基于三维土动力数值模拟的强夯法施工参数估算_李金

第42卷第15期2011年8月人民长江Yangtze River Vol．42，No．15Aug．，2011收稿日期：2010－12－14作者简介：李金，男，硕士，主要从事地质灾害防治与岩土工程治理。

E－mail ：jihai1984@163．com文章编号：1001－4179（2011）15－0050－03基于三维土动力数值模拟的强夯法施工参数估算李金1，滕伟福2，3（1．铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142；2．教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北武汉430074；3．中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉430074）摘要：为了估算强夯法地基处理施工中的主要施工参数（有效加固深度和有效加固水平半径），利用LS－DY-NA 建立三维有限元模型进行数值计算。

通过对单点夯击的动力学过程进行数值模拟，得出了一次夯击后夯击塑性区分布半径和深度，这与施工试夯试验确定的有效加固深度和有效加固水平半径基本一致。

数值模拟结果和现场试夯试验结果对比表明：基于LS－DYNA 的土动力数值模拟与现场试夯试验相结合，可较好地估算有效加固深度和水平加固半径，并可作为强夯施工参数估算的一种有效手段。

关键词：强夯法；三维数值模拟；LS－DYNA ；土动力中图法分类号：TU41文献标志码：A强夯法通过10 40t 的重锤从10 40m 高处落下，对地基土施加很大的冲击能，在地基土中产生冲击波和动应力，从而达到提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化性能、消除湿陷性黄土的湿陷性等；同时，夯击能还可提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降［1－3］。

我国应用强夯进行地基处理已有二十几年的历史，在该方面积累了丰富的施工经验，但由于强夯是一高能量瞬间冲击过程，在该过程中土体响应属高度非线性过程，因此目前对强夯加固机理等理论研究还没有达成统一看法。

夯坑间距和有效加固深度是强夯法地基处理施工中的主要施工参数，一般是通过费时费钱的现场试夯试验予以确定。

通过合适的估算模型对强夯法地基处理施工中的主要施工参数进行估算是十分有必要的，这样不仅可以减少一部分现场试夯试验的费用，同时还加快了施工进度，具有一定的经济和技术意义。

1强夯作用机理强夯法加固机理概括起来有3个方面：动力固结、动力夯实和动力置换。

针对动力固结，L．Menard 根据饱和土经强夯后瞬时沉降数十厘米的事实，提出了土的动力固结模型：在瞬时荷载作用下，孔隙水不能迅速排出，同时L．Menard 认为由于有机物的分解，土中含气量大约为1% 4%。

强夯时，气体压缩、孔隙水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出，液相、气相体积减少。

根据试验，每强夯一次，气体体积减少40%［4－5］。

2工程概况山西省河津市某焦化厂10万t /a 蒽油加工项目拟建场地呈北高南低的走势，场地0 30m 深度范围内为第四系全新统及上更新统洪积物，主要为黄土状粉质黏土、粉质黏土，存在湿陷性黄土，同时现有地基土的承载力不满足厂房地基要求，需要进行地基处理。

为了处理湿陷性黄土地基，同时充分利用当地大量的煤矸石，经论证拟采用煤矸石垫层加强夯法施工的地基处理方案。

为此，在场地内回填3 6m 的煤矸石，均厚为4．5m ；另外对该场地经行了试夯，以确定正式强夯施工参数。

第15期李金，等：基于三维土动力数值模拟的强夯法施工参数估算2．1有效加固深度的确定本次地基处理施工在强夯前先进行了试夯试验，之后再对试夯区进行了现场平板荷载试验。

荷载试验现场布置4个测点，一般按照沉降变形比确定承载力实测值，确定试夯后加固地基的承载力平均值为350kPa，且满足承载力设计要求的加固深度为8．5m［6－7］。

同时，据L．Menard公式计算得到有效加固深度的理论值为8．79m。

结合《建筑地基处理技术规范》（JG179）和《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB500025）的相关规定，综合确定强夯有效加固深度为8．5m。

2．2有效水平作用半径的确定试夯试验之后，布置物探声波测线，通过分析物探波速剖面曲线得到波速在半径3．24m以后出现陡降，结合以往工程经验确定有效水平作用半径为3m。

通过试夯试验确定的有效加固深度和有效水平作用半径为确定强夯方案的布置提供了设计依据（见表1）。

表1试夯确定的强夯施工参数有效加固深度/m 有效水平半径/m夯击次数夯锤重量/kN夯锤落距/m8．53929821．203有限元建模［8－10］本次数值模拟拟对单点单次夯击进行模拟，地基实体模型为一个10mˑ10mˑ15m（长ˑ宽ˑ深）的1/4模型，土层分为两层，0 4．5m为煤矸石层，4．5 15 m为黄土层。

