强夯法施工对高填方涵洞稳定性影响分析

■阿不力克木·马合木提

（新疆交通规划勘察设计研究院有限公司，乌鲁木齐 830000）

在高填方涵洞上方路基压实施工过程中，有时会采用强夯法夯击施工方式，不同于静载和车辆荷载等作用，夯击动载对下覆涵洞稳定性具有更大的影响[1-4]。 孙祺华等[5]通过介绍强夯法概念，以某高速公路为例， 阐述了强夯的工艺流程及夯击方法，检验了强夯加固地基方法的有效性。 王晋斌[6]结合涵洞的受力特点，分析各种涵洞上方路基处理方法的优劣性，对于地质较差地区，提出人工加固和机械加固相结合的方法，从而保证施工对涵洞结构不产生影响。 马清文[7]以某高速公路中的典型高填方路堤下涵洞工程为研究对象， 采用FLAC 3D 模拟该涵洞在强夯作用下的动态响应，分析了强夯前后土体及涵洞的位移场和应力场变化规律。 现有的研究仍存在欠缺，如强夯法施工对高填方涵洞结构的影响规律需进一步探明。 鉴于此，本文基于某工程背景，采用有限元模拟的方法重点分析了强夯法施工过程中不同涵洞埋深、不同涵洞与夯击点水平距离变化对涵洞稳定性影响，以期为强夯法施工过程中涵洞的保护提供指导。

1 研究背景

以某高填方涵洞夯击施工为研究对象，已知涵洞长度为28 m，涵洞高度和宽度分别为4.5 m 和5.6 m，涵洞顶板、底板和侧墙厚度依次为0.6 m、1.0 m和0.8 m，涵洞上部覆土深度为7.26 m；拟通过设置多种工况分析强夯法夯击施工对涵洞的影响。

2 有限元模型建立

2.1 建立模型

采用ABAQUS 软件进行有限元模拟，模型尺寸为长、宽和高分别为45 m、20 m 和20 m，夯锤半径取1.0 m，涵洞尺寸按照上述实际尺寸建模，除顶部为自由界面外，其他面均进行固定约束位移，如图1所示。 路基、涵洞及夯锤的力学参数见表1，夯锤质量取20 t，半径1.0 m，夯击次数为8 次。

图1 数值模型图

表1 路基、涵洞及夯锤的力学参数

2.2 强夯荷载输入

根据现有文献研究结果，由于强夯这一持续过程很短， 可以将强夯冲击荷载简化为三角形荷载形式[8]，如图2 所示，图中各个参数可以按照公式（1）～（4）取值。

图2 强夯荷载取值示意图

式中：Pmax表示峰值应力，单位MPa；v 表示强夯法夯锤冲击地面时的速度大小，单位m/s；tN和tR分别表示冲击荷载作用时间以及峰值应力对应冲击荷载作用时刻，单位s；S 和μ 分别表示弹性常数和泊松比；m 表示夯锤自身的质量，单位t；r 表示夯锤半径，单位m。

本文取夯击能为2000 kN·m， 落距取10 m，夯锤质量和半径分别取20 t 和1.0 m， 对应的峰值应力为4.16 MPa。

2.3 工况设置

为了研究强夯法施工对下部既有涵洞影响，取涵洞埋深分别为5 m、10 m 和15 m，取涵洞中心与夯击中心水平距离R 分别为5 m、10 m 和15 m，共9 种工况（表2）。

表2 涵洞工况设置

2.4 模拟方法可靠性验证

有限元模拟方法及模拟过程的正确性是保证分析结果正确的前提，为了验证本文模拟方法的正确性，采用同样模拟方法对文献[8]中模型进行还原模拟，并将实测和模拟得到的地表振动速度进行对比，由图3 可知，实测和模拟曲线吻合良好，验证了本研究模拟方法的正确性。

图3 实测和模拟得到的地表振动速度对比曲线

3 数值模拟结果分析

3.1 不同埋深时涵洞应力结果分析

涵洞埋深不同时，在上部夯击的作用下，其受力规律不同。 图4 为涵洞埋深5 m 时夯击前和夯击完成后的应力云图，由图可知，强夯法夯击施工对涵洞的影响较大，涵洞埋深5 m 时，随着涵洞中心与夯击中心水平距离R 的增大，涵洞整体应力水平降低。 由于篇幅有限，其余埋深涵洞应力云图省略。

图4 涵洞埋深5 m 时夯击前后的应力云图

为了进一步分析涵洞所受应力最大值与涵洞不同埋深以及夯击水平距离的影响，图5～7 给出了涵洞埋深5 m、10 m 和15 m 时的涵洞应力最大值随夯击次数变化曲线。 由图5 可知，涵洞中心与夯击中心水平距离R 取5 m、10 m 和15 m 时对应的应力最大值分别为4.19 MPa、3.38 MPa 和3.04 MPa，说明当涵洞埋深5 m 时，随着涵洞中心与夯击中心水平距离的增大，涵洞所受夯击的影响越小。由图6可知，当涵洞埋深10 m 时，涵洞中心与夯击中心水平距离R 取5 m、10 m 和15 m 时对应的应力最大值分别为4.58 MPa、4.01 MPa 和3.57 MPa， 说明该工况下随着涵洞中心与夯击中心水平距离的增大，涵洞所受夯击的影响也越小。 由图7 可知，当涵洞埋深15 m 时， 涵洞中心与夯击中心水平距离R 取5 m、10 m 和15 m 时对应的应力最大值分别为4.82 MPa、5.23 MPa 和5.17 MPa， 产生该现象的原因与较大埋深时的荷载分布形式及应力波的传播有关。

