苏卫国1,金招华1,邱 莹1,李建诚2
(1.华南理工大学土木与交通学院,广东广州 510640;2.中电建路桥集团有限公司,北京 100048)
摘 要：为研究粉质粘土在快速液压夯实作用下的动力响应机理,以汕湛高速揭博项目T10标段的现场试验为基础,通过引进颗粒流程序(PFC2D),研究夯板与土体的动力响应,分析土体颗粒运动以及其与夯板的运动规律。结果表明:在有效压实范围内,土颗粒运动密实的顺序是由上而下,会造成冲击能量的耗散;夯板加速度峰值与不同深度处土体的压实度呈二次曲线关系,数值模拟结果与现场试验基本吻合。
关键词：快速液压夯实机;PFC2D;数值模拟;动力响应
在基础设施建设过程中,需碾压的土石方边角、狭小工作面、桥涵台背回填区等成为现有大型压实机具的工作盲区,而快速液压夯实机(Rapid Hydraulic Impact Compactor)因具有体积小、机动性强、能量大、多角度夯击等优点,完美解决了这一难题。不过常规的土体压实检测依然停留在传统的结果抽样检测,与机械化施工的高效率特性不相匹配,有必要开发快速液压夯实机机载压实效果实时检测系统[1-4]。因此,研发人员有必要深入理解施工过程中地基土体颗粒位移、力链网络图、夯板加速度峰值等的分布规律和变化特征。
由于夯击过程中地基的动力响应问题非常复杂,理论上很难用解析方法进行分析和求解,目前国内外学者主要采用试验方法和数值方法等进行研究。何长明等采用大型现场试验来研究强夯动应力的规律[5]。张清峰等采用数值模拟试验研究了不同夯击能和夯击次数作用下土体的动应力分布特征及其衰减规律[6]。常家乐用二维颗粒流软件建立土体和重锤与土体的离散元数值模型,得出了夯击过程中夯锤与土体的动力响应变化[7]。但是,土体宏细观变化、机械作用部件动力响应和土体压实质量检测指标间的数学关系仍有很多不明之处。
本文采用基于颗粒离散元法的PFC2D进行数值仿真,并结合现场试验对冲击荷载作用下土体内部动应力场、位移场的分布和变化规律以及夯板加速度变化值与土体压实指标间的关系作进一步的分析。
1.1 颗粒接触模型
在PFC2D中,圆盘是构成模型的最基本单元,可以模拟任意大小的粒子[8]。墙体元用有限长度的线段表示。接触模型存在于圆盘与圆盘、圆盘与墙体之间,接触形式体现着本构关系,是离散元计算的核心。接触模型主要分为3种:刚度模型、滑动模型、黏结模型(点黏结和平行黏结)[9]。比较了3种接触模型的优缺点并结合实际情况,本文最终选择黏结模型。
1.2 土体、夯锤、夯板和墙体的细观力学参数
本文研究的快速液压夯实机夯锤质量为3 t,宽度为0.5 m;夯板质量为300 kg,直径1 m,厚度为0.02 m,每次最大夯击能可达57 kJ。可知3 t夯锤的压实有效深度在2 m左右,有效宽度为夯板直径的1.5倍(即1.5 m)左右。因此确定模型箱尺寸为3 m×3 m。模型边界处的墙体为刚性墙体,夯板和夯锤均由刚性clump进行模拟,颗粒-夯板、夯板-夯锤以及颗粒-墙体间均为线性无黏结接触,具体的细观力学参数见表1。
表1 细观力学参数
细观参数夯板-黏土夯板-夯锤黏土-墙体弹性模量/(N·m-2) 1×1081×1071×109刚度比1.00 1.00 1.00摩擦系数0.00 0.00 0.00局部阻尼系数0.60 0.60 0.60
1.3 颗粒的细观力学参数
实际工程中粉质黏土的粒径非常小,考虑到计算机能力,最终确定的颗粒粒径为6~16 mm,且均匀分布。根据实际情况,土体在自然堆积状态下,内部空隙的分布并不均匀,具体表现为深层土内部空隙较小,而表层土空隙较多。本次计算将整个模型按高度平均分成4层,空隙率由下向上逐渐变大,室内试验及现场试验中所测的空隙率为三维,本文模型为二维模型。
根据文献[10],本文原型土样空隙率为0.52,因此面层的二维设计空隙率为0.3,往下层依次是0.25、0.2、0.15。粉质黏土颗粒间接触模型及细观力学参数见表2。
表2 粉质黏土颗粒间接触模型及细观力学参数
接触模型细观参数量值弹性模量/(N·m-2) 1×109颗粒接触刚度比1.00摩擦系数0.70局部阻尼系数0.60弹性模量/(N·m-2) 1×109刚度比1.00平行黏结法向强度/Pa 5×105黏聚力/Pa 1×105内摩擦角/(°) 45
1.4 离散元模型的建立
在现场试验中,夯锤的行程为1.20 m,考虑液压加力系数,实际夯击能等效为1.9 m高的重力势能。对夯锤施加初始速度6.1 m·s-1。离散元模型如图1所示。
图1 快速液压夯实机夯击黏性土体离散元模型
2.1 土体颗粒位移及力链网络
