（岩土工程专业论文）强夯加固回填土地基的三维数值分析.pdf

浙江大学硕士学位论文 陈超2 0 0 6 摘要 随着城市化进程的不断深入，山区城市扩建，用地矛盾f ： 益突出，采用“丌 山填谷”的方法解决建设用地的_ 1 + 程| ；= = l 趋增多。划于此类不均匀的堆填场地，如 何使之地基在变形、强度、稳定性等各方面都能满足建设要求的问题，已是地基 处理中一项追切要解决的课题。强夯加固技术对此种回填土地基的处理具有诸多 其他地基处理方法不可比拟的技术优势，但这方面的研究相对较少，因此这已经 是实践对理论提出的一个重要研究课题。本文系统分析了强夯加固回填土地基的 机理以及强夯施工的振动特性，主要内容有： 1 针对回填土地基，基于a b a q u s 软件，采用几何非线性二三维有限元方法 对强夯加吲机理和振动特性进行了数值分析。着重对实际工程中关心的几个问题 进行了研究，研究结论对类似的强夯工程具有一定的参考价值。 2 本文在有限元分析时，对各次夯击后土体弹性模量的确定提出了改进的 办法。考虑了每一次夯击引起的土体塑性变形，确定前次夯击后土体塑性区开展 的形状，调整塑性区的土性参数，对于塑性区以外土体的性质保持不变，以此作 为下次夯击分析的基础，重复上述步骤来实现对多次夯击过程的模拟。 3 提出强夯加固区的判断标准，模拟过程中塑性应变大于5 的区域认为得 到了有效的加固，属于强夯的有效加固区域。在此基础上分析了相同夯击能不同 夯击次数、不同夯击能以及不同夯锤半径下土体加固区开展的情况，有效地预测 了强夯加固区在空间上的分布规律。 4 分析了多种工况下土体加速度、速度的振动特性以及两者随距离的衰减 变化规律，研究了不同施工参数对土体振动特性的影响。最后采用速度和加速度 评价标准确定了强夯振动的影响范围。 关键词：强夯；回填土；几何非线性：有限元；加固区；振动；衰减；a b a q u s 浙江大学硕士学位论文 陈超2 0 0 6 a b s t r a c t m o r el a n d sa r er e q u i r e df o rc o n s t r u c t i n gi nm o u n t a i n o u st o w n sd u r i n gt h e p r o c e s so fu r b a n i z a t i o n ，t h en u m b e r so ft h ep r o j e c t sc o n s t r u c t e do nt h es o i l st h a ta r e g o tf r o mt h ew a yo f e x p l o d e dh i l la n df i l l e dv a l l e y ”a r ec o n t i n u a l l yi n c r e a s e d i ti s o n eo ft h ep r o b l e m si n s o i lt r e a t m e n tt h a th o wt om a k et h e s es o i l st os a r i s f yt h e p r o j e c tr e q u e s t ss u c ha sd e f o r m a t i o n ，i n t e n s i t ya n ds t a b i l i t y , w h i c ha r en e e dt ob e s o l v e du r g e n t l y c o m p a r i s o nw i t ht h eo t h e rs o i li m p r o v e m e n tm e t h o d s ，d y n a m i c c o m p a c t i o nh a sm u c ht e c h n i c a ls u p e r i o r i t yt od e a lw i t hs u c hn o n u n i f o r mb a c k f i l l e d s o i l s ，b u tt h ec o r r e l a t i v er e s e a r c h e sa r er e l a t i v ef e w e r , t h e r e f o r et h i si sa ni m p o r t a n t r e s e a r c hs u b j e c t t h em e c h a n i s mo fd y