楊建平

(福建省華廈能源設(shè)計研究院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

強(qiáng)夯法是將重錘從高處自由落下，通過重錘自身的重力所產(chǎn)生的沖擊力來對巖土體進(jìn)行擊實的一種方法。由于強(qiáng)夯法適用范圍較廣，且具有工期較短、造價相對較低、施工器械較為簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地基處理中，眾多學(xué)者都對強(qiáng)夯法進(jìn)行了研究。閆吉成等[1]采用ABAQUS軟件模擬了強(qiáng)夯法在粉土地基中的應(yīng)用，并研究了夯擊次數(shù)、夯擊能、落距和水位等對強(qiáng)夯加固效果的影響。李成[2]基于MIDAS GTS/NX有限元程序?qū)?qiáng)夯處理回填砂土地基加固效果進(jìn)行了三維有限元模擬研究，并對強(qiáng)夯設(shè)計的主要因素進(jìn)行了分析，結(jié)論表明，夯擊能與有效加固深度在一定范圍內(nèi)是成正相關(guān)線性關(guān)系；周亮[3]采用離散元法(PFC軟件)對軟粘土地基的強(qiáng)夯加固效果進(jìn)行模擬研究，研究中采用了多種夯錘落距工況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最優(yōu)夯擊效果時的落距為8m和12m；張雨等[4]將強(qiáng)夯法應(yīng)用于機(jī)場地基處理；劉永壘[5]將強(qiáng)夯法應(yīng)用于濕陷性黃土路基處理中，并采用數(shù)值模擬對處理效果進(jìn)行了預(yù)測。以上這些研究成果都表明，強(qiáng)夯法在地基處理中具有廣泛適用性，同時也驗證了數(shù)值計算手段在強(qiáng)夯研究中具有一定可行性，能夠通過數(shù)值模擬對強(qiáng)夯的工作原理和效果進(jìn)行更為深入而形象的分析。

本文以某工程為例，首先對其回填土地基處理工程進(jìn)行了簡要介紹，而后采用大變形通用有限元程序LS-DYNA對強(qiáng)夯法在該地基處理中的應(yīng)用進(jìn)行模擬分析，以便通過數(shù)值計算手段預(yù)測變形效果，以期為強(qiáng)夯設(shè)計的優(yōu)化提供一定參考借鑒，避免工程上不必要的浪費(fèi)。

1 工程案例

1.1 場地概況

某工程場地位于泉州市豐澤區(qū)，總用地面積10 870.7m2。采用“開山填谷”方式創(chuàng)造建設(shè)場地，場地由素填土堆填而成，填料主要由粘性土、碎塊石、建筑垃圾等組成，最大堆填厚度約為7m，其中碎塊石含量10～20%，塊石巖性主要為中風(fēng)化花崗巖，呈塊狀和棱角狀，粒徑大小不一，一般為0.3m～1.0m。由于堆填時該層未經(jīng)分層夯實，呈松散～稍密狀，成分及密實度不均，強(qiáng)度低，工程性能差，承載力特征值為70kPa，需進(jìn)行加固處理。綜合考慮工程適用性、造價、周期等，擬采用強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理。

1.2 強(qiáng)夯法處理地基初步方案

按照一般工程經(jīng)驗，強(qiáng)夯的初步方案大致為兩遍點(diǎn)夯、一遍滿夯，處理深度為7m，其中：

第一遍點(diǎn)夯設(shè)計參數(shù)：①能級：3000kN·m;②點(diǎn)夯間距：6m×6m正方形;③擊數(shù)：9擊;④收錘標(biāo)準(zhǔn)：夯坑達(dá)2m或夯擊達(dá)到9擊;⑤錘重：20t，落距15m。

第二遍點(diǎn)夯設(shè)計參數(shù)：①能級：3000kN·m;②點(diǎn)夯間距：6m×6m正方形;③擊數(shù)：9擊;④收錘標(biāo)準(zhǔn)：最后兩擊平均夯沉量不大于5cm;⑤錘重：20t，落距15m。

滿夯主要設(shè)計參數(shù)：①能級：1500kN·m;②擊數(shù)：4擊;③點(diǎn)夯間距：相互搭接30%錘面積;④錘重：20t，落距7.5m。

2 強(qiáng)夯處理地基的有限元模擬

2.1 有限元模型的建立

在LS-DYNA有限元程序中建立夯錘模型和土體場地模型(圖1)。限于篇幅，本研究僅模擬第一遍點(diǎn)夯中的單點(diǎn)多次夯擊過程。場地模型厚度14m，為填土厚度的兩倍，完全可以滿足一次夯擊的影響范圍需求；模型長度20m。由于強(qiáng)夯具有對稱性，為了節(jié)約計算時間，只建立半個模型，如圖1所示，寬為10m。