图5 涵洞埋深5 m 时应力最大值随夯击次数变化曲线

图6 涵洞埋深10 m 时应力最大值随夯击次数变化曲线

图7 涵洞埋深15 m 时应力最大值随夯击次数变化曲线

3.2 不同夯击次数时涵洞应力验算分析

由于涵洞的材质为混凝土，拉应力对其有着重要的影响，且涵洞混凝土开裂破坏是其主要的破坏形式， 因此着重对涵洞进行抗拉验算。 根据JTGD65-04-2007T《公路涵洞设计细则》，计算得到混凝土轴心抗拉强度标准值为2.2 MPa， 即为验算应力。 图8 给出了涵洞埋深为5 m 时涵洞最大拉应力随夯击次数变化曲线，由图可知，涵洞埋深为5 m时，夯击次数大于4 次之后，涵洞最大拉应力逐渐趋于稳定。 当涵洞中心与夯击中心水平距离R 取5 m 时，涵洞最大拉应力均大于验算应力，说明该工况下涵洞将会出现开裂；当涵洞中心与夯击中心水平距离R 取10 m 时，在第2 次夯击时涵洞最大拉应力大于验算应力，此时涵洞存在开裂风险；当涵洞中心与夯击中心水平距离R 取15 m 时，涵洞最大拉应力均大于验算应力，此时涵洞不会发生开裂。

图8 涵洞埋深5 m 时最大拉应力随夯击次数变化曲线

图9 给出了涵洞埋深为10 m 时涵洞最大拉应力随夯击次数变化曲线，由图可知，涵洞埋深为10 m 时，夯击次数大于5 次之后，涵洞最大拉应力逐渐趋于稳定。 当涵洞中心与夯击中心水平距离R取5 m 和10 m 时， 涵洞最大拉应力整体上大于验算应力，说明上述工况下涵洞将会出现开裂；当涵洞中心与夯击中心水平距离R 取15 m 时， 在夯击3 次和4 次时涵洞最大拉应力略超过验算应力，可以认为此时涵洞存在开裂风险。

图9 涵洞埋深10 m 时最大拉应力随夯击次数变化曲线

图10 给出了涵洞埋深为15 m 时涵洞最大拉应力随夯击次数变化曲线，由图可知，当涵洞埋深为15 m，夯击次数大于6 次之后，涵洞最大拉应力逐渐趋于稳定。 当涵洞中心与夯击中心水平距离R取5 m、10 m 和15 m 时，涵洞最大拉应力均大于验算应力，说明上述工况下涵洞将会出现开裂。 值得注意的是，R 取5 m 时的涵洞最大拉应力要小于R取10 m 和15 m 时。 究其原因，主要是当涵洞埋深逐渐增大时， 在夯锤冲击力和土压力的共同作用下，产生的荷载会类似于均布荷载的形式施加到涵洞上；且当涵洞与夯击位置靠近时，涵洞主要承受夯击压缩波的影响，当涵洞与夯击位置略远时，涵洞主要承受夯击横波的影响，而一般情况下压缩波的能量小于横波，因此，夯击点距离涵洞水平距离5 m时的最大拉应力小于夯击点距离涵洞水平距离10 m 和15 m 时。

图10 涵洞埋深15 m 时最大拉应力随夯击次数变化曲线

4 结论

以强夯法施工对高填方涵洞的影响为研究对象，采用有限元模拟方法重点分析了强夯法施工过程中不同涵洞埋深、不同涵洞与夯击点水平距离变化对涵洞稳定性的影响，得到以下结论：（1）强夯法夯击施工对涵洞的稳定性影响较大，当涵洞埋深取5 m 和10 m 时， 随着涵洞与夯击点水平距离的增大，涵洞所受夯击的影响减小；当涵洞埋深取15 m，规律发生变化；（2）不同埋深的涵洞，在夯击3～5 次之后达到应力稳定状态；涵洞埋深为5 m 时，仅有与夯击点水平距离取15 m 时的涵洞不会发生开裂破坏；涵洞埋深为10 m 和15 m 时，对应所有工况的涵洞均存在开裂风险；（3）当涵洞与夯击位置靠近时，涵洞主要承受夯击压缩波的影响，而当涵洞与夯击位置略远时， 涵洞主要承受夯击横波的影响，而压缩波的能量小于横波， 导致涵洞在埋深15 m时，夯击点距离涵洞水平距离5 m 时的最大拉应力小于夯击点距离涵洞水平距离10 m 和15 m 时。