数值模型中的单元颗粒位移云图能很好地反映出有效区域内的颗粒运动规律,力链网络图则能很好地反映出冲击荷载在土体内的传递路径、荷载力度大小、荷载传递深度[11-15]。通过模型夯锤对夯板进行20次夯击,记录其颗粒位移与力链发展网络图,如图2~8所示。可以看出,夯点下方的土颗粒发生位移的区域在二维平面上呈一个弧面,弧的拱高略大于夯坑直径,弧的弦长约等于1.5倍的夯坑直径,弧面随着夯击次数的增加向下发展。夯坑两侧有土体隆起现象。夯点下方局部颗粒受到的力大小不一,使得颗粒间接触力有强弱之分,其中传递较大份额荷载的路径构成强力链。
图2 第1次夯击颗粒位移云图与力链发展网络
图3 第2次夯击颗粒位移云图与力链发展网络
图4 第3次夯击颗粒位移云图与力链发展网络
时,力链集中在土体表面靠近夯坑边缘,接近竖轴方向,且强力链与网格结构不明显。此时面层土体初始状态比较疏松,冲击荷载使土颗粒产生竖向与横向的位移,造成应力耗散,没有多余的力继续往下传递。
图5 第6次夯击颗粒位移云图与力链发展网络
图6 第12次夯击颗粒位移云图与力链发展网络
图7 第18次夯击颗粒位移云图与力链发展网络
图8 第20次夯击颗粒位移云图与力链发展网络
第2次夯击时开始出现横向力链,即一部分力开始横向传递。随着夯击次数的增加,力链发展成网络模型,强力链逐渐向下移动。这是因为夯击过程中,土层颗粒自上而下由相对疏松状态逐渐达到密实,形成新的骨架结构,即产生新的导力路径。强力链下移则是因为冲击荷载仍然可以破坏上层局部土颗粒间的接触状态,使其发生新的位移而造成部分应力耗散;但随着夯实的进行,上层土体的应力耗散能力变弱,有更多的力能传递到下层土体。
力链发展的深度即为冲击荷载所能达到的深度,第3、6、12次夯击时,冲击荷载到达深度分别为1、1.5、2 m,到20次夯击结束时深度发展到2.5 m。在前12次夯击形成的力链网络中可以看出,横向发展的强力链多于竖向发展的强力链;自12次夯击开始,力链网络格局逐渐发生变化,竖向发展的强力链逐渐多于横向发展的强力链。
从力链网络的密度可以看出:随着夯击的进行,土体趋于密实,颗粒间发生相对位移逐渐变难,由此导致应力耗散逐渐减少,即有较多的冲击力沿着颗粒接触发散传递,使得力链网络越来越密。若要使土颗粒间再次发生明显位移,则需要提高夯击能量。
2.2 土体的物理变化
随着夯击的进行,夯坑总沉降量持续变大,相对沉降量逐渐变小,如图9所示。这是因为:夯击开始时,土体较为疏松,易夯实,随后土体趋于密实,则较难进一步夯实,故空隙减少量越来越少。
图9 夯击次数与夯坑总沉降量的关系
夯击次数与土体空隙率的关系如图10所示。可以看出:在前6次夯击中,夯点下方0.5 m深度范围内的土体空隙率明显减小,但到第11次夯击时基本不再下降;夯点下方1.0 m深度范围内的土体空隙率在第7次与第14次夯击时明显减小;夯点下方1.5 m深度范围内的土体空隙率在第14次夯击后开始减小;在整个夯击过程中,1.5 m深度以下的土体空隙率均没有变化。
图10 夯击次数与土体各深度处空隙率的关系
这也正符合土体夯实的特性,即冲击能量先对上层土体做有效的压实功,当上层土体难以进一步压实时,则部分冲击能量传递至下层土体做有效的压实功,直到冲击能量完全耗散。
2.3 夯实机械的动力响应
快速液压夯实机夯板与夯锤的加速度变化可以反映土体压实的状态。本文数值试验得出夯击过程中夯板加速度峰值与夯锤减速度峰值的变化曲线,如图11所示。由图11可以看出,夯板加速度峰值曲线呈现上升趋势,而夯锤的减速度峰值曲线在前9次夯击时上升,之后出现了一个平台段。通过对比发现:夯板加速度峰值能与土体参数建立关系,且存在较好的相关度;而夯锤的减速度峰值在前几次夯击过程中反映出了相关度,之后的夯击过程中相关度消失。因此用夯板的加速度峰值来反映土体压实状态更有代表性。
图11 夯击次数与加速度峰值的关系
2.4 夯板加速度与压实度指标的关系
建立夯击过程中机械动力响应与土体压实质量检测指标间的关系是本文研究的重点,数值仿真的结果如图12所示。从图12可以看出:在夯点下方0.5 m深度处的土体压实度与峰值具有较好的二次曲线关系,相关系数达到0.948 2。散点在200g~250g之间比较分散,在250g~290g之间较密集,这是由于随着夯击次数的增加,夯板加速
图12 夯板加速度峰值与各深度土压实度的关系
度峰值与土体压实度均在较小范围内变化;1.0 m深度处土体的压实度在第7次夯击时才开始明显变化,其与夯板加速度峰值的拟合区间为250g~ 290g;1.5 m深度处土体的压实度在第14次夯击时开始变化提高,其与夯板加速度峰值的拟合区间为260g~285g。
3.1 现场试验设计
为了验证数值仿真结果与实际情况的相关性,在汕湛高速揭博项目T10标段进行现场试验,得出相关数据并与数值仿真结果对比。本次试验选择在较疏松的填方区3个间距2 m并按三角形分布的测点进行。试验步骤如下。
(1)在夯板内侧焊接1个螺钉,将夯板静压于测点土体表面,安装加速度传感器并连接数据采集仪与笔记本电脑。
