強夯沖擊荷載作用下山區填土地基的應力與位移分析★

劉憲慶 楊 帆 辜文杰 朱建凱 陳金鋒 徐艷玲

(1.后勤工程學院，重慶 401311； 2.重慶市設計院，重慶 400015)

強夯沖擊荷載作用下山區填土地基的應力與位移分析★

劉憲慶1楊 帆2辜文杰1朱建凱1陳金鋒1徐艷玲1

(1.后勤工程學院，重慶 401311； 2.重慶市設計院，重慶 400015)

利用ABAQUS有限元軟件，建立了計算分析模型，對重慶山區典型填土地基的強夯應力、位移進行了模擬分析，指出在相同的夯擊能下，夯錘重量越大，其接觸土體時產生的應力呈降低的趨勢，最大夯沉量以及夯后土體回彈量呈增加的趨勢，夯坑隆起量變化不大；采用重錘低落距的強夯效果優于輕錘高落距。

填土地基，強夯法，應力，豎向位移

0 引言

隨著經濟的發展和社會的進步，城市化進程不斷加快，土地資源緊張的矛盾日益突出，可用于建設的場地空間也變得越來越狹窄。重慶作為西南地區重要的中心城市，在城市規模化開發的過程中，需要大規模的開山填谷，其建筑的地基主要有兩類：第一類為已填筑的地基，多為爆破山體、建筑垃圾、工業礦渣等組合填筑而來，具有填土厚度、顆粒大小不均勻以及填筑成分變化大、填筑時間長短不一等特點；另一類為邊填邊施工的地基，一般為就近爆破山體而成的巖土體作為填料，具有填土厚度、顆粒粒徑大小可控，成分固定以及填筑時間較短的特點[1]。強夯法從問世至今，具有能級高、沖擊力大、影響深度大、設備簡單、施工方便、節省勞動力、工期短等特點[2]，被廣泛應用于工業民用建筑、倉庫、道路和鐵路路基、飛機跑道以及碼頭等結構中，特別適合于砂性土、粉土、黃土、回填土、雜填土等的加固[3]。

由于被加固土體的復雜多樣性以及強夯加固地基的機理和設計目前沒有統一的標準，強夯的施工參數的確定和檢驗強夯加固效果的方法都沒有準確的法則，看似簡單的強夯施工的工程實踐遠遠領先于其理論研究，如何評價加固效果以及確定影響加固效果的因素都很難形成統一的共識。筆者采用ABAQUS對重慶地區某工程填土地基的強夯施工的應力和位移進行分析，為山區此類填方地基的強夯施工參數提供參考和依據。

1 分析模型建立

1.1 計算模型

擬建場地地層結構為上覆第四紀人工填土層、坡殘積粉土層、下伏侏羅系中統沙溪廟組砂質泥巖、泥巖互層，素填土上部松散、下部稍密，厚度約為0.10 m～15.69 m；粉質粘土無光澤，干強度、韌性中等，厚度約為1.0 m～3.0 m；砂質泥巖由粘土礦物組成，粉砂泥質結構，厚度約為0.20 m～8.95 m；砂巖粗粒結構，鈣質膠結[4]。根據強夯的設計技術要求結合建筑場地的復雜程度以及建筑類型，選取一塊代表性的區域進行強夯試驗，其平面尺寸為40.0 m×40.0 m，土層厚度選擇素填土8.0 m，粉質粘土2.0 m，砂質泥巖層5.0 m，總厚度為15.0 m，通過ABAQUS建立計算模型。為了較好的模擬強夯沖擊荷載作用下的應力波在土體中的傳播，一階單元往往比較優于二階單元，單元類型選用C3D8R，在劃分網格時，為了精確的模擬夯錘和土體的作用，夯錘中心兩倍夯錘范圍內的網格尺寸設定為0.1 m，其余區域的網格尺寸設定為1.0 m，豎向網格尺寸為0.2 m，遠離夯錘的邊界固定其水平位移，土層底部固定其豎向位移。

表1 土層參數

1.2 本構模型的選取

在進行強夯模擬的過程中，夯錘一般是鋼筋混凝土結構或鋼結構，其在強夯的過程中由于其剛度遠大于被夯材料，所以在ABAQUS/Explicit顯式動力分析中，將夯錘簡化為剛性體模型，其密度為7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011MPa，泊松比為0.3；土層參數如表1所示，土體模型采用Dracker-Prager理想彈塑性本構模型，在實際參數輸入中將Mohr-Coulomb彈塑性模型的參數轉變為Dracker-Prager理想彈塑性本構模型的參數[5]。

1.3 強夯沖擊荷載選取

一次完整的強夯過程是提升夯錘到一定高度，夯錘自由下落到被夯點，以一定的初速度沖擊下部土體，夯錘速度在很短的時間內(大約0.04 s～0.2 s)衰減到0，由動量定理可得，該過程產生的沖擊力可達到夯錘重量的幾十倍，土體被瞬間壓縮，而后土體產生一定的回彈，此時只有夯錘靜力荷載作用于土體上，相對于強夯過程產生的沖擊荷載，其靜力荷載可以忽略不計。已有的研究表明，強夯的沖擊過程產生的應力波只有一個尖峰，其瞬時沖擊荷載可以簡化為半正弦函數或三角形函數的形式，如圖1所示，這種方法是通過強夯作用力隨時間的變化作為加載條件來模擬沖擊荷載；本文采用第二種加載的形式，即根據夯錘的落距，計算出夯錘和土層接觸時的初速度，設定夯錘和土的接觸類型并加載。

