高能級強(qiáng)夯加固回填土的數(shù)值模擬

趙 永 祥

(中交第一公路工程局有限公司，北京 100024)

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高能級強(qiáng)夯加固回填土的數(shù)值模擬

趙 永 祥

(中交第一公路工程局有限公司，北京 100024)

采用FLAC軟件，對強(qiáng)夯加固回填土地基進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了能級變化對強(qiáng)夯加固效果的影響，并結(jié)合工程實(shí)例，分析了不同夯擊能、不同夯擊次數(shù)作用下土體的動(dòng)力反應(yīng)特征，所得結(jié)論對類似強(qiáng)夯工程施工有一定的參考價(jià)值。

回填土，高能級強(qiáng)夯，數(shù)值模擬，錘擊應(yīng)力，土層厚度

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，用地矛盾日益突出，采用“開山填谷”“開山填?！钡姆椒ń鉀Q建設(shè)用地的工程日趨增多[1]。與此同時(shí)，強(qiáng)夯加固機(jī)理較為復(fù)雜，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)計(jì)算方法基本上都是經(jīng)驗(yàn)性或半經(jīng)驗(yàn)性的，國內(nèi)外的專家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，但至今未形成一套完整的設(shè)計(jì)計(jì)算理論。一些專家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[2-9]。數(shù)值分析法通過合理確定土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系、屈服準(zhǔn)則以及力學(xué)邊界條件來模擬強(qiáng)夯加固地基的全過程。本文采用FLAC軟件，對強(qiáng)夯處理大厚度填土進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了一些結(jié)論，對于今后類似地基的強(qiáng)夯加固設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1 計(jì)算參數(shù)

夯錘參數(shù)：錘重為400 kN，對應(yīng)夯擊能6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m的夯擊，落距分別為15.0 m,20.0 m,25.0 m,30.0 m,35.0 m和40.0 m，夯錘底面直徑均為2.5 m。

荷載的施加：采用三角形荷載形式，將錘擊力加在錘土接觸節(jié)點(diǎn)上。當(dāng)夯擊能量分別為6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m時(shí)，對應(yīng)的最大應(yīng)力pmax分別為5.50 MPa,6.35 MPa,7.10 MPa,7.78 MPa,8.40 MPa和8.98 MPa。

計(jì)算所用土層參數(shù)選取如表1所示。

表1 土層參數(shù)

2 最大錘擊應(yīng)力沿深度的分布及土層厚度的影響

2.1 最大錘擊應(yīng)力沿深度的分布

圖1是土層厚度為15.0 m時(shí)，不同能級作用下最大錘擊應(yīng)力沿深度的分布，圖1a)為第1擊時(shí)最大錘擊應(yīng)力沿深度變化的曲線，可以看出，能級越高，相同深度處最大錘擊應(yīng)力也越大，對于能級為6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m的強(qiáng)夯，第1次夯擊作用下，錘土接觸面上的最大錘擊應(yīng)力分別為5.11 MPa,5.91 MPa,6.62 MPa,7.25 MPa,7.84 MPa和8.37 MPa，能級10 000 kN·m強(qiáng)夯的最大錘擊應(yīng)力比能級6 000 kN·m提高了29.5%，而能級16 000 kN·m的最大錘擊應(yīng)力比能級為6 000 kN·m和10 000 kN·m分別提高了63.8%和26.4%，可見能級提高對強(qiáng)夯加固效果的改善非常明顯。圖1b)，圖1c)分別為第5擊、第9擊時(shí)的最大錘擊應(yīng)力沿深度的分布曲線，與第1擊相類似，能級越高，相同深度處最大錘擊應(yīng)力也越大。圖1d)為第16擊作用下最大錘擊應(yīng)力沿深度的分布曲線，對于能級為6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m的強(qiáng)夯，埋深10 m處最大錘擊應(yīng)力分別為0.14 MPa,0.32 MPa,0.40 MPa,0.46 MPa,0.50 MPa,0.79 MPa，能級10 000 kN·m強(qiáng)夯在埋深10 m處的最大錘擊應(yīng)力比能級6 000 kN·m提高了185.7%，而能級16 000 kN·m的最大錘擊應(yīng)力比能級6 000 kN·m和10 000 kN·m分別提高了464.3%和97.5%，能級的提高對深層土體的加固效果有明顯改善。

