不同夯擊荷載下煤矸石地基的動應力研究

吳紅翠

(合肥財經職業學院 建筑工程學院,安徽 合肥 230601)

0 引言

目前,國內煤矸石的綜合利用率較低,大部分均處于閑置的狀態,不僅造成大量的資源浪費,而且在一定程度上影響了周邊的環境[1-2]。通過強夯法對煤矸石進行尺寸壓縮,增強其承載能力,然后運用到建筑地基上是解決煤矸石資源浪費的有效途徑[3]。國內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,已形成相關基礎理論,并建立了一系列應用方法[4-6]。然而,這些研究主要側重于煤矸石的工程實例應用,對于強夯法處理煤矸石地基的研究甚少[7-8]。本文研究強夯沖擊荷載作用下煤矸石的破碎特點及其動力密實機理;分別研究不同的夯擊能、夯擊次數和夯擊深度的沖擊應力變化規律,對提高煤矸石綜合利用的水平以及煤矸石地基處理技術的提升都具有一定的工程實踐指導意義。

1 強夯法加固煤矸石地基實驗設計

為模擬沖擊荷載作用下地基土的動力學特征,模型試驗的強夯采用的是間歇性沖擊荷載。為簡化模型實驗條件,模型實驗采用與原型相同的材料,即材料特性縮比為10。夯錘質量為25 t,夯擊能分別為2 000 kN·m,3 000 kN·m,4 000 kN·m,對應的落距分別為8.0 m,12.0 m,16.0 m的三種情況分別做模型實驗。根據上述相似準則和?；O計,最后確定試驗參數如表1所示。

表1 模型試驗參數表Tab.1 Parameters of the model test

該試驗采用的是室內物理模擬,模擬工作臺臺高1 m,其中1#測點距臺面200 mm,2#測點距臺面350 mm,3#測點距臺面500 mm,4#測點距臺面650 mm,5#測點距臺面800 mm。根據本試驗的內容和要求,考察不同的夯擊能(2 000 kN·m,3 000 kN·m,4 000 kN·m)作用下,沖擊應力與時間的關系以及不同測點的最大沖擊應力情況。其中,實驗中所測的地基的沖擊應力為實際地基的沖擊應力。由式(1)得模型中的應力波波速:

(1)

式中：E為地基土的變形模量,MPa;L為模型試驗幾何參數,m;m為夯錘的質量,kg。由式(2)得沖擊應力的作用時間t:

(2)

2 結果與分析

2.1 不同夯擊能的結果分析

夯擊能2 000 kN·m第1擊沖擊應力與時間的關系見圖1。在每一擊中各個測點的沖擊應力最大值從上往下依次遞減;1# 測點動應力最大,5#測點最小。1#測點達到最大值時間基本都是80 ms,2#測點沖擊應力達到最大值基本都在100 ms,3#測點沖擊應力的最大值基本都在120 ms,而4#測點沖擊應力達到最大值在120 ms與130 ms之間,5#測點則在140 ms。同時,隨著沖擊應力的向下延伸,各測點的沖擊應力最大值也提前達到。其中1# 測點有持續應力的作用時間明顯比其他測點應力作用時間要長,且從上往下應力作用時間依次減少。從圖1上看,每個測點都有一個峰值,每個峰值大小隨時間推移依次減小。隨著夯擊次數的增加,每個測點的峰值隨之增大。

圖1 2 000 kN·.夯擊能下動應力與時間的關系圖Fig.1 Relationship between dynamic stress and time with 2 000 kN· tamping energy

夯擊能3 000 kN·m第1擊沖擊應力與時間的關系見圖2。每個測點都有一個峰值,每個峰值大小不一,隨時間推移依次減小。隨著夯擊次數的增加,每個測點的峰值隨之增大。隨著夯擊次數的增加,每個測點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5#測點的能量就少了。同時,每個測點的斜率依次減小,1#測點最大,5#最小。

圖2 3 000 kN·夯擊能下動應力與時間的關系圖Fig.2 Relationship between dynamic stress and time wirh 3 000 kN· tamping energy

夯擊能4 000 kN·m第1擊沖擊應力與時間的關系見圖3。每個測點的斜率依次減小,1#測點最大,5#最小。隨著夯擊次數的增加,每個測點的峰值隨之增大。隨著夯擊次數的增加,每個測點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5#測點的能量就少了。

圖3 4 000 kN·夯擊能下動應力與時間的關系圖Fig.3 Relationship between dynamic stress and time with 4 000 kN· tamping energy

2.2 不同測點最大值的結果分析

為了研究每個測點的規律,提取每個測點在不同夯擊能下面的最大值來進行分析比較,結果如圖4所示。

圖4 各個測點最大值動應力與時間關系圖Fig.4 Relationship between maximum dynamic stress and time at each measuring point

1#測點在2 000 kN夯擊能下,所受的沖擊應力隨夯擊次數的增加而增加;隨夯擊次數的增加 所受的沖擊應力增加得越來越小;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#測點隨每一擊能量越高,所受沖擊應力越大;此外,在2 000 kN和4 000 kN下,隨夯擊次數增加,曲線趨于平行,而在3 000 kN一直呈明顯的上升趨勢。

2#測點和1#測點一樣,其所受的應力隨擊數增加而增大;在第七第八擊的時候曲線趨于平行,故第八擊以后2#測點所受應力都一樣了;在相同擊數下,不同夯擊能對測點應力不同,越大的夯擊能所受應力越大。

3#測點三次不同能量級的斜率不同,由上往下依次減小,同時斜率的增幅明顯小于1#和2# 測點。4#測點的最大值明顯變小,有增長但不是很明顯;到第八擊時候相交,說明不同能量的應力作用在第八擊之后都表現相同的應力;隨夯擊次數的增加 所受的沖擊應力增加的越來越大;夯擊能越大所受應力越大,但是在這里并不太明顯。

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

3 結論

通過以上對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應力變化和每個測點的變化趨勢,得出了以下結論:

1)每個測點都有一個峰值,每個峰值大小不一,隨時間推移依次減小。

2)隨著夯擊擊數的增加,每個測點的峰值隨之增大,峰值作用時間極短;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)在相同擊數下,不同夯擊能對測點應力不同,越大的夯擊能所受應力越大。

4)在強夯作用下,動應力主要為單一的波峰,沒有明顯的第二波峰,滿足實際工程需要的最佳夯擊能約為3 000 kN·m,最佳夯擊擊數為7～8擊。