n a m i cc o m p a c t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f v i b r a t i o nc a u s e db yd y n a n f i cc o m p a c t i o na r ea n a l y z e di n t h i s p a p e r t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w ： 1t h ei m p r o v e m e n te f f e c to fd y n a m i cc o m p a c t i o n ，a i m i n ga tc o a r s e g r a i n e d b a c k f i l l e ds o i l s ，h a sb e e ns t u d i e d b ya b a u q su s i n gg e o m e t r i c n o n l i n e a r t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d s e v e r a lp r o b l e m sw h i c ha r ec o n c e m e di n p r a c t i c a le n g i n e e r i n gh a sb e e ns t u d i e d ，t h ec o n c l u s i o n s o ft h i sp a p e rg i v es o m e r e l b r e n e e sf o rt h ep r a c t i c e 2 t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nc a u s e db ye a c ht a m p i n gh a sb e e nt a k e ni n t oa c c o u n t a n dt h es h a p eo ft h ep l a s t i cz o n eh a sb e e ni d e n t i f i e da f t e re a c hd r o p ，t h ep a r a m e t e r so f s o i l si nt h ep l a s t i cz o n eh a v eb e e na d j u s t e da n dt h ep a r a m e t e r so fs o i l so u to fp l a s t i c z o n ea r eu n c o n v e r t e d ，w h i c hm a k e st h eb a s e o fn e x ti m p a c ta n a l y s i s t h ew h o l e p r o c e s so f d y n a m i cc o m p a c t i o ni ss i m u l a t e db yr e p e a t i n gt h es t e p sm e n t i o n e da b o v e 3 t h ec r i t e r i o nf o rd e t e r m i n i n gt h er e i n f o r c e dz o n eh a sb e e no b t a i n e d ，n a m e l y , t h es o i l sw e r et r e a t e da sr e i n f o r c e dw h e nt h e i rv a l u eo ft o t a lp l a s t i cs t r a i ni sl a r g e r t h a n5 t h ed e v e l o p m e n t so fp l a s t i cz o n ei ns a m ei m p a c te n e r g i e sb u td i f f e r e n t n u m b e ro fd r o p s ，d i f f e r e n ti m p a c te n e r g i e sa n dd i f f e r e n tr a d i ih a v eb e e no b t a i n e d ， w h i c hc a nb