滕前良,胡潤(rùn)忠,李 翔
(重慶市市政設(shè)計(jì)研究院,重慶 400020)
以上研究者分別采用了理論法、有限元法、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法對(duì)強(qiáng)夯加固范圍進(jìn)行了研究,但對(duì)強(qiáng)夯加固效果、機(jī)理等準(zhǔn)備評(píng)價(jià)仍然較難。筆者采用有限元?jiǎng)恿Ψ治龇椒?,建立二維簡(jiǎn)化模型對(duì)強(qiáng)夯加固機(jī)理、位移、應(yīng)變、應(yīng)力特性進(jìn)行分析,進(jìn)一步準(zhǔn)備確定強(qiáng)夯影響范圍及最佳錘擊次數(shù)。
系統(tǒng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程如式(1):
(1)
采用Newmark積分法求解式(1),得:
(2)
(3)
式中:α,β為假定中的兩個(gè)參數(shù),當(dāng)α≥0.25(β+0.5)2,β≥0.5時(shí),是無(wú)條件穩(wěn)定的,本計(jì)算取α=0.25,β=0.5。
聯(lián)立求解式(2)、式(3)得到:
(4)
(5)
將式(4)、式(5)代入式(6)(t1+Δt)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方程:
{Pt1+Δt}
(6)
得到:
(7)
2);α6=(1-β)Δt;α7=βΔt;β≥0.5α≥0.25(β+0.5)2。
基于以上推導(dǎo),可以通過(guò)Newmark積分法建立本次計(jì)算量與下一時(shí)間量的遞推關(guān)系,從而進(jìn)行計(jì)算。
數(shù)值計(jì)算分析模型如圖1,其中地基土深度為20 m,寬度為20 m,采用Drucker-Prager模型,將動(dòng)力荷載施加位置網(wǎng)格單元加密。假設(shè)地基土為各向同性的均質(zhì)地基,將強(qiáng)夯夯錘作用于地基土上的應(yīng)力簡(jiǎn)化為均布荷載,不考慮地下水位及含水量變化的影響。
圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model
為了更好地反應(yīng)強(qiáng)夯作用的效果,地基土材料參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合選取,地基土容重取20 kN/m3,泊松比取0.4,彈性模量取30 MPa,黏聚力取30 kPa,摩擦角取25°。
根據(jù)典型工況的強(qiáng)夯過(guò)程,夯錘落高為5 m,夯錘直徑為2 m,夯錘重量為100 kN,沖擊時(shí)間為1.86×10-2s,σmax取1.9 MPa。
通過(guò)施加沖擊力來(lái)模擬強(qiáng)夯法施工,強(qiáng)夯過(guò)程如圖2,其中強(qiáng)夯作用時(shí)間和間隙時(shí)間均為1.86×10-2s。
圖2 強(qiáng)夯過(guò)程Fig.2 Consolidation process
圖3為計(jì)算所得夯坑變形。圖4為夯擊過(guò)程中土體不同節(jié)點(diǎn)豎向位移。
圖3 夯坑Fig.3 Ram pit
1#節(jié)點(diǎn)—夯坑中心點(diǎn);2#節(jié)點(diǎn)—為夯坑邊界點(diǎn);57#、45#、310#、303#節(jié)點(diǎn)—分別為夯坑中心地面下1.6,3.9,6.0,12.5 m的點(diǎn)
由1#、2#、57#節(jié)點(diǎn)豎向位移曲線可以看出,豎向位移隨強(qiáng)夯過(guò)程呈波浪型,每次夯擊力增加段其位移增加較快,夯擊力減小段,其彈性變形逐漸恢復(fù)使其豎向變形減小,但由于節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一定的塑性變形,所以當(dāng)沖擊力減小為0時(shí),節(jié)點(diǎn)仍發(fā)生一定程度的豎向變形,即工程表現(xiàn)出的永久塑性變形。豎向位移隨強(qiáng)夯次數(shù)的增加而快速增加,之后減小,其臨界錘擊次數(shù)為6次,即當(dāng)錘擊次數(shù)達(dá)到6次時(shí)所有節(jié)點(diǎn)的沉降變形達(dá)到最大值,由此可知該工況下,最佳的錘擊次數(shù)為6次。比較夯坑中心點(diǎn)1#節(jié)點(diǎn)和邊界點(diǎn)2#節(jié)點(diǎn)的豎向位移可以看出,兩者的位移變化趨勢(shì)基本一致,但中心點(diǎn)的位移略大于邊界點(diǎn)。隨著地基土深度的加深,其豎向位移曲線趨于平緩,且深層土主要表現(xiàn)為單純的豎向變形,幾乎沒(méi)有卸載回彈變形,也即深層土受沖擊荷載作用的影響減小。
