匡 健，李曉靜，張 巖，王明斌，劉又文

(1．廣東省建東工程監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 510500;2．山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南 250101;3．魯東大學 土木工程學院，山東 煙臺 264025;4．湖南大學 工程力學系，湖南 長沙 410082)

黃河泛濫影響的地區(qū)(簡稱黃泛區(qū))主要由黃河沖積而成，沉積物以粉土、粉質黏土為主，并夾有軟土，土層軟弱、孔隙比大、壓縮性高、結構松散、強度低，是工程建設的不良地基［1］。強夯法又稱動力固結法，能夠降低地基土層的壓縮性，提高地基土的強度，從而達到加固的效果［2-4］。

本文依托濱德高速公路工程，在之前現(xiàn)場試驗的基礎上，采用FLAC-3D分析對比了在填土荷載、工程完工后極限荷載和強夯3種工況作用下土體內部各點的沉降變形情況。通過本文的研究，能夠對黃泛區(qū)地基強夯的加固機理以及加固效果有更深入的理解，同時還能為黃泛區(qū)強夯施工參數(shù)的設計提供一定的參考依據(jù)。

1 工程概況

本文所依托的濱德高速公路位于山東省境內，途經寧津、陵縣、德州城區(qū)，路線所經地區(qū)地處黃河沖積區(qū)。該區(qū)域地勢平坦，沖積物主要為粉土、粉質黏土、粉細砂等，地下水位較淺，最淺的為0.2 m。

該區(qū)域普遍存在的粉土是一種具有特殊工程性質的土，它屬于低塑性土，一般70%以上的粒組為粉粒和細砂粒，比表面積不大，毛細現(xiàn)象突出。毛細壓力使土粒聯(lián)結在一起，呈現(xiàn)“假塑性”。粉土在動荷載作用下，易發(fā)生液化現(xiàn)象，會造成路基的不均勻沉降，甚至引發(fā)路面結構的損壞［5］。

根據(jù)前期現(xiàn)場試驗結果，可知該區(qū)域在填2.5 m厚的粉土后再進行強夯的效果要遠好于直接在地基表面進行強夯。故本文中所述的3種計算方案均模擬在填2.5 m厚的粉土后的情況。

2 計算模型的建立

本文采用了莫爾－庫倫彈塑性材料模型和空模型建立計算模型;采用靜力、動力和滲流等計算模式進行運算;利用FISH語言進行了模型建立及計算等編程。

2.1 計算范圍

計算模型范圍的選取考慮了以下2個方面的影響因素:①為了與實際工程相符，模型計算范圍在橫向和縱向上均按實際情況進行取值。模型長30.0 m，最上層為2.5 m厚的填土，其下各土層厚度分別按該路工程勘察報告中土層資料進行取值，最深取至第5層，模型總高為10.0 m。采用平面應變，寬取單位長度。②考慮到動力分析中，空間網(wǎng)格尺寸應該小于輸入波最高頻分量波長的八分之一到十分之一［6］。

2.2 邊界條件

模型的左右邊界為約束邊界，約束水平方向的位移;模型的底面為約束邊界，同時約束垂直與水平方向的位移，對于流體邊界，底面為不透水邊界。

2.3 模型力學參數(shù)

計算中土體采用的模型參數(shù)根據(jù)該路工程勘察報告。主要包括:體積模量 K、剪切模量 G、黏聚力C、內摩擦角φ、孔隙度 n，滲透系數(shù) k，泊松比 υ。而夯錘采用彈性模量，模型參數(shù)包括:體積模量K和剪切模量G［7］。

計算參數(shù)的選取綜合考慮了室內試驗結果及經驗值，具體數(shù)值如表1所示。

表1 計算參數(shù)

2.4 計算方案

本文主要探討不同荷載作用下路面地基的沉降問題。共設計了3套方案，計算模型如圖1～圖3所示。

方案1:路面地基在大面積填土后的沉降變形;