2.2 土層厚度的影響

圖2以10 000 kN·m強(qiáng)夯為例，說明土層厚度的變化對最大錘擊應(yīng)力的影響。在第1擊和第16擊作用下，不同土層厚度(15 m,25 m,35 m)的3條曲線基本重合，表明土層厚度的變化對土體豎向位移的影響可以忽略。通過其他能級的計(jì)算，亦發(fā)現(xiàn)相同結(jié)論。

3 土體豎向應(yīng)力時(shí)程曲線

3.1 錘下2 m處

圖3是土層厚度為15.0 m時(shí)，不同能級作用下錘下2.0 m處土體豎向應(yīng)力的時(shí)程曲線。圖3a)為第1擊曲線，在開始階段，不同能級的豎向應(yīng)力均呈線性增長，并達(dá)到峰值，能級越高，豎向應(yīng)力峰值越大；能級為6 000 kN·m強(qiáng)夯時(shí)的峰值為3.56 MPa，而能級為16 000 kN·m強(qiáng)夯時(shí)的峰值為6.20 MPa；不同能級夯擊時(shí)，達(dá)到峰值的時(shí)間相差不大。達(dá)到峰值后，豎向應(yīng)力開始呈線性減小，在夯擊時(shí)間超過0.099 s后，各能級豎向應(yīng)力隨時(shí)間基本沒有變化，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，并且不同能級的豎向應(yīng)力基本相等，為0.17 MPa。圖3b)為第5擊曲線，與第1擊相比，曲線變化的形態(tài)基本一致，對于6 000 kN·m，8 000 kN·m，10 000 kN·m，12 000 kN·m，14 000 kN·m和16 000 kN·m的強(qiáng)夯能級，其豎向應(yīng)力最大值分別為4.21 MPa，4.73 MPa，5.25 MPa，5.74 MPa，6.10 MPa和7.03 MPa，與第1擊相比，豎向應(yīng)力峰值有所增大，達(dá)到應(yīng)力峰值的時(shí)間均為0.052 s左右，豎向應(yīng)力進(jìn)入穩(wěn)定階段的夯擊時(shí)間為0.115 s。圖3c)為第16擊曲線，豎向應(yīng)力峰值與進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間與第5擊相似，但進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，能級16 000 kN·m產(chǎn)生的豎向應(yīng)力最大。從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，對于淺層土體(錘下2.0 m)，能級越高，夯擊過程中產(chǎn)生的豎向應(yīng)力最大值越大。

3.2 錘下10 m處

圖4是土層厚度為15.0 m時(shí)，不同能級作用下錘下10.0 m處土體豎向應(yīng)力的時(shí)程曲線。圖4a)為第1擊曲線，可以發(fā)現(xiàn)，夯擊時(shí)間在0～0.08 s之間，豎向應(yīng)力保持不變，表明夯擊能量還沒有傳播到此處土體；夯擊時(shí)間在0.08 s～0.205 s之間時(shí)，豎向應(yīng)力經(jīng)歷一個(gè)波動(dòng)，先增大到峰值，能級越高，豎向應(yīng)力峰值越大，然后各豎向應(yīng)力開始減小，之后又有所增加，這個(gè)波動(dòng)過程表明土體仍處于彈性狀態(tài)，波動(dòng)段過后，豎向應(yīng)力隨時(shí)間保持不變。圖4b)為第5擊作用下錘下10.0 m處土體豎向應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，與第1擊相比，不同能級作用下，豎向應(yīng)力有了明顯的差異，隨著能級增加，豎向應(yīng)力越來越大。圖4c)為第16擊作用下錘下10.0 m處土體豎向應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，與第5擊相比，曲線形態(tài)基本相似，但是能級越低，曲線越平緩，表明在錘下10.0 m處，能級較低的強(qiáng)夯影響較小。

