劉憲慶 楊 帆 辜文杰 朱建凱 陳金鋒 徐艷玲

(1.后勤工程學(xué)院，重慶 401311； 2.重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015)

強(qiáng)夯沖擊荷載作用下山區(qū)填土地基的應(yīng)力與位移分析★

劉憲慶1楊 帆2辜文杰1朱建凱1陳金鋒1徐艷玲1

(1.后勤工程學(xué)院，重慶 401311； 2.重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015)

利用ABAQUS有限元軟件，建立了計(jì)算分析模型，對(duì)重慶山區(qū)典型填土地基的強(qiáng)夯應(yīng)力、位移進(jìn)行了模擬分析，指出在相同的夯擊能下，夯錘重量越大，其接觸土體時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力呈降低的趨勢(shì)，最大夯沉量以及夯后土體回彈量呈增加的趨勢(shì)，夯坑隆起量變化不大；采用重錘低落距的強(qiáng)夯效果優(yōu)于輕錘高落距。

填土地基，強(qiáng)夯法，應(yīng)力，豎向位移

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，城市化進(jìn)程不斷加快，土地資源緊張的矛盾日益突出，可用于建設(shè)的場(chǎng)地空間也變得越來(lái)越狹窄。重慶作為西南地區(qū)重要的中心城市，在城市規(guī)?；_(kāi)發(fā)的過(guò)程中，需要大規(guī)模的開(kāi)山填谷，其建筑的地基主要有兩類：第一類為已填筑的地基，多為爆破山體、建筑垃圾、工業(yè)礦渣等組合填筑而來(lái)，具有填土厚度、顆粒大小不均勻以及填筑成分變化大、填筑時(shí)間長(zhǎng)短不一等特點(diǎn)；另一類為邊填邊施工的地基，一般為就近爆破山體而成的巖土體作為填料，具有填土厚度、顆粒粒徑大小可控，成分固定以及填筑時(shí)間較短的特點(diǎn)[1]。強(qiáng)夯法從問(wèn)世至今，具有能級(jí)高、沖擊力大、影響深度大、設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便、節(jié)省勞動(dòng)力、工期短等特點(diǎn)[2]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)民用建筑、倉(cāng)庫(kù)、道路和鐵路路基、飛機(jī)跑道以及碼頭等結(jié)構(gòu)中，特別適合于砂性土、粉土、黃土、回填土、雜填土等的加固[3]。

由于被加固土體的復(fù)雜多樣性以及強(qiáng)夯加固地基的機(jī)理和設(shè)計(jì)目前沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)夯的施工參數(shù)的確定和檢驗(yàn)強(qiáng)夯加固效果的方法都沒(méi)有準(zhǔn)確的法則，看似簡(jiǎn)單的強(qiáng)夯施工的工程實(shí)踐遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其理論研究，如何評(píng)價(jià)加固效果以及確定影響加固效果的因素都很難形成統(tǒng)一的共識(shí)。筆者采用ABAQUS對(duì)重慶地區(qū)某工程填土地基的強(qiáng)夯施工的應(yīng)力和位移進(jìn)行分析，為山區(qū)此類填方地基的強(qiáng)夯施工參數(shù)提供參考和依據(jù)。

1 分析模型建立

1.1 計(jì)算模型

擬建場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)為上覆第四紀(jì)人工填土層、坡殘積粉土層、下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂質(zhì)泥巖、泥巖互層，素填土上部松散、下部稍密，厚度約為0.10 m～15.69 m；粉質(zhì)粘土無(wú)光澤，干強(qiáng)度、韌性中等，厚度約為1.0 m～3.0 m；砂質(zhì)泥巖由粘土礦物組成，粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚度約為0.20 m～8.95 m；砂巖粗粒結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)[4]。根據(jù)強(qiáng)夯的設(shè)計(jì)技術(shù)要求結(jié)合建筑場(chǎng)地的復(fù)雜程度以及建筑類型，選取一塊代表性的區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)，其平面尺寸為40.0 m×40.0 m，土層厚度選擇素填土8.0 m，粉質(zhì)粘土2.0 m，砂質(zhì)泥巖層5.0 m，總厚度為15.0 m，通過(guò)ABAQUS建立計(jì)算模型。為了較好的模擬強(qiáng)夯沖擊荷載作用下的應(yīng)力波在土體中的傳播，一階單元往往比較優(yōu)于二階單元，單元類型選用C3D8R，在劃分網(wǎng)格時(shí)，為了精確的模擬夯錘和土體的作用，夯錘中心兩倍夯錘范圍內(nèi)的網(wǎng)格尺寸設(shè)定為0.1 m，其余區(qū)域的網(wǎng)格尺寸設(shè)定為1.0 m，豎向網(wǎng)格尺寸為0.2 m，遠(yuǎn)離夯錘的邊界固定其水平位移，土層底部固定其豎向位移。

