高爐渣粉煤灰地基回填料的強夯數值模擬

劉　香，周　鑫，許有俊

(內蒙古科技大學建筑與土木工程學院， 內蒙古自治區包頭014010)

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高爐渣粉煤灰地基回填料的強夯數值模擬

劉香，周鑫，許有俊

(內蒙古科技大學建筑與土木工程學院， 內蒙古自治區包頭014010)

為了研究高爐渣粉煤灰作地基回填料的強夯性能及效果，進行了對該類人工填料地基的強夯數值模擬以及夯后地基沉降的觀測。依托某鋼鐵企業新體系高爐礦渣地基處理項目，構建擬靜力法下夯錘與土體之間的接觸力求解模型，并基于FLAC3D軟件，模擬高爐渣粉煤灰地基強夯過程中的地基土瞬時沉降變化，并對夯后地基土力學性能進行分析。結果表明：強夯高爐渣地基的最佳點夯次數為6～7次，強夯加固深度約為 6 m。依據強夯施工后的沉降觀測，分析該類地基強夯后土體的沉降變形特性及密實效果，為同類研究提供參考。

高爐渣;強夯;FLAC3D數值模擬;沉降

0　引　言

在鋼鐵冶煉過程，30%～35%的生鐵會轉化成高爐礦渣[1]，我國每年的鋼鐵生產量非常巨大，據估算，每年的礦渣產量約為14 000萬t。但目前而言，我國的礦渣回收利用率還不足50%，對爐渣還沒有實現合理的綜合利用，造成了資源的浪費。

在填方量較大的地基回填工程中，大面積的使用高爐渣作為地基回填土可以有效的提高爐渣利用率。田德生等[2]通過分析高爐渣作為地基回填料的力學性能及回填后地基的沉降變形性能進行了試驗和研究，得到通過采用一定施工工藝后，高爐渣完全可以應用在工程地基中的結論。王韜[3]以攀鋼高爐渣為對象，采用物理和化學的方法，對高爐渣的擊實性、壓縮性、抗剪強度、承載力及熱膨脹、熱傳導、比熱容、地基溫度場應力等進行了相關研究。

1　工程概況

1.1工程地質條件

以包頭鋼鐵集團新體系2 250 mm熱軋機組煉鋼項目為背景，該項目占地面積約20萬m2，地質條件復雜，地形起伏變化大，場地標高在1 032～1 053 m變化，雜填土廣泛分布，土質松散，厚度約5 m，主要是建筑垃圾、廢鋼渣及生活垃圾，承載力不能滿足設計要求，對地基基礎施工造成嚴重障礙，需要換填地基[4]。其中，標高在1 016.90～1 024.76 m的粉質粘土層厚度較大，為可塑狀態，且100 m內未見巖層等良好持力層。地下水補給主要受包鋼尾礦壩、灰渣壩的影響，勘察期間，場地地下水埋藏于自然地表下1.1～9.2 m，標高為1 034.56～1 036.70 m，屬潛水，具有微承壓性。并且由于軋線工藝設備對基礎沉降與變形的要求非常高，使該工程的建設難度非常大[5]。加之，施工現場的地質條件復雜等原因，其承載力不能滿足設計要求，即使采用樁基也將對其施工造成嚴重阻礙。

1.2換填高爐渣的顆粒特性

換填高爐渣的特點之一是填料多為煉鋼爐廢渣水淬形成[6]，其顆粒不均、級配差、孔隙大，顆粒分析見表1。由表1可知，小于0.075 mm的顆粒含量占土樣總量的0.15%，大于5 mm的顆粒含量占土樣總量的98.99%。級配曲線見圖1，經計算得到：d60=40 mm，d30=25.2 mm，d10=16.8 mm。通過計算不均勻系數Cu=2.38，曲率系數Cc=0.95。根據《土工試驗規程》(SL237—1999)中的相關規定，高爐渣屬于級配不良顆粒。

表1　高爐廢渣顆粒分析Tab.1　Blast furnace slag particle analysis

圖1高爐渣粒徑級配曲線

Fig.1Blast furnace slag particle size grading curve

1.3施工方案

在高爐渣粉煤灰地基的回填處理中，首先清除場地內雜填土，采用分層碾壓的方式，高爐渣粉煤灰按照5∶1的體積混合回填，每層填筑厚度為：虛鋪高爐渣厚度0.5 m、粉煤灰0.1 m(壓實后基本控制為2層壓實厚度為1 m)，并在分層碾壓厚度達到約5m時進行強夯處理，以提高地基承載力。根據《地基處理技術規范》JGJ79—2002有關條文，確定強夯施工參數，詳見表2。

