不同夯擊荷載下煤矸石地基的動(dòng)應(yīng)力研究

吳紅翠

(合肥財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引言

目前,國(guó)內(nèi)煤矸石的綜合利用率較低,大部分均處于閑置的狀態(tài),不僅造成大量的資源浪費(fèi),而且在一定程度上影響了周邊的環(huán)境[1-2]。通過強(qiáng)夯法對(duì)煤矸石進(jìn)行尺寸壓縮,增強(qiáng)其承載能力,然后運(yùn)用到建筑地基上是解決煤矸石資源浪費(fèi)的有效途徑[3]。國(guó)內(nèi)科研工作者通過開展煤矸石破碎、改良土壤和抗壓特性研究,已形成相關(guān)基礎(chǔ)理論,并建立了一系列應(yīng)用方法[4-6]。然而,這些研究主要側(cè)重于煤矸石的工程實(shí)例應(yīng)用,對(duì)于強(qiáng)夯法處理煤矸石地基的研究甚少[7-8]。本文研究強(qiáng)夯沖擊荷載作用下煤矸石的破碎特點(diǎn)及其動(dòng)力密實(shí)機(jī)理;分別研究不同的夯擊能、夯擊次數(shù)和夯擊深度的沖擊應(yīng)力變化規(guī)律,對(duì)提高煤矸石綜合利用的水平以及煤矸石地基處理技術(shù)的提升都具有一定的工程實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 強(qiáng)夯法加固煤矸石地基實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為模擬沖擊荷載作用下地基土的動(dòng)力學(xué)特征,模型試驗(yàn)的強(qiáng)夯采用的是間歇性沖擊荷載。為簡(jiǎn)化模型實(shí)驗(yàn)條件,模型實(shí)驗(yàn)采用與原型相同的材料,即材料特性縮比為10。夯錘質(zhì)量為25 t,夯擊能分別為2 000 kN·m,3 000 kN·m,4 000 kN·m,對(duì)應(yīng)的落距分別為8.0 m,12.0 m,16.0 m的三種情況分別做模型實(shí)驗(yàn)。根據(jù)上述相似準(zhǔn)則和?；O(shè)計(jì),最后確定試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 模型試驗(yàn)參數(shù)表Tab.1 Parameters of the model test

該試驗(yàn)采用的是室內(nèi)物理模擬,模擬工作臺(tái)臺(tái)高1 m,其中1#測(cè)點(diǎn)距臺(tái)面200 mm,2#測(cè)點(diǎn)距臺(tái)面350 mm,3#測(cè)點(diǎn)距臺(tái)面500 mm,4#測(cè)點(diǎn)距臺(tái)面650 mm,5#測(cè)點(diǎn)距臺(tái)面800 mm。根據(jù)本試驗(yàn)的內(nèi)容和要求,考察不同的夯擊能(2 000 kN·m,3 000 kN·m,4 000 kN·m)作用下,沖擊應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系以及不同測(cè)點(diǎn)的最大沖擊應(yīng)力情況。其中,實(shí)驗(yàn)中所測(cè)的地基的沖擊應(yīng)力為實(shí)際地基的沖擊應(yīng)力。由式(1)得模型中的應(yīng)力波波速:

(1)

式中：E為地基土的變形模量,MPa;L為模型試驗(yàn)幾何參數(shù),m;m為夯錘的質(zhì)量,kg。由式(2)得沖擊應(yīng)力的作用時(shí)間t:

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同夯擊能的結(jié)果分析

夯擊能2 000 kN·m第1擊沖擊應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系見圖1。在每一擊中各個(gè)測(cè)點(diǎn)的沖擊應(yīng)力最大值從上往下依次遞減;1# 測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力最大,5#測(cè)點(diǎn)最小。1#測(cè)點(diǎn)達(dá)到最大值時(shí)間基本都是80 ms,2#測(cè)點(diǎn)沖擊應(yīng)力達(dá)到最大值基本都在100 ms,3#測(cè)點(diǎn)沖擊應(yīng)力的最大值基本都在120 ms,而4#測(cè)點(diǎn)沖擊應(yīng)力達(dá)到最大值在120 ms與130 ms之間,5#測(cè)點(diǎn)則在140 ms。同時(shí),隨著沖擊應(yīng)力的向下延伸,各測(cè)點(diǎn)的沖擊應(yīng)力最大值也提前達(dá)到。其中1# 測(cè)點(diǎn)有持續(xù)應(yīng)力的作用時(shí)間明顯比其他測(cè)點(diǎn)應(yīng)力作用時(shí)間要長(zhǎng),且從上往下應(yīng)力作用時(shí)間依次減少。從圖1上看,每個(gè)測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)峰值,每個(gè)峰值大小隨時(shí)間推移依次減小。隨著夯擊次數(shù)的增加,每個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值隨之增大。

圖1 2 000 kN·.夯擊能下動(dòng)應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系圖Fig.1 Relationship between dynamic stress and time with 2 000 kN· tamping energy

