；侧向应力随夯实势能的增大而增加，随夯实高度的增加略有增加，最大侧向应力在166~239kPa之间。

(a) 靠近台背路基侧向应力(夯实2.0m) (b) 靠近台背路基侧向应力(夯实2.5m)

(c) 靠近台背路基侧向应力(夯实3.0m) (d) 靠近台背路基侧向应力(夯实3.5m)

图5靠近台背路基侧向应力

2.3 混凝土动应变

夯实机在靠近台背距离10cm处夯实时对台背混凝土产生的应变最大值如图4 32~图4 35所示。从图中可知，混凝土应变主要发生在1~3m范围内，主要影响深度约有3m；应变随夯实势能的增大而增加，随夯实高度的增加略有增加，最大应变在7.9με～9.9με之间，不会对台背混凝土强度造成影响。

(a) 靠近台背混凝土应变(夯实2.0m) (b) 靠近台背混凝土应变(夯实2.5m)

(c) 靠近台背混凝土应变(夯实3.0m)(d) 靠近台背混凝土应变(夯实3.5m)

图6靠近台背混凝土应变

3 结论

通过有限元方法对夯实机夯实过程中对路基竖向应力、台背侧向应力和台背混凝土应变的分析，可得到如下结论：

(1) 应力沿深度方向迅速减小，应力主要影响深度在2.0~2.5m，夯实机工作时对路基产生的最大动应力受夯实势能、夯实路基高度和路基模量等因素影响，其中夯实势能是主要影响因素。夯实机在2.5m深度处的影响宽度约为1.5m。

(2) 最大侧向应力发生在1m深度范围内，主要影响深度约有3m，侧向应力随夯实势能的增大而增加，随夯实高度的增加略有增加。

(3) 混凝土应变主要发生在1~3m范围内，主要影响深度约有3m，应变随夯实势能的增大而增加，随夯实高度的增加略有增加。

参考文献

[1]张焕新,方建勤,黄水泉.液压夯实技术补强高速公路台背路基施工工艺试验研究[J]. 2010(06):140--144

[2]吴江.液压高速夯实机处理桥涵台背地基及效果探讨[J]. 青海交通科技, 2007:48-50