高填方路堤强夯效果的现场检测及三维有限元模拟.pdf

JournalofEngineeringGeology工程地质学报1004—9665／2009／17(2)-0268-06高填方路堤强夯效果的现场检测及三维有限元模拟徐平①乐金朝①刘忠玉②马清文①(①郑州大学交通运输工程系郑州450002)(②郑州大学土木工程学院郑州450002)摘要针对河南某岩石碎渣高填方路堤，提出了夯击能1000kN·111、虚铺厚度1．5m的强夯施工工艺，对试验段进行了现场检测：地质雷达波形较好地反映强夯后虚铺层厚度的减小幅度，并可判断强夯水平有效加固范围为4m，瑞利波速沿深度变化比较均匀，平均值达到了310m·S～，重型动力触探结果表明试验段达到中密程度，灌水法测得的固体体积率都达到了83％以上，上述检测结果说明强夯的加固效果比较理想。采用ABAQUS有限元分析软件，将夯锤简化为刚性体，通过施加竖向初速度的方式模拟了强夯作用，结合雷达测试结果，认为夯沉量20mm可作为强夯的有效加固范围，最后模拟了存在涵洞结构物的路堤的强夯作用，指出涵洞上方路堤厚度必须达到8m以上，才能保证强夯安全作业。关键词强夯高填方路堤现场检测有效加固范围涵洞有限元模拟中图分类号：TU435文献标识码：AIN—SITUTESTANDTHREE—DIMENSIoNALFEMANALYSISOFDY-NAMICCoMPACTIoNEFFECToFTHICKFILLEMBANKMENTXUPing①YUEJinchao①LIUZhongyu②MAQingwen①((~)DepartmentofTransportationEngineering，ZhengzhouUniversity-Zhengzhou450002)((~SchoolofCivilEngineering。ZhengzhouUniversity，Zhengzhou450002)AbstractOneThickfillembankmentwascomposedofbrokenrocksinHenanprovince．Itwastakenasanengi—neeringexampleinthispaper．Aconstructiontechlogyofdynamiccompactionwithenergyof1000kN·mandlooselayerof1．5mdepthwasputforward．In—situtestsweredoneatsomesegments．Thelooselayersturndenseafterhavingbeencompactedandthehorizontaleficientcompactionrangewas4mandwasdisplayedfromthegroundradarwaveshape．Rayleighwaveschangelittleinthedepthandtheaveragedvalueis310m·s～．Theseg-mentshavemiddledensityjudgedwiththeheavydynamicpenetrationtestsresults．Thesolidvolumeratiostestedwithwaterreplacementmethodwereallabove83％．So，animportantconclusionwasobtainedthatthesegmentsafterhavingbeendynamicallycompactedcanhavebettercompactionefect．TheFEMsoftwareofABAQUSwasa—dopted．Thedynamiccompactionwassimulatedbytakingthepounderasarigidbodyandassigningthepounderwithaverticalinitialvelocity．Theeficientcompactionrangecanbejudgedbythesettlementof20mmaccordingtotheconclusionfromgroundradar．Finally，dynamiccompactionontheembankmentwithaburiedculvertwassimu-lated，whichrevealsthatthedepthofembankmentupperculvertmustbelargerthan8mforsafedynamiccompac—tion．收稿日期：2008—0l一24；收到修改稿日期：2008—05—13．第一作者简介：徐平，主要从事岩土动力学方面研究．Email：plian127@163．corn 17(2)徐平等：高填方路堤强夯效果的现场检测及三维有限元模拟KeywordsDynamiccompaction，Thickfillembankment，In—situtest，Culvert，FEMsimulation，Radarwave，Rayleiyhwave6遍压实之后，才能铺下一层(厚为0．