有限元法在模擬強(qiáng)夯施工過程中的應(yīng)用研究

安日

摘要：強(qiáng)夯法是我國(guó)目前地基處理中采取的一種主要加固方法，因其具有高應(yīng)力、動(dòng)荷載、瞬時(shí)性的特點(diǎn)而受到廣大人員關(guān)注。文章主要通過有限元數(shù)值模擬的方法，基于MIDAS/GTS有限元軟件對(duì)強(qiáng)夯過程中的荷載施加過程以及施工后的地基土的變形進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明有限元法能很好的模擬落錘瞬間時(shí)地基土的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)類似工程有借鑒意義。

Abstract： Dynamic compaction is one of the main reinforcement methods adopted in the foundation treatment in China， and it is concerned by people because of its characteristics of high stress， dynamic load and instant character. Based on the finite element numerical simulation method and the MIDAS/GTS finite element software， this paper studies the loading application process in dynamic compaction and the deformation of foundation soil after construction.

關(guān)鍵詞：強(qiáng)夯；施工過程；有限元法

Key words： dynamic compaction；construction process；the finite element method

中圖分類號(hào)：TU751+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）33-0134-02

0 引言

強(qiáng)夯法又稱動(dòng)力固結(jié)法，其加固的主要機(jī)理是夯錘通過一定落距，引起巨大的夯擊能對(duì)地基土產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力和沖擊效應(yīng)，使土體變得密實(shí)，提高土體的強(qiáng)度。這一過程不同于一般的靜力施加過程，特別是夯錘與地基土接觸瞬間土體的動(dòng)力響應(yīng)，難以通過一般的試驗(yàn)儀器進(jìn)行測(cè)試，然而研究強(qiáng)夯的加固機(jī)理對(duì)于該施工方法的改進(jìn)和設(shè)計(jì)人員尤其重要。因此急需一種能夠反映該施工過程的研究方法來進(jìn)一步研究強(qiáng)夯的動(dòng)力響應(yīng)問題。顯然無論是室內(nèi)模型試驗(yàn)還是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，由于夯錘下墜的瞬時(shí)性和目前儀器的局限性，均無法真實(shí)地反映土體受到夯擊瞬間的動(dòng)力響應(yīng)，特別是動(dòng)應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)。

為了便于設(shè)計(jì)人員理解和實(shí)際工程中的應(yīng)用，一些針對(duì)強(qiáng)夯施工分析的有限元軟件開始逐步在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用。余景良，楊冬[1]利用ADINA商用程序在不同強(qiáng)夯參數(shù)下對(duì)某工程中的強(qiáng)夯階段進(jìn)行了分析。但其在模型建立階段將動(dòng)應(yīng)力荷載通過公式轉(zhuǎn)化為接觸應(yīng)力，導(dǎo)致模擬結(jié)果和實(shí)際情況出現(xiàn)了一定偏差，如地表隆起等。張清峰，王東權(quán)[2]在ANSYS中進(jìn)行了三維簡(jiǎn)化建模，并作了一定分析。同時(shí)也指出對(duì)于ANSYS的大型有限元軟件，建模簡(jiǎn)化的部分過多，地層分層過于簡(jiǎn)單。蔡袁強(qiáng)，陳超[3]利用ABAQUS程序采用大變形三維有限元方法對(duì)強(qiáng)夯的加固效果進(jìn)行了模擬，對(duì)于夯擊過程中的研究由于動(dòng)荷載的復(fù)雜性并未做進(jìn)一步的詳細(xì)研究。

本文通過MIDAS/GTS有限元軟件對(duì)某工程強(qiáng)夯施工過程進(jìn)行了模擬研究，并針對(duì)夯錘墜落瞬間土體的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)作了進(jìn)一步詳細(xì)分析，研究了夯擊次數(shù)與夯坑的沉陷關(guān)系，最后和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果表明本文采取的建模方法和荷載處理能夠很好的擬合現(xiàn)場(chǎng)情況并為類似工程提供借鑒意義。

1 工程概況及模型建立

試夯區(qū)工程位于河北某大型堆山工程，地質(zhì)條件如表1所示。

土的本構(gòu)模型采用D—P理想彈塑性模型，模型的左右邊界設(shè)置為限制橫向位移，假定土體的半無限空間結(jié)構(gòu)模型底部設(shè)置為固定約束。夯錘的荷載施加位于模型頂部，根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的描述，將強(qiáng)夯的動(dòng)力荷載施加簡(jiǎn)化為三角形時(shí)程荷載，荷載的施加形式如圖1所示。并在建立模型作如下假定：假定夯錘的徑向范圍為夯錘直徑的2倍，本工程采用的夯錘直徑為2.3m，因此在模型建立中的夯擊區(qū)的徑向范圍為4m。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)本文第三節(jié)所述中對(duì)于土體參數(shù)隨夯擊次數(shù)的變化規(guī)律，兩種夯擊能的夯沉量增長(zhǎng)趨勢(shì)如圖2、圖3所示。

計(jì)算模擬的結(jié)果均比實(shí)測(cè)結(jié)果大，夯擊能為2000kN·m時(shí)，實(shí)測(cè)結(jié)果在8擊時(shí)最后兩擊夯沉量平均值已達(dá)到止夯要求，然而根據(jù)模擬結(jié)果需要在10擊以后才能達(dá)到止夯要求，其原因主要是在模擬動(dòng)荷載作用時(shí)簡(jiǎn)化為三角形荷載的時(shí)程分析較實(shí)際情況偏大，并且在土體變形模量隨夯擊次數(shù)的增長(zhǎng)關(guān)系式中參數(shù)選取過小。

3 結(jié)論

夯錘下落與地基土的接觸后真正產(chǎn)生動(dòng)力激勵(lì)的時(shí)間僅有0.4-0.5s；且動(dòng)荷載引起地基土的主要變形大約發(fā)生在0.25-0.3s之間；對(duì)于夯沉量隨夯擊次數(shù)的變化規(guī)律上，計(jì)算模擬的結(jié)果比實(shí)測(cè)的結(jié)果要偏大，分析原因后，表明于強(qiáng)夯過程中土的本構(gòu)關(guān)系和動(dòng)荷載的簡(jiǎn)化有待進(jìn)一步的探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]余景良，楊冬.基于ADINA的某圍填工程地基強(qiáng)夯施工模擬及技術(shù)優(yōu)化[J].施工技術(shù)，2014（s1）.

[2]張清峰，王東權(quán).強(qiáng)夯法加固煤矸石地基單點(diǎn)單次夯擊數(shù)值模擬研究[J].鐵道建筑，2012（11）：76-79.

[3]蔡袁強(qiáng)，陳超，徐長(zhǎng)節(jié).強(qiáng)夯加固回填土地基的三維數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2007，28（6）：1108-1112.

[4]向澤華，胡煥校，吳高權(quán).強(qiáng)夯作用下土體動(dòng)力特性的數(shù)值模擬[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2015（6）.