鄭紅娟，周世良

(1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通226010;2.重慶交通大學(xué)，重慶400074)

強(qiáng)夯法是目前地基處理工程首選的加固方法，具有加固效果明顯，適用范圍廣，設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便、經(jīng)濟(jì)易行等優(yōu)點(diǎn)，為人們所廣泛接受。對(duì)于飽和地基土，由于其缺少氣相排水通道，施加強(qiáng)夯能量后孔隙水排出困難，超孔隙水壓力一方面吸收能量，使土體不能得到加固，另一方面?zhèn)认蜃饔脭_動(dòng)土體，使原有承載力降低，故在飽和地基土加固中慎用強(qiáng)夯法。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沿海、沿江開發(fā)的大規(guī)模展開，對(duì)于沿海、沿江大面積飽和地基土，人們開始研究如何將強(qiáng)夯法應(yīng)用于飽和地基土的加固，經(jīng)過(guò)巖土工作者們多年的共同努力，目前已經(jīng)有很多飽和地基土加固工程使用強(qiáng)夯法，強(qiáng)夯加固飽和地基土的實(shí)踐已經(jīng)有了很大的發(fā)展［1－2］。飽和地基土強(qiáng)夯，已經(jīng)有很多成功的實(shí)例［3］，但其施工設(shè)計(jì)尚未形成一套完整的設(shè)計(jì)計(jì)算理論，目前工程使用中通常根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果最后確定正式的強(qiáng)夯施工參數(shù)，但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)存在費(fèi)用高、測(cè)試精度受外界諸多因素影響等缺點(diǎn)。筆者在文獻(xiàn)［4］的基礎(chǔ)上就強(qiáng)夯加固飽和地基土數(shù)值模擬作進(jìn)一步研究，進(jìn)而確定其施工參數(shù)。本文所采用的本構(gòu)模型和算例的計(jì)算模型、網(wǎng)格劃分(圖1)、邊界條件、土體計(jì)算參數(shù)及沖擊荷載形式同文獻(xiàn)［4］。

1 數(shù)值模擬確定施工參數(shù)

強(qiáng)夯處理高填方地基的施工設(shè)計(jì)，目前尚未形成一套完整的設(shè)計(jì)計(jì)算理論，目前工程使用中通常根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果最后確定正式的強(qiáng)夯施工參數(shù)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)強(qiáng)夯設(shè)計(jì)的主要參數(shù)確定進(jìn)行初步探討。

1.1 最佳夯擊次數(shù)

夯擊次數(shù)是強(qiáng)夯施工中的一個(gè)重要參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)確定夯擊次數(shù)的方法不盡相同，而且對(duì)飽和土也沒(méi)有特別的規(guī)定。圖2為夯坑以下272節(jié)點(diǎn)(距夯坑中心2m，距地面3.5m，見(jiàn)圖1)、228節(jié)點(diǎn)(距夯坑中心2m，距地面4.4m，見(jiàn)圖1)的超孔隙水壓力隨夯擊擊數(shù)的變化圖。由圖2可見(jiàn)，在夯擊擊數(shù)達(dá)到7擊時(shí)，超孔隙水壓力增量隨夯擊擊數(shù)的變化曲線非常平緩，根據(jù)文獻(xiàn)［3］實(shí)錄十六的工程實(shí)例的結(jié)論——利用超孔隙水壓力增量隨夯擊擊數(shù)的變化情況確定最佳夯擊次數(shù)，說(shuō)明本模型的最佳夯擊擊數(shù)為7擊。同時(shí)，從有效應(yīng)力之最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線(圖3、圖4)可見(jiàn)，在第7次夯擊后(1.499 4 s)有效應(yīng)力之最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力都趨于穩(wěn)定，說(shuō)明最佳夯擊擊數(shù)也為7擊。

圖1 有限元網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh generation of finite element

圖2 孔隙水壓力增量與夯擊擊數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between pore water pressureincrease and ramming times

圖3 有效應(yīng)力之最大主應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Transformation curve of the maximal principal stress of effective stress with the change of time

圖4 剪應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Transformation curve of shear stress with the change of time