5～1．5m)，虚1引言铺层的夯点与夯实层呈交错布置，夯点正好位于夯实层夯点正三角形的形心之上。在山区修建高速公路，必须进行高填深挖，为了2．2雷达测试降低填料运输成本，通常以开挖路堑和隧道的废弃岩石碎渣作为填料来修筑路堤，该类路堤的施工工由于重锤的集中作用，强夯只能对一定范围内艺将直接影响高速公路的质量。目前国内一般采用的路堤起到压实作用。因此，研究强夯的有效加固强夯来加固高填方路堤，不少专家和学者已对强夯范围有利于对施工方案(特别是夯击点的布置)及路堤或地基进行了理论分析和试验研究J。时地进行调整，使其更加合理、完善。强夯法用于处理粗粒土或低饱和度的细粒土地虚铺层和夯实层之间存在明显的界面，利用地基时，一般称为动力压密法，用于处理高饱和度的细质雷达波在界面上的反射脉冲原理，可以真实、可靠粒土地基，特别是淤泥、淤泥质粘土和泥炭土等软土地探测出一定深度内由于强夯而引起的土体结构的时，一般称为动力固结法。对于由废弃岩石碎渣填密实状况，并可进一步判断强夯的有效加固范围。筑的高填方路堤，则属于动力压密法。当夯击反复选用100MHz天线的地质雷达对强夯段同一夯进行时，固体颗粒相互靠拢，不断挤密，由紊乱状态坑进行了测试(图1)。进入稳定状态，孔隙大小变得比较均匀，压实度得到提高。强夯法是一种动力接触问题，而且属于大变．—，．．=j：．：：：：形非线性，通常采用有限单元法进行数值模拟J。f。’∽’本文以河南某段高速公路为工程实例，提出强夯施工工艺，并进行地质雷达、瑞利波、重型动力触探和固体体积率的现场测试，检测了强夯加固效果，最后采用ABAQUS有限元软件对强夯作用进行了模拟。2强夯施工工艺及检测与评价手段2．1强夯施工工艺‘1_：；一河南某段高速公路的路堤施工段距离最近的料场有几十公里，出于降低工程造价的考虑，选用填筑岩石碎渣、分层进行强夯的施工工艺。夯点按正三角形布置，间距为3．0m，夯锤的底面半径为1．0m，重量为10t，落距为10m，采用的夯击能为1000kN·m。为了确保路堤的填筑质量，要求：(1)路床顶≯}2m以下的填料的最大粒径不得大于50cm，路床顶0．5～2．0m范围内的粒径不得大于30cm，大颗粒要剔除或进行二次破碎；(2)每个夯点都根据最后两击的平均夯沉量不大于3．5cm及最后两击每击夯沉量不大于5cm的双重指标进行控制；(3)当一层全部夯完后，用推土机推平，并使用振动压路机强振 270JournalofEngineeringGeology工程地质学报2009显，图中反映的虚铺层厚度(最上面两层脉冲波之范》(GB50021—2001)可知，强夯段路堤都达到了中间的距离)为1．5m，与实际情况完全相符；从图1b、密程度。1C可以明显地看出，夯坑范围内的虚铺层被击密，厚度减小，另外两侧出现明显的扩散角，约为53。，碾l强扩散区域的水平距离为4m，即水平有效加固范围为·．1·奋4m(夯击中心点离影响区域边界的距离为2m)。Ii==●线曲●●●1l-_●将夯坑、强夯的有效加固范围绘制于同一平面●．。●●‘●i图上(图2，实线为夯坑，虚线为强夯有效加固范一●●●．j|¨l围)。●。l●l1‰1．．··：一!}图3强夯段和碾压段的瑞利波频散曲线Fig．3Dispersioncurvesofrayleiyhwaveofthedynamiccompactedandrolledsegments图2夯坑及强夯有效加固范围平面图Fig．2Planedistributionofpitsandeficient表1动力触探现场检测结果compactionrangeTable1Resultsofin—situdynamicpenetrationtest锤击次数从图2可以看出，当夯点相距3m时，除了夯锤夯坑——合计第1个10cm第2个lOcmB￡第!3n个lOncm¨直接作用的2．0m外，中间孔隙也完全处于相邻强l240夯作用的水平有效加固范围的叠加区域内，这说明1138夯点按正三角形布置，间距为3．Om是合理的。1348：22．3瑞利波测试lO401O37运用瞬态瑞利波技术测得强夯段的频谱曲线，1240并与碾压段进行了对比(图3)。从图3可以看出，强夯段的瑞利波频散曲线沿2．5固体体积率深度的分布比较均匀，平均波速为310m·s一，而碾对于颗粒较大的碎石填筑的路堤，可参照《碾压段的频散曲线则基本上随着深度的增大而增大，压土石坝施工技术规程》(SDJ213—83)，采用灌水平均波速接近260m·s～，明显低于强夯段，这说法测试固体体积率(固体颗粒体积与总体积之比)明，强夯段的强度高于碾压段，即采用强夯加固路堤来对压实情况进行检测与评价。在强夯段进行了固的效果好于碾压。体体积率测试(表2)。2．4重型动力触探测试从表2可以看出，由于上层受到夯锤的直接作用，所以固体体积率略大于中层或下层，但所有的测对强夯段6个夯坑进行了重为63．5kg的动力试结果都超过了83％，这说明强夯能够很好地减小触探测试(表1)。路堤的孑L隙率，提高路堤的强度，具有较理想的加固从表1可以看出，圆锥动力触探每打入路堤效果。