eu s e dt of o r e c a s tt h ed i s t r i b u t i o nr u l e so fr e i n f o r c e dz o n eo fd y n a m i c c o m p a c t i o ne f f e c t i v e l y 4 t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i cc o m p a c t i o ni nt h ed i f f e r e n tb e h a v i o r s a n dt h ea a e n u a t i o nr u l e so fa c c e l e r a t i o na n dv e l o c i t yb e t w e e nh o r i z o nd i s t a n c e sa w a y f i o mt h et a m p i n gp o i n ta r es t u d i e d ，a n da l s ot h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i co fd y n a m i cc o m p a c t i o na r es t u d i e d b a s e do nt h er e s u l t so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h er a n g eo f i n f l u e n c eo f v i b r a t i o ni nb a c k f i l l e ds o i l sh a sb e e na c h i e v e d k e y w o r d ：d y n a m i cc o m p a c t i o n ；b a c k f i l l e ds o i l ；g e o m e t r i cn o n l i n e a r ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ；r e i n f o r c e dz o n e ；v i b r a t i o n ；a t t e n u a t i o n ；a b a q u s i i 浙江人学硕，j 二学位论文陈超2 0 0 6 第一章绪论 1 1 强夯法概述 强夯法，是用起重机械( 起重机或起重机配三角架、龙门架) 将重锤起吊到 一定的高度后自由落下，给地基以强大的冲击和振动，对地基土进行强力夯实的 地基处理方法。强夯法不仅能提高地基的强度，降低地基士的压缩性，还能改善 地基抗震动液化的能力和消除土的湿陷性，是我国目前常用且经济的一种地基处 理方法。 强夯法用于处理粗粒土地基和低饱和度的细粒土地基时，一般称为动力压密 ( d y n a m i cc o m p a c t i o n ) ；用十处理高饱和度的细粒土地基，特别是淤泥、淤泥质 粘土和泥炭土等软土地基时，般称为称动力固结法( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n ) 。 强夯法作为一种主动加固地基的方法，将土本身作为一种可以满足技术要求 的工程材料，充分地利用和发挥土体本身的力学性能，这符合当前岩土工程的总 原则，即“要充分利用岩土体本身的作用”。强夯法具有诸多其他地基处理方法 不可比拟的技术优点，是一种简单、经济、快速、有效的地基处理加固技术，主 要有以下几个优点： 1 加固效果显著。强夯法加固后的地基土土质与加固前相比，可降低含水 量和孔隙比，提高土的重度和压缩模量，增加场地的均匀性，从而提高地基的承 载力。一般处理后的地基即可投入使用。 2 适用范围广。强夯法适用于处理碎石土、砂土、粉砂土、湿陷性黄土、 素填土、人工填土以及难以用一般地基处理方法加固的抛石和工业垃圾等组成的 杂填土。在工业与民用建筑、仓库、油罐、公路和铁路、飞机场跑道及码头的地 基处理中均得到了广泛应用。 3 经济易行、节省材料。强夯加固地基一般无需辅助的建材，节省了建材 的购置、运输、制作等费用，除了强夯机械的台班费用外，没有其它消耗，因此 价格十分低廉。其加固费用与目前经常使用的桩基、置换、注浆、加筋等处理方 浙江大学硕士学位论文 陈超2 0 0 6 法比较，经济效益更佳。 4 设备简单、旌工便捷。