強夯加固對CFG復合地基破壞的影響

袁晶晶,喬京生

(河北聯合大學建筑工程學院,河北 唐山063000)

0 引 言

工程實踐表明,強夯是一種有效的地基加固措施,人們對此已做了很多的研究工作,但大部分是對強夯引起的地下土體或地面結構運動的研究[1～7],例如蔡袁強等[7]采用大變形幾何非線性有限元法分析強夯加固機理及其振動對環境影響。關于強夯對地下結構影響的研究較少。在唐山市曹妃甸對吹填土地基處理工程中,由于上部結構荷載特性不同和工期安排等原因,有可能在某一場地CFG樁復合地基施工完成后,在相鄰較近的距離范圍內馬上開始強夯施工,這時強夯的巨大沖擊作用會使近距離一定深度范圍內的土體發生振動或變形,使CFG樁復合地基發生變形破壞。例如素混凝土樁比其他類型的CFG樁(水泥或石灰攪拌樁、旋噴樁)更容易由于變形產生裂縫,屬于剛性樁,在第一條裂縫產生之后,由于強夯的重復沖擊振動引起了疲勞效應,可能使CFG樁裂縫不斷擴展并貫通,使樁身發生斷裂,影響復合地基的承載力。所以應該對該問題進行研究,通過計算分析掌握振動的衰減規律,為強夯施工確定最小的安全距離。本文以曹妃甸某地基處理工地為例,通過有限元數值分析方法對該問題做了研究。

1 數值計算模型建立

由于涉及到的材料有混凝土、褥墊層及吹填土,與線彈性材料的性質完全不同,因此材料的受力與變形過程是非線性的。固體力學幾何非線性有限元法中,UL法(Updated Lagrange)能很好地處理幾何非線性與材料非線性同時存在的雙重非線性問題,動力方程簡單明了。基于Lagrange描述,以Cauchy應力張量, G reen應變張量為度量的考慮大變形系統有限元動力方程為:

式中M為質量矩陣,C為阻尼矩陣,采用瑞利阻尼,C=αM+β(K0+Kσ),其中α,β是常數,Ri+1是外荷載向量,Fi是節點力向量,是待求的運動量。,其中:單元小位移剛度矩陣,單元初應力剛度矩陣。對比小變形條件下,可見考慮大變形后整體剛度矩陣更為復雜了。對于(1)式所表示的瞬態動力平衡方程,可采用Newm ark-β法直接積分計算,一般取γ=0.0,β=0.5。

2 工程實例計算

曹妃甸某工地,工程總用地面積約1200x104m2,全部為吹填粉細砂區,吹填厚度9～12 m,高出海平面4.5 m左右,場地地面基本平坦,平均海拔高程3.71 m,且該層吹填土為液化土層,液化程度為中等-嚴重,場地條件不能滿足工程建設要求,需要加固處理。其中一個工程場地采用CFG樁復合地基,CFG樁直徑450 mm,樁距1.5 m,樁長10 m。當CFG樁復合地基施工完成后,在另一個相鄰的工地馬上要開始強夯法地基處理施工,夯錘重150 kN,直徑2.5m,夯吊高度13m,混凝土CFG樁距最近的夯坑邊緣為5m,有關參數見表1。

表1 強夯有關參數

采用ADINA—M odel建模方式,這樣在構造空間幾何體時操作方便。

1)土體及褥墊層可用BLOCK定義,樁身可用CYLINDER定義,樁身、墊層及土體均采用3D solid單元。

2)樁身材料采用ADINA軟件內嵌的混凝土模型,土體及褥墊層材料采用摩爾-庫倫模型;

3)土體與樁體接觸面為摩擦接觸類型,接觸摩擦系數一般取0.2。

4)所考慮空間范圍的土體四個側面及地面為固定約束。

5)強夯沖擊力時程近似采用三角波代替。

圖1 幾何模型

圖2 有限元分析網格

表2 CFG(C15)樁混凝土力學性能參數表

表3 墊層及土體有限元分析主要參數

圖3 混凝土參數選項卡

圖4 摩爾-庫倫材料參數選項卡(墊層與吹填土)

