強夯作用下土石混合體填筑邊坡變形與振動特性

曲兆軍，高永濤，歐陽振華

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083;2.中國煤炭科學研究總院，北京100013)

0 前言

對于土體與石塊的混合體，國內外并沒有統(tǒng)一的稱呼，在我國的巖土規(guī)范［1－3］和《工程地質手冊》［4］中，一般稱為碎石土。這種材料既不同于一般的均質土體，又不同于一般的碎裂巖體，是一種介于均質土體和碎裂巖體之間的特殊工程材料［5］，具有自身特殊的性質:(1)組成顆粒物理力學性質差異很大，即巖石和土的差異，而土體中只是不同土顆粒之間的差異;(2)結構上既有土顆粒之間的細觀結構，又有巖石與土顆粒之間的宏觀結構。因此，為了突出其物質組成，將該種物質與土和巖石區(qū)分，稱之為石土混合料［6］或土石混合體［7］。

土石混合體是一種典型的非連續(xù)、非均勻地質體材料，廣泛分布于我國的長江三峽庫區(qū)、青藏高原、攀西地區(qū)等。隨著改革開放的深入和“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的實施，大量公路、鐵路、機場等交通設施開始興建。這些地區(qū)交通設施的建設必定會遇到大量的填挖方工程，形成大量的土石混合體填筑邊坡，這些邊坡的穩(wěn)定性處理與分析方法［8－9］是業(yè)界普遍關注的問題之一。土石混合體經碾壓、強夯［10］等處理后一般可獲得較高的密度、較低的壓縮性，在這些地區(qū)的交通工程的路基中，可以采用土石混合體作為地基的填筑料。昆明新建機場就有相當一部分跑道是利用土石混合體填筑而成的，本文以昆明新建機場土石混合體填筑邊坡為研究對象，通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值分析研究了強夯動力作用對這類邊坡的影響，為邊坡體構筑設計與施工工藝控制提供了依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 土石混合體填筑邊坡變形與振動測試試驗

昆明機場土石混合體填筑邊坡較多，選擇坡度為1∶2.0，1∶1.6和1∶1.3的3個土石混合體強夯壓實填筑邊坡進行動力穩(wěn)定測試試驗。強夯采用的夯錘為圓臺形鑄鐵錘，錘底直徑2 500 mm，錘體質量170 kN。夯擊時夯錘的落距為11.76 m，產生的單擊夯擊能為2 000 kNm。由于填筑邊坡比較高，一次夯實難以取得較好的壓實效果，采用分層夯擊，第一層虛鋪填筑土石混合體2.5～4 m厚，第二層虛鋪4.5 m厚。動力穩(wěn)定性試驗是在對第二層土石混合體填筑料強夯時進行的。

試驗時每個邊坡選取5個強夯點，分別在4個位移測點和4個加速度測點進行相關測試。圖1為坡度1∶2.0的邊坡測點和夯點的布設示意圖。S2.0－2表示坡度1∶2.0的邊坡上的第2個位移測點; a2.0－3表示坡度1∶2.0的邊坡上的第3個加速度測點，以此類推。在3個邊坡中，第1個夯點距邊坡坡頂線18.0 m;第5個夯點距邊坡坡頂4.0 m，相鄰兩個夯點之間的距離為3.5 m。

圖1 邊坡動力穩(wěn)定試驗測點布置示意圖

位移測點與振動測點一一對應。第1個位移/加速度測點位于坡頂，第2個和第3個位移/加速度測點位于邊坡上，第4個位移/加速度測點位于坡角。在土石混合體填筑體中用混凝土澆注φ=16 mm的鋼筋作為位移測點，鋼筋出露長度為3～5 cm，鋼筋頂端刻“十”字槽;在緊靠位移測點位置設置一個混凝土平臺作為振動測點，平臺上放置加速度測試儀。以強夯夯錘的夯擊作為振動源，采用2 000 kNm夯擊能，按距邊坡由遠及近的順序進行夯擊，每個夯點夯擊10次。

