落锤强夯施工对涵洞结构物的安全距离研究

刘延祥， 孙 通

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010)

0 引 言

强夯法,即强力夯实法,最早是Menard工程师提出的地基处理方式[1,2]。通常是将重锤吊起至一定高度,让其自由下落,给予地面强力冲击,通过产生冲击波来破坏土体原本结构,使得土颗粒混合重组,从而达到增强土体承载力、减少工后沉降的效果[3]。强夯虽在20世纪产生并得到广泛应用,但至今仍未形成比较成熟的体系,规范针对落锤强夯的参数确定、施工距离等方面,仅作了原则性的规定要求[4]。工程中落锤强夯施工参数的确定大多以经验性为主,通过土体工程性质来初拟施工参数,通过试夯试验确定夯沉量、压实度与夯击锤数的关系，从而进行施工参数的优化调整。在落锤强夯施工作业时,其产生的巨大冲击波会对道路结构物的稳定性造成一定影响,要保证落锤强夯作业的安全进行,需对落锤强夯的安全施工距离进行分析。

本文针对落锤强夯距离涵洞的安全距离进行分析,以昌九高速公路改扩建工程试验段为例,通过ABAQUS有限元软件,建立有限元模型来分析1 100 kN·m夯击能的落锤强夯施工对钢筋混凝土涵洞的影响。根据规范可知,墩、台身的竖直度不得超过其结构物高度的0.3%且不超过20 mm[5]。以此为评价指标,根据数值模拟的结果来分析涵洞所产生最大水平位移,进而对比分析不同水平距离下,落锤强夯施工作业对涵洞安全性的影响,最终确定安全施工距离。

1 有限元模型建立

取路基纵断面(包括涵洞)建立三维分析模型,模型沿纵断面长60 m、沿横断面宽5 m、竖直高度20 m(取6 m路基高度,14 m地基深度),涵洞顶距上部2 m,净尺寸为4 m×4 m,板厚均为0.8 m。路基、地基土体采用Mohr-Coulomb模型[6],材料计算参数见表1。C30钢混涵洞采用线弹性模型,取模量E=30 000 MPa,泊松比为0.17。

表1 模型材料计算参数

涵洞与土体接触关系设置为通用接触,采用三维应力C3D8R对模型划分网格,模型四周约束x或z方向、底部固定其x、y、z轴的位移与转角。夯锤重130 kN,直径1.5 m,施工落距8.5 m。为简化考虑,将夯锤作用简化为平面荷载施加于模型上部,如图1所示。

图1 拓宽道路纵断面(含涵洞)模型示意图

根据文献方法按照式(4)、式(5)确定荷载作用力Pmax与作用时间[7-9]。

Pmax=umSπr2

(4)

t=πmS

(5)

式中:S为弹性常数,S=2rE1-μ2;u为夯锤接触土体时速度,m/s,u=2gh;μ为土体泊松比;m为夯锤质量,kg;r为夯锤半径,m;E为土体模量,MPa;h为夯锤落距,m。

分别计算涵洞与夯锤不同水平距离下强夯作业对涵洞的影响,确定1 100 kN·m夯击能落锤夯作业距涵洞的安全距离。

2 对涵洞结构物的安全距离分析

夯锤落地时对周围土体的影响如图2所示。

图2 距涵洞7 m位置落锤强夯时土体竖向变形图

由图2可知,强夯产生的巨大冲击力使得夯击点附近土体均发生不同程度的沉降,土体距夯击点越近产生的沉降越大,最深可达35.3 cm,同时1 100 kN·m夯击能的沉降横向影响范围可达11.5 m,竖向影响范围可达16.6 m。运用Hide Instance将路基地基模型隐藏,计算不同水平距离下涵洞产生的水平位移来分析强夯施工的安全距离,如图3所示。

图3 不同距离下涵洞水平变形图

将6种情况下涵洞产生的最大水平距离整理汇总,并根据数据绘制涵洞最大水平位移与夯锤距涵洞水平距离的关系曲线,如表2和图4所示。

表2 不同水平距离下涵洞最大水平位移

图4 涵洞最大水平位移与夯锤距涵洞水平距离关系曲线

由图4可知,夯锤与涵洞的水平距离由4.5 m增大至7.5 m时,涵洞所发生的最大水平位移由18.40 mm减小为14.61 mm,二者关系曲线可用线性方程拟合且拟合度较高,由规范可知当涵洞的最大水平位移超过0.3%H即16.8 mm时将会产生破坏,依照拟合公式计算可知当夯锤与涵洞水平距离为5.6 m时,涵洞受夯锤施工影响所产生的最大水平位移将达到16.8 mm从而导致涵洞破坏。由此可知，在1100 kN·m夯击能的落锤强夯施工时,应保证夯锤施工时涵洞水平距离超过5.6 m。

3 结 论

本文针对昌九高速拓宽工程中试验段的落锤强夯施工应用,通过ABAQUS有限元软件建立强夯模型研究分析,确定1 100 kN·m夯击能的落锤强夯对涵洞的施工安全距离,即当涵洞与夯锤水平距离为5.6 m时,其受夯锤施工影响所产生的最大水平位移将达到16.8 mm从而导致涵洞破坏。因此，应保证1 100 kN·m夯击能夯锤施工时与涵洞水平距离超过5.6 m。在现场施工时应注意夯锤与道路结构物的距离,在保障结构物稳定性与安全性的基础上保证压实补强效果。