强夯基本上采用大吨位的履带式起重机作为提升 设备，或采用打桩架、龙门吊、桅杆等设备和机具，较为简单。夯锤用钢筋混凝 土或钢铁制成，制作方便且能重复使用。 5 施工快捷j 周期短。由于强夯加固地基无需其他工艺配合，其施工周期 很短。特别是对排水良好的粗粕粒土，施f 周期更短，施工速度较换填、分层碾 压、挤密碎石桩或灌注桩等方案来得更快捷。相比之下，强夯法间接的经济效益 更显著。 1 2 强夯法发展与演变 强夯法的基本思想源于古老的夯击方法，用夯( 木夯、抬夯) 加固地基，并在 其加固后的地基上修建土工构筑物。随着人类社会的发展，工程要求和规模不断 提高，加之施工机械的不断改良，古老的夯击方法逐渐地得到改进和提高。 2 0 世纪6 0 年代，强夯法首次m 法幽梅邛公司( m e n a r d ) 应用于法闺唣纳 ( c a n n e s ) 附近的纳普尔( n a p o u l e ) 海滨，在采石场废土石围海造地的场地上， 经过强夯法施工后，建造了2 0 幢8 层公寓建筑。梅那首次将锤重提高n 8 0 k n ，落 距提高n 1 0 0 m ，用单击夯击f 毙8 0 0 k n m 的能量来夯实地基。仅夯击了一遍，整 个场地平均下沉约5 0 c m ，地基承载力由加固前的1 0 0 k p a 接g _ 高到3 0 0 l ( p a 。一年后上 部建筑物施工完毕，建筑物的工后沉降仅1 0 c m ，而差异沉降更小，强夯加固地 基取得了很好的效果。1 9 7 0 年，梅那在法国波尔姆一米莫萨( b o r m e s l e s - m i m o s a s ) 港口工程中，用单击夯击能为8 0 0 k n m 的能量夯实“7 m 厚的由云母页岩组成的 回填土地基又获得成功。于是，这种夯实法被取名为“重夯法”。次年，梅那发 现用这种重夯法加固透水性较差的饱和上地基和冲积土地基也十分有效。在随后 的四年间，一共有近百项工程采用了重夯法加固地基，均取得了良好的经济技术 效果，于是正式将这种夯实方法定名为“动力固结法”。 由于上述的诸多优点，强夯法随后便在国内外迅速得到推广并广泛应用于各 类工程【1 】【2 。至1 1 9 7 3 年底，己有1 2 个国家的1 5 0 余项地基加固工程采用动力固结法， 处理场地面积达1 4 0 多万平方米。到七十年代末，全世界已有2 0 多个国家，在将 近4 0 0 项工程中使用了这种方法，加固面积达8 0 0 万平方米。至1 j 1 9 8 5 年底，用强夯 浙江大学硕 饽位论文 陈超2 0 0 6 法加固的地基面积已超过3 0 0 0 万平方米1 3 j 。 我国于上世纪7 0 年代初开始引进强夯加固技术。1 9 7 8 年底交通部一航局科 研所及其协作单位首先在工程中使用了该技术并取得较好的加固效果 4 】。在国家 “七五”、“八五”期间，多项重大工程项目由于适宜地采用了强夯加固技术大大 缩短了施工周期，节省了可观的工程投资，取得了良好的经济效益和社会效益。 据不完全统计，“八五”期间，全国重大工程项目地基处理中采用强夯加固技术 的就达3 0 0 万平方米以上f ”。强夯法经过了三卜多年的发展，在建筑工程、水利 】程、公路工程中均得到了广泛的应用【6 【”，积累了宝贵的经验，为强夯技术的 不断改进和提高创造了有利条件。 为了能充分发挥强夯法的优点、扩大强夯法的适用范围，强夯施工技术在工 程实践中不断地发展和改进，逐渐形成了一系列新型的复合式的强夯加固技术。 最初的强夯加固技术只针对排水良好的砂土地基，采用一般的强夯施工设备 和施工工艺，对土体进行加固，整个场地可以夯击一遍，也可以夯击多遍。普通 的强夯加同技术一般采用中低能绒；随着施工设各的改良，高能级强夯( 夯击能 一般大于8 0 0 0k n m ) 也越来越多被使i f = j 。 近些年来，对于饱和度较高的粘性土、淤泥和淤泥质粘土地基也有采用强夯 法加固的工程实例。此类地基采取强夯法加袋装砂井( 或塑料排水板) 进行综合 处理，或是在夯坑内嘲填块石、碎石或其他粗颗粒材料，通过增加土体的排水通 道来夯实软土，在地基中形成块( 碎) 石墩，此种方法称为强夯置换法( d y n a m i c r e p l a c e m e n t ) 。强夯置换法对要进行施工的地基进行了预处理，使之适合强夯加 固的要求，类似的方法还有强夯拌合法( d y n a m i cc o m p a c t i o n & m i x i n g ) 、强夯 置换混合法( d y n a m i cr e p l a c e m e n t & m i x i n g ) 及动力排水固结法( d y n a m i c c o n s o l i d a t i o nw i t hp r e c o m p r e s s i o n ) 等。 