夯锤实体模型为一个1/4的圆柱体，半径1．35m，高0．7m。

夯锤采用刚体模型，土层和黄土采用双线性塑性随动弹塑性模型。

夯锤与地基土的接触采用侵蚀接触，可以考虑在强夯过程中的土体因应变过大带来的失效，同时侵蚀接触保证在上层土体失效的情况下能继续与下层未失效土层接触。

数值计算所用到的地基岩土参数见表2。

表2地基岩土参数地基土体弹性模量/MPa泊松比密度/（kg·m－3）切线模量/MPa屈服强度/Pa失效应变厚度/m煤矸石层6．12ˑ1040．322．20ˑ1036．12ˑ1021．09ˑ1050．024．5土层3．31ˑ1040．251．85ˑ1033．31ˑ1022．29ˑ1040．0210．5固定计算模型底面所有自由度，两对称面分别施加垂直于对称面方向的水平位移约束，两外侧面施加水平方向和垂直方向的位移。

同时，给两外侧面施加非透射边界条件。

夯锤到达地基时的初速度为20．38m/s，取计算步长为0．02s。

4数值模拟结果分析［9－10］4．1对强夯作用机理的探讨关于强夯法加固地基的机理，一般的观点认为：强夯法是在极短的时间内对地基土体施加一巨大的冲击能量（一般而言此冲击能量不小于800kJ），加荷历时约几十毫秒，对含水量较大的土层，加荷时间约100毫秒左右。

这种突然释放的巨大能量，将转化为各种波形传到地下。

首先到达某指定范围的波是压缩波，它使土体受压或受拉，能引起瞬时的孔隙水汇集，因而使地基土的抗剪强度大为降低，据理论计算，这种波以振动能量的7%传播出去，紧随压缩波之后的是剪切波，以振动能量的26%传播出去，剪切波会导致土体结构的破坏。

此后的瑞利波（面波）以振动能量的67%传出，在夯点附近造成地面隆起。

土体在这些波的综合作用下，土体颗粒重新排列相互靠拢，排出孔隙中的气体，使土体挤密压实，强度提高［5］。

据上述观点，地基土经强夯法加固后，其强度提高过程大致可分为4个阶段：夯击能量转化，同时伴随强制压缩或振密（表现为土体中水及气体排出，孔隙水压力上升）；土体液化或土体结构破坏（表现为土体强度降低或抗剪强度丧失）；排水固结压密（表现为渗透性能改变，土体裂隙发展，土体强度提高）；触变恢复并伴随固结压密（包括部分自由水又变成薄膜水，土的强度继续提高）。

从数值计算过程中土体各个力学参量的变化过程可以看到，其均在0．0025s时上升到一个峰值，之后迅速下降，这与强夯过程中土体应力的变化过程基本一致。

当夯锤夯击地基开始时，孔隙水快速排出，土体有效应力快速增大，之后会出现一个土体弹性变形的恢复过程，并伴随着孔隙水含量的恢复，土体应力快速消散。

另外通过模拟计算结果可以看到，强夯作用过程中，土体应力主要在0 0．0025s内达到峰值，之后迅速衰减。

所以孔隙水压力的积聚和排出时间就在0．0025s左右，这说明强夯过程中，孔隙水的快速排出是土体强度提高的重要因素。

4．2对强夯施工参数的估算由于强夯加固机理主要为对地基土进行动力冲击，形成微裂缝以让足够的孔隙水排出，在夯击过后的恢复过程中达到固结。

所以强夯过程中，土体经历了由一个平衡状态－不平衡－另一平衡状态的动态过程，其间土体必然处于一个较大变形的塑性状态中。

所15人民长江2011年以，本次模拟采用塑性区的分布来模拟夯击的有效作用区。

通过对数值模拟结果分析得到，在夯锤夯击过程中，塑性区在水平方向上基本上呈现圆形放射状，随着夯击的进行，塑性区逐渐扩展，最终在0．02s达到峰值，塑性区半径大约为3．5m，这与试夯确定的3m的有效水平作用半径是基本一致的。

在深度方向，塑性区随着计算时间的进行不断向下扩展，同样在0．02s达到峰值，峰值深度为9．6m，这与试夯确定的8．5m的有效加固深度也是基本一致的。

数值模拟结果和现场试夯试验对比表明：数值模拟确定有效加固深度、有效水平作用半径的相对误差分别是13%，17%，平均相对误差为15%，基本满足施工要求。

5结论与建议通过本次数值模拟得到了强夯施工的有效加固深度为9．6m，有效水平作用半径大约为3．5m，与试夯确定的施工参数基本一致，对强夯施工的有效加固深度和有效水平作用半径进行了有效估算。

通过以上研究表明，基于LS－DYNA的土动力数值模拟可作为强夯施工参数估算的一种有效手段，与现场试夯试验相结合，对强夯法处理地基具有一定指导作用。

本文不足之处是没有模拟连续夯击作用下的地基土变形，所以没有对最佳夯击次数进行预测，这有待于进一步研究。

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