2 試驗結果及分析

2.1 變形分析

2.1.1 變形觀測

變形觀測采用全站儀，為使觀測結果不受夯擊振動影響，全站儀放置在距夯點水平距離30～40 m，后視基準點埋設在距夯點水平距離80～100 m以外，一個相對穩(wěn)定的不受夯擊振動影響的后視基準點。每夯擊一次對相應試驗邊坡段的所有變形/位移觀測點測量一次，并進行記錄。變形觀測分水平向位移與豎向沉降兩部分，各試驗邊坡的地表變形檢測成果分別列于表1。在表1中，sh為水平位移;sv為豎向沉降;n分別為1.3，1.6和2.0。由于測試結果顯示s1.3－4，s1.6－4，s2.0－3以及s2.0－4的sh和sv均為0，限于篇幅在表1中沒有列出。

表1 不同坡度邊坡動力穩(wěn)定試驗地表變形統(tǒng)計表 cm

2.1.2 試驗結果分析

從表1的地表變形觀測成果可以看出:①變形量隨距夯點增大迅速減小，變形主要發(fā)生在距夯點15 m的范圍內，15 m外基本檢測不到變形量，水平位移大于豎向沉降;②離邊坡較近的兩個夯點對邊坡的變形影響較大，其余夯點基本對邊坡沒有變形影響，強夯對邊坡的變形影響距離約10 m;③變形主要發(fā)生在邊坡的中上部，邊坡底部基本檢測不到變形量，最大變形量發(fā)生在坡頂，其水平位移為3.5～5.5 cm，沉降值為1.0～1.5 cm。隨夯坑深度的增加，強夯對地表變形的影響越大，說明振源越深對邊坡影響越大。

2.2 加速度分析

2.2.1 振動測試系統(tǒng)

試驗振動測試系統(tǒng)采用4臺用于地震觀測的K2型智能數(shù)字強震動儀。該儀器由美國Kinematrics公司生產。儀器由加速度拾震器、主機、電源三部一體構成。具有計量準確、動態(tài)范圍大(120 db)、便于移動的特點。儀器觸發(fā)帶寬0.1～12.5 Hz，采樣率100～250 sps，測量范圍±2 g。儀器使用可裝卸的PCMCCA存儲卡，極大地擴展了儀器的記錄容量。在軟件上，K2采用了的多任務系統(tǒng)設計，可同時執(zhí)行多個任務。儀器觀測時可選擇自動或人工觸發(fā)，以及定時觸發(fā)與定記錄長度等多種方式。

2.2.2 加速度測試

每夯擊一次對相應試驗邊坡段設置的加速度測點進行加速度測試，各測點同時進行垂直向及兩個水平向(徑向、切向)的振動測試觀測。從各測點測得加速度時程曲線，讀取各測點的豎向加速度峰值與水平加速度峰值列于表2。表2中，ah為水平加速度峰值;av為豎向加速度峰值;n分別為1.3，1.6和2.0。

表2 不同坡度邊坡加速度峰值 ×10－2 m/s2

2.2.3 試驗結果分析

以1∶1.3邊坡為例，距夯點最近的測點檢測到的加速度峰值為:水平向1.21 g，豎向1.64 g;距夯點最遠的測點檢測到的加速度峰值為:水平向0.16 g，豎向0.08 g;也就是說加速度峰值約在30 m的距離內就由水平向1.21 g、豎向1.64 g衰減到水平向0.16 g、豎向0.08 g，并且豎向加速度較水平向加速度衰減的要快，由此可以預測強夯引起的振動加速度在40～50 m的距離內會衰減到非常小。因此，強夯引起的振動加速度隨距夯點的距離增大迅速衰減，其影響范圍約為50 m，強夯的振動影響是一種局部的振動影響。從表1～表2的加速度檢測數(shù)據(jù)分析知:隨邊坡坡度減小加速度在邊坡上衰減速度增大，因此，強夯引起的振動對坡度較大的邊坡影響較大，對坡度較小的邊坡影響較小。