比較夯錘中心點(diǎn)下10.0 m處土體的豎向應(yīng)力時(shí)程曲線和夯錘中心點(diǎn)下2 m的結(jié)果，可以看出，不同能級的夯擊能量在錘下10.0 m處已經(jīng)大大衰減，其豎向應(yīng)力峰值僅為2 m處的1/10左右。

另外，本次研究還計(jì)算了土層厚度為25.0 m和35.0 m時(shí)，深度為2.0 m和10.0 m處土體的豎向應(yīng)力時(shí)程曲線，同土層厚度為15.0 m的情況基本一致。

4 結(jié)語

本文通過能級分別為6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m的夯擊作用下土體的應(yīng)力分析，得到了以下主要結(jié)論：

1)能級較低的夯擊對淺層土體的加固效果較好，其豎向應(yīng)力的峰值反而大于能級較高的夯擊，但是能級較高的夯擊對深層土體的加固效果較好，其豎向應(yīng)力峰值的深度比能級較低的要深2.0 m左右；隨著夯擊的進(jìn)行，逐漸呈現(xiàn)出能級越高，豎向應(yīng)力峰值越大，且最大豎向應(yīng)力點(diǎn)的深度也越來越大的規(guī)律。

2)在第16擊作用下，能級10 000 kN·m強(qiáng)夯在埋深10.0 m處的最大錘擊應(yīng)力比能級6 000 kN·m提高了185.7%，而能級16 000 kN·m的最大錘擊應(yīng)力比能級6 000 kN·m和10 000 kN·m分別提高了464.3%和97.5%，能級的提高對深層土體的加固效果有明顯改善。

3)不同能級作用下，錘下2 m處土體的豎向應(yīng)力時(shí)程曲線均在0.05 s左右出現(xiàn)峰值，能級越高，豎向應(yīng)力的峰值也越大。

4)不同能級的夯擊能量在錘下10.0 m處已經(jīng)大大衰減，其豎向應(yīng)力峰值僅為錘下2.0 m處的1/10左右。

5)不同能級作用下，土層厚度的變化對錘下2.0 m和10.0 m處土體的豎向應(yīng)力時(shí)程曲線影響不大。

6)不同能級作用下，土層厚度的變化對最大錘擊應(yīng)力沿深度的分布影響不大。

[1] 王鐵宏.新編全國重大工程項(xiàng)目地基處理工程實(shí)錄[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算[M].北京:中國水利水電出版社，1996.

[3] Chow Y K, Yong D M. Dynamic compaction analysis[J]. Journal of Geotechnical Engineering,1992,118(8):1141-1157.

[4] Gu Q, Lee F H. Ground response to dynamic compaction of dry sand[J].Geotechnique,2002,52(7):481-493.

[5] 孔令偉，袁建新.強(qiáng)夯的邊界接觸應(yīng)力與沉降特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(2)：86-92.

[6] 孔令偉，袁建新.強(qiáng)夯作用下成層地基的表面接觸應(yīng)力分布特征[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，1999，31(2)：250-256.

[7] 徐長節(jié)，張政偉.回填土地基的強(qiáng)夯大變形分析[J].工業(yè)建筑，2004，34(6)：48-51.

[8] 蔡袁強(qiáng)，陳仁偉，徐長節(jié).強(qiáng)夯加固機(jī)理的大變形數(shù)值分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39(1)：65-69.

[9] 劉漢龍，高有斌，曹建建.強(qiáng)夯作用下接觸應(yīng)力與土體縱向位移計(jì)算[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31(10):1493-1497.

On numeric simulation of refiller consolidation with high-grade reinforcement

Zhao Yongxiang

(No.1EngineeringBureauCo.,Ltd,CCCC,Beijing100024,China)

The paper adopts FLAC software to undertakes the numeric simulation for the dynamic consolidation of the refilled foundation, researches the influence of the changes in energy levels on the dynamic consolidation effect, analyzes the dynamic response features of the earthwork under different dynamic energy and various compaction times with the engineering cases, and indicates its application value for similar dynamic projects.

refilled soil, high energy level compaction, numeric simulation, hammer stress, layer thickness

1009-6825(2017)11-0089-03

2017-02-10

趙永祥(1983- )，男，碩士，工程師，注冊巖土工程師

TU472.31

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