基于ABAQUS的強(qiáng)夯沖擊特性數(shù)值模擬

秦偉華，韓云山，段 偉，劉敏甲，董 潔，榮韶婧

（1.中北大學(xué) 理學(xué)院，山西 太原030051；2.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原030024）

1 引言

強(qiáng)夯法起源于法國，由法國Menard技術(shù)公司首創(chuàng)的一種地基加固方法，是將幾十噸重錘從幾十米高處自由落下，通過重復(fù)夯實(shí)基礎(chǔ)，使它表層一定深度內(nèi)夯擊密實(shí)而提高地基的強(qiáng)度。強(qiáng)夯法施工設(shè)備簡單、適用土質(zhì)范圍廣、加固效果好、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，從而被廣泛適用。雖然強(qiáng)夯法施工發(fā)展迅速，是一種有效的地基處理方法，但是強(qiáng)夯法施工會產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，對周圍環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面的影響。

李潤等［1］通過對實(shí)際工程強(qiáng)夯振動測試，分析強(qiáng)夯振動加速度、速度隨測點(diǎn)距離的衰減規(guī)律，提出強(qiáng)夯施工及加固建議；蔣鵬等［2］通過強(qiáng)夯振動數(shù)值模擬，總結(jié)了無論是徑向加速度，或是垂向加速度，沿徑向距離增加衰減很快；陳超等［3］基于ABAQUS有限元軟件，建立三維強(qiáng)夯振動模型提出了強(qiáng)夯塑性加固區(qū)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，及時調(diào)整每次夯后回填土土性參數(shù)，分析了土體振動加速度、速度的特性及變化規(guī)律，以及夯擊能對于土體振動特性的影響；胡煥校等［4］運(yùn)用ANSYS/LS－DYNA模擬軟件，對強(qiáng)夯作用下填土地基的動力特性進(jìn)行數(shù)值分析，最終得出了強(qiáng)夯時土體中動應(yīng)力、豎向位移以及加速度在時間和空間上的變化曲線，并總結(jié)了其分布特征和變化規(guī)律；張諄等［5］利用有限元軟件ABAQUS建立了強(qiáng)夯振動簡化模型，應(yīng)用單因素參數(shù)評估方法，以瑞典振動控制規(guī)范作為標(biāo)準(zhǔn)，對施工振動環(huán)境影響進(jìn)行了評價。以上研究均為對強(qiáng)夯填方邊坡坡面振動速度進(jìn)行研究。因此，本文基于邊坡坡面振動速度的數(shù)值模擬對強(qiáng)夯瞬態(tài)沖擊地基施工進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 邊坡動力分析模型及參數(shù)選取

2.1 邊坡幾何模型建立

本次模擬利用ABAQUS有限元分析軟件，以陜西某石油工程的強(qiáng)夯填方邊坡地基處理為模擬對象，建立一個三維均質(zhì)土坡模型，建設(shè)場地位于陜西省北部，延安市南部。為了節(jié)省計算時間，在建模時按軸對稱條件對模型進(jìn)行簡化，取1/2夯錘和土體進(jìn)行建模，模型尺寸長×寬×高＝30m×15m×15m的區(qū)域作為模型范圍，邊坡坡高10m，坡率1∶1。夯錘模型為半徑1.25m，高為0.7m的圓柱體，錘重21.5t，落距19m。計算時，忽略夯錘的下落時間，在夯錘與土體接觸時，給夯錘施加一個初速度 即可（圖1）。

圖1 填方動力分析模型

2.2 模型參數(shù)選擇

填方邊坡土體本構(gòu)模型采用Mohr－Coulomb模型，其是一種理想的彈塑性模型，實(shí)質(zhì)是線彈性模型＋Mohr－Coulomb破壞準(zhǔn)則，能夠很好的描述土體的塑性變形并反映土體的破壞行為，且在巖土工程中應(yīng)用非常廣泛，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。夯錘模型的材料屬性簡化為剛體材料，具體模型參數(shù)見表1。ABAQUS單元庫中幾乎所有單元都適用于動力問題的分析。為了能更好地模擬土體在巨大沖擊荷載作用下的響應(yīng)，并考慮到一階單元比二階單元能更好地模擬應(yīng)力播的傳播［7］。本文采用一階8結(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體減縮積分單元C3D8R。

表1 模型參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 土體動應(yīng)力分析

ABAQUS軟件模擬了一次夯錘沖擊土體的過程，計算了單次夯擊作用下土體的動態(tài)響應(yīng)。圖2為沖擊過程結(jié)束后的應(yīng)力云圖。

圖2 強(qiáng)夯應(yīng)力云圖

如圖3可見，該軟件模擬的夯錘自由落下與土體接觸的瞬時應(yīng)力為三角形的荷載。根據(jù)前人對強(qiáng)夯過程中的強(qiáng)夯接觸應(yīng)力實(shí)測分析，可知，實(shí)測的應(yīng)力波為一尖峰，吳銘炳［6］等將這種瞬態(tài)荷載簡化成三角形或半正弦形式。