3 數(shù)值模擬研究

現(xiàn)場原型試驗能夠比較客觀的反映土體及其構成的坡體在夯擊荷載作用下的響應。但是，因為試驗條件的限制，不可能監(jiān)測模型中所有點的加速度及位移、應力等，而只能選擇關鍵點進行測量和監(jiān)測。因此，這樣得到的數(shù)據(jù)是離散的，只能通過推理才能得到模型整體的運動狀態(tài)和模式。然而，使用數(shù)值方法，可以根據(jù)需要安排監(jiān)測點的數(shù)量和位置，對應力、加速度和位移的變化進行記錄，而且，可以得到模型的整體運動形式，從而在整體上把握土坡的運動及其內的應力變化。

3.1 數(shù)值模型與力學參數(shù)

數(shù)值模擬研究是基于FLAC計算軟件而完成的，計算模型依據(jù)現(xiàn)場試驗邊坡的尺寸而定。為了便于與試驗結果比較，更好地分析計算結果且利于監(jiān)測，確定計算模型的網格數(shù)為600×150。計算模型長60m，高度為15m，計算模型的坡度為1∶1.3、1∶1.6和1∶2.0，與試驗土坡的坡度相同。土石混合體密度ρ=20.2 kNm－3，內聚力C=0 kPa，內摩擦角φ=45°;硬塑紅粘土密度ρ=17.8 kNm－3，內聚力C=55 kPa，內摩擦角φ=10°。

3.2 振動加速度分析

圖2給出了坡度1∶2.0邊坡的距夯點不同距離處土體中的振動加速度波形，從圖2可以看出:

(1)隨著離夯點邊緣越來越遠，土體的加速度振幅急劇減小，且振動頻率也與夯擊頻率差別越來越大;在距離夯點約4 m外，夯擊對土體的振動的影響已非常小;超過10 m后，土體振動曲線的特征與夯擊荷載曲線特征已完全不同。夯擊在豎直方向的影響半徑約為4 m。這是因為夯擊為高頻振動，在土中的衰減非?？臁ｋS著離夯點的距離增加，振動產生的加速度波逐漸顯出土的特性。在離夯點4 m范圍內，土體振動波形頻率與夯擊頻率相同;隨著距離的增加，其振動波形的頻率與夯擊點處的波形差別越來越大，其波形受土的特性的影響越來越明顯。

(2)靠近坡面附近的土體加速度振幅很小，這說明夯擊不會影響到該處的穩(wěn)定。坡度不同的土體內各點的振動加速度基本相同，可以認為土坡坡度對夯擊產生的土體振動沒有影響。

圖2 距夯點邊緣不同距離處土石混合填筑體中振動加速度波

4 結論

本文采用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬研究相結合的方法研究了強夯作用下的土石混合體填筑邊坡的變形和振動特性，得出以下結論:

(1)采用全站儀進行的位移觀測結果表明:離邊坡較近的兩個夯點對邊坡的變形影響最大，其余夯點基本對邊坡沒有變形影響，強夯對邊坡的變形影響距離約10 m，變形主要發(fā)生在邊坡的中上部，邊坡底部基本檢測不到變形量，最大變形量發(fā)生在坡頂。

(2)采用K2型智能數(shù)字強震動儀進行了強夯過程中的振動觀測，發(fā)現(xiàn)強夯引起的振動加速度隨距夯點的距離增大迅速衰減，其影響范圍約為50 m，強夯的振動影響是一種局部的振動影響。強夯引起的振動對坡度較大的邊坡影響較大，對坡度較小的邊坡影響較小。

(3)數(shù)值模擬結果顯示:夯擊為高頻振動，振動產生的加速度在土中衰減非?？?，且衰減半徑不受土坡坡度的影響。

［1］ 中華人民共和國建設部.CB/T50145—2007土的工程分類標準［S］.北京:中國計劃出版社，2007.

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