对于某些工程的特殊需要，还发展了不少特种强夯施工工艺。将普通的强夯 施工工艺与其他处理方法相结合形成复合式的强夯加固技术。新型的强夯加固方 法主要有以下几种：爆炸强夯法、电渗强夯法、孔内深层强夯法、地基夯实动力 打桩工法、旋转夯锤式强夯法、异形锤强夯法、液压高速夯实法、水下强夯法等。 复合式的强夯加固技术有机地结合了两种或多种地基处理方法的优点，舍弃各自 的缺点，进一步拓展了强夯法的适用范围，提高了强夯法的加固效果。 浙江大学硕士学位论文 陈超2 0 0 6 1 3 强夯法的研究现状 强夯法虽然得到了广泛应用，但其理论研究尚不成热，r 前还没有一套成熟 的理论和设计方法。目前对于强夯法的研究主要集中在强夯加固机理和强夯施工 振动对环境影响这两大方面。前者研究的主要内容包括夯击能的传递规律、各种 施二【：参数对强夯加固效果的影响、适合强夯的土体本构模型的建立等几个方面； 后者研究的主要内容包括强夯施工引起的地表加速度、速度的振动特性和两者的 衰减规律、强夯振动的影响范围以及对各种隔振措旋研究等几个方面。 夯击过程中地基土动力响应问题非常复杂，涉及到三维的波动问题。若要合 理的模拟强夯的工程特性必须考虑土体本构关系的非线性，加之夯击后产生可观 的塑性变形，还要考虑土体变形的几何非线性。因此难以用解析方法进行分析， 对于强夯的研究也就只能依赖于各种数值计算方法。 国内外的不少学者从不同的角度对强夯的加固机理以及施工环境振动的规 律进行了分析研究及工程检测，提出一些必要的假设来简化这个复杂的问题，得 到了很多能指导工程实践的结论和建议。 p a u lwm a y n e 等( 1 9 8 3 年、1 9 8 4 年) 通过动量守恒定律推导了夯锤地面 最大接触应力的表达式，此外他们还通过收集近1 2 0 个强夯施工场地的实测数据 来分析强夯的动力响应。获得了夯坑深度、地表振动、加固深度与单击夯击能的 相互关系等统计规律刚9 1 。 钱家欢等( 1 9 8 7 年) 借助c r u s e 和r i z z o 所获得的经过拉氏变换后的弹性体 积分方程的基本解，用加权余量法导出了弹性振动问题的边界积分方程，并将其 应用于边界元分析强夯问题。土的弹性模量在逐次夯击下随着地基性质的改善逐 渐变大，实质上是一种非线性弹性的分析1 0 】。 吴铭炳等( 1 9 8 9 年) 、李本平( 1 9 9 3 年) 、朱继永等( 2 0 0 1 年) 从d r u c k e r - p r a g e r 弹塑性模型着手，编制了瞬态动力弹塑性有限元程序，模拟强夯过程中地基土的 动应力、变形以及振动加速度、速度随时间的变化过程，得出了一些值得借鉴的 结论 1 1 】 1 2 l 【1 3 】。 yk c h o w 等( 1 9 9 2 年、1 9 9 4 年) 基于一维波动方程来模拟夯锤和土体之 间的相互作用，并得出应力波的传播特性。该方法是将夯锤下方的土体等效为一 非线性土柱，在土柱的周围设置一系列的弹簧和粘壶，弹簧模拟动力响应中的土 4 浙江大学硕士学位论文 陈超2 0 0 6 体刚度，粘壶模拟辐射状阻尼的影响。虽然文中提出了不少假设用于简化模型， 但是计算的结果较好地符合了现场实测的数值。yk c h o w 等仍采用相同的方法 研究了夯间距对强夯加固效果的影响【1 5 】。 孔令伟等( 1 9 9 8 年1 9 9 9 年) 在考虑夯锤自重的基础上，结合夯锤的刚体 运动方程和成层弹性地基空间轴对称动力问题的传递矩阵法，导出了强夯的边界 接触应力与沉降在变换域中的解析式，通过l a p l a c e - h a n k e l 联合反变换求得了边 界接触应力与沉降的时程关系。此分析方法有利于成层地基强夯机理的数值分析 研究【1 7 。 宋修广等( 1 9 9 9 年) 在动态形函数的基础上，提出了强夯动力计算的动态 有限单元法，建立和推导了相关的有限元公式，并编制了动态有限单元法计算程 序。该方法克服了以往一般有限元法计算强夯动力问题时无法考虑地基自振频率 影响的不足，能较实际地反映强夯加固的动力特性。可对成层地基或基岩埋深不 同等情况的强夯动力特性进行分析f 1 ”。 