有限元法在模擬強夯施工過程中的應用研究

安日

摘要：強夯法是我國目前地基處理中采取的一種主要加固方法，因其具有高應力、動荷載、瞬時性的特點而受到廣大人員關注。文章主要通過有限元數值模擬的方法，基于MIDAS/GTS有限元軟件對強夯過程中的荷載施加過程以及施工后的地基土的變形進行了相關研究，結果表明有限元法能很好的模擬落錘瞬間時地基土的動力響應，對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.

關鍵詞：強夯；施工過程；有限元法

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

中圖分類號：TU751+.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0134-02

0 引言

強夯法又稱動力固結法，其加固的主要機理是夯錘通過一定落距，引起巨大的夯擊能對地基土產生動應力和沖擊效應，使土體變得密實，提高土體的強度。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力響應，難以通過一般的試驗儀器進行測試，然而研究強夯的加固機理對于該施工方法的改進和設計人員尤其重要。因此急需一種能夠反映該施工過程的研究方法來進一步研究強夯的動力響應問題。顯然無論是室內模型試驗還是現場試驗，由于夯錘下墜的瞬時性和目前儀器的局限性，均無法真實地反映土體受到夯擊瞬間的動力響應，特別是動應力—應變響應。

為了便于設計人員理解和實際工程中的應用，一些針對強夯施工分析的有限元軟件開始逐步在設計階段應用。余景良，楊冬[1]利用ADINA商用程序在不同強夯參數下對某工程中的強夯階段進行了分析。但其在模型建立階段將動應力荷載通過公式轉化為接觸應力，導致模擬結果和實際情況出現了一定偏差，如地表隆起等。張清峰，王東權[2]在ANSYS中進行了三維簡化建模，并作了一定分析。同時也指出對于ANSYS的大型有限元軟件，建模簡化的部分過多，地層分層過于簡單。蔡袁強，陳超[3]利用ABAQUS程序采用大變形三維有限元方法對強夯的加固效果進行了模擬，對于夯擊過程中的研究由于動荷載的復雜性并未做進一步的詳細研究。

本文通過MIDAS/GTS有限元軟件對某工程強夯施工過程進行了模擬研究，并針對夯錘墜落瞬間土體的動應力響應作了進一步詳細分析，研究了夯擊次數與夯坑的沉陷關系，最后和現場實測結果進行了比對，結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場情況并為類似工程提供借鑒意義。

1 工程概況及模型建立

試夯區工程位于河北某大型堆山工程，地質條件如表1所示。

土的本構模型采用D—P理想彈塑性模型，模型的左右邊界設置為限制橫向位移，假定土體的半無限空間結構模型底部設置為固定約束。夯錘的荷載施加位于模型頂部，根據文獻[4]中的描述，將強夯的動力荷載施加簡化為三角形時程荷載，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的徑向范圍為4m。

2 計算結果及分析

根據本文第三節所述中對于土體參數隨夯擊次數的變化規律，兩種夯擊能的夯沉量增長趨勢如圖2、圖3所示。

計算模擬的結果均比實測結果大，夯擊能為2000kN·m時，實測結果在8擊時最后兩擊夯沉量平均值已達到止夯要求，然而根據模擬結果需要在10擊以后才能達到止夯要求，其原因主要是在模擬動荷載作用時簡化為三角形荷載的時程分析較實際情況偏大，并且在土體變形模量隨夯擊次數的增長關系式中參數選取過小。

3 結論

夯錘下落與地基土的接觸后真正產生動力激勵的時間僅有0.4-0.5s；且動荷載引起地基土的主要變形大約發生在0.25-0.3s之間；對于夯沉量隨夯擊次數的變化規律上，計算模擬的結果比實測的結果要偏大，分析原因后，表明于強夯過程中土的本構關系和動荷載的簡化有待進一步的探索。

參考文獻：

[1]余景良，楊冬.基于ADINA的某圍填工程地基強夯施工模擬及技術優化[J].施工技術，2014（s1）.

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

[3]蔡袁強，陳超，徐長節.強夯加固回填土地基的三維數值模擬[J].巖土力學，2007，28（6）：1108-1112.

[4]向澤華，胡煥校，吳高權.強夯作用下土體動力特性的數值模擬[J].水資源與水工程學報，2015（6）.