圖1 有限元模型(半模型)

模型中的夯錘和土體，都采用六面體單元劃分，共計22 421個單元和25 029個節(jié)點(diǎn)。模型底部和四周設(shè)置了無反射邊界，以便讓強(qiáng)夯沖擊荷載產(chǎn)生的應(yīng)力波能夠向外傳播，以實現(xiàn)用有限大的模型范圍模擬無限大的巖土體地基。

落錘與土體之間定義了摩擦接觸關(guān)系，以真實模擬落錘與巖土體的相互作用。

2.2 材料本構(gòu)的選取

由于夯錘采用剛體就可以較為合理地模擬實際情況，本研究采用LS-DYNA中的莫爾庫倫本構(gòu)模型(Mohr-Coulomb model)模擬回填土，以較為準(zhǔn)確地把握土體的力學(xué)性能。根據(jù)勘察報告和室內(nèi)外試驗結(jié)果，土體本構(gòu)計算參數(shù)如表1所示。

表1 土體的Mohr-Coulomb本構(gòu)參數(shù)表

2.3 強(qiáng)夯荷載的施加

2.4 結(jié)果分析

2.4.1土體等效應(yīng)變

圖2為不同夯擊次數(shù)下土體等效應(yīng)變的發(fā)展過程。由圖2可以看出，隨著夯擊數(shù)的增加，土體等效應(yīng)變逐漸從表層土體向深層和四周擴(kuò)散，并且夯錘底部的土體等效應(yīng)變值最大，以此為中心沿著四周方向等效應(yīng)變逐漸減少，等效應(yīng)變大體上呈現(xiàn)半球形分布。到達(dá)一定范圍后，等效應(yīng)變值基本為零，說明強(qiáng)夯的加固效果是有一定范圍的。就本次模擬案例，4次夯擊后的土體等效應(yīng)變大概延伸至深度7m處，即填土層的厚度，大體上達(dá)到了預(yù)期的處理目標(biāo)。

同時還可以發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)夯沖擊荷載作用下，土體的等效應(yīng)變可以超過100%，因此，必須采用LS-DYNA這類大變形有限元分析程序，才能夠更為準(zhǔn)確地模擬出巖土體在強(qiáng)夯作用下的響應(yīng)。

(a) 1擊(b) 2擊

(c) 3擊(d) 4擊圖2 不同擊數(shù)下的土體等效應(yīng)變等值面圖

2.4.2土體沉降

圖3為不同擊數(shù)下的土體沉降云圖。由圖3可見，土體的沉降最大值發(fā)生在錘底，隨夯擊數(shù)的增加，土體結(jié)構(gòu)被破壞，土體沉降也逐漸增大。在夯擊次數(shù)達(dá)到3擊時，土體最大累積位移達(dá)到了2.11m，而在擊數(shù)達(dá)到4擊后，土體最大累積位移達(dá)到2.27m，因此，初步預(yù)測現(xiàn)場回填土夯擊3次或4次即可達(dá)到夯坑2m的收錘標(biāo)準(zhǔn)。

限于篇幅，圖3僅給出了4次不同擊數(shù)下的土體累積沉降云圖，而圖4給出了9次夯擊下的土體累積沉降曲線，圖5則給出了沉降增量與夯擊次數(shù)的曲線關(guān)系圖。

(a) 1擊：累積沉降=1m(b) 2擊：累積沉降=1.61m

(c) 3擊：累積沉降=2.11m(d) 4擊：累積沉降=2.27m圖3 不同擊數(shù)下的累積沉降云圖

圖4 不同擊數(shù)下的累積沉降曲線

由圖4可以看出，隨著夯擊次數(shù)的增加，土體累積沉降呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，但增幅不斷減少。通過圖5的沉降增量曲線可以更為直觀地發(fā)現(xiàn)，首次夯擊導(dǎo)致的沉降增量最大，說明了填土地基需要在土料回填時就進(jìn)行碾壓夯實，否則，倉促地在回填土場地上進(jìn)行工程建設(shè)，不但地基土強(qiáng)度達(dá)不到要求，還容易引發(fā)不均勻沉降；隨著夯擊數(shù)增加，土體的沉降量呈現(xiàn)出非線性增長趨勢，沉降增幅逐漸降低，說明土體逐漸被擊實，從而導(dǎo)致變形的發(fā)展越來越緩慢。