lOcm的锤击数都大于l0，根据《岩土工程勘察规 17(2)徐平等：高填方路堤强夯效果的现场检测及三维有限元模拟表2强夯段的固体体积率tedsegments3．。1‘模^。拟J{^夯J沉l，u量{墨Table2Solidv~umeratioofcompac将夯锤看作刚性体，通过赋予夯锤竖直向下14．14m·s的初速度来模拟强夯过程。根据有限元模拟结果，绘制了夯击中心点(特指夯锤中心点处的路堤表面)的实测和模拟夯沉量随击数的变化曲线(图5)。_日-1号坑-i--2号坑+3号坑_*_4号坑+5号坑-Q-6号坑十7号坑一8号坑士9号坑—●一模拟值目目，喜蜉胀图5夯击中心点的实测和模拟夯沉量如∞∞o3强夯的有限元模拟随击数的变化曲线Fig．5Cu~esoftestedandsimulatedcentersemementschangingwiththenumberofdynamiceompactions参照K16十225～K22+200的路堤结构，建立三维路基有限元模型如图4所示，顶面宽28．3m，底从图5可以看出，随着强夯击数的增大，每击产面宽84m，高15m，长80m，将夯锤作用面细划，共计生的夯沉量基本上都呈减小的趋势，但也有特殊情63986个单元。况，例如3坑的第五击产生的沉降量是61him，反而虚铺层(厚1．5m)和夯实层的计算参数由室内大于第四击的沉降量(43mm)，这主要是因为填方试验得到(表3，表4)。路堤中存在较大的岩块，在第五击时岩块突然破碎，从而产生较大的沉降量，不过从整体上看，对于开始的几击(一～四)，随着击数的增大，每击产生的沉降量明显地减小，但超过五击后，沉降量减小的幅度明显地降低。由于室内试验制备试样时都事先经过了击实(现场虚铺层无法制备完整的三轴试样)，因此试验得到的强度略高于实际情况，导致有限元模图4三维路堤有限元模型拟的夯沉量略低于实测值，不过从整体来看，有限元Fig．4Three—dimensionalFEMmodelofembankment模拟结果与实测结果基本接近，本文采用的模型和计算方法可以认为是合理可行的。表3虚铺层的计算参数根据有限元模拟结果，得到了夯击中心点的模Table3Computationalindexofupperloselayer拟夯沉量随时间(总时间为0．30s)的变化曲线(图6)。从图6可以看出，夯击中心点的模拟夯沉量随时间的变化规律基本相同：先迅速增大到最大值，然表4夯实层的计算参数后有所回弹并最终趋于稳定，以第一击为例，0．09sTable4Computationalindexofundercompactedlayers左右达到最大值162mm，0．25s左右基本达到稳定，并基本保持在150mm左右，这比最大值回弹了12mm，另外随着夯击次数的增大，夯击中心点的夯 272JournalofEngineeringGeology工程地质学报2009由前面的地质雷达测试结果得知，强夯的水平有效加固范围为4m，结合图7，水平有效加固范围对应的夯沉量等值线为20mm，由此可判断，强夯的竖直竖向影响深度为3．8m，于是在1．5m厚的虚铺层上进行强夯时，也能对下层进行加固，这说明虚铺层和下层交错布置能够做到上下层的兼顾，虚铺厚度为1．5m完全合理。3．3强夯对涵洞的影响在存在涵洞等结构物的路堤上进行强夯时，会—+-1击—2击—*_3击—．卜_4击—．卜_5击对涵洞产生很大的振动，严重时会直接导致结构物—●一6击—日一7击—e一8击—矗一9击产生裂缝，甚至破坏，某标段就发生过涵洞被夯塌的事故，当时涵洞上方的路堤厚度为4m。图6夯击中心点的模拟夯沉量随时间的变化曲线涵洞的实照物取自K18+694，由片石砌成，取Fig．6CurvesofsimulatedcentersettlementschangingwithcompactiontimesE=80MPa，I，=0．3，虚铺层和强夯层的参数见表3和表4。涵洞顶点的最大竖向位移随上部路堤厚度沉量的变化越来越小，例如第九击和第八击仅相差变化曲线见图8。4mm左右，远远小于第一击与第二击的差值47mm。3．2强夯有效加固范围的探讨暑量岩石碎渣在强夯动力作用下，会产生脆性破坏、_叵颗粒被挤密，并表现为大变形等特性。本文的工程实例取自河南济源，施工期为春季，雨水少，不涉及孔隙水压力消散的固结问题，因此路堤的固体体积6810率随着夯沉量的增大而提高，于是，可用夯沉量来判涵洞上部土层厚度／m断强夯的有效加固范围。图8涵洞顶部的最大竖向位移随上方路堤取第一击的有限元模拟结果，绘制了水平和垂厚度的变化曲线直距离都为6m范围内的稳定夯沉量等值线(图Fig．8Curvesofmaximumverticaldisplacementsofculverttopchangingwitllthedepthsofupper7)。embankment从图8可以看出，上方路堤厚度对涵洞顶部竖向位移的影响很大，当上方路堤厚4．0m时，顶点的竖向位移分别达到了173．9mm，随着路堤厚度的增大，涵洞顶点的竖向位移迅速减小，并在路堤厚度为8．