雖然強夯對地基土的作用是通過錘底的接觸力實現的,但是為了反映問題的主要部分,在夯錘底部與地基土接觸的范圍內仍然采用接觸壓力作為輸入荷載。關于夯錘與土體的接觸壓力問題,吳銘炳[8]、梁志榮[9]、李本平[10]等利用動力有限元法對強夯問題進行了細致的研究,根據經驗將瞬態荷載簡化為一已知的三角形波或正弦波將其作為應力邊界進行計算并假設錘底應力是均勻分布。

3 數值計算及結果分析

從圖5～8中可以看出,強夯引起的地面振動持續時間較短,加速度時程曲線與已有實驗結果與計算結果類似[11]。

從圖9可以看出,在0.3 s時,樁頂與樁底已出現大量的裂縫,側面也出現了一定數量的裂縫,這與施工現場觀察到的樁頂開裂現象是一致的。從圖10(第一主應力云圖)中可以看出,最大主拉應力為5.56 M Pa (三軸應力狀態)均已超過C15混凝土單軸抗拉強度標準值1.27 MPa很多,甚至已超過平均值,而混凝土材料的最大抗拉強度即為單軸抗拉強度,所以這實際上是不存在的應力狀態,反應了現有混凝土材料模型的不足之處,也代表了混凝土已經達到受拉破壞,所以才導致裂縫的大量出現。實際上,由于強夯重復振動作用產生疲勞效應,使混凝土抗拉強度降低,在更低的主拉應力水平時,裂縫應該早已出現。雖然混凝土材料在強夯快速振動加載時抗拉強度會有提高的現象,但提高的幅度僅限于30%～40%左右,根本不能避免混凝土材料開裂。

從圖11(第三主應力云圖)中可以看出,第三主應力(最大壓應力)為7 MPa以內,低于C15混凝土單軸抗壓強度標準值10M Pa,因此可認為此時沒有出現混凝土壓潰現象,因此在ADINA界面沒有表示出壓潰破壞。所以,裂縫是由受拉破壞引起的。

由于強夯振動可能會引起CFG樁開裂破壞,因此在鄰近CFG樁復合地基場地進行強夯施工時,應避開一定的安全距離,推薦的安全避讓距離為15m以上。另一方面,由于強夯施工是多次重復的過程,反復的振動將會產生疲勞效應,因此應該將樁身應力控制在更低的水平(例如60%的開裂應力),才能保證樁身不出現裂縫。在工程實踐中夯擊能常常是一定的,這時需要通過計算確定合適的安全避讓距離。

強夯引起的振動是一種低頻瞬態振動,在鄰近夯擊點的位置,地面加速度衰減很快,但在地面以下加速度衰減則不一定符合同樣的規律,因此對地下結構物的破壞可能更為嚴重,影響的范圍也更大,以上的計算結果反映了這一現象。強夯時地基土動力反應還受到其他一些復雜因素的影響,例如孔隙水壓力、地層初始應力等,它們的影響還難以準確地考慮,所以在條件許可時應盡量避免在有地下結構物的鄰近地點進行強夯施工,或采取可靠有效的減震措施,例如設置隔震溝等。

以上通過對強夯引起地下結構振動破壞的分析計算,不僅對強夯振動效應的評價有重要的意義,而且也是利用強夯研究工程場地土體性質的一個重要途徑,在工程實踐中,還應注意實際數據的觀測與積累,建立起不同巖土體與介質作用函數之間的對應關系,獲得工程場地土體的物理力學性質與其動力學表現之間本構關系的深入認識。

4 結 論

(1)強夯振動會引起CFG樁開裂破壞;當夯錘重量較大,落距大,夯擊能較高時,強夯振動對鄰近CFG樁復合地基中的樁基有破壞作用,建議安全距離在15m以上,否則應采取措施(如設置隔震溝)減少其影響。

(2)由于CFG樁與吹填土的力學特性相差較大,接觸界面難以實現位移協調,因此分析計算強夯的影響過程時采用接觸模型是適宜的。

(3)應盡可能避免在有地下結構物的鄰近地點進行強夯施工。

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