基于FLAC-PFC耦合算法研究動力夯實對橋頭基礎的影響

2014-04-18 10:10:24梁亦垅徐清清

山東工業技術 2014年23期

梁亦垅,徐清清

（核工業湖州工程勘察院,浙江湖州 313000）

梁亦垅,徐清清

（核工業湖州工程勘察院,浙江湖州 313000）

摘要：采用FLAC-PFC耦合算法研究動力夯實對橋頭基礎的影響。基于液壓夯實技術為例，以夯擊過程中橋頭基礎所受動土壓力來衡量動力夯實對橋頭基礎的擾動作用。討論了不同夯擊水平距離和不同錘頭底面形狀兩種情況下夯擊過程橋頭基礎所受動土壓力的變化，得到平底面夯錘適合橋頭基礎處治的最佳夯擊水平距離為8m,球形底面夯錘對橋頭基礎近距離夯擊時對橋頭基礎的影響要大于平底面夯錘。

關鍵詞：橋頭路基；動力夯實；FLAC-PFC耦合；動土壓力

1　引言

液壓夯實方法是目前一種新型的動力夯實技術，其原理是使用液壓缸將夯錘提升至一定高度，夯錘在重力和液壓蓄能器共同作用下加速下落，擊打帶緩沖墊的夯板夯擊地面。目前該方法主要用來對橋臺臺背邊角處壓路機無法進入的地方進行回填補壓，提高了臺背回填和壓實質量,減少工后沉降，可以有效解決或減少橋頭跳車病害[1]。

通常通過動力夯擊過程中引起的橋頭基礎的動土壓力來判斷動力夯實對橋頭基礎的影響。由于試驗方法很難測得整個夯實過程中應力變化，而利用離散-連續耦合的數值分析方法是解決該問題的有效途徑。由于夯擊過程中橋頭基礎的應力及變形是動態變化的，很難精確得到每一過程中橋基的受力與變形。本文以單點液壓夯實為例，使用FLAC（連續有限差分）建立橋頭基礎模型，PFC（顆粒流離散元）建立路基模型，考慮土體動力滯回特性，以夯擊過程中橋頭基礎靠路基一側的水平應力變化為依據，使用FLAC-PFC耦合方法對不同夯擊水平距離及不同夯錘底面形狀情況下動力夯實效果對橋頭路基的影響進行計算分析，以判斷適合橋頭基礎處理的最佳夯擊距離及夯錘底面形狀，進而更好的服務于工程實際。

2　理論及方法

耦合方案的實現。由于PFC軟件和FLAC軟件同為Itasca開發，為這兩個軟件均提供了Socket I/O接口，通過該接口PFC和FLAC軟件可以交換數據。通過編寫 fi sh語言程序來實現FLAC-PFC耦合，通過Socket I/O接口在每個計算時步前將離散-連續交界面上的節點和顆粒信息匯總，計算出接觸力，將接觸力轉化成節點荷載傳到 FLAC中，同時以荷載形式作用在交界面上的顆粒上,然后FLAC和PFC同時進入下一個計算時步。

3　數值分析

3.1模型及邊界條件

圖1　有限差分和離散元耦合計算模型及邊界條件

使用PFC2D建立填石路基模型及夯錘模型如圖1所示。根據《公路路基設計規范》，路床厚度0.8m,上路堤厚度0.7m，路基土顆粒為碎石土，碎石土顆粒粒徑范圍規定為0.05～0.2m之間，其中路床顆粒粒徑范圍0.05～0.1m，路堤顆粒粒徑范圍0.1～0.2m。由于不能生成底面形狀是完全平面的夯錘計算模型，故用多球組合近似替代，夯錘落錘高度2.0m。在FLAC2D建立橋頭基礎模型，橋基寬4m、深10m，埋深為5m,橋基劃分為133個節點160個單元。

路基模型左右兩側為剛性光滑墻體邊界，組成夯錘的球體全部約束水平向位移及z軸向轉動，路基表面為自由邊界。橋基底部受固定約束，整個橋基假定為一個懸臂梁結構，橋基變形為大變形。

3.2計算參數

土體材料在承受動力循環荷載的情況下，應力應變的關系呈滯回圈的形狀發展的，即土體反應滯后于動荷載的變化[3]。故在本文填石路基的計算中加入滯回阻尼Rh（0＜Rh＜1）的影響。加載和卸載過程中的接觸剛度分別為：

離散元計算參數取值表

本文PFC計算中所采用的計算模型為線彈性接觸模型，可以考慮球體與球體之間的摩擦，模擬碎石土和卵礫石等的力學行為，計算分析中將法向和切向接觸剛度的數值取值相同。文獻[4]探討了離散元計算參數對動力夯實效果的影響，本文基于以上背景得到離散元計算參數如表所示。

FLAC計算中橋基模型采用的本構模型為線彈性模型，橋基材料為混凝土，彈性模量E=1×107Pa，泊松比μ=0.2。

3.3計算分析結果

（1）不同夯擊水平距離計算結果。針對距離橋頭基礎不同的夯擊點研究動力夯擊對橋基的影響，將問題分為距離橋頭基礎水平距離分別為2m、4m、6m和8m四種情況，計算在夯擊作用下引起的動土壓力，得到適合橋基的最佳夯擊水平距離。

圖2為不同夯擊水平距離情況下橋頭基礎動土壓力與夯擊次數的關系，從圖中可以看出，夯擊點距橋頭基礎水平距離2m的情況下動力夯實引起的動土壓力對橋頭基礎的擾動很大，隨著水平距離的增加，動力夯實引起的橋頭基礎動土壓力值逐漸較小，到水平距離8m的情況動土壓力在±1MPa之內，說明夯擊點離橋基的水平距離越近，對橋頭基礎的影響越大。圖3為橋頭基礎同一深度處，在不同夯擊水平距離情況下，動土壓力隨夯擊次數的變化，同樣可以看出隨著夯擊點遠離橋頭基礎，對橋頭基礎的擾動作用越小這種規律。

（2）不同夯錘底面形狀計算結果。圖4和圖5分別為不同夯錘底面形狀在水平夯擊距離為2m、4m情況下橋頭基礎動土壓力與夯擊次數的關系。從圖4中可以看出，在水平夯擊距離為2m情況下，球形底面夯錘夯擊后引起的橋基動土壓力約是平底面夯錘的2倍。從圖5中可以看出，夯錘離橋基水平距離為4m的情況下，球形底面夯錘夯擊后引起的橋頭基礎動土壓力相比平底面夯錘逐漸接近。

綜上所述，可以得出選用圓形底面夯錘對橋頭近距離夯擊時對橋基的影響要大于平底夯錘，隨著水平距離的增加圓形底面夯錘動力夯實對橋基的影響與平底夯錘相接近。