Om时，顶点的竖向位移变得平缓，基本稳定在20mm，此时正处于前面定义的强夯有效加固范围的边缘，已经比较安全，也就是说，当路堤下有涵洞时，若采用强夯作为加固手段，则必须保证上方路堤厚度在8．Om以E。图7稳定夯沉量的等值曲线(mm)Fig．7Contoursofstabilizedsettlements(mm) 17(2)徐平等：高填方路堤强夯效果的现场检测及三维有限元模拟]J1J1J273forbrokenstonefillstreatedwitlldynamiccompaction．JournalofEngineeringGeology，2007，15(6)：812～816．4结论[4]涂齐亮，王清，李振，等．夯击能应用于高填土地基的一些探讨[J]．工程地质学报，2002，10(4)：395～399．(1)地质雷达、瑞利波、重型动力触探和固体体TuQiliang，WangQing，XiaYubin，eta1．．Discusstionon8ome积率测试结果表明，强夯加固碎石填筑路堤的效果problemsofapplicationofampingenergytofoundationwithlarge较理想；fiUthickness．JournalofEngineeringGeology，2002，10(4)：395(2)对于碎石填筑路堤，可结合雷达测试结果～399．[5]蒋鹏，李荣强，孔德坊．强夯接触力和接触位移的碰撞分析或其他手段由夯沉量来判断强夯的有效加固范围，求解[J]．工程地质学报，2002，10(1)：108—112．对于本文算例以夯沉量为20mm作为强夯的有效加JiangPeng，LiRongqiang，KongDefang．Aculationofcontact固范围(水平4m，竖向3．8m)；forceandcontactdisplacementduringdynamiccompactionbycol—(3)采用1000kN·In的强夯作业时，必须保证lisionanalysis．JournalofEngineringGeology，2002，10(4)：395～399．涵洞上方路堤厚度为8m以上。[6]田水，王钊．强夯加固机理的非线性动态冲击显式有限元数值分析[J]．工程地质学报，2006，14(5)：694—698．TianShui，WangZhao．Numericalanalysisoftheimpactdynami—参考文献calperformanceofdynamiccompactionwitllnon～linearexplicitdynamicfem．JournalofEngineeringGeology，2006，14(5)：694郭乃正，邹金锋，杨d,TL，等．高填方路堤强夯试验与数值模拟～698．研究[J]．铁道科学与工程学报，2007，4(3)：53—57．[7]蒋鹏，李荣强，孔德坊．强夯大变形冲击碰撞数值分析[J]．GuoNmzheng，ZouJinfeng，YangXiaoli，eta1．．Researchoftest岩土工程学报，2000，22(2)：222—226．andsimulationondynamiccompactioninhishroadbed．JournalofJoamgPeng，LiRongqiang，KongDefang．NumericalanalysisofRailwayScienceandEngineering，2007，4(3)：53—57．largedeformationimpactandcollisionpropertiesduringc周世良，王多垠，吴友仁．强夯处理高填方的现场试验与数compaction．ChineseJournalofGeotechniealEngineering，2000，值分析[J]．重庆交通大学学报，2007，26(5)：87～91．22(2)：222～226．ZhouShiliang，WangDuoyin，WuYouren．Sitetestandnumerical[8]蔡袁强，陈超，徐长节．强夯加固回填土地基的三维数值模analysisofdynamicconsolidationmethodforhighearthfil1．Jour_拟[J]．岩土力学，2007，28(6)：1108～1112．nalofChongqing~aotongUniversity，2007，26(5)：87～91．CaiYuanqiang，ChenChao，XuChangjie．Three—dimensional周立新，黄晓波，邓长平．强夯密实处理块碎石填料试验研numericalsimulationofdynamiccompactionofbackfiIIedsoil．究[J]．工程地质学报，2007，15(6)：812～816．RockandSoilMechanics，2007，28(6)：l108～l112．ZhouLixin，HidingXiaobo，DengChangping．Experimentaltests