強夯法施工對高填方涵洞穩定性影響分析

■阿不力克木·馬合木提

（新疆交通規劃勘察設計研究院有限公司，烏魯木齊 830000）

在高填方涵洞上方路基壓實施工過程中，有時會采用強夯法夯擊施工方式，不同于靜載和車輛荷載等作用，夯擊動載對下覆涵洞穩定性具有更大的影響[1-4]。 孫祺華等[5]通過介紹強夯法概念，以某高速公路為例， 闡述了強夯的工藝流程及夯擊方法，檢驗了強夯加固地基方法的有效性。 王晉斌[6]結合涵洞的受力特點，分析各種涵洞上方路基處理方法的優劣性，對于地質較差地區，提出人工加固和機械加固相結合的方法，從而保證施工對涵洞結構不產生影響。 馬清文[7]以某高速公路中的典型高填方路堤下涵洞工程為研究對象， 采用FLAC 3D 模擬該涵洞在強夯作用下的動態響應，分析了強夯前后土體及涵洞的位移場和應力場變化規律。 現有的研究仍存在欠缺，如強夯法施工對高填方涵洞結構的影響規律需進一步探明。 鑒于此，本文基于某工程背景，采用有限元模擬的方法重點分析了強夯法施工過程中不同涵洞埋深、不同涵洞與夯擊點水平距離變化對涵洞穩定性影響，以期為強夯法施工過程中涵洞的保護提供指導。

1 研究背景

以某高填方涵洞夯擊施工為研究對象，已知涵洞長度為28 m，涵洞高度和寬度分別為4.5 m 和5.6 m，涵洞頂板、底板和側墻厚度依次為0.6 m、1.0 m和0.8 m，涵洞上部覆土深度為7.26 m；擬通過設置多種工況分析強夯法夯擊施工對涵洞的影響。

2 有限元模型建立

2.1 建立模型

采用ABAQUS 軟件進行有限元模擬，模型尺寸為長、寬和高分別為45 m、20 m 和20 m，夯錘半徑取1.0 m，涵洞尺寸按照上述實際尺寸建模，除頂部為自由界面外，其他面均進行固定約束位移，如圖1所示。 路基、涵洞及夯錘的力學參數見表1，夯錘質量取20 t，半徑1.0 m，夯擊次數為8 次。

圖1 數值模型圖

表1 路基、涵洞及夯錘的力學參數

2.2 強夯荷載輸入

根據現有文獻研究結果，由于強夯這一持續過程很短， 可以將強夯沖擊荷載簡化為三角形荷載形式[8]，如圖2 所示，圖中各個參數可以按照公式（1）～（4）取值。

圖2 強夯荷載取值示意圖

式中：Pmax表示峰值應力，單位MPa；v 表示強夯法夯錘沖擊地面時的速度大小，單位m/s；tN和tR分別表示沖擊荷載作用時間以及峰值應力對應沖擊荷載作用時刻，單位s；S 和μ 分別表示彈性常數和泊松比；m 表示夯錘自身的質量，單位t；r 表示夯錘半徑，單位m。

本文取夯擊能為2000 kN·m， 落距取10 m，夯錘質量和半徑分別取20 t 和1.0 m， 對應的峰值應力為4.16 MPa。

2.3 工況設置

為了研究強夯法施工對下部既有涵洞影響，取涵洞埋深分別為5 m、10 m 和15 m，取涵洞中心與夯擊中心水平距離R 分別為5 m、10 m 和15 m，共9 種工況（表2）。

表2 涵洞工況設置

2.4 模擬方法可靠性驗證

有限元模擬方法及模擬過程的正確性是保證分析結果正確的前提，為了驗證本文模擬方法的正確性，采用同樣模擬方法對文獻[8]中模型進行還原模擬，并將實測和模擬得到的地表振動速度進行對比，由圖3 可知，實測和模擬曲線吻合良好，驗證了本研究模擬方法的正確性。

圖3 實測和模擬得到的地表振動速度對比曲線

3 數值模擬結果分析

3.1 不同埋深時涵洞應力結果分析

涵洞埋深不同時，在上部夯擊的作用下，其受力規律不同。 圖4 為涵洞埋深5 m 時夯擊前和夯擊完成后的應力云圖，由圖可知，強夯法夯擊施工對涵洞的影響較大，涵洞埋深5 m 時，隨著涵洞中心與夯擊中心水平距離R 的增大，涵洞整體應力水平降低。 由于篇幅有限，其余埋深涵洞應力云圖省略。

圖4 涵洞埋深5 m 時夯擊前后的應力云圖

為了進一步分析涵洞所受應力最大值與涵洞不同埋深以及夯擊水平距離的影響，圖5～7 給出了涵洞埋深5 m、10 m 和15 m 時的涵洞應力最大值隨夯擊次數變化曲線。 由圖5 可知，涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取5 m、10 m 和15 m 時對應的應力最大值分別為4.19 MPa、3.38 MPa 和3.04 MPa，說明當涵洞埋深5 m 時，隨著涵洞中心與夯擊中心水平距離的增大，涵洞所受夯擊的影響越小。由圖6可知，當涵洞埋深10 m 時，涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取5 m、10 m 和15 m 時對應的應力最大值分別為4.58 MPa、4.01 MPa 和3.57 MPa， 說明該工況下隨著涵洞中心與夯擊中心水平距離的增大，涵洞所受夯擊的影響也越小。 由圖7 可知，當涵洞埋深15 m 時， 涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取5 m、10 m 和15 m 時對應的應力最大值分別為4.82 MPa、5.23 MPa 和5.17 MPa， 產生該現象的原因與較大埋深時的荷載分布形式及應力波的傳播有關。