圖3 夯錘接觸土體的瞬時應(yīng)力

3.2 振動速度分析

以陜西某石油工程的強(qiáng)夯填方邊坡地基處理的實(shí)測數(shù)據(jù)為例，4000能級下的實(shí)測坡面水平徑向速度隨距夯點(diǎn)距離的增大呈先增大后減小的規(guī)律，垂直豎直向振動速度隨距夯點(diǎn)距離的增大而減小。可見，邊坡對水平徑向速度有放大作用。由圖4～圖5顯示了數(shù)值模擬曲線的變化規(guī)律，振動速度模擬曲線在實(shí)測曲線附近，雖曲線有些出入，但是變化趨勢一致，驗(yàn)證了ABAQUS對強(qiáng)夯瞬態(tài)沖擊土體數(shù)值模擬的可靠性。

3.3 土體隆起變形分析

鑒于ABAQUS模擬強(qiáng)夯瞬態(tài)沖擊數(shù)據(jù)的可靠性，通過改變夯錘接觸土體的瞬時速度及錘重，分別模擬了單擊夯擊能為4000、6000、8000強(qiáng)夯沖擊作用下，夯坑附近地面隆起變形的規(guī)律。模擬數(shù)據(jù)顯示靠近夯錘的兩個觀測點(diǎn)隆起顯著，遠(yuǎn)離夯錘各點(diǎn)隆起不明顯。隨著夯擊能的增加單擊下夯坑深度逐漸增加，且地面隆起的最大豎向位移也逐漸增加，靠近夯錘觀測點(diǎn)的增加幅度要比遠(yuǎn)離觀測點(diǎn)的增加幅度大，地面變形的水平傳播距離大概在4.0m，詳見圖6。

圖4 水平徑向速度的實(shí)測與模擬曲線

圖5 豎直垂向速度的實(shí)測與模擬曲線

圖6 地面隆起變形曲線

4 結(jié)語

本文采用通用大型有限元分析軟件ABAQUS對強(qiáng)夯瞬態(tài)沖擊地基進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，得出了以下結(jié)論。

（1）ABAQUS軟件模擬強(qiáng)夯瞬態(tài)沖擊過程，精度較高，并且可以直觀的以動畫形式演示不同時刻土體的動力特性。同時，可以根據(jù)計算數(shù)據(jù)，繪制具體問題圖形，從而可判斷強(qiáng)夯對土體的影響區(qū)域，指導(dǎo)強(qiáng)夯的設(shè)計與施工。

（2）通過模擬數(shù)據(jù)與工程實(shí)測數(shù)據(jù)對比，兩者對于強(qiáng)夯振動速度的變化較為吻合，ABAQUS軟件模擬具有一定的可靠性，對強(qiáng)夯設(shè)計施工具有指導(dǎo)價值。

（3）強(qiáng)夯作用下，邊坡坡面質(zhì)點(diǎn)水平徑向振動速度隨距夯點(diǎn)距離的增大先增大后減小，垂直豎直向振動速度隨距夯點(diǎn)距離的增大而減小，邊坡坡面對強(qiáng)夯振動水平徑向速度有放大作用。

（4）從地表的隆起范圍可得，強(qiáng)夯作用的影響范圍大于4.0m，且隨著強(qiáng)夯能級的增加，其水平影響范圍和夯沉量都在增加。通過地表土體變形，可為強(qiáng)夯施工中能級選擇與夯間距的布置提供參考。

［1］李 潤，簡文彬，康榮濤.強(qiáng)夯加固填土地基振動衰減規(guī)律研究［J］.巖土工程學(xué)報，2011（33）：246～250.

［2］龔成明，程謙恭，劉爭平.強(qiáng)夯激勵下黃土邊坡動力響應(yīng)模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32（7）：2001～2006.

［3］陳 超，徐長節(jié)，蔡袁強(qiáng).強(qiáng)夯加固回填土地基振動特性的三維數(shù)值模擬［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，41（12）：119～122.

［4］胡煥校，羅 瑋.強(qiáng)夯作用下填土地基動力特性的數(shù)值模擬研究［J］.水資源與水工程學(xué)報，2012，23（4）：119～124.

［5］張 諄，袁永博.施工振動的ABAQUS模擬及其環(huán)境影響［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，31（1）：65～68.

［6］吳銘炳，王鐘琦.強(qiáng)夯機(jī)理的數(shù)值分析［J］.工程勘察，1989（3）：1～5.

［7］王金昌，陳頁開.ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.

［8］韓云山，董彥莉，白曉紅.夯錘沖擊黃土行程試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2015，34（3）：631～638.