蒋鹏等( 1 9 9 9 年) 在研究深厚松散块石地基的强夯加固机理问题时，引入 离散元法，采用定级配条件下的平面圆盘模型，模拟了夯击作用下松散块石的 变形过程，反映了夯击能量在地基土中的传播特征、单元弹性模量与夯击沉降量 之间的关系以及夯锤位移和时问的关系曲线【1 ”。 奄小东等( 2 0 0 0 年) 提出了采用单位脉冲荷载法来解决动力接触问题，并编制 了三维有限元程序对强夯加固地基效果进行动力计算。初步得到了强夯在三维空 间内的土体动力相应【2 0 j 。 蒋鹏等( 2 0 0 0 年) 采用动力接触有限元法分析了夯锤对地基的冲击碰撞过 程。该方法消除了土体刚体位移的影响，为了保证显示算法的网格稳定性，计算 模型中考虑了侵蚀分析，锤底接触应力和夯击沉降量在计算过程中直接求得。模 型考虑了夯锤自重，能够模拟夯锤与地基表面多次接触分离的过程 2 ”。 j l p a n 和a r s e l b y ( 2 0 0 2 年) 将夯锤对土体的冲击用两种方式来模拟： 种是用夯锤底面接触力的特征瞌线得到“力时间”的关系作为输入；另一种 是将夯锤视作刚体直接冲击于地基表面。建立了轴对称弹塑性有限元模型，分别 分析比较了上述两种情况下夯坑深度、应力波、地基表面质点最大速度和最大加 速度随深度的变化规律 2 2 1 。 浙江大学硕士学位论文 陈超2 0 0 6 q g u 和fh l e e ( 2 0 0 2 年、2 0 0 4 年) 利用二维有限元模型分析了强夯的 加固机理。采用弹塑性本构模型来模拟土体的受力特性，在d r u c k e r - p r a g e r 模型 的基础上增加了一个椭圆形的屈服面，用来限制塑性体积应变的无限膨胀，能预 测和处理土体的复杂应力状态。较好地模拟了应力波的衰减和土体的加固的范 围，给出了夯锤底部和夯锤侧边各特征点土体的应变及应力路径【2 ”。eh l e e 和q g u 用无量纲化的方法将影响强夯加固的各项因素( 土性参数、初始状态 和强夯设计参数) 作了总结，得到了一些图表，可以用于对工程的预测和设计口“。 谢能刚等( 2 0 0 3 年) 针对强夯法加固地基中存在的几何非线性情况，在应 变位移上采用大变形假设，建立基于有限单元法的土体非线性动力平衡方程， 给出非线性方程的迭代讨算格式，得到了土体动态响应的一般规律i z “。 蔡袁强等( 2 0 0 5 年) 采用几何非线性有限元法分析了强夯加固机理。在强 夯计算模型中引入p 波阻尼和s 波阻尼的概念来模拟土体的阻尼特性，运用改进 人工边界法来模拟波在边界上的传播。为了保证模型的网格稳定，计算程序中增 加了液化单元分析。分析了强夯加固深度、变形特征以其应力分布规律f 2 “。 将幽内外学者对强夯研究所发表的论文按照时i 刈顺序依次排列后，币难看 出，研究无论在广度上还是在深度上都在逐渐深入：从开始的统训研究到专项研 究；对地基土力学特性的模拟从弹性分析到塑性分析；从几何线性分析到几何非 线性分析，强夯这一复杂的问题不断地被工程人员所认识和了解。当然，还是有 很多问题有待于更深入的研究及探讨，使强夯法在更大范围内得到应用，使之经 济效益和社会效益达到完美结合。 1 4 本文研究的目的和内容 强夯的研究伴随着强夯法的发展已有了近3 0 年的时间，但是至今尚未形成 一套成熟而完备的理论体系，也没能归纳出科学严谨的设计方法，其中仍然有不 少问题有待于进一步的研究。 随着城市化进程的不断深入，山区城市扩建，用地矛盾日益突出，采用“开 山填谷”的方法解决建设用地的工程日趋增多。对于使用开山填筑的大面积、疏 松、且回填厚度不均匀的堆填场地，如何使之地基在变形、强度、稳定性等各方 面都能满足建设要求的问题，已是山区“开山填谷”场地地基处理中一项迫切要 6 浙江大学硕士学位论文 陈超2 0 0 6 解决的课题。强夯加固技术的诸多优点，对此类回填土地基的处理有着巨大的优 势，但这方面的研究则相对较少，因此这已经是实践对理论提出的一个重要的研 究课题。 本文在前人研究的基础卜，对强夯法加固回填土地基进行了深入的研究，做 了以下几方面的工作。 1 基于a b a q u s 有限元软件，采用修正后的m o h r - c o u l o m b 本构关系，建 立三维实体模型，针对强夯加固中存在的几何非线性情况，引入了非线性理论， 分析了回填土地基的强夯加固机理和强夯加固过程中土体塑性区的开展情况。此 外，本文还研究了强夯旌工引起振动的特性以及振动的衰减规律，得到了一些结 论，为今后类似回填土地基的强夯工程提供一些参考。 