圖5 涵洞埋深5 m 時應力最大值隨夯擊次數變化曲線

圖6 涵洞埋深10 m 時應力最大值隨夯擊次數變化曲線

圖7 涵洞埋深15 m 時應力最大值隨夯擊次數變化曲線

3.2 不同夯擊次數時涵洞應力驗算分析

由于涵洞的材質為混凝土，拉應力對其有著重要的影響，且涵洞混凝土開裂破壞是其主要的破壞形式， 因此著重對涵洞進行抗拉驗算。 根據JTGD65-04-2007T《公路涵洞設計細則》，計算得到混凝土軸心抗拉強度標準值為2.2 MPa， 即為驗算應力。 圖8 給出了涵洞埋深為5 m 時涵洞最大拉應力隨夯擊次數變化曲線，由圖可知，涵洞埋深為5 m時，夯擊次數大于4 次之后，涵洞最大拉應力逐漸趨于穩定。 當涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取5 m 時，涵洞最大拉應力均大于驗算應力，說明該工況下涵洞將會出現開裂；當涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取10 m 時，在第2 次夯擊時涵洞最大拉應力大于驗算應力，此時涵洞存在開裂風險；當涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取15 m 時，涵洞最大拉應力均大于驗算應力，此時涵洞不會發生開裂。

圖8 涵洞埋深5 m 時最大拉應力隨夯擊次數變化曲線

圖9 給出了涵洞埋深為10 m 時涵洞最大拉應力隨夯擊次數變化曲線，由圖可知，涵洞埋深為10 m 時，夯擊次數大于5 次之后，涵洞最大拉應力逐漸趨于穩定。 當涵洞中心與夯擊中心水平距離R取5 m 和10 m 時， 涵洞最大拉應力整體上大于驗算應力，說明上述工況下涵洞將會出現開裂；當涵洞中心與夯擊中心水平距離R 取15 m 時， 在夯擊3 次和4 次時涵洞最大拉應力略超過驗算應力，可以認為此時涵洞存在開裂風險。

圖9 涵洞埋深10 m 時最大拉應力隨夯擊次數變化曲線

圖10 給出了涵洞埋深為15 m 時涵洞最大拉應力隨夯擊次數變化曲線，由圖可知，當涵洞埋深為15 m，夯擊次數大于6 次之后，涵洞最大拉應力逐漸趨于穩定。 當涵洞中心與夯擊中心水平距離R取5 m、10 m 和15 m 時，涵洞最大拉應力均大于驗算應力，說明上述工況下涵洞將會出現開裂。 值得注意的是，R 取5 m 時的涵洞最大拉應力要小于R取10 m 和15 m 時。 究其原因，主要是當涵洞埋深逐漸增大時， 在夯錘沖擊力和土壓力的共同作用下，產生的荷載會類似于均布荷載的形式施加到涵洞上；且當涵洞與夯擊位置靠近時，涵洞主要承受夯擊壓縮波的影響，當涵洞與夯擊位置略遠時，涵洞主要承受夯擊橫波的影響，而一般情況下壓縮波的能量小于橫波，因此，夯擊點距離涵洞水平距離5 m時的最大拉應力小于夯擊點距離涵洞水平距離10 m 和15 m 時。

圖10 涵洞埋深15 m 時最大拉應力隨夯擊次數變化曲線

4 結論

以強夯法施工對高填方涵洞的影響為研究對象，采用有限元模擬方法重點分析了強夯法施工過程中不同涵洞埋深、不同涵洞與夯擊點水平距離變化對涵洞穩定性的影響，得到以下結論：（1）強夯法夯擊施工對涵洞的穩定性影響較大，當涵洞埋深取5 m 和10 m 時， 隨著涵洞與夯擊點水平距離的增大，涵洞所受夯擊的影響減小；當涵洞埋深取15 m，規律發生變化；（2）不同埋深的涵洞，在夯擊3～5 次之后達到應力穩定狀態；涵洞埋深為5 m 時，僅有與夯擊點水平距離取15 m 時的涵洞不會發生開裂破壞；涵洞埋深為10 m 和15 m 時，對應所有工況的涵洞均存在開裂風險；（3）當涵洞與夯擊位置靠近時，涵洞主要承受夯擊壓縮波的影響，而當涵洞與夯擊位置略遠時， 涵洞主要承受夯擊橫波的影響，而壓縮波的能量小于橫波， 導致涵洞在埋深15 m時，夯擊點距離涵洞水平距離5 m 時的最大拉應力小于夯擊點距離涵洞水平距離10 m 和15 m 時。