轻型夯动力夯击对涵洞影响的离散元仿真分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 轻型夯动力夯击对涵洞影响的离散 元仿真分析 摘要：为了探究轻型夯动力夯击 作用对涵洞安全性的影响，利用 PFC2D 离散元软件进行计算仿真分析，以夯击 过程中涵洞所受水平动压力和水平位移 来衡量动力夯实对结构物的动力影响， 模拟并计算轻型夯在涵背路基回填动力 夯实作业过程中涵背产生的水平应力和 水平位移的变化情况。结果表明：涵洞 结构在轻型夯动力夯击作用下不会出现 结构破坏。 中国论文网 /8/view-12923868.htm 关键词：夯击次数；水平应力； 水平位移；离散元软件 中图分类号：U449.52 文献标志 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 码：B Abstract： In order to investigate the influence of the dynamic tamping on the safety of culverts， the discrete element software PFC2D was used to carry out the simulation. The dynamic pressure and horizontal displacement of the culvert were determined to measure the effect of dynamic tamping on the structure. Changes in horizontal stress and horizontal displacement of the culvert back emerging during the dynamic tamping with light tamper on the subgrade were simulated and calculated. The results indicate that the structural damage of the culvert does not occur under the action of the dynamic tamping. Key words： tamping times； horizontal stress； horizontal displacement； discrete element software 0 引言 轻型夯处理桥台涵背路基的方法 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 已经在国内的大型建设工程中得到广泛 应用，并且相关学者们对轻型夯施工工 艺也进行了深入研究18 ；但大多研究 都是建立在夯击过程对桥台涵背路基无 损害的假设之上，没有进行轻型夯施工 过程对桥台涵背的安全性评价，因此研 究成果可信度低911 。以 PFC2D 软件 为代表的离散单元法主要适用对象为黏 结力小的、具有大变形、流动性的粒状 集合体材料1213 。故本文以张承高速 公路建设项目为依托，利用 PFC2D 离 散元软件进行仿真分析，研究夯击过程 中涵洞所受水平动压力和水平位移对结 构物的动力影响；以及涵背路基回填动 力夯实作业过程中，涵背产生的水平应 力和水平位移的变化情况，从而确定轻 型夯施工过程中涵洞结构的安全性。 1 离散元仿真模型边界l 件 PFC2D 离散元模型计算中均采用 笛卡尔直角坐标系，以公路里程延伸方 向为 x 轴正向，垂直路面向上方向为 y 轴正向。边界条件如下。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 （1）整体模型仅受竖直向下的 重力作用。 （2）路基模型左右两侧为刚性 光滑墙体边界，路基表面自由。 （3）夯锤在夯实过程中，限制 水平方向位移及 z 轴方向转动，路基表 面为自由边界。 （4）涵洞基础底部的水平位移 及 z 轴向转动受固定约束。 （5）为了模拟现实中分层填土、 分层夯实的过程，软件中每层填土的夯 点与涵洞结构的距离一定。 2 构造物及路基尺寸 涵洞及碎石土路基模型的具体尺 寸如图 1 所示，在 PFC2D 中路基模型 采用总宽度为 10 m、高为 7 m 的“回” 字 型结构，其中涵洞结构的宽度为 5 m， 高度为 5 m，涵洞两侧墙体宽度为 0.5 m，盖板厚度为 1 m，基础厚度为 0.5 m。