本文模擬夯錘第一次夯擊土體，單機夯擊能為3 000 kN·m，夯錘重量分別為25 t，20 t，16.7 t，其夯錘落距分別為12 m，15 m和18 m，計算所得的夯錘接觸上層土時的初速度分別為v25=15.34 m/s，v20=17.15 m/s，v16.7=18.78 m/s，設置接觸為主從面面接觸的形式，為了保證產生的應力波的消散，將計算時間設定為1.0 s。

2 計算結果分析

2.1 強夯豎向應力分析

圖2～圖4分別為25 t，20 t和16.7 t夯錘作用下產生最大應力時的Mises應力云圖，圖5為土體中心點處的接觸應力隨夯錘作用時間的變化曲線。從圖2～圖4對比圖5的結果可以看出，在相同的夯擊能下，夯錘重量越大，接觸應力幅值和接觸時間隨著夯錘重量的增大呈增大的趨勢，原因是，從劉惠珊的研究結果可以得到[6]，接觸時間和落距與單擊夯沉量的比值呈反比的關系，夯錘越重，落距越小，夯沉量越大，其比值越小，接觸時間越長；由動量定理可知，在相同的夯擊能下和接觸時間時，夯錘越重，其產生的動量越大，接觸沖擊力越大，產生的接觸應力幅值越大。

圖6～圖8分別為25 t，20 t和16.7 t夯錘作用下產生最大夯沉量時的豎向位移云圖，圖9～圖11為土體中心點、中心點下分別為2.0 m，4.0 m，6.0 m處的豎向位移隨夯擊時間的變化曲線。從圖6～圖8可以看出，隨著夯錘重量的增加，其最大夯沉量呈增加的趨勢，25 t，20 t，16.7 t夯錘產生的最大夯沉量分別為0.813 m，0.771 m和0.720 m；從圖9～圖11可以看出，夯沉量隨著土層厚度的增加呈下降的趨勢；在夯沉量達到最大時，夯坑底部存在土體回彈現象，25 t，20 t，16.7 t夯錘夯擊回彈量分別為0.088 m，0.080 m，0.073 m，隨著夯錘重量的增加而增加。

2.2 強夯豎向位移沿徑向變化規律分析

圖12～圖14為夯錘重量分別為25 t，20 t和16.7 t在夯坑深度最大、夯坑隆起量最大和模擬夯擊結束時的隨距離土體中心點距離，圖15為不同夯錘下在夯坑隆起量最大時其豎向位移沿徑向的變化曲線。從圖12～圖14可以看出，由于夯錘的半徑為1.25 m，夯坑隆起量隨離夯錘的距離增加而下降，且在大約距離夯錘0.5 m處達到最大值；在產生最大隆起量之后到夯擊結束，其隆起量變化不大。從圖15可以看出，隆起量隨著夯錘重量的增加其幅值變化不大。

3 結語

文中通過ABAQUS對山區填土地基強夯的強夯應力、豎向位移沿著豎向和徑向的變化規律進行了分析：在相同的夯擊能下，夯錘重量越大，其接觸土體時產生的應力呈降低的趨勢，最大夯沉量以及夯后土體回彈量呈增加的趨勢，夯坑隆起量變化不大；采用重錘低落距的強夯效果優于輕錘高落距。

[1] 陸 新.強夯法處理軟土與高填方地基技術研究與工程應用[D].重慶：后勤工程學院，2005.

[2] 劉艷萍，杜克勤，姚洪波.強夯法施工對周圍物體產生的振動影響[J].河南水利與南水北調，2009(8)：173.

[3] 趙文貴.強夯法在山區塊石拋填地基處理中的應用[J].石家莊鐵路職業技術學院學報，2013,12(1)：52-53.

[4] 阮 維.強夯法在山區塊石填方工程中的應用[D].重慶：重慶大學，2007.

[5] 鄭穎人,孔 亮.巖土塑性力學[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[6] 劉惠珊，饒志華.強夯置換的設計方法與參數[J].地基基礎工程，1996，6(2)：6-13.

Analysis of stress and displacement of mountain filled foundation under dynamic compaction impact loading★

Liu Xianqing1Yang Fan2Gu Wenjie1Zhu Jiankai1Chen Jinfeng1Xu Yanling1

(1.LogisticsEngineeringSchool,Chongqing401311,China; 2.ChongqingDesignInstitute,Chongqing400015,China)

Using the ABAQUS finite element software, this paper established the calculation analysis model, simulated and analyzed the compaction stress and displacement of Chongqing area typical filled foundation, pointed out that in the same tamping energy, the greater of hammer weight, the stress of contact soil decreased, the maximum settlement and after compaction soil rebound increased, the tamping pit uplift volume changed little, the dynamic compaction effect using strong hammer low distance better than light hammer high drop distance.

filled foundation, dynamic compaction method, stress, vertical displacement

1009-6825(2017)02-0079-04

2016-11-07★：重慶市建設科技計劃項目(城科字2014年09-2號)；后勤工程學院青年基金(YQ16-420502)

劉憲慶(1986- ),男，博士，講師

TU431

A