基于FLAC软件模拟强夯加固吹填砂地基

基于FLAC软件模拟强夯加固吹填砂地基
朱本明
【摘要】Based on the FLAC software, a three-dimensional model is established.The effects of different tamping energy and tamping times number on the dynamic compaction are simulated.The changes of the Young's modulus before and after the dynamic compaction are analyzed.The results show that the thickness of the sand layer and the distribution of the soft soil layer on the surface play a great role in determining the tamping energy.For the lower lying loose sand layer,the depth and effect of treatment can be increased by increasing the tamping energy and times (7~8).For the lower lying soft clay layer, the reinforcement effect can be improved by reducing the tamping energy and increasing the tamping times.After tamping,the Young's modulus of the surface blowing sand is greatly improved,from the original 10 MPa to
20~40 MPa.%基于港区陆域吹填项目,采用FLAC软件建立三维模型,模拟了不同夯能、夯击次数对强夯效果的影响,对强夯前后杨氏模量的变化进行了分析研究.结果表明,表层吹填砂厚度和下卧软土层分布对夯能的大小起着决定作用.对于下卧松散砂层,可适当加大夯击能量和夯击次数 (7~8击),增加其处理深度和效果;而对于下卧软黏土层,可以适当减小夯击能量并增加夯击次数,以提高加固效果.夯击之后,表层吹填砂的杨氏模量有较大的提高,从原来的10 MPa提高到20~40 MPa.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2018(000)003
【总页数】5页(P161-165)
【关键词】强夯;FLAC;夯能;吹填砂
【作者】朱本明
【作者单位】重庆市巴南区水务局,重庆401320
【正文语种】中文
【中图分类】TV148;U656
随着近年围海造地项目的不断实施，对于吹填后的软弱地基处理需求也在相应增加。

强夯作为传统的地基处理方式之一，具有施工工艺简单、施工成本低廉、加固效果明显、适用于大面积场地施工等优点[1-2]。

对于加固吹填砂地基，加固原理即为
通过夯击作用挤出砂土中的空气并带出相应的水分，从而达到固结作用，增加地基的承载力，减小工后沉降，满足相应的使用要求。

亦可解决吹填砂液化的问题。

强夯作为吹填砂地基最有效的处理方法之一，已经得到了大量的工程实践验证[3-4]，但是缺少相应的理论依据。

而在大面积施工之前，为了优化设计方案，选择最佳的施工工艺及减小相应的成本造价，一般需要先进行数值模拟，同时与实测的试验数据进行对比进而选择出最优的施工参数。

本文采用FLAC软件针对相关施工参数的不同取值模拟强夯过程，确定合理的施工方案和控制工艺，为今后类似的工程项目提供一定的参考。

1 工程概况
沿海某港口后方堆场项目工程，陆域由港区疏浚后的细砂形成，砂样中粒径小于0.005 mm的黏性颗粒含量为5%，而大于0.1 mm的砂粒含量约在95%以上，
级配不均匀；场地跨度相对较大，地质条件变化明显。

本文选择场地内两个典型地
层条件的钻孔GB13、BM23进行强夯数值模拟。

具体的钻孔地质情况见表1。

吹砂高度按照场地高程4.5 m进行计算，两个钻孔的表层吹填砂厚度为3.66 m和4.14 m。

表1 地质情况钻孔土层编号土层名称层厚∕m平均标贯击数I1粉质黏土1.00II黏性土2.601GB13IV1黏性土泥沙砾2.2012V残积黏性土2.2017.5VIIa-1高度风化岩4.00>301粉质黏土0.302松砂3.850BM233粉质黏土1.5564粉砂1.8095粉质黏土4.509
2 模型的建立
强夯的过程较为复杂，采用常规的解析方法计算相当困难，基于数值模拟的方法研究强夯为目前的研究趋势。

为保证计算的准确性和合理性，数值模拟选用FLAC
3D软件进行3D建模计算[5]。

反映强夯法加固效果最重要的两个参数是夯沉量和接触应力[6]。

本文拟采用FLAC 3D软件对强夯法进行数值模拟研究，重点关注夯沉量，对不同夯击施工参数对夯沉量的影响进行分析。

在强夯的几个施工参数中，夯锤质量、夯击能大小和夯击次数共3个参数对夯沉量的影响最大。

对于夯锤质量和夯击能而言，提升高度越大、夯锤质量越大，冲击地面时夯锤的能量就越大，接触应力也就越大。

对于单点夯击，随着强夯次数的增加，土体逐渐密实，接触应力也不断增大，直至最终趋于稳定。

根据两个钻孔的土层条件分别进行建模，本模型采用FLAC3D正方体单元。

正方
体长、宽、高均为12 m，设定XY平面为地面平面，竖直向上为正方形。

由于强
夯的数值模拟属于动力模拟，每次计算所需的时间较长，在保证计算结果精确的情况下，为缩减计算时间，模型选取4×4共计16个夯点进行模拟分析。

对于钻孔GB13，总共划分为单元5 800个，见图1a)；而对于钻孔BM23，总单元数量为
6 400个，见图1b)。

图1 土层分布立体图
强夯过程中，冲击荷载施加在模型的顶部，因而需要对四周及底面进行约束，取地表为自由边界，需对模型的底部和四周采用固定端进行约束。

模型侧面限制水平位移，底面限制垂直位移，模型上部施加夯击能。

在模型中，使用FIX命令对模型的四周及底部进行约束，加载过程中，使得各方向的初始位移及初速度均为零。

3 参数模拟
3.1 夯能确定
夯击能的确定是强夯设计的一个关键因素。

本文所采用的单击夯击能是指夯锤重力和落距的乘积，其大小需要重点考虑。

如果单击夯击能太大，对于饱和的软黏土有可能会降低土体强度；单击夯击能太小，土体中水分不易排出，可能会出现弹簧土。

单击夯击能应根据加固范围内土体控制指标的要求，尽可能取大值。

这样能减少夯击次数、提高强夯施工效率。

对于夯能的计算，目前主要采用修正的梅纳公式：
(1)
(2)
式中：H为强夯法的有效加固深度；K为修正系数，根据地基土的特性确定，取值范围值大致是 0.34～0.80；w为夯锤重力；h为夯锤落距。

