高能級強夯加固回填土的數值模擬

趙 永 祥

(中交第一公路工程局有限公司，北京 100024)

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高能級強夯加固回填土的數值模擬

趙 永 祥

(中交第一公路工程局有限公司，北京 100024)

采用FLAC軟件，對強夯加固回填土地基進行了數值模擬，研究了能級變化對強夯加固效果的影響，并結合工程實例，分析了不同夯擊能、不同夯擊次數作用下土體的動力反應特征，所得結論對類似強夯工程施工有一定的參考價值。

回填土，高能級強夯，數值模擬，錘擊應力，土層厚度

0 引言

隨著城市化進程的不斷深入，用地矛盾日益突出，采用“開山填谷”“開山填海”的方法解決建設用地的工程日趨增多[1]。與此同時，強夯加固機理較為復雜，現有的設計計算方法基本上都是經驗性或半經驗性的，國內外的專家學者進行了相關研究，但至今未形成一套完整的設計計算理論。一些專家學者進行了相關研究[2-9]。數值分析法通過合理確定土體的應力—應變關系、屈服準則以及力學邊界條件來模擬強夯加固地基的全過程。本文采用FLAC軟件，對強夯處理大厚度填土進行數值模擬，得出了一些結論，對于今后類似地基的強夯加固設計具有一定的參考意義。

1 計算參數

夯錘參數：錘重為400 kN，對應夯擊能6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m的夯擊，落距分別為15.0 m,20.0 m,25.0 m,30.0 m,35.0 m和40.0 m，夯錘底面直徑均為2.5 m。

荷載的施加：采用三角形荷載形式，將錘擊力加在錘土接觸節點上。當夯擊能量分別為6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m時，對應的最大應力pmax分別為5.50 MPa,6.35 MPa,7.10 MPa,7.78 MPa,8.40 MPa和8.98 MPa。

計算所用土層參數選取如表1所示。

表1 土層參數

2 最大錘擊應力沿深度的分布及土層厚度的影響

2.1 最大錘擊應力沿深度的分布

圖1是土層厚度為15.0 m時，不同能級作用下最大錘擊應力沿深度的分布，圖1a)為第1擊時最大錘擊應力沿深度變化的曲線，可以看出，能級越高，相同深度處最大錘擊應力也越大，對于能級為6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m的強夯，第1次夯擊作用下，錘土接觸面上的最大錘擊應力分別為5.11 MPa,5.91 MPa,6.62 MPa,7.25 MPa,7.84 MPa和8.37 MPa，能級10 000 kN·m強夯的最大錘擊應力比能級6 000 kN·m提高了29.5%，而能級16 000 kN·m的最大錘擊應力比能級為6 000 kN·m和10 000 kN·m分別提高了63.8%和26.4%，可見能級提高對強夯加固效果的改善非常明顯。圖1b)，圖1c)分別為第5擊、第9擊時的最大錘擊應力沿深度的分布曲線，與第1擊相類似，能級越高，相同深度處最大錘擊應力也越大。圖1d)為第16擊作用下最大錘擊應力沿深度的分布曲線，對于能級為6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m的強夯，埋深10 m處最大錘擊應力分別為0.14 MPa,0.32 MPa,0.40 MPa,0.46 MPa,0.50 MPa,0.79 MPa，能級10 000 kN·m強夯在埋深10 m處的最大錘擊應力比能級6 000 kN·m提高了185.7%，而能級16 000 kN·m的最大錘擊應力比能級6 000 kN·m和10 000 kN·m分別提高了464.3%和97.5%，能級的提高對深層土體的加固效果有明顯改善。

2.2 土層厚度的影響

圖2以10 000 kN·m強夯為例，說明土層厚度的變化對最大錘擊應力的影響。在第1擊和第16擊作用下，不同土層厚度(15 m,25 m,35 m)的3條曲線基本重合，表明土層厚度的變化對土體豎向位移的影響可以忽略。通過其他能級的計算，亦發現相同結論。