方案2:路面地基在工程完工后極限荷載作用下的沉降變形;

方案3:采用夯擊能為2 000 kN·m的強夯對填土后地基進行處理的地基沉降變形。

圖1 方案1—填土作用下模型

圖2 方案2—極限荷載作用下模型

圖3 方案3—強夯加固地基的模型

3 模型計算結果分析

3.1 方案1土體內豎向位移變化規(guī)律

圖4為在原地面填厚度為2.5 m粉土后，在填土壓力作用下，土體內部各層的沉降云圖。從圖4可以看出，在垂直方向上，隨著深度的增大，土體位移不斷減小。而在水平方向上，同一層土體在填土荷載作用下的沉降值相同。

圖4 方案1土體內部各層位移云圖(單位:m)

圖5為不同深度處土層位移隨著時步增大的變化情況。可以看出，填土荷載作用的影響深度基本小于原地面下6.5 m的范圍，即填土面下＜9.0 m的范圍。有效加固深度在原地面下 ＜4.0 m的范圍，即填土面下＜6.5 m的范圍。隨著計算時步的增大，影響范圍內土體的位移不斷增大。填土面和原地面上的位移增大最為明顯，分別為8.7 cm和4.8 cm。即在填土荷載作用下，已固結土層(原地面以下土層)的沉降最大達4.8 cm;所填 2.5 m 厚粉土的沉降為 3.9 cm，占本方案總沉降的48%。

圖5 方案1不同深度土體內豎向位移時程曲線

3.2 方案2土體內豎向位移變化規(guī)律

方案2主要模擬分析填土荷載、路面荷載和車輛荷載等綜合作用下，土體的最終沉降問題。在模擬過程中，填土和路面荷載均按該路的巖土工程勘察報告和本研究設計方案有關參數(shù)進行取值，兩者之和按70 kPa進行取值，車輛荷載則保守取大值。所有荷載之和按150 kPa進行計算。

圖6為在150 kPa綜合荷載作用下，土體內部各層的沉降云圖?？梢钥闯?，在垂直方向上，隨著深度的增大，土體位移不斷減小。而在水平方向上，同一層土體在填土荷載作用下其沉降值相同。

圖6 方案2土體內部各層位移云圖(單位:m)

圖7為不同深度處土層位移隨著時步增大的變化情況。從圖中可以看出，填土荷載作用的影響深度基本小于原地面下6.5 m的范圍，即填土面下 ＜9.0 m的范圍，在該深度范圍產生的最大沉降為2.0 cm。而有效加固深度為原地面下 ＜4.0 m的范圍，即填土面下＜6.5 m的范圍，在該位置產生的最大沉降達9.2 cm，占地基面總沉降(49.0 cm)的18.8%，其數(shù)值和所占總沉降的比重均較大。

圖7 方案2下不同深度土體內豎向位移時程曲線

隨著計算時步的增大，影響范圍內土體的位移不斷增大。在150 kPa綜合荷載作用下，地基面的最終位移將達到49.0 cm，原地面的最終位移將達到20.6 cm。即在150 kPa綜合荷載作用下，已固結土層(原地面以下土層)的沉降將占總沉降的42%;所填2.5 m厚度粉土的沉降為總沉降的58%。

3.3 方案3土體內豎向位移變化規(guī)律

該方案采用2 000 kN·m夯擊能強夯加固填土地基，分析強夯處理后地基的沉降變形規(guī)律。

圖8為土體在強夯過程中內部各點位移的分布情況。可以看出，土體在強夯作用過程中的位移為橢球狀。橢球的長半軸平行于夯錘中軸線，顯示了夯擊作用下，豎直向位移的增大現(xiàn)象明顯。沿著橢球短半軸方向可以看出，橢球邊界點在與短半軸相交部位的位移最大，顯示了該點相比其縱向各點在夯擊壓縮波和剪切波作用下的顆粒壓縮現(xiàn)象最為明顯;而與之同一縱剖面的表層(夯錘周邊)各點在夯擊過程中出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象，隆起量受邊界點的土體性質、離夯錘的距離大小等因素的影響。本模擬過程中由于夯錘周邊表層模型網(wǎng)格被反射波拉至破壞等原因，出現(xiàn)較實際偏大的隆起。