表2　強夯夯擊參數表Tab.2　Compaction tamping datasheets

2　強夯高爐渣粉煤灰地基的數值模擬

2.1計算模型的幾何、物理力學參數

從力學角度分析，地基土受到夯錘的沖擊時，可以將地基土看成以夯錘為中心軸的軸對稱二維動力求解問題，進而將模型進行簡化[7]。一般在動力方程中，都要考慮振型、阻尼、振動頻率等參數，但是這些參數在強夯施工前是很難得到的[8-9]，考慮高爐渣粉煤灰作地基回填料的復雜性，使獲得參數的難度加大，并且想要獲得準確的參數值，需要觀測更多的參數來描述[10]，由于誤差的存在，擬使用擬靜力法得到模型的接觸壓力。高爐渣粉煤灰地基土的物理參數，如表3所示。

表3　物理參數Tab.3　Physical parameters

2.2模型的基本假定

地基土在強夯過程中，多種因素共同影響著夯擊的加固效果，使加固過程變得十分復雜。并且，由于夯錘對土體施加了巨大的夯擊能，使土體結構發生一系列的物理變化，如土體的液化或破壞等[11]。為了便于直觀的模擬強夯加固過程，本文做出假設：①假定地基土為均質各向同性的彈塑性體；②假定夯錘為剛體；③假定強夯過程只考慮夯錘的重力，忽略其他力；④忽略地下水的影響；⑤假定超出夯錘加固中心外的地基變形為小變形[12]。

2.3能量加載過程分析

(1)

式(1)中：A為夯錘的底面積，M為夯錘的質量。Pmax為接觸面的最大應力，Δt為接觸時間，接觸時間Δt可由式(2)～式(4)推導得到。

由動量定理推導出接觸面應力的峰值和平均值公式：

(2)

式(2)中：W為夯錘的重量。

在重力做功條件下，得到夯錘與地基土接觸面的應力值公式：

(3)

式(3)中：L為單一錘擊時的夯沉量。

假設夯擊時的夯能損耗為零，則滿足式(2)和式(3)相等，得到：

(4)

2.4邊界條件和初始應力的確定

在FLAC3D軟件中，邊界條件的設置并不是根據位移邊界來確定，而是用速度邊界，通過設定模型邊界節點的速度實現位移邊界的控制，隨著計算時步的變化產生相應的位移。在單元內部，可以設定初始應力，對節點可以設定初始位移和速度[13]。并且FLAC3D還可以有效的模擬地下水的流動以及土體內孔隙水壓力的擴散。應該注意的是：在設定不同變化梯度的初始應力時，必須保證相鄰梯度變化處的應力值保持一致，如出現應力跳躍的狀況，其計算結果誤差會較大。

2.5高爐渣粉煤灰強夯數值模擬計算結果

基于FLAC3D軟件，依據表3中所示的物理參數模擬7次點夯作用下高爐渣粉煤灰地基豎向位移等值線(Contour of Z-Displacement)的變化[14]，如圖2所示。

由圖2所示的豎向位移變化可知，從第1次到第7次夯擊，夯錘下方土體豎向位移最大從41 cm達到139 cm。隨著夯擊次數的增加，相鄰兩次夯擊的豎向位移差逐步減小，最后兩次夯擊的夯沉量為4 cm。距離夯錘中心較近的土體，沉降變形較大，距離越遠，瞬時沉降值越小。而且隨著深度的增大，變化值逐漸減小。在仿生軟件顯示下，得到第一次點夯下，水平和豎向的沉降等值線圖，如圖3和圖4所示。

本文在模擬過程中所建立的單元網格為1 m，圖3中顯示出第一次點夯下水平面沉降情況，此模擬結果可以對夯點的布置提供分析依據。分析圖4可知，在第一次點夯下，形成的連續閉合的豎向沉降等值線最大值達到6 m，即第一次點夯高爐渣地基回填料的有效加固深度已經達到6 m，隨著夯擊次數的增加，有效加固深度逐漸加大，因此滿足強夯施工對有效加固深度的要求[15]。