(2)打开采集程序进行系统调试,待稳定后开始采集每次夯击过程中夯板的加速度值。
(3)每完成3次夯击后提起夯板,用环刀在夯坑中取土样,取样时用小刀小心分离环刀与周围土体,避免对坑内土体造成大的扰动;用修土刀对土样进行修整后及时用保鲜膜包裹好,并做好标记;之后对取样点进行修补,确保夯坑底部平整;夯板归位。如此反复,直到20次夯击完成。拆除加速度传感器,移至下一个测点,重复所有步骤。
3.2 现场试验与数值仿真结果比对
现场试验与数值仿真结果对比如图13、14所示。
图13 现场试验与数值试验空隙率对比
图14 现场试验与数值仿真结果加速度峰值对比
由图13、14可知,3个测点的空隙率随夯板加速度峰值的变化趋势与数值仿真结果基本一致,说明数值仿真是可行的。
(1)以57 kJ夯击能对土体模型进行20次夯击后的有效压实深度为1.5 m。在有效压实范围内,土颗粒运动密实的顺序是由上而下,且颗粒运动会造成冲击能量的耗散。
(2)夯板的加速度峰值比夯锤的减速度峰值更能反映土体压实状态,且夯板加速度峰值与不同深度的空隙率呈二次曲线关系。
(3)通过夯板的加速度峰值和土体压实度的关系,可以实时了解夯实过后的压实状况,使效率和准确率极大提高,节省相关费用,有效降低工程施工成本。
(4)现场试验建立了夯板加速度峰值与测点面层空隙率的关系曲线,曲线趋势与数值仿真结果一致,说明数值仿真有效、可靠。
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[责任编辑:杜卫华]
Numerical Simulation of High-speed Hydraulic Tamper Based on PFC2D
SU Wei-guo1,JIN Zhao-hua1,QIU Ying1,LI Jian-cheng2
(1.School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology,Guangzhou 510640, Guangdong,China;2.Power China Road&Bridge Group Co.,Ltd.,Beijing 100048,China)
Abstract：In order to study the dynamic response mechanism of silty clay under the action of rapid hydraulic compaction,based on the field test of T10 section of the Jiexi-Boluo project of Shantou-Zhanjiang Expressway,the dynamic response of the tamping plate and the soil was studied by introducing the particle flow code(PFC2D).The movement of soil particles and its movement with the tamping plate were analyzed.The results show that within the effective compaction range,the order of the density of soil particle movement is top-down,which will cause the dissipation of the impact energy;the relationship between the peak value of the acceleration of the tamping plate and the compaction degree of the soil at different depths is rendered in a quadratic curve.The results of the numerical simulation are in line with the field test.
Key words：high-speed hydraulic tamper;PFC2D;numerical simulation;dynamic response
中图分类号：U415.52
文献标志码：B
文章编号：1000-033X(2017)07-0092-05
收稿日期：2017-02-08
基金项目：广东省交通运输厅科技项目(2016-02-043)
作者简介：苏卫国(1962-),男,山西介休人,博士,副教授,研究方向为道路预防性养护。
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