圖5 不同擊數(shù)下的沉降增量

2.4.3強(qiáng)夯應(yīng)力波的傳播

工程實踐可以直觀地觀測到土體的變形，但強(qiáng)夯這一動力作用過程中應(yīng)力波的傳播過程則是工程實踐所無法觀測到的。因此，為更透徹地把握強(qiáng)夯作用機(jī)理和效果，需要對強(qiáng)夯應(yīng)力波傳播和發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究。圖6給出了一次夯擊過程中，不同時刻強(qiáng)夯應(yīng)力波的傳播過程。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，夯擊初始，土體應(yīng)力可以達(dá)到MPa級別(圖6(a))，但也導(dǎo)致土體迅速發(fā)生壓縮變形，沉降劇增；隨后，應(yīng)力波大致呈現(xiàn)圓弧形在土體中迅速向外擴(kuò)散傳播，并且隨著傳播距離的增大，應(yīng)力幅值也急速降低至kPa級別(圖6(d))，說明了強(qiáng)夯加固具有一定范圍。

通過圖6(d)可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力波在模型邊界處產(chǎn)生了明顯的透射現(xiàn)象，驗證了本研究設(shè)置無反射邊界的有效性，使強(qiáng)夯沖擊荷載產(chǎn)生的應(yīng)力波能夠繼續(xù)向外傳播，以實現(xiàn)用有限大的模型范圍模擬無限大的地基。

因此，通過數(shù)值模擬的輔助，可以直觀地捕獲到工程實踐所難以觀測到的現(xiàn)象，更為有效地對強(qiáng)夯法處理地基進(jìn)行研究。

(a) t=0.004s(b)t=0.04s

(c) t=0.06s(d) t=0.08s圖6 強(qiáng)夯應(yīng)力波的傳播過程

2.4.4強(qiáng)夯設(shè)計方案的修正

初步設(shè)計方案中，第一遍點(diǎn)夯的收錘標(biāo)準(zhǔn)為“夯坑達(dá)2 m或夯擊達(dá)到9擊”；而根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，3～4次夯擊即可使得夯坑深度達(dá)到2 m(圖4)，因此，穩(wěn)妥起見，可將收錘標(biāo)準(zhǔn)修改為“夯坑達(dá)2 m或夯擊次數(shù)達(dá)到6擊”。

初步設(shè)計方案中，第二遍點(diǎn)夯的收錘標(biāo)準(zhǔn)為“最后兩擊平均夯沉量不大于5cm”；而根據(jù)數(shù)值模擬預(yù)測，需要夯擊9次以上才能使得最后兩擊平均夯沉量不大于5cm(圖5)，因而收錘標(biāo)準(zhǔn)需修正為“最后兩擊平均夯沉量不大于5cm且夯擊次數(shù)不小于9擊”。實際的實施方案需根據(jù)現(xiàn)場情況隨時進(jìn)行調(diào)整。

最終，按照該優(yōu)化的設(shè)計方案進(jìn)行了強(qiáng)夯法地基處理(圖7)。經(jīng)淺層平板荷載試驗檢測，處理后的地基承載力特征值達(dá)到了250kPa，取得了良好的效果(圖8)。

圖7 強(qiáng)夯現(xiàn)場施工圖

(a)試4#點(diǎn)

(b)試5#點(diǎn)

3 結(jié)語

文章簡要介紹了泉州市豐澤區(qū)某工程場地回填土地基的工程概況，采用大變形通用有限元程序LS-DYNA對強(qiáng)夯法在該地基處理中的應(yīng)用進(jìn)行了模擬，主要結(jié)論如下：

(1)LS-DYNA能夠較好地模擬強(qiáng)夯作用下的土體響應(yīng)，根據(jù)數(shù)值模擬預(yù)測，對強(qiáng)夯設(shè)計方案進(jìn)行了優(yōu)化，使得最終的強(qiáng)夯法地基處理獲得了良好的效果。

(2)隨著夯擊數(shù)的增加，土體等效應(yīng)變逐漸從表層土體向地基深層和四周擴(kuò)散，土體沉降逐漸增大，在經(jīng)過3次或4次夯擊后，土體沉降可達(dá)到夯坑深度為2m的收錘標(biāo)準(zhǔn)。

(3)土體的沉降量呈現(xiàn)出非線性增長的趨勢，沉降增幅逐漸降低，說明土體在夯擊過程中不斷被加固，壓縮性降低。

(4)強(qiáng)夯應(yīng)力波大致呈現(xiàn)圓弧形在土體中迅速向外擴(kuò)散傳播，應(yīng)力強(qiáng)度衰減極快，與強(qiáng)夯加固的范圍相關(guān)。

需要指出的是，由于本文只建立了單點(diǎn)夯擊模型，不同夯點(diǎn)之間的影響無法體現(xiàn)，同時，還可結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測來為強(qiáng)夯數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性提供更有力的驗證。這些都是將來需要予以繼續(xù)研究的重點(diǎn)。