圖5為第10次錘擊完的節(jié)點(diǎn)位移等值線。從圖5(a)豎向位移等值線可以看出,在強(qiáng)夯動(dòng)力荷載作用下,土體的豎向變形主要集中在夯坑區(qū)域,隨著深度的增加,夯坑等豎向應(yīng)變呈現(xiàn)一種擴(kuò)大趨勢(shì),與荷載產(chǎn)生的應(yīng)力泡表現(xiàn)形式基本一致。隨著土體深度的加大,強(qiáng)夯對(duì)土體作用的豎向變形逐漸減弱,在深度大于10 m后,地基變形主要是由自重力引起的豎向變形。豎向位移為10 cm的區(qū)域面積為3.63 m(寬)×5.45 m(深)= 19.81 m2(F等勢(shì)線),也即影響寬度約為2D,影響深度約為2.5D(D為夯錘直徑)。由圖5(b)水平位移等值線可以看出,夯坑水平位移主要表現(xiàn)為由夯錘中心點(diǎn)向夯坑兩側(cè)擠出變形。側(cè)向變形數(shù)值較小,但影響范圍較大,計(jì)算的最大側(cè)向位移為4 cm,位于夯坑周邊區(qū)域。
圖5 位移等值線Fig.5 Displacement contour
圖6為第10次錘擊完的應(yīng)變等值線,從圖6可以看出,地基土產(chǎn)生的彈性應(yīng)變較小約為2%,多次沖擊產(chǎn)生的累計(jì)的塑性應(yīng)變?yōu)?0.5%,塑性應(yīng)變占總應(yīng)變的85%。彈性應(yīng)變區(qū)域主要集中在地基以下與水平方向呈60°的應(yīng)變區(qū)域。而塑性應(yīng)變主要集中在夯坑周邊區(qū)域,其深度大大小于彈性應(yīng)變發(fā)生深度。以塑性應(yīng)變5%為塑性應(yīng)變集中區(qū)域界限,其所對(duì)應(yīng)的深度為3.63 m。
圖6 應(yīng)變等直線Fig.6 Strain contour
圖7為第10次錘擊完的應(yīng)力等值線。從圖7(a)豎向應(yīng)力等值線可以看出,強(qiáng)夯作用產(chǎn)生的豎向應(yīng)力主要集中在夯錘作用范圍下的區(qū)域,并隨著土體深度增加影響范圍擴(kuò)大,但數(shù)值減小。從圖7(b)剪應(yīng)力等值線可以看出,其沖擊荷載作用下產(chǎn)生的剪應(yīng)力分布范圍基本與彈性應(yīng)變分布一致,在地基下與水平方向呈60°。
圖7 應(yīng)力等值線Fig.7 Stress contour
圖8為第10次錘擊完的夯錘中心線附加應(yīng)力沿深度的分布曲線。從圖8可知,在夯錘作用下,附加應(yīng)力增加最大的區(qū)域集中在地基面下2.0 m左右的范圍;2.0 ~5.5 m深度地基附加應(yīng)力隨深度增加呈線性快速衰減;5.5 m之后呈拋物線緩慢衰減。
圖8 附加應(yīng)力Fig.8 Additional stress
以上的計(jì)算分析表明,在強(qiáng)夯作用下地基主要表現(xiàn)為豎向變形,同時(shí)由于側(cè)向擠出作用,一般在夯坑中產(chǎn)生一定的側(cè)向隆起變形。在每次夯擊過(guò)程中土體表現(xiàn)為一定程度的彈性和塑性變形,其中塑性變形占總變形的85%。
1)對(duì)于一般地基,最佳強(qiáng)夯錘擊次數(shù)為6次,之后再增加錘擊數(shù)效果不明顯。
2)對(duì)于一般地基,以10 cm為變形控制指標(biāo),得到強(qiáng)夯寬度約為2倍夯錘直徑,影響深度約為2.5倍夯錘直徑。
3)強(qiáng)夯地基變形主要是發(fā)生塑性變形,其中塑性應(yīng)變占總應(yīng)變的85%,由此可知強(qiáng)夯加固地基主要是從減小地基塑形應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)加固地基的目的。
4)在不均勻地基的強(qiáng)夯作用過(guò)程中,強(qiáng)夯能量將主要集中在地基條件較為薄弱的部位,這些部位的變形和應(yīng)變最大,因此采用強(qiáng)夯處治地基不均勻沉降將取得良好的工程效果。
[1] 趙華新,凌敏.強(qiáng)夯法研究現(xiàn)狀分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,32(10):1606-1610.