1.2 間歇時(shí)間

相鄰2遍夯擊的間歇時(shí)間取決于加固土層中孔隙水壓力消散所需要的時(shí)間。對(duì)黏性土，由于孔隙水壓力消散較慢，故當(dāng)夯擊能逐漸增長(zhǎng)時(shí)，孔隙水壓力也相應(yīng)疊加，間歇時(shí)間一般為2～4周;對(duì)砂性土，孔隙水壓力的峰值出現(xiàn)在夯完后的瞬間，消散時(shí)間只有2～4 min，為此，可不考慮間歇時(shí)間而連續(xù)夯擊。

由圖5發(fā)現(xiàn)，在第7次夯擊間隙期末，土中集聚了很大的孔隙水壓力有待消散，如果把強(qiáng)夯沖擊荷載時(shí)間歷程曲線［4］的第7擊之后的加載值設(shè)為0，并把時(shí)間盡量拉長(zhǎng)，可以計(jì)算出孔隙水壓力在沒(méi)有荷載的情況下的消散情況，在孔隙水壓力趨于0時(shí)確定相鄰2遍夯擊的間歇時(shí)間。由于飽和細(xì)顆粒土消散時(shí)間以天計(jì)算，即程序需拉長(zhǎng)的時(shí)間以天計(jì)算，與模型選擇的時(shí)間增量差距太大，計(jì)算需要時(shí)間太久，故本文沒(méi)有計(jì)算第7擊間隙期后的0加載情況。

圖5 第7次夯擊間隙期末孔隙水壓力等值線Fig.5 Isoline map of pore water pressure distribution in the end of 7th break time

1.3 有效影響深度

有效加固深度可以理解為經(jīng)強(qiáng)夯加固后，加固效果顯著的土層范圍，該土層強(qiáng)度提高和壓縮模量增大。有效加固深度的影響因素很多，除錘重和落距外，地基土的性質(zhì)、不同土層的深度和埋藏順序、地下水位以及其他強(qiáng)夯的設(shè)計(jì)參數(shù)等都與其有著密切的聯(lián)系，另外測(cè)試方法和時(shí)間也有一定的影響。目前工程中確定有效加固深度的公式主要是修正的L.Menard 公式［5］，經(jīng)換算后其表達(dá)式為:

式中:H為有效加固深度，m;W為錘重，kN;h為落距，m;α 為修正系數(shù)，0.2 ～0.95。

W和h用算例的相關(guān)參數(shù)，其乘積為2 000 kN·m，對(duì)于粉土、黏性土、濕陷性黃土等細(xì)顆粒土，強(qiáng)夯法的有效加固深度為5～6m［6］，即α取0.35～0.42。

筆者通過(guò)土體的豎向變形對(duì)有效影響深度進(jìn)行估算。圖6為第5次夯擊后，土體在對(duì)稱軸上以及距對(duì)稱軸 1.1，2.0，2.7，3.5m 處沿深度的豎向變形。可以看出:離夯坑越近，豎向變形越大;在對(duì)稱軸上(夯坑中心)，深度約一個(gè)夯錘半徑范圍內(nèi)，豎向變形基本相同，然后沿深度近似線性遞減;在水平方向從對(duì)稱軸到1倍夯錘半徑內(nèi)沿深度方向的豎向變形線基本重合，說(shuō)明夯坑底部形狀良好。

圖6 土體沿深度方向的豎向變形Fig.6 Vertical deformation along with depth direction

計(jì)算結(jié)果顯示，在8.7m深度處，2倍夯錘半徑范圍內(nèi)的豎向變形值約4.8 cm，因此可以認(rèn)為強(qiáng)夯的影響深度為8.7m。大量工程實(shí)踐表明有效加固深度和影響深度的比值變化范圍約為0.4 ～0.7［7］。本文算例若取有效加固深度和影響深度的比值為0.6，可以得到有效加固深度為5.22m，這與L.Menard公式的結(jié)果基本相同。因此，對(duì)于高填方地基，進(jìn)行分層填土加固時(shí)，要選取適當(dāng)?shù)姆謱雍穸?，才能得到滿意的加固效果。