夯擊能3 000 kN·m第1擊沖擊應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系見圖2。每個(gè)測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)峰值,每個(gè)峰值大小不一,隨時(shí)間推移依次減小。隨著夯擊次數(shù)的增加,每個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值隨之增大。隨著夯擊次數(shù)的增加,每個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大值也提前到來,在圖像上面也都依次向左平移,峰值大小依次增大。土體有一定的吸收能量的作用,隨土體深度增加吸收的能量也隨之增加,所以到達(dá)5#測(cè)點(diǎn)的能量就少了。同時(shí),每個(gè)測(cè)點(diǎn)的斜率依次減小,1#測(cè)點(diǎn)最大,5#最小。

圖2 3 000 kN·夯擊能下動(dòng)應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between dynamic stress and time wirh 3 000 kN· tamping energy

夯擊能4 000 kN·m第1擊沖擊應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系見圖3。每個(gè)測(cè)點(diǎn)的斜率依次減小,1#測(cè)點(diǎn)最大,5#最小。隨著夯擊次數(shù)的增加,每個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值隨之增大。隨著夯擊次數(shù)的增加,每個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大值也提前到來,在圖像上面也都依次向左平移,峰值大小依次增大。此外,土體有一定的吸收能量的作用,隨土體深度增加吸收的能量也隨之增加,所以到達(dá)5#測(cè)點(diǎn)的能量就少了。

圖3 4 000 kN·夯擊能下動(dòng)應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between dynamic stress and time with 4 000 kN· tamping energy

2.2 不同測(cè)點(diǎn)最大值的結(jié)果分析

為了研究每個(gè)測(cè)點(diǎn)的規(guī)律,提取每個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同夯擊能下面的最大值來進(jìn)行分析比較,結(jié)果如圖4所示。

圖4 各個(gè)測(cè)點(diǎn)最大值動(dòng)應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系圖Fig.4 Relationship between maximum dynamic stress and time at each measuring point

1#測(cè)點(diǎn)在2 000 kN夯擊能下,所受的沖擊應(yīng)力隨夯擊次數(shù)的增加而增加;隨夯擊次數(shù)的增加 所受的沖擊應(yīng)力增加得越來越小;4 000 kN的第八擊最大值明顯大于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#測(cè)點(diǎn)隨每一擊能量越高,所受沖擊應(yīng)力越大;此外,在2 000 kN和4 000 kN下,隨夯擊次數(shù)增加,曲線趨于平行,而在3 000 kN一直呈明顯的上升趨勢(shì)。

2#測(cè)點(diǎn)和1#測(cè)點(diǎn)一樣,其所受的應(yīng)力隨擊數(shù)增加而增大;在第七第八擊的時(shí)候曲線趨于平行,故第八擊以后2#測(cè)點(diǎn)所受應(yīng)力都一樣了;在相同擊數(shù)下,不同夯擊能對(duì)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力不同,越大的夯擊能所受應(yīng)力越大。

3#測(cè)點(diǎn)三次不同能量級(jí)的斜率不同,由上往下依次減小,同時(shí)斜率的增幅明顯小于1#和2# 測(cè)點(diǎn)。4#測(cè)點(diǎn)的最大值明顯變小,有增長(zhǎng)但不是很明顯;到第八擊時(shí)候相交,說明不同能量的應(yīng)力作用在第八擊之后都表現(xiàn)相同的應(yīng)力;隨夯擊次數(shù)的增加 所受的沖擊應(yīng)力增加的越來越大;夯擊能越大所受應(yīng)力越大,但是在這里并不太明顯。

隨擊數(shù)增加,5#測(cè)點(diǎn)所受的應(yīng)力增加得更加不明顯,基本趨于平衡;由此得出,測(cè)點(diǎn)越往下,所受夯擊能越小,并且越下面的測(cè)點(diǎn)隨夯擊能的大小變化及擊數(shù)增加變化的不明顯到了5#基本不變。試驗(yàn)結(jié)果可知,所受應(yīng)力最明顯的在1#和2#測(cè)點(diǎn),它們的變化是最明顯的,滿足實(shí)際工程需要的最佳夯擊能約為3 000 kN·m。

3 結(jié)論

通過以上對(duì)煤矸石地基加固處理的研究,分析煤矸石地基在不同荷載下的動(dòng)應(yīng)力變化和每個(gè)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì),得出了以下結(jié)論:

1)每個(gè)測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)峰值,每個(gè)峰值大小不一,隨時(shí)間推移依次減小。

2)隨著夯擊擊數(shù)的增加,每個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值隨之增大,峰值作用時(shí)間極短;土體有一定的吸收能量的作用,隨土體深度增加吸收的能量也隨之增加。

3)在相同擊數(shù)下,不同夯擊能對(duì)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力不同,越大的夯擊能所受應(yīng)力越大。

4)在強(qiáng)夯作用下,動(dòng)應(yīng)力主要為單一的波峰,沒有明顯的第二波峰,滿足實(shí)際工程需要的最佳夯擊能約為3 000 kN·m,最佳夯擊擊數(shù)為7～8擊。