摘要：强夯法是我国目前地基处理中采取的一种主要加固方法, 因其具有高应力、动荷载、瞬时性的特点而受到广大人员关注。文章主要通过有限元数值模拟的方法, 基于MIDAS/GTS有限元软件对强夯过程中的荷载施加过程以及施工后的地基土的变形进行了相关研究, 结果表明有限元法能很好的模拟落锤瞬间时地基土的动力响应, 对类似工程有借鉴意义。

　　关键词：强夯; 施工过程; 有限元法;

　　Abstract：Dynamic compaction is one of the main reinforcement methods adopted in the foundation treatment in China, and it is concerned by people because of its characteristics of high stress, dynamic load and instant character. Based on the finite element numerical simulation method and the MIDAS/GTS finite element software, this paper studies the loading application process in dynamic compaction and the deformation of foundation soil after construction.

　　Keyword：dynamic compaction; construction process; the finite element method;

　　0 引言

　　强夯法又称动力固结法, 其加固的主要机理是夯锤通过一定落距, 引起巨大的夯击能对地基土产生动应力和冲击效应, 使土体变得密实, 提高土体的强度。这一过程不同于一般的静力施加过程, 特别是夯锤与地基土接触瞬间土体的动力响应, 难以通过一般的试验仪器进行测试, 然而研究强夯的加固机理对于该施工方法的改进和设计人员尤其重要。因此急需一种能够反映该施工过程的研究方法来进一步研究强夯的动力响应问题。显然无论是室内模型试验还是现场试验, 由于夯锤下坠的瞬时性和目前仪器的局限性, 均无法真实地反映土体受到夯击瞬间的动力响应, 特别是动应力—应变响应。

　　为了便于设计人员理解和实际工程中的应用, 一些针对强夯施工分析的有限元软件开始逐步在设计阶段应用。余景良, 杨冬[1]利用ADINA商用程序在不同强夯参数下对某工程中的强夯阶段进行了分析。但其在模型建立阶段将动应力荷载通过公式转化为接触应力, 导致模拟结果和实际情况出现了一定偏差, 如地表隆起等。张清峰, 王东权[2]在ANSYS中进行了三维简化建模, 并作了一定分析。同时也指出对于ANSYS的大型有限元软件, 建模简化的部分过多, 地层分层过于简单。蔡袁强, 陈超[3]利用ABAQUS程序采用大变形三维有限元方法对强夯的加固效果进行了模拟, 对于夯击过程中的研究由于动荷载的复杂性并未做进一步的详细研究。

　　本文通过MIDAS/GTS有限元软件对某工程强夯施工过程进行了模拟研究, 并针对夯锤坠落瞬间土体的动应力响应作了进一步详细分析, 研究了夯击次数与夯坑的沉陷关系, 最后和现场实测结果进行了比对, 结果表明本文采取的建模方法和荷载处理能够很好的拟合现场情况并为类似工程提供借鉴意义。

　　1 工程概况及模型建立

　　试夯区工程位于河北某大型堆山工程, 地质条件如表1 所示。

　　表1 试夯区地质条件

　　注: (1) 粉土; (2) 粉质粘土; (3) 粉土夹粉质粘土; (4) 粉质粘土夹粉土; (5) 粉质粘土; (6) 粉质粘土; (7) 粉土夹粉砂; (8) 粉质粘土.

　　土的本构模型采用D—P理想弹塑性模型, 模型的左右边界设置为限制横向位移, 假定土体的半无限空间结构模型底部设置为固定约束。夯锤的荷载施加位于模型顶部, 根据文献[4]中的描述, 将强夯的动力荷载施加简化为三角形时程荷载, 荷载的施加形式如图1所示。并在建立模型作如下假定:假定夯锤的径向范围为夯锤直径的2倍, 本工程采用的夯锤直径为2.3m, 因此在模型建立中的夯击区的径向范围为4m。

　　图1 动应力施加简化时程荷载图

　　2 计算结果及分析

　　根据本文第三节所述中对于土体参数随夯击次数的变化规律, 两种夯击能的夯沉量增长趋势如图2、图3所示。

　　图2 2000kN·m夯击能下夯沉量随夯击次数的变化规律

　　图3 6000k N·m夯击能下夯沉量随夯击次数的变化规律

　　计算模拟的结果均比实测结果大, 夯击能为2000k N·m时, 实测结果在8击时最后两击夯沉量平均值已达到止夯要求, 然而根据模拟结果需要在10击以后才能达到止夯要求, 其原因主要是在模拟动荷载作用时简化为三角形荷载的时程分析较实际情况偏大, 并且在土体变形模量随夯击次数的增长关系式中参数选取过小。

　　3 结论

　　夯锤下落与地基土的接触后真正产生动力激励的时间仅有0.4-0.5s;且动荷载引起地基土的主要变形大约发生在0.25-0.3s之间;对于夯沉量随夯击次数的变化规律上, 计算模拟的结果比实测的结果要偏大, 分析原因后, 表明于强夯过程中土的本构关系和动荷载的简化有待进一步的探索。

　　参考文献

　　[1]余景良, 杨冬.基于ADINA的某围填工程地基强夯施工模拟及技术优化[J].施工技术, 2014 (s1) .
　　[2]张清峰, 王东权.强夯法加固煤矸石地基单点单次夯击数值模拟研究[J].铁道建筑, 2012 (11) :76-79.
　　[3]蔡袁强, 陈超, 徐长节.强夯加固回填土地基的三维数值模拟[J].岩土力学, 2007, 28 (6) :1108-1112.
　　[4]向泽华, 胡焕校, 吴高权.强夯作用下土体动力特性的数值模拟[J].水资源与水工程学报, 2015 (6) .