表1 土層參數(shù)

1.2 本構(gòu)模型的選取

在進(jìn)行強(qiáng)夯模擬的過(guò)程中，夯錘一般是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，其在強(qiáng)夯的過(guò)程中由于其剛度遠(yuǎn)大于被夯材料，所以在ABAQUS/Explicit顯式動(dòng)力分析中，將夯錘簡(jiǎn)化為剛性體模型，其密度為7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011MPa，泊松比為0.3；土層參數(shù)如表1所示，土體模型采用Dracker-Prager理想彈塑性本構(gòu)模型，在實(shí)際參數(shù)輸入中將Mohr-Coulomb彈塑性模型的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)镈racker-Prager理想彈塑性本構(gòu)模型的參數(shù)[5]。

1.3 強(qiáng)夯沖擊荷載選取

一次完整的強(qiáng)夯過(guò)程是提升夯錘到一定高度，夯錘自由下落到被夯點(diǎn)，以一定的初速度沖擊下部土體，夯錘速度在很短的時(shí)間內(nèi)(大約0.04 s～0.2 s)衰減到0，由動(dòng)量定理可得，該過(guò)程產(chǎn)生的沖擊力可達(dá)到夯錘重量的幾十倍，土體被瞬間壓縮，而后土體產(chǎn)生一定的回彈，此時(shí)只有夯錘靜力荷載作用于土體上，相對(duì)于強(qiáng)夯過(guò)程產(chǎn)生的沖擊荷載，其靜力荷載可以忽略不計(jì)。已有的研究表明，強(qiáng)夯的沖擊過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力波只有一個(gè)尖峰，其瞬時(shí)沖擊荷載可以簡(jiǎn)化為半正弦函數(shù)或三角形函數(shù)的形式，如圖1所示，這種方法是通過(guò)強(qiáng)夯作用力隨時(shí)間的變化作為加載條件來(lái)模擬沖擊荷載；本文采用第二種加載的形式，即根據(jù)夯錘的落距，計(jì)算出夯錘和土層接觸時(shí)的初速度，設(shè)定夯錘和土的接觸類型并加載。

本文模擬夯錘第一次夯擊土體，單機(jī)夯擊能為3 000 kN·m，夯錘重量分別為25 t，20 t，16.7 t，其夯錘落距分別為12 m，15 m和18 m，計(jì)算所得的夯錘接觸上層土?xí)r的初速度分別為v25=15.34 m/s，v20=17.15 m/s，v16.7=18.78 m/s，設(shè)置接觸為主從面面接觸的形式，為了保證產(chǎn)生的應(yīng)力波的消散，將計(jì)算時(shí)間設(shè)定為1.0 s。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)夯豎向應(yīng)力分析

圖2～圖4分別為25 t，20 t和16.7 t夯錘作用下產(chǎn)生最大應(yīng)力時(shí)的Mises應(yīng)力云圖，圖5為土體中心點(diǎn)處的接觸應(yīng)力隨夯錘作用時(shí)間的變化曲線。從圖2～圖4對(duì)比圖5的結(jié)果可以看出，在相同的夯擊能下，夯錘重量越大，接觸應(yīng)力幅值和接觸時(shí)間隨著夯錘重量的增大呈增大的趨勢(shì)，原因是，從劉惠珊的研究結(jié)果可以得到[6]，接觸時(shí)間和落距與單擊夯沉量的比值呈反比的關(guān)系，夯錘越重，落距越小，夯沉量越大，其比值越小，接觸時(shí)間越長(zhǎng)；由動(dòng)量定理可知，在相同的夯擊能下和接觸時(shí)間時(shí)，夯錘越重，其產(chǎn)生的動(dòng)量越大，接觸沖擊力越大，產(chǎn)生的接觸應(yīng)力幅值越大。