在涵洞以下设置 2 m 深的土层；涵 洞左侧设置 4 m 宽的 5 个土层并夯实， 每个土层的厚度为 1 m，土层顶端与涵 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 洞顶部平齐，土层底端与涵洞底部平齐； 涵洞右侧预留 1 m 宽的碎石土路基，模 拟涵洞右侧碎石土产生的侧向土压力。 3 夯点及测量圆布置 台背路基的每层填土分别夯击 1#、2#、3#三个夯点，每个位置夯击 10 次。前一个夯击位置的夯板边缘紧贴后 一个夯击位置的夯板边缘。夯板右边缘 与涵背的水平距离为 01 m。得到的夯点 布置尺寸如图 2 所示。 台背路基中测量圆的布置如图 3 所示，在每层填土和涵洞结构的不同高 度处布置测量圆；测量圆主要测量夯击 过程中涵洞结构应力和位移的变化及路 基土空隙率的变化1416 。图 3 左侧路 基部分中编号为 101 到 503 的测量圆分 别对应第 1、2、3、4、5 层回填土中的 测量圆，在碎石土路基中设置这些测量 圆的目的在于测量路基土空隙率的变化。 碎石土路基中测量圆的直径均为 06 m， 圆心位于对应的夯板中心的正下方，其 中编号为 503、403、303、203、103 的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 测量圆位于夯板和夯锤圆球圆心的正下 方，即 1#夯点位置。 图 3 测量圆布置 涵洞结构左侧编号为 11、22、33、44、55 的测量圆分别对应 涵背中高度为 1、2、3、4、5 m 的位置， 测量在动力夯实过程中涵台结构不同高 度处的水平应力及位移变化17。不同 高度即涵洞结构中的不同位置与涵洞底 部的竖向距离。涵洞结构中布置的测量 圆直径为 0.3 m，相邻的测量圆圆心间 距为 1.0 m。 4 动力夯实模拟步骤 现场的涵背回填施工过程是在已 建好涵洞的 2 个背侧同时对称分层填筑， 并用轻型夯进行夯实。夯击点的位置沿 涵身方向成排分布，每一排夯击点间有 一定的间隔。在 PFC2D 软件中，动力 夯实的模拟步骤如下。 （1）确定墙边界。利用 PFC2D 软件中的“wall 单元”（即“墙单元” ）命 令形成“U”型墙边界。墙体边界与颗粒 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 间具有一定的接触刚度。 （2） 生成地基。生成地基是在“U”型边界墙 围成的计算区域内按照高斯分布随机生 成一定粒径范围的大小不等的圆盘，在 重力作用下圆盘在“U”型区域内下落、 沉积，经过一定的时间步最终形成稳定 的地基离散元计算模型18。图 4 为墙 边界与地基的生成（即生成涵洞以下 2 m 深度地基）过程。 （3）生成构筑物。利用 PFC2D 软件中的 FISH 语句在特定位置采用等 粒径颗粒密排方法生成涵洞基础，并与 路基模型相接，固定桥基底部的水平位 移。图 5 为以紧密排列方式生成的涵洞 结构以及局部放大图。 （4）夯击与测量。首先在对应 的位置用紧密排列法生成夯板模型，使 用 1 个半径为 05 m、质量为 3 t 的大颗 粒模拟夯锤在垫层以上 12 m 作自由落 体运动，并编制 FISH 函数程序实现夯 锤 10 次反复夯击。夯锤在指定位置完 成夯击后，改变夯锤、夯板的位置进行 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 重复夯击，并监测整个夯击过程中涵洞 基础的动应力变化、水平位移变化以及 路基土体的空隙率变化19。D6 为涵 背第 1 层填土 3#夯击点的夯击模型。 （5）生成涵背分层填土。在指 定区域内生成回填路基垫层，并重复前 4 步直到垫层高度和涵洞顶部平齐。图 7 为生成涵背第 2 层填土的模型，图 8 为第 5 层填土 1#夯击点的夯击模型。 5 涵洞水平应力模拟分析 5.1 不同水平距离的水平动应力 涵背结构应力变化典型时程曲线 如图 9 所示。从图 9 中可看出，在距离 涵背最近（0.1 m）的 1#夯点处有明显 的夯击产生的动应力（应力最大） ；随 着夯击点与涵背间距离的增加，其他夯 点则没有明显的影响，并且应力值远小 于混凝土抗压强度，说明夯实作业对涵 洞的影响很小。其他填土高度下，动应 力变化规律一致，由于篇幅原因不一一 列出。 