3 土體豎向應力時程曲線

3.1 錘下2 m處

圖3是土層厚度為15.0 m時，不同能級作用下錘下2.0 m處土體豎向應力的時程曲線。圖3a)為第1擊曲線，在開始階段，不同能級的豎向應力均呈線性增長，并達到峰值，能級越高，豎向應力峰值越大；能級為6 000 kN·m強夯時的峰值為3.56 MPa，而能級為16 000 kN·m強夯時的峰值為6.20 MPa；不同能級夯擊時，達到峰值的時間相差不大。達到峰值后，豎向應力開始呈線性減小，在夯擊時間超過0.099 s后，各能級豎向應力隨時間基本沒有變化，進入穩定狀態，并且不同能級的豎向應力基本相等，為0.17 MPa。圖3b)為第5擊曲線，與第1擊相比，曲線變化的形態基本一致，對于6 000 kN·m，8 000 kN·m，10 000 kN·m，12 000 kN·m，14 000 kN·m和16 000 kN·m的強夯能級，其豎向應力最大值分別為4.21 MPa，4.73 MPa，5.25 MPa，5.74 MPa，6.10 MPa和7.03 MPa，與第1擊相比，豎向應力峰值有所增大，達到應力峰值的時間均為0.052 s左右，豎向應力進入穩定階段的夯擊時間為0.115 s。圖3c)為第16擊曲線，豎向應力峰值與進入穩定狀態的時間與第5擊相似，但進入穩定狀態后，能級16 000 kN·m產生的豎向應力最大。從以上分析可以發現，對于淺層土體(錘下2.0 m)，能級越高，夯擊過程中產生的豎向應力最大值越大。

3.2 錘下10 m處

圖4是土層厚度為15.0 m時，不同能級作用下錘下10.0 m處土體豎向應力的時程曲線。圖4a)為第1擊曲線，可以發現，夯擊時間在0～0.08 s之間，豎向應力保持不變，表明夯擊能量還沒有傳播到此處土體；夯擊時間在0.08 s～0.205 s之間時，豎向應力經歷一個波動，先增大到峰值，能級越高，豎向應力峰值越大，然后各豎向應力開始減小，之后又有所增加，這個波動過程表明土體仍處于彈性狀態，波動段過后，豎向應力隨時間保持不變。圖4b)為第5擊作用下錘下10.0 m處土體豎向應力隨時間的變化曲線，與第1擊相比，不同能級作用下，豎向應力有了明顯的差異，隨著能級增加，豎向應力越來越大。圖4c)為第16擊作用下錘下10.0 m處土體豎向應力隨時間的變化曲線，與第5擊相比，曲線形態基本相似，但是能級越低，曲線越平緩，表明在錘下10.0 m處，能級較低的強夯影響較小。

比較夯錘中心點下10.0 m處土體的豎向應力時程曲線和夯錘中心點下2 m的結果，可以看出，不同能級的夯擊能量在錘下10.0 m處已經大大衰減，其豎向應力峰值僅為2 m處的1/10左右。

另外，本次研究還計算了土層厚度為25.0 m和35.0 m時，深度為2.0 m和10.0 m處土體的豎向應力時程曲線，同土層厚度為15.0 m的情況基本一致。

4 結語

本文通過能級分別為6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m的夯擊作用下土體的應力分析，得到了以下主要結論：

1)能級較低的夯擊對淺層土體的加固效果較好，其豎向應力的峰值反而大于能級較高的夯擊，但是能級較高的夯擊對深層土體的加固效果較好，其豎向應力峰值的深度比能級較低的要深2.0 m左右；隨著夯擊的進行，逐漸呈現出能級越高，豎向應力峰值越大，且最大豎向應力點的深度也越來越大的規律。

2)在第16擊作用下，能級10 000 kN·m強夯在埋深10.0 m處的最大錘擊應力比能級6 000 kN·m提高了185.7%，而能級16 000 kN·m的最大錘擊應力比能級6 000 kN·m和10 000 kN·m分別提高了464.3%和97.5%，能級的提高對深層土體的加固效果有明顯改善。

3)不同能級作用下，錘下2 m處土體的豎向應力時程曲線均在0.05 s左右出現峰值，能級越高，豎向應力的峰值也越大。

4)不同能級的夯擊能量在錘下10.0 m處已經大大衰減，其豎向應力峰值僅為錘下2.0 m處的1/10左右。

5)不同能級作用下，土層厚度的變化對錘下2.0 m和10.0 m處土體的豎向應力時程曲線影響不大。

6)不同能級作用下，土層厚度的變化對最大錘擊應力沿深度的分布影響不大。

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On numeric simulation of refiller consolidation with high-grade reinforcement

Zhao Yongxiang

(No.1EngineeringBureauCo.,Ltd,CCCC,Beijing100024,China)

The paper adopts FLAC software to undertakes the numeric simulation for the dynamic consolidation of the refilled foundation, researches the influence of the changes in energy levels on the dynamic consolidation effect, analyzes the dynamic response features of the earthwork under different dynamic energy and various compaction times with the engineering cases, and indicates its application value for similar dynamic projects.

refilled soil, high energy level compaction, numeric simulation, hammer stress, layer thickness

1009-6825(2017)11-0089-03

2017-02-10

趙永祥(1983- )，男，碩士，工程師，注冊巖土工程師

TU472.31

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