依据两个钻孔不同的地质情况进行模拟。

夯锤直径为2 m，夯点间距3.5 m，对夯能分别为1、2、3、4 MJ共4种情况进行计算，得到其夯沉量与夯能的关系曲线(图2)。

图2 夯能与夯沉量关系曲线
结果表明：1)吹填层厚度对沉降影响较大，吹填砂层越厚，在同样的夯能下产生的
夯沉量越大，例如同样在2 MJ的夯能下，砂层厚度为4.14 m的钻孔GB13产生的夯沉量约为45 cm；而砂层厚度为3.66 m的钻孔BM23，同样的夯能下夯沉量为42 cm。

2)下卧软土层对夯击能量的影响。

对比GB13和BM23，由于BM23
下卧5 m左右的松散砂层，随着能级的加大夯沉量有收敛的趋势；而GB13由于
下卧近4 m的软黏土层，随着夯能的加大夯沉量没有收敛的趋势。

所以对于下卧
有较厚软黏土层且砂层较薄的场地，需采用低能量进行夯击，以免造成周围隆起过大，收锤困难。

3)数值模拟与实测夯沉量虽存在少量误差，但总体反映了相同的变化规律，表明本模型具有一定的真实性与参考性。

3.2 夯击次数的确定
夯击次数的确定在强夯施工中也需要重点考虑，夯击次数的多少直接关系到强夯加固的效果。

夯击次数过少，加固深度可能达不到设计要求；夯击次数太多，会造成资源浪费，甚至出现橡皮土。

强夯法的理想目标是使土体竖向位移最大，并且侧向位移最小。

根据场地土质的不同，应该结合数值模拟及之后的试夯，合理确定夯击次数。

根据夯能与沉降的关系，对钻孔GB13采用夯能2.2 MJ，对BM23采用夯能
3.0MJ，分别计算其不同夯击次数下的夯沉量。

从图3可见，第1次夯击沉降量最大，为35 cm左右；夯沉量随着夯击次数的增加而减少。

到第7击仅为8 cm左右，而在第7击的时候地面发生较大回弹，见图4、5，隆起量超过20 cm，需停止夯击。

图3 GB13夯沉量与夯击次数关系曲线
图4 GB13第7击后沉降云图
图5 顶面竖向位移云图
根据两个钻孔表层不同的吹砂厚度和下卧土层情况，分别采用了2.2、3.0 MJ两种夯能，计算结果表明：在砂层较厚，夯击夯能较低的工况下，单击夯沉量收敛较快，
如图6a)中GB13曲线，在夯击5次之后每击的夯沉量有明显的减小，最后一击小于10 cm；而当表层吹填砂层较薄时，能量较高的情况下，单击夯沉量收敛较慢，如图6b)中的钻孔BM23，在夯击7～8次之后单击的夯沉量才趋于收敛。

可以看出，数值模拟夯沉量与实测沉降量吻合较好，基本反映出了相关的变化规律。

根据上述结算结果，在保证工程质量和经济效益的情况下，根据表层吹填砂厚度和下卧松散层情况进行调整，夯击次数确定为4～7击。

图6 不同夯击次数下的夯坑曲线
3.3 模量变化
采用应变硬化软化模型-邓肯-张模型模拟夯击时土体模量提高的过程，选取模型中间位置进行切片(图7)，通过切片的模量等值线来观察处理前后的模量的变化。

由图8、9可知，钻孔GB13吹填的砂层较厚(4.14 m)，在夯击之后，杨氏模量从10 MPa提高到20～35 MPa。

钻孔BM23吹填的砂层厚度为3.66 m，厚度也较大，在夯击之后，吹填层模量从10 MPa提高到20～40 MPa，且下卧的松散砂
层的模量也有很大的提高。

夯击后场地表面土的杨氏模量从10 MPa提高到27 MPa。

考虑到模型的边界效应，模量变化以中心处为准。

图7 切片位置(选取中线部位进行切片)
图8 GB13处理前后杨氏模量变化
图9 吹填砂顶面GB13杨氏模量云图
4 结论
1)表层吹填砂的厚度和下卧软土层对夯能的大小起着很大的决定作用，砂层厚度3～5 m可采用夯能2.0～3.5 MJ，夯击次数为6～8次。

2)对于下卧松散砂层，可适当加大能量和夯击次数(7～8击)，增加其处理深度和
效果，而对于下卧软黏土层，可以适当减小夯击能量，并增加夯击次数提高加固效
果。

3)通过夯击之后，表层吹填砂的杨氏模量有较大的提高，从原来的10 MPa提高到20～40 MPa，
表明强夯适用于对吹填砂的地基处理，取得了较为理想的加固效果。

参考文献：
[1] 黄晓毅.强夯法在吹填砂层中的地基加固试验及效果检测分析[J].福建建
筑,2012,172(10):88-90.
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术,2008,37(11):87-89.
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