摘要：通過有限元方法對夯實機夯實過程中對路基豎向應力、臺背側向應力和臺背混凝土應變的分析，給出了豎向動應力、側向動應力沿深度及橫向的變化規律，確定了動應力的影響范圍及其影響因素，結果表明：豎向應力沿深度方向迅速減小，夯實機工作時對路基產生的最大動應力受夯實勢能、夯實路基高度和路基模量等因素影響，其中夯實勢能是主要影響因素，本文研究成果為理解夯實機夯實機理和工程應用提供了基礎。

　　關鍵詞：公路工程論文發表,期刊征稿,動應力,填土夯實,夯實機,數值模擬

　　由于施工工藝的不完善，使臺背填筑物壓實度不夠所導致的不均勻沉降過大，是造成公路橋頭跳車的原因之一。按照我國目前的施工工藝，橋涵臺背的填筑是在這些構造物完成后進行填筑，施工時，既要保證不損害構造物，又要求有足夠的壓實度。但由于該處比較狹窄，大型壓實機械運行不便，小型夯實設備作業后，基礎也難以達到規定的壓實度，因此施工難度較大，導致線路縱向剛度差異懸殊;再加上動荷載的長期作用，易在連接處產生差異沉降，引起跳車[1]。

　　高速液壓夯實技術可以有效地解決這一工程問題。高速液壓夯實機用液壓缸將夯錘提升到一定高度后快速釋放，夯錘在重力和液壓儲能器的共同作用下加速下落，落下后擊打帶緩沖墊的、靜壓在地面上的夯板，并通過夯板間接夯擊地面。高速液壓夯實機裝在普通裝載機的動臂上，可以對不同作業位置進行夯實，也可以對作業面積進行單點或連續的夯實，特別適合于作業面狹窄的工地使用[2]。

　　本文以廣梧高速公路K63+913通道橋1#臺臺背路基填筑為工程背景，采用數值模擬分析為基礎，研究高速液壓夯實機對高速公路臺背涵填土的施工效果。

　　1. 數值模型建立

　　1.1 液壓夯實機模型建立

　　現場夯實機選用HC25E高速液壓夯實機，為北京欣路特科技發展有限公司研制開發的一種新型高效液壓夯實機械，為強制落錘式液壓夯實機，夯錘2.5噸，夯擊能量根據需要有低、中、強三檔可調(以下簡稱一、二、三檔)，對應提升高度分別為0.5、1.0和1.5m，產生的夯擊勢能分別為12.5、25和37.5kJ，最大夯擊勢能時的頻率可達15次/min。擊實頻率也可以根據不同的工況設為自動與手動兩種不同的操作模式，能夠滿足不同工況的要求。

　　在有限模型中，計算中假設夯錘與土體直接接觸，根據自由落體運動，夯錘與土體接觸時的豎向速度為 ，對于一、二和三檔情況，夯錘高度分別為0.5、1.0和1.5m，相應速度為3.13、4.42和5.42m/s，計算時間從夯錘以此速度與土體接觸開始。

　　本次分析的主要內容是路基的受力狀態，因而對夯錘進行簡化，夯錘采用解析剛體進行計算。

　　1.2 臺背涵填土有限元模型建立

　　1.2.1 有限元模型

　　根據現場臺背涵填土的實際情況，建立的有限元模型，并進行了網格的剖分，為了能更好的模擬土體在動力荷載作用下的響應，考慮到一階單元比二階單元能更好模擬應力波的傳播，采用一階八節點的三維實體減縮積分單元(C3D8R)，這種單元引入一個小量的人工“沙漏剛度”以限制沙漏模式的擴展，如圖1所示。

　　1.2.2本構關系

　　在數值模型中，混凝土臺采用混凝土采用彈性模型。填土采用Mohr-Coulomb塑性模型，夯錘采用解析剛體進行計算。剛體在整個過程中，只產生剛體運動，不發生變形。采用剛體取代可變形的有限單元，可以得到更大的整體時間增量，這并不會顯著影響求解的整體精度，可以明顯提高計算效率。各材料參數如表1所示。

　　1.2.3邊界條件

　　夯實機在夯實過程中產生的各種應力波向外傳播，影響甚遠，為縮小計算模型，提高計算效率，在計算模型的底面和側面設置人工邊界，采用三維一致粘彈性人工邊界，如圖2所示，并在ABAQUS軟件中成功實現。

　　其中 與 為人工邊界參數，其推薦值如表2所示。

　　2. 數值計算結果

　　2.1 豎向動應力

　　不同高度路基在一、二和三檔夯實作用下，錘心下方不同深度處豎向動應力分布如圖3~圖4所示。從圖中可知，應力總體上沿深度方向迅速減小，應力主要影響深度分布在2.0~2.5m，由于夯實路基是先經過壓路機碾壓，其模量相對基底模量略高，故而相同深度處應力隨夯實路基高度增加略有增大，但增幅不大。夯實機工作時對路基產生的最大動應力受夯實勢能、夯實路基高度和路基模量等因素影響，主要影響因素是夯實勢能。

　　圖4為錘下2.5m處最大動應力橫向分布情況。從圖中可知，主要應力分布寬度為1.5m，這說明夯實機在2.5m深度處的影響寬度約為1.5m，即三倍夯實機直徑。

　　2.2 側向動應力

　　夯實機在靠近臺背距離10cm處夯實時對臺背混凝土產生的側向應力如圖5所示。從圖中可知，最大側向應力發生在1m范圍內，主要影響深度約有3m;側向應力隨夯實勢能的增大而增加，隨夯實高度的增加略有增加，最大側向應力在166~239kPa之間。

　　2.3 混凝土動應變

　　夯實機在靠近臺背距離10cm處夯實時對臺背混凝土產生的應變最大值如圖4‑32~圖4‑35所示。從圖中可知，混凝土應變主要發生在1~3m范圍內，主要影響深度約有3m;應變隨夯實勢能的增大而增加，隨夯實高度的增加略有增加，最大應變在7.9με～9.9με之間，不會對臺背混凝土強度造成影響。

　　3 結論

　　通過有限元方法對夯實機夯實過程中對路基豎向應力、臺背側向應力和臺背混凝土應變的分析，可得到如下結論：

　　(1) 應力沿深度方向迅速減小，應力主要影響深度在2.0~2.5m，夯實機工作時對路基產生的最大動應力受夯實勢能、夯實路基高度和路基模量等因素影響，其中夯實勢能是主要影響因素。夯實機在2.5m深度處的影響寬度約為1.5m。

　　(2) 最大側向應力發生在1m深度范圍內，主要影響深度約有3m，側向應力隨夯實勢能的增大而增加，隨夯實高度的增加略有增加。

　　(3) 混凝土應變主要發生在1~3m范圍內，主要影響深度約有3m，應變隨夯實勢能的增大而增加，隨夯實高度的增加略有增加。

　　參考文獻：

　　[1]張煥新,方建勤,黃水泉.液壓夯實技術補強高速公路臺背路基施工工藝試驗研究[J]. 2010(06):140--144

　　[2]吳江.液壓高速夯實機處理橋涵臺背地基及效果探討[J]. 青海交通科技, 2007:48-50