摘要：通過有限元方法對夯實(shí)機(jī)夯實(shí)過程中對路基豎向應(yīng)力、臺背側(cè)向應(yīng)力和臺背混凝土應(yīng)變的分析，給出了豎向動應(yīng)力、側(cè)向動應(yīng)力沿深度及橫向的變化規(guī)律，確定了動應(yīng)力的影響范圍及其影響因素，結(jié)果表明：豎向應(yīng)力沿深度方向迅速減小，夯實(shí)機(jī)工作時對路基產(chǎn)生的最大動應(yīng)力受夯實(shí)勢能、夯實(shí)路基高度和路基模量等因素影響，其中夯實(shí)勢能是主要影響因素，本文研究成果為理解夯實(shí)機(jī)夯實(shí)機(jī)理和工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：公路工程論文發(fā)表,期刊征稿,動應(yīng)力,填土夯實(shí),夯實(shí)機(jī),數(shù)值模擬

　　由于施工工藝的不完善，使臺背填筑物壓實(shí)度不夠所導(dǎo)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(gòu)造物完成后進(jìn)行填筑，施工時，既要保證不損害構(gòu)造物，又要求有足夠的壓實(shí)度。但由于該處比較狹窄，大型壓實(shí)機(jī)械運(yùn)行不便，小型夯實(shí)設(shè)備作業(yè)后，基礎(chǔ)也難以達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度，因此施工難度較大，導(dǎo)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(chǎn)生差異沉降，引起跳車[1]。

　　高速液壓夯實(shí)技術(shù)可以有效地解決這一工程問題。高速液壓夯實(shí)機(jī)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(shí)機(jī)裝在普通裝載機(jī)的動臂上，可以對不同作業(yè)位置進(jìn)行夯實(shí)，也可以對作業(yè)面積進(jìn)行單點(diǎn)或連續(xù)的夯實(shí)，特別適合于作業(yè)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(shù)值模擬分析為基礎(chǔ)，研究高速液壓夯實(shí)機(jī)對高速公路臺背涵填土的施工效果。

　　1. 數(shù)值模型建立

　　1.1 液壓夯實(shí)機(jī)模型建立

　　現(xiàn)場夯實(shí)機(jī)選用HC25E高速液壓夯實(shí)機(jī)，為北京欣路特科技發(fā)展有限公司研制開發(fā)的一種新型高效液壓夯實(shí)機(jī)械，為強(qiáng)制落錘式液壓夯實(shí)機(jī)，夯錘2.5噸，夯擊能量根據(jù)需要有低、中、強(qiáng)三檔可調(diào)(以下簡稱一、二、三檔)，對應(yīng)提升高度分別為0.5、1.0和1.5m，產(chǎn)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(dá)15次/min。擊實(shí)頻率也可以根據(jù)不同的工況設(shè)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(shè)夯錘與土體直接接觸，根據(jù)自由落體運(yùn)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(yīng)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(nèi)容是路基的受力狀態(tài)，因而對夯錘進(jìn)行簡化，夯錘采用解析剛體進(jìn)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(jù)現(xiàn)場臺背涵填土的實(shí)際情況，建立的有限元模型，并進(jìn)行了網(wǎng)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(yīng)，考慮到一階單元比二階單元能更好模擬應(yīng)力波的傳播，采用一階八節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)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(kuò)展，如圖1所示。

　　1.2.2本構(gòu)關(guān)系

　　在數(shù)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(jìn)行計算。剛體在整個過程中，只產(chǎn)生剛體運(yùn)動，不發(fā)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(shù)如表1所示。

　　1.2.3邊界條件

　　夯實(shí)機(jī)在夯實(shí)過程中產(chǎn)生的各種應(yīng)力波向外傳播，影響甚遠(yuǎn)，為縮小計算模型，提高計算效率，在計算模型的底面和側(cè)面設(shè)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(shí)現(xiàn)。

　　其中 與 為人工邊界參數(shù)，其推薦值如表2所示。

　　2. 數(shù)值計算結(jié)果

　　2.1 豎向動應(yīng)力

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

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

　　2.2 側(cè)向動應(yīng)力

　　夯實(shí)機(jī)在靠近臺背距離10cm處夯實(shí)時對臺背混凝土產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力如圖5所示。從圖中可知，最大側(cè)向應(yīng)力發(fā)生在1m范圍內(nèi)，主要影響深度約有3m;側(cè)向應(yīng)力隨夯實(shí)勢能的增大而增加，隨夯實(shí)高度的增加略有增加，最大側(cè)向應(yīng)力在166~239kPa之間。

　　2.3 混凝土動應(yīng)變

　　夯實(shí)機(jī)在靠近臺背距離10cm處夯實(shí)時對臺背混凝土產(chǎn)生的應(yīng)變最大值如圖4‑32~圖4‑35所示。從圖中可知，混凝土應(yīng)變主要發(fā)生在1~3m范圍內(nèi)，主要影響深度約有3m;應(yīng)變隨夯實(shí)勢能的增大而增加，隨夯實(shí)高度的增加略有增加，最大應(yīng)變在7.9με～9.9με之間，不會對臺背混凝土強(qiáng)度造成影響。

　　3 結(jié)論

　　通過有限元方法對夯實(shí)機(jī)夯實(shí)過程中對路基豎向應(yīng)力、臺背側(cè)向應(yīng)力和臺背混凝土應(yīng)變的分析，可得到如下結(jié)論：

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

　　(2) 最大側(cè)向應(yīng)力發(fā)生在1m深度范圍內(nèi)，主要影響深度約有3m，側(cè)向應(yīng)力隨夯實(shí)勢能的增大而增加，隨夯實(shí)高度的增加略有增加。

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

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]張煥新,方建勤,黃水泉.液壓夯實(shí)技術(shù)補(bǔ)強(qiáng)高速公路臺背路基施工工藝試驗(yàn)研究[J]. 2010(06):140--144

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