Zhao Huaxin,Ling Min.Review of current research on dynamic consolidation [J].Journal of Hefei University of Technology:Natural Science, 2009,32(10): 1606-1610.
[2] 周世良,王江,張明強(qiáng).強(qiáng)夯加固機(jī)理研究現(xiàn)狀及展望[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2006,25(1):65-70.
Zhou Shiliang,Wang Jiang,Zhang Mingqing.The actuality and prospect of the mechanism research in dynamic consolidation [J].Journal of Chongqing Jiaotong University, 2006, 25(1): 65-70.
[3] 包旭范,高強(qiáng),周順華,等.強(qiáng)夯加固軟土地基機(jī)理的有限元分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2005,26(2):8-14.
Bao Xufan,Gao Qiang, Zhou Shunhua,et al.Finite element analysis for mechanism on foundation stabilization of soft clay by dynamic compaction method [J].China Railway Science, 2005, 26(2): 8-14.
[4] 張峰.碎石土的強(qiáng)夯模型試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué),1992,8(3):25-28.
Zhang Feng.Model test research on rock filling by dynamic compaction [J].Building Science,1992, 8(3): 25-28.
[5] 張平倉(cāng),汪稔.強(qiáng)夯法施工實(shí)踐中加固深度問(wèn)題淺析[J].巖土力學(xué),2000,21(1):76-80.
Zhang Pingcang,Wang Ren.A study of dynamic consolidation depth in engineering practice [J].Rock and Soil Mechanics,2000, 21(1): 76-80.
[6] 費(fèi)香澤,王釗,周正兵.強(qiáng)夯加固深度的試驗(yàn)研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版,2002,34(4):56-59.
Fei Xiangze,Wang Zhao,Zhou Zhengbing.Model test of improvement depth of dynamic compaction [J].Journal of Sichuan University: Engineering Science,2002,34(4):56-59.
[7] 吳銘炳.強(qiáng)夯加固范圍的計(jì)算[J].工程勘察,1990(3):1-5.
Wu Mingbing.Calculation of dynamic consolidation scope [J].Geotechnical Investigation & Surveying, 1990(3): 1-5.
[8] 楊建國(guó),彭文軒,劉東燕.強(qiáng)夯法加固的主要設(shè)計(jì)參數(shù)研究[J].巖土力學(xué),2004,25(8):1335-1339.
Yang Jianguo,Peng Wenxuan,Liu Dongyan.Research of choosing tamping factors for dynamic consolidation method [J].Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(8): 1335-1339.
[9] 牛志榮,楊桂通.沖擊荷載下土體位移特征研究[J].巖土力學(xué),2005,26(11):1743-1748.
Niu Zhirong,Yang Guitong.Studies on the displacement of soils subjected to the impact loading [J].Rock and Soil Mechanics,2005, 26(11): 1743-1748.
[10] 趙煉恒,李亮,何長(zhǎng)明,等.土石混填路堤強(qiáng)夯加固范圍研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2008,21(1):12-18.
Zhao Lianheng,Li Liang,He Changming,et al.Study of reinforcement area of dynamic compaction in soil-stone material embankment [J].China Journal of Highway and Transport, 2008, 21(1):12-18.