2 在实际的强夯过程中，土体将产生很大的塑性变形，夯击点处士体的刚 体位移是形成一定深度夯坑的主要原因，基于经典力学中小变形假定的几何线性 有限元不能真实的模拟剐体位移的影响。因此在本文的数值分析中采用了几何非 线性有限元方法，这不仅弥补了以往分析中的不足，而且能有效地模拟夯击点：外 侧土体隆起的情况。 3 土体的弹性模量是强夯数值模拟中个重要的参数，很大程度l ：决定了 数值模拟过程的合理性以及分析结果的正确性。随着夯击次数的增加，土体逐渐 被压实，强夯加固区内土体的弹性模量也逐渐增大。但较少有文献在研究中明确 指出随着夯击次数的增加，模型中哪些区域土体的弹性模量发生变化或是如何变 化，往往将整个模型中土体的弹性模量增大，没有考虑加固区和未加固区之间土 性参数的区别，使得模拟结果与工程实际之间存在较大的区别。本文模拟时充分 考虑上述工程特性，提出加固区的判断标准，对加固区和非加固区内土体的参数 区别对待，在每一次夯击后，调整塑性区内土体的土性参数，而对于塑性区以外 土体的参数保持不变，以此作为下次夯击分析的基础，重复上述步骤来实现对整 个强夯过程中多次夯击的模拟。 4 本文还分析了不同工况下土体有效加固区开展的情况。在不同夯击能， 不同夯击次数下，塑性区的形状相似，从夯锤边缘处起，以一定的角度向外扩散， 呈钟形分布。在一定的夯击能下，随着夯击次数的增加，塑性区逐渐趋于稳定， 在其他条件不变的情况下，片面地增加夯击次数来提高强夯加固效果的做法是不 7 浙江大学硕士学位论文陈超2 0 0 6 合理的，在满足工程要求的前提下存在一个最优夯击次数。此外，结合强夯加固 区范围的分析结果，表明不同的夯击能需要配合不同的夯间距，以达到较好的加 固效果。 5 本文也对强夯振动特性以及其衰减规律进行了分析。强夯振动历时很短， 考虑到施工中两次夯击的时间f 司隔一般为几分钟，因此强夯不会出现振动叠加的 现象，更不会引起地基的稳态振动。对于相同的夯击能，随着夯击次数的增加， 振动的速度峰值较上次夯击均有提高且最终趋于一个稳定的值。在不同的工况 下，土体振动最大竖向加速度和最大竖向速度随水平距离的衰减规律相似，均近 似成指数形式衰减。可采用速度评价标准和加速度评价标准来确定强夯的安全施 工距离。 浙江大学硕士学位论文陈超2 0 0 6 第二章强夯机理探讨和a b a q u s 简介 2 1 强夯法加固机理 关于强夯法加固地基的机坪，不同研究者从不同角度进行了大量的研究， j ；= ! 目前看法仍不十分一致，更没有形成一套完整的理论体系。其主要原因在于对不 尉的地基而苦，地基土的性质干差万别，强夯加固的机理相差较大，较难建立系 统的加固理论，不同的研究者从不同的角度，针对不同的研究对象，提出各自不 同的见解【29 【。南于在理论上无法得到统一的认识，导致了没能形成成熟 而完善的设计计算方法。目前强夯的设计方法大多比较粗糙，凭经验而定，有的 设计过于保守而造成浪费，或设计偏于乐观而达不到地基承载力的要求。本文在 已自州强夯加固机理认识的基础上，探i _ = j 了针对网填土地基的强夯加固机理。 2 1 1 概述 在第十届国际土力学和基础工程会议上，美国m i t c h e 1 教授在地基处理的科 技发展水平报告中指出：“当强夯法应用于非饱和土时，压实过程基卒上与实验 室中的山实法( 普氏击实法) 相同；在饱和无粘眭士的情况下，可能会产生液化， 压密过程同爆破和振动压密的过程相似”。他认为：强夯法对饱和细颗粒土的加 固效果尚小明确，成功和失败的例子均有报道，对于饱和粘性土，需要破坏土体 的结构，产生超孔隙水压力以及通过裂隙形成排水通道，孔隙水压消散，十体才 会被压密pl 。而l e o n 贝u 认为，考虑强夯法加固地基的方式，加固作用与土层在 被处理过程中三种明显不同的机理有关。即：第一，加密作用，指空气或者气体 的排出；第二，固结作用，指孔隙水或流体的排山；第三，预加变形作用，指各 种颗粒成分在结构上的重新排列，还包括颗粒组构或型态的改变 jz j 。 目前，对强夯法加固机理的认识所达成的共识包括以下几个方面： 首先，应该区分宏观机理和微观机理。宏观机理从地基土所受冲击力、应力 首先，应该区分宏观机理和微观机理。宏观机理从地基土所受冲击力、应力 浙江人学硕士学位论文 陈超2 0 0 6 第二章强夯机理探讨和a b a q u s 简介 2 1 强夯法加固机理 关于强夯法加固地基的机理，不同研究者从不同角度进行了大量的研究，但 目前看法仍不十分一致，更没有形成一套完整的理论体系。