1.4 單點(diǎn)加固范圍

強(qiáng)夯的單點(diǎn)加固范圍一般用加固半徑來(lái)表示，

式中:R為有效加固半徑，m;ν為表示壓縮波速度，m/s;β為土的能量吸收系數(shù)，根據(jù)土質(zhì)情況在0.01～0.125之間取值;k為大于1的系數(shù)，一般為3～5。

W和h用算例的相關(guān)參數(shù)，ν按相關(guān)資料建議值取650m/s，β取0.1，k取4，由公式(2)可以算得加固半徑為1.95m。該計(jì)算公式中的參數(shù)選取有較大的隨意性，比如土的能量吸收系數(shù)和k值，計(jì)算差異性較大。筆者通過(guò)分析不同深度處的豎向變形值來(lái)探討加固范圍的確定。

圖7為第5次夯擊后，土體距離地面0.55，1.1，2.0，2.7，3.5m 深度處沿水平方向的豎向變形圖。由圖可知，沿水平方向的豎向位移和夯坑形狀類似，隨著深度的增加，夯坑范圍內(nèi)豎向位移逐漸減小，3倍夯錘半徑范圍外土體的側(cè)向擠壓隆起也逐漸減小。深度3.5m，水平方向距夯坑中心1.7m處的豎向變形基本均在30 cm左右，因此可以認(rèn)為本文算例的單點(diǎn)加固半徑約為1.7m，這與公式(2)計(jì)算的1.95m接近，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果比較合理。強(qiáng)夯施工時(shí)的夯點(diǎn)間距應(yīng)根據(jù)單點(diǎn)加固范圍來(lái)確定，本文算例的夯點(diǎn)間距可采用4m×4m。加固半徑的計(jì)算公式［3］為:

圖7 沿水平方向的豎向變形Fig.7 Vertical deformation along with horizontal direction

2 結(jié)論

在文獻(xiàn)［4］的基礎(chǔ)上對(duì)強(qiáng)夯加固高填方飽和地基土的數(shù)值模擬作進(jìn)一步研究，探討用數(shù)值模擬方法確定強(qiáng)夯法施工參數(shù)，得出如下結(jié)論［8］:

1)根據(jù)程序計(jì)算結(jié)果繪制孔隙水壓力增量隨時(shí)間的變化曲線，根據(jù)曲線趨于恒定的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的夯擊次數(shù)，確定強(qiáng)夯的最佳夯擊次數(shù)，本文模型的最佳夯擊擊數(shù)為7擊。

2)根據(jù)程序計(jì)算結(jié)果繪制土體沿深度方向的豎向變形圖，確定強(qiáng)夯的有效影響深度，進(jìn)而確定土體的有效加固深度。

3)根據(jù)程序計(jì)算結(jié)果繪制土體沿水平方向的豎向變形圖，確定強(qiáng)夯的加固范圍，由此確定高填方地基強(qiáng)夯的夯點(diǎn)間距，本文算例的夯點(diǎn)間距為4m×4m。

4)在算例的第7次夯擊后，把間隙時(shí)間拉長(zhǎng)，根據(jù)孔隙水壓力的消散情況，可以確定強(qiáng)夯相鄰2遍的間歇時(shí)間。

［1］鄭穎人，陸新，李學(xué)志，等.強(qiáng)夯加固軟粘土地基的理論與工藝研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(1):18－22.

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［3］王鐵宏.新編全國(guó)重大工程項(xiàng)目地基處理工程實(shí)錄［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］周世良，龐博，鄭紅娟.強(qiáng)夯加固飽和地基土的數(shù)值模擬［J］.水運(yùn)工程，2009(4):140－146.

［5］高大釗.巖土工程的回顧與前瞻［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［6］龔曉南.地基處理手冊(cè)［M］.3版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［7］徐至鈞，張亦農(nóng).強(qiáng)夯和強(qiáng)夯置換法加固地基［M］.北京:機(jī)械工出版社，2004.

［8］鄭紅娟.高填方飽和地基土強(qiáng)夯處理數(shù)值模擬研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2008.