图 9 填高 5 m 时各夯点水平动应 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 力时程变化曲线 综上可知：夯击作用在碎石土路 基中的能量传递随距离的增加而减弱； 夯点离结构物越近，结构物中产生的水 平应力越大，距离夯点最近的结构物部 分产生的动力响应也最大。 5.2 不同填土高度 1#夯点的水平 动应力 距离涵背最近的夯点对涵洞产生 的动应力最大，因此选取 1#夯点进行研 究；由于填高 1 m 时的动力夯实产生的 结构水平应力较小，所以舍去填高 1 m 时的情况，从填高 2 m 开始研究。每层 填土的 1#夯点经历 10 次夯击使涵洞结 构中的不同位置的水平应力发生变化， 变化曲线如图 10 所示。 从图 10 可以看出：随着夯击的 进行，涵洞结构中高度低于填土高度部 分的侧向水平压应力呈锯齿状增加趋势， 这是由于碎石土逐渐被夯实压密，作用 于涵洞结构的土压力逐渐增大；涵洞结 构高于填土高度的部分受到动力夯实的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 影响，水平应力呈震荡缓慢增加状态， 这是由于“回 ”型结构中未受到土体侧压 力的部分受到了整体涵洞结构变形产生 的内力，该内力的大小与结构的形状等 参数有关，其规律性较差。 填土越高，结构物越不安全，这 是涵洞结构中应力累积的结果。同一填 土高度离夯击点最近的结构位置产生的 应力最大。如填土高度为 2 m 时，结构 物中高 2 m 处的测量圆比其他测量圆所 测到的水平应力更大。 填土高度从 1 m 增加至 5 m 的过 程中， 1#夯点夯击时对涵背最大水平 动应力的影响规律如图 11 所示。 从图 11 可以看出：在同一夯点 （1#） 、同一填土高度处，随着夯击次 数的增加，结构中的水平动应力逐渐增 加；随填土高度的增加，水平应力逐渐 增加，夯击使结构物产生的动压力增量 增加。可以得出：在填土高度为 5 m 时 涵洞结构中的动应力增量最大，是最不 利填高位置，夯击 10 次时产生的最大 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 夯击动应力增量约为 8.9 kPa。 6 涵洞结构水平位移模拟分析 6.1 同一填土高度、不同水平距 离夯击对涵洞水平位移的影响 水平夯击距离分为 0.1 m（1#） 、 1.1 m（2#） 、21 m（3#）三种情况，通 过颗粒流离散元计算后得到同一填土高 度、不同水平距离夯击时涵洞结构水平 位移的变化。取填土高度为 3 m，计算 得到夯点水平距离对涵洞结构水平位移 的影响，如表 1 所示。计算发现其他填 土高度下水平位移的变化规律类似。 由表 1 可以看出：随着夯板边缘 距涵洞距离的增加，涵洞结构水平位移 量呈逐渐减小趋势；随着夯击次数的增 加，涵洞结构水平位移大体呈增加的趋 势。前几次夯击过程中土体未被夯实， 大多夯击能量消耗在松散土体之间的错 动和摩擦中，只有较少的能量传递并作 用在涵洞上使之产生位移。随着夯击次 数的增加，土体颗粒相互错动，使其处 于更加稳定的状态，夯击产生的影响范 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 围逐步扩大，传递到涵洞结构的水平应 力也逐渐增大。 6.2 不同填土高度、同一水平距 离夯击对涵洞水平位移的影响 同一水平距离（0.1 m） 、不同填 土高度对涵洞水平位移的影响规律如图 12 所示。可以看出：在填土高度为 1 m 和 2 m 时，涵洞结构上部有向左倾斜的 微小量；在填土高度为 3、4、5 m 时涵 洞结构整体向右侧偏移，且涵洞结构上 部向右侧有微小倾斜，倾斜量随填土高 度的增加而增加，即涵洞有向一侧倾斜 的趋势，但相对于涵洞的结构尺寸，这 种倾斜的水平位移很小。 7 结语 采用 PFC2D 软件对涵洞进行模 拟，通过对模拟数据的分析可知：距离 涵背最近且位于第 5 层回填材料表面的 夯点，即第 5 层 1#夯点，使涵洞产生的 应力和位移最大。因此，在对涵洞进行 安全性分析时只采用此夯点的数据。 （1）公路结构物施工所用水泥 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 一般为 C30 或更高的标号。其中 C30 的混凝土抗压强度值在 3035 MPa 之 间，此次测量中的压应力最大值为 89 kPa，远小于 30 MPa。另外，由于路基