圖8 方案3土體內部各層位移云圖(單位:m)

圖9則顯示了沿夯錘中軸線不同深度處土層位移隨著時步增大的變化情況。從圖中可以看出，夯擊作用的影響深度基本小于原地面下6.5 m的范圍，即填土面下＜9.0 m的范圍，在該深度范圍產生的最大沉降為1.0 cm。而加固深度為原地面下 ＜4.0 m的范圍，即填土面下＜6.5 m的范圍，在該位置產生的最大沉降達 11.5 cm。

圖9 方案3錘底中心下不同深度土體內豎向位移時程曲線

隨著計算時步的增大，影響范圍內土體的位移不斷增大。在綜合荷載作用下，地基面的最終位移將達到47.9 cm，圖9中顯示的3.0 cm左右的回彈可能由于模擬過程中填土區(qū)結構單元的變形所致。原地面的最終位移將達到15.12 cm。夯擊作用下，主要加固區(qū)(填土面下 ＜6.5 m的范圍)的沉降達到 36.4 cm，占總沉降的76%;填土面下6.5～9.0 m范圍的沉降達到10.5 cm，占總沉降的22%(比其它兩種方式大)。

圖10顯示了同一地面深度下(填土面下4 m的范圍)，離夯錘中心不同距離處位移隨時步的變化情況。在夯擊作用下，離夯錘中心6.5 m位置的最終沉降為4.0 cm。所以夯擊作用下，該深度的水平影響距離在6.5 m左右?？梢源俗鳛閺姾皇┕?shù)設計的依據(jù)［8-10］。

圖10 方案3距錘底中心下不同深度土體內豎向位移時程曲線

上述結果顯示了夯擊作用下對土體位移的消除情況，并通過模擬預測了預定荷載為150 kPa時土體的位移情況。通過兩者的對比可以看出，夯擊作用基本可以消除預定荷載下土體位移的97.8%，工后沉降約為 4.1 cm(見表 2)。

此外，數(shù)值模擬夯擊作用總位移與之前現(xiàn)場試驗后實測土體總沉降基本相近，但小于實測值(實測為53 cm)。模擬數(shù)值偏小可能源于對夯擊的模擬與實際情況有所差異、參數(shù)取值與實際參數(shù)有所差異。這表明，實際夯擊位移大于模擬結果，由此夯擊作用對預定荷載(150 kPa)下總位移的消除作用將更為明顯，或消除超過100%。

表2 3種方案結果的對比分析

4 結論

1)在填土荷載(方案1)和工后極限荷載(方案2)作用下，在垂直方向上，隨著深度的增大，土體位移不斷減小。而在水平方向上，同一層土體的沉降值相同。土體在強夯作用(方案3)過程中的位移為橢球狀，說明在夯擊作用下，豎直向位移的增大現(xiàn)象明顯。

2)填土荷載(方案1)、工后極限荷載(方案2)以及強夯作用(方案3)下，影響深度主要在填土面下約9.0 m的范圍，有效加固深度在填土面下約6.5 m范圍。就各層沉降占總沉降的比例而言，強夯作用下，填土面下6.5～9.0 m 范圍的沉降達到 10.5 cm，占總沉降的22%，大于其他兩種方式，說明強夯的影響深度較大。同時，根據(jù)Menard公式，計算得該區(qū)域強夯有效加固深度系數(shù)α=0.145。

3)2 000 kN·m夯擊能作用下，基本可以消除預定荷載下土體位移的97.8%，甚至可能超過100%。同時，在填土面下4.0 m處，夯擊作用的水平影響距離約為6.5 m?？梢源俗鳛閺姾皇┕?shù)設計的依據(jù)。

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