圖6～圖8分別為25 t，20 t和16.7 t夯錘作用下產(chǎn)生最大夯沉量時(shí)的豎向位移云圖，圖9～圖11為土體中心點(diǎn)、中心點(diǎn)下分別為2.0 m，4.0 m，6.0 m處的豎向位移隨夯擊時(shí)間的變化曲線。從圖6～圖8可以看出，隨著夯錘重量的增加，其最大夯沉量呈增加的趨勢(shì)，25 t，20 t，16.7 t夯錘產(chǎn)生的最大夯沉量分別為0.813 m，0.771 m和0.720 m；從圖9～圖11可以看出，夯沉量隨著土層厚度的增加呈下降的趨勢(shì)；在夯沉量達(dá)到最大時(shí)，夯坑底部存在土體回彈現(xiàn)象，25 t，20 t，16.7 t夯錘夯擊回彈量分別為0.088 m，0.080 m，0.073 m，隨著夯錘重量的增加而增加。

2.2 強(qiáng)夯豎向位移沿徑向變化規(guī)律分析

圖12～圖14為夯錘重量分別為25 t，20 t和16.7 t在夯坑深度最大、夯坑隆起量最大和模擬夯擊結(jié)束時(shí)的隨距離土體中心點(diǎn)距離，圖15為不同夯錘下在夯坑隆起量最大時(shí)其豎向位移沿徑向的變化曲線。從圖12～圖14可以看出，由于夯錘的半徑為1.25 m，夯坑隆起量隨離夯錘的距離增加而下降，且在大約距離夯錘0.5 m處達(dá)到最大值；在產(chǎn)生最大隆起量之后到夯擊結(jié)束，其隆起量變化不大。從圖15可以看出，隆起量隨著夯錘重量的增加其幅值變化不大。

3 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)ABAQUS對(duì)山區(qū)填土地基強(qiáng)夯的強(qiáng)夯應(yīng)力、豎向位移沿著豎向和徑向的變化規(guī)律進(jìn)行了分析：在相同的夯擊能下，夯錘重量越大，其接觸土體時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力呈降低的趨勢(shì)，最大夯沉量以及夯后土體回彈量呈增加的趨勢(shì)，夯坑隆起量變化不大；采用重錘低落距的強(qiáng)夯效果優(yōu)于輕錘高落距。

[1] 陸 新.強(qiáng)夯法處理軟土與高填方地基技術(shù)研究與工程應(yīng)用[D].重慶：后勤工程學(xué)院，2005.

[2] 劉艷萍，杜克勤，姚洪波.強(qiáng)夯法施工對(duì)周圍物體產(chǎn)生的振動(dòng)影響[J].河南水利與南水北調(diào)，2009(8)：173.

[3] 趙文貴.強(qiáng)夯法在山區(qū)塊石拋填地基處理中的應(yīng)用[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013,12(1)：52-53.

[4] 阮 維.強(qiáng)夯法在山區(qū)塊石填方工程中的應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

[5] 鄭穎人,孔 亮.巖土塑性力學(xué)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[6] 劉惠珊，饒志華.強(qiáng)夯置換的設(shè)計(jì)方法與參數(shù)[J].地基基礎(chǔ)工程，1996，6(2)：6-13.

Analysis of stress and displacement of mountain filled foundation under dynamic compaction impact loading★

Liu Xianqing1Yang Fan2Gu Wenjie1Zhu Jiankai1Chen Jinfeng1Xu Yanling1

(1.LogisticsEngineeringSchool,Chongqing401311,China; 2.ChongqingDesignInstitute,Chongqing400015,China)

Using the ABAQUS finite element software, this paper established the calculation analysis model, simulated and analyzed the compaction stress and displacement of Chongqing area typical filled foundation, pointed out that in the same tamping energy, the greater of hammer weight, the stress of contact soil decreased, the maximum settlement and after compaction soil rebound increased, the tamping pit uplift volume changed little, the dynamic compaction effect using strong hammer low distance better than light hammer high drop distance.

filled foundation, dynamic compaction method, stress, vertical displacement

1009-6825(2017)02-0079-04

2016-11-07★：重慶市建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目(城科字2014年09-2號(hào))；后勤工程學(xué)院青年基金(YQ16-420502)

劉憲慶(1986- ),男，博士，講師

TU431

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