(a) 第一次點夯的豎向位移等值線圖

(b) 第三次點夯的豎向位移等值線圖

(c) 第五次點夯的豎向位移等值線圖

(d) 第七次點夯的豎向位移等值線圖

圖2點夯下的地基豎向位移變化

Fig.2Foundation vertical displacement under the point ram

圖3第一次點夯水平面沉降等值線圖

Fig.3The first point ram level settlement isograms

圖4第一次點夯的豎向位移等值線圖

Fig.4The first point ram vertical displacement isoclines

3　夯填后的沉降實測分析

在施工過程中，對高爐渣地基沉降監測設置3個深層沉降監測孔，各測點的布置詳見表4。

表4　各監測孔布置Tab.3　Each monitor hole layout

在分層沉降觀測中，得到不同深度的累積沉降變化，如圖5和圖6所示。

圖5JCK-1測點處分層沉降觀測結果

Fig.5measuring point sanction layer settlement observation results

圖6JCK-2測點處分層沉降觀測結果

Fig.6JC-2 measuring point sanction layer settlement observation results

3.1曲線分析

由圖5與圖6可知，從第四次觀測開始，沉降量開始增大，沉降速率加快，沉降曲線呈收斂狀態。當進行第6～7次監測時，JCK-1的觀測沉降曲線有趨于穩定的趨勢，沉降速率大約0.18 mm/d，相較之前有所減弱；對比JCK-1和JCK-2測定，在0～35 m觀測的觀測深度內，JCK-2所表現出的沉降曲線變化明顯。原因在于，JCK-2所處位置屬于精軋區，由于設備的荷載大，施工進展快等原因，使得沉降主要發生在地基的淺層，并明顯高出其他測點的變化。從不同孔深的沉降累積數據而言，孔深35 m處的累積沉降與地基淺層的累積沉降相差不足20 mm，而在孔深20 m以上的累積沉降的差值相對較大，差值約10 mm以上。

曲線分析表明，通過對填料地基進行分層碾壓及強夯等地基處理后，得到淺層地基土因土體的壓縮而產生較大幅度的沉降，主要沉降的發生范圍約為10～30 m，其原因在于：10～30 m范圍內的土層多為粉質粘土，而粉質粘土相對易于壓縮，因此導致其產生沉降。而達到50 m深度后的土層則不會再被壓縮，因此沉降較小。

3.2工程實況分析

結合實際的工程情況，在完成地基處理的8個月后，地基主要的沉降基本結束，實測得到的沉降曲線也逐漸收斂，沉降趨于穩定。由于高爐礦渣作為地基回填料的填筑厚度較大，并且高爐渣顆粒屬于粗粒土，因此填料具有不易壓縮、壓縮完成時間短等性質。在換填施工過程中，將不均勻的淺層土體換填成顆粒均勻的高爐渣粉煤灰的混合填料，有效地改善了土體的抗沉降特性。其次，該場地的下臥土層多為可塑或可塑～軟塑狀態的粉質粘土。因此，當該土層長期浸于地下水中，就會產生土體的相互作用，進而產生一定的空隙水壓力。

高爐渣粉煤灰地基沉降規律滿足隨著地基深度的增加，沉降量逐步降低的規律。也反映了地基下臥土層的壓縮性較大，沉降量較為明顯。

4　結　語

通過模擬高爐渣粉煤灰地基的強夯過程，得到結論：

①由數值模擬的結果可知，當夯擊數增加到6～7次時，高爐渣粉煤灰地基土的加固并不明顯，為了避免造成浪費，在強夯法加固地基過程中，高爐渣地基回填料存在一個最佳夯擊次數。

②在地基土的水平作用面上，夯錘對地基土的加固是有一定影響范圍的，夯錘對土體施加了巨大的夯擊能，使接觸面上的土體產生了豎向位移，夯錘兩側土體受到擠壓而發生隆起。當隨著夯擊能向四周土體能量傳遞的遞減，豎向位移也逐步減弱，直至消失。

③強夯高爐渣粉煤灰的最大主應力最大值出現在夯錘與土體的接觸面上，且土體的最大主應力隨著深度的增加而逐漸減弱。隨著夯擊次數的增加應力影響范圍越大，直至趨于平穩。

④強夯高爐渣地基回填料施工中，土體模型的塑性變形區也在不斷擴大，隨著夯擊次數的增加，回填料的塑性變形區趨于穩定。

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(責任編輯唐漢民梁碧芬)

Numerical simulation of dynamic compaction on blast furnace slag fly ash for foundation backfill

LIU Xiang, ZHOU Xin, XU You-jun

(The School of Architecture and Civil Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

In order to study the dynamic compaction effect of the blast furnace slag fly ash which is used as foundation backfill, a numerical simulation of compaction on the artificial filling foundation and an observation on the foundation settlement have been carried out. Based on a foundation treatment project for the new blast furnace slag in a steel enterprise, a model for the contact stress between rammer and soil is established pseudo-statically．Using the software FLAC3D, we simulate the instantaneous settlement of blast furnace slag fly ash foundation in the dynamic compaction process of the foundation and analyze the mechanical properties of the foundation soil after ramming. The following conclusions have been obtained: the optimal tamping times of the dynamic compaction on blast furnace slag foundation is 6～7, and the dynamic compaction depth is about 6m. Based on settlement observation after the dynamic compaction, the settlement characteristics and compaction effect of the foundation soil after compaction have been analyzed, which provides reference for future similar researches.

blast furnace slag; compaction; FLAC3Dnumerical simulation; settlement

2016-04-11；

2016-05-13

內蒙古自然基金資助項目(2013MS0730)

劉香(1964—)，女，內蒙古包頭人，內蒙古科技大學教授；E-mail: liuxiangwd@126.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1116

TU441+.7

A

1001-7445(2016)04-1116-07

引文格式：劉香，周鑫，許有俊.高爐渣粉煤灰地基回填料的強夯數值模擬[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1116-1122.