不同夯击荷载下煤矸石地基的动应力研究

吴红翠

(合肥财经职业学院 建筑工程学院,安徽 合肥 230601)

0 引言

目前,国内煤矸石的综合利用率较低,大部分均处于闲置的状态,不仅造成大量的资源浪费,而且在一定程度上影响了周边的环境[1-2]。通过强夯法对煤矸石进行尺寸压缩,增强其承载能力,然后运用到建筑地基上是解决煤矸石资源浪费的有效途径[3]。国内科研工作者通过开展煤矸石破碎、改良土壤和抗压特性研究,已形成相关基础理论,并建立了一系列应用方法[4-6]。然而,这些研究主要侧重于煤矸石的工程实例应用,对于强夯法处理煤矸石地基的研究甚少[7-8]。本文研究强夯冲击荷载作用下煤矸石的破碎特点及其动力密实机理;分别研究不同的夯击能、夯击次数和夯击深度的冲击应力变化规律,对提高煤矸石综合利用的水平以及煤矸石地基处理技术的提升都具有一定的工程实践指导意义。

1 强夯法加固煤矸石地基实验设计

为模拟冲击荷载作用下地基土的动力学特征,模型试验的强夯采用的是间歇性冲击荷载。为简化模型实验条件,模型实验采用与原型相同的材料,即材料特性缩比为10。夯锤质量为25 t,夯击能分别为2 000 kN·m,3 000 kN·m,4 000 kN·m,对应的落距分别为8.0 m,12.0 m,16.0 m的三种情况分别做模型实验。根据上述相似准则和模化设计,最后确定试验参数如表1所示。

表1 模型试验参数表Tab.1 Parameters of the model test

该试验采用的是室内物理模拟,模拟工作台台高1 m,其中1#测点距台面200 mm,2#测点距台面350 mm,3#测点距台面500 mm,4#测点距台面650 mm,5#测点距台面800 mm。根据本试验的内容和要求,考察不同的夯击能(2 000 kN·m,3 000 kN·m,4 000 kN·m)作用下,冲击应力与时间的关系以及不同测点的最大冲击应力情况。其中,实验中所测的地基的冲击应力为实际地基的冲击应力。由式(1)得模型中的应力波波速:

(1)

式中：E为地基土的变形模量,MPa;L为模型试验几何参数,m;m为夯锤的质量,kg。由式(2)得冲击应力的作用时间t:

(2)

2 结果与分析

2.1 不同夯击能的结果分析

夯击能2 000 kN·m第1击冲击应力与时间的关系见图1。在每一击中各个测点的冲击应力最大值从上往下依次递减;1# 测点动应力最大,5#测点最小。1#测点达到最大值时间基本都是80 ms,2#测点冲击应力达到最大值基本都在100 ms,3#测点冲击应力的最大值基本都在120 ms,而4#测点冲击应力达到最大值在120 ms与130 ms之间,5#测点则在140 ms。同时,随着冲击应力的向下延伸,各测点的冲击应力最大值也提前达到。其中1# 测点有持续应力的作用时间明显比其他测点应力作用时间要长,且从上往下应力作用时间依次减少。从图1上看,每个测点都有一个峰值,每个峰值大小随时间推移依次减小。随着夯击次数的增加,每个测点的峰值随之增大。

图1 2 000 kN·.夯击能下动应力与时间的关系图Fig.1 Relationship between dynamic stress and time with 2 000 kN· tamping energy

夯击能3 000 kN·m第1击冲击应力与时间的关系见图2。每个测点都有一个峰值,每个峰值大小不一,随时间推移依次减小。随着夯击次数的增加,每个测点的峰值随之增大。随着夯击次数的增加,每个测点的最大值也提前到来,在图像上面也都依次向左平移,峰值大小依次增大。土体有一定的吸收能量的作用,随土体深度增加吸收的能量也随之增加,所以到达5#测点的能量就少了。同时,每个测点的斜率依次减小,1#测点最大,5#最小。

图2 3 000 kN·夯击能下动应力与时间的关系图Fig.2 Relationship between dynamic stress and time wirh 3 000 kN· tamping energy

夯击能4 000 kN·m第1击冲击应力与时间的关系见图3。每个测点的斜率依次减小,1#测点最大,5#最小。随着夯击次数的增加,每个测点的峰值随之增大。随着夯击次数的增加,每个测点的最大值也提前到来,在图像上面也都依次向左平移,峰值大小依次增大。此外,土体有一定的吸收能量的作用,随土体深度增加吸收的能量也随之增加,所以到达5#测点的能量就少了。

图3 4 000 kN·夯击能下动应力与时间的关系图Fig.3 Relationship between dynamic stress and time with 4 000 kN· tamping energy

2.2 不同测点最大值的结果分析

为了研究每个测点的规律,提取每个测点在不同夯击能下面的最大值来进行分析比较,结果如图4所示。

图4 各个测点最大值动应力与时间关系图Fig.4 Relationship between maximum dynamic stress and time at each measuring point

1#测点在2 000 kN夯击能下,所受的冲击应力随夯击次数的增加而增加;随夯击次数的增加 所受的冲击应力增加得越来越小;4 000 kN的第八击最大值明显大于2 000 kN的,且3 000 kN·m和4 000 kN·m的最大值相差不多,故用3 000 kN即可;1#测点随每一击能量越高,所受冲击应力越大;此外,在2 000 kN和4 000 kN下,随夯击次数增加,曲线趋于平行,而在3 000 kN一直呈明显的上升趋势。

2#测点和1#测点一样,其所受的应力随击数增加而增大;在第七第八击的时候曲线趋于平行,故第八击以后2#测点所受应力都一样了;在相同击数下,不同夯击能对测点应力不同,越大的夯击能所受应力越大。

3#测点三次不同能量级的斜率不同,由上往下依次减小,同时斜率的增幅明显小于1#和2# 测点。4#测点的最大值明显变小,有增长但不是很明显;到第八击时候相交,说明不同能量的应力作用在第八击之后都表现相同的应力;随夯击次数的增加 所受的冲击应力增加的越来越大;夯击能越大所受应力越大,但是在这里并不太明显。

随击数增加,5#测点所受的应力增加得更加不明显,基本趋于平衡;由此得出,测点越往下,所受夯击能越小,并且越下面的测点随夯击能的大小变化及击数增加变化的不明显到了5#基本不变。试验结果可知,所受应力最明显的在1#和2#测点,它们的变化是最明显的,满足实际工程需要的最佳夯击能约为3 000 kN·m。

3 结论

通过以上对煤矸石地基加固处理的研究,分析煤矸石地基在不同荷载下的动应力变化和每个测点的变化趋势,得出了以下结论:

1)每个测点都有一个峰值,每个峰值大小不一,随时间推移依次减小。

2)随着夯击击数的增加,每个测点的峰值随之增大,峰值作用时间极短;土体有一定的吸收能量的作用,随土体深度增加吸收的能量也随之增加。

3)在相同击数下,不同夯击能对测点应力不同,越大的夯击能所受应力越大。

4)在强夯作用下,动应力主要为单一的波峰,没有明显的第二波峰,满足实际工程需要的最佳夯击能约为3 000 kN·m,最佳夯击击数为7～8击。