其主要原因在于对不 同的地基而占，地基土的性质干差万别，强夯加固的机理相差较大，较难建立系 统的加固理论，不同的研究者从不同的角度，针对不同的研究对象，提出各自不 同的见解【2 7 1 2 8 1 1 2 9 1 1 3 0 1 。由于在理论上无法得到统一的认识，导致了没能形成成熟 而完善的设计计算方法。目前强夯的设计方法大多比较粗糙，凭经验而定，有的 设计过于保守而造成浪费，或设计偏于乐观而达不到地基承载力的要求。本文在 已有列强夯加固机理认识的基础上，探讨_ 厂针列回填土地基的强夯加固枫理。 2 1 1 概述 在第十届国际土力学和基础工程会议上，美国m j t c h e l l 教授在地基处理的科 技发展水平报告中指出：“当强夯法应用于非饱和土时，压实过程基本上与实验 室中的击实法( 普氏击实法) 相同；在饱和无粘性土的情况下，可能会产生液化， 压密过程同爆破和振动压密的过程相似”。他认为：强夯法对饱和细颗粒土的加 固效果尚不明确，成功和失败的例子均有报道，对于饱和粘性土，需要破坏土体 的结构，产生超孔隙水压力以及通过裂隙形成排水通道，孔隙水压消散，土体才 会被压密p 。而l e o n $ | j 认为，考虑强夯法加固地基的方式，加固作用与土层在 被处理过程中三种明显不同的机理有关。即：第一，加密作用，指空气或者气体 的排出；第二，固结作用，指孔隙水或流体的排出；第三，预加变形作用，指各 种颗粒成分在结构上的重新排列，还包括颗粒组构或型态的改变【l ”。 目前，对强夯法加固机理的认识所达成的共识包括以下几个方面： 首先，应该区分宏观机理和微观机理。宏观机理从地基土所受冲击力、应力 9 浙江大学硕士学位论文陈超2 0 0 6 波的传播、土的各种参数对加固效果的影响等方面做出解释；微观机理，则对冲 击力作用下土的微观结构的变化，如土颗粒在强夯冲击荷载作用下的排列分布、 微观特性的变化等做出解释3 2 】。宏观机理是微观机理的外部表现，而微观机理是 宏观机理内部依据。 其次，应该区分对饱和土和非饱和土、粘性上和无粘性土的加固机理。饱和 上中存在孔隙水，在冲击荷载作用下将产生超静孔隙水压力，强夯过程中伴随着 孔隙水的排出和土体的固结这一问题：而砂土中孔隙水的排除在夯击瞬间就基本 完成，这与饱和土的情况完全不一样。 矗f 0 图2 1 强夯机理示意图 f i g 2 1 c o n c e p t u a li l l u s t r a t i o no fd y n a m i cc o m p a c t i o n 强夯加固机理示意图如图2 1 所示。经过强夯加固后，土体强度提高过程可 分为四个阶段：1 夯击能量转化，伴随着对土体的强制压缩或振密，其中包括气 体排出和孔隙水压力上升；2 土体液化或土体结构破坏，表现为土体强度的降低 或强度的丧失：3 排水固结压密，表现为渗透性能改变、土体裂隙发展和土体强 度提高；4 触变恢复并伴随圄结压实，包括部分自由水又变成薄膜水，土体强度 继续增强。其中，第1 阶段是瞬时发生的，第4 阶段是强夯终止后很长时间才能 达到的，一般可长达几个月以上，第2 、3 阶段则介于上述两者之间。对于本文 将重点探讨的回填土地基而言，其工程性质决定了对此类地基的强夯加固主要集 l o 浙江大学硕士学位论文 陈超2 0 0 6 中在第l 阶段引起的瞬时变形，夯击点周围的土体将产生很大的破坏区域，在夯 锤的重击下形成形状完整的夯坑。因此，本文着重讨论第1 阶段的加固机理。 2 1 。2 回填土地基的强夯加固机理 通过上面的分析了解到，采用强夯法加固回填土地基是基于动力压密压实的 概念。用冲击型动力荷载，使土体颗粒重新排列，孔隙体积减小，土体变得更加 密实，从而提高强度。这也可以用士动力学的波动理论来研究强夯加固回填土地 基的机理【3 3 j 【3 4 】 3 5 】。 在重锤作用于地面的一瞬间，地基表面产生强烈震动，类似于地震的震源， 在地基土中产生震动波，其能量是以应力波的形式在地基内传播。因为地基为一 弹塑性介质，在巨大的冲击能作用下，介质质点连续振动，其振动能量可以传递 给周围介质，而引起周围介质的振动。振动在介质内的传播形成波，根据其作用、 性质和特点的不同，可分为体波和面波两种。体波包括压缩波和剪切波面波包 括瑞利波、乐夫波等。 7 l辫 rj 冷1 7 挂封舞幅y 一取 尉 图2 2 强夯作用下弹性半空间地基中产生的波场 f i g 2 2 w a v ef i e l di ne l a s t i ch a l f - s p a c ed u r i n gd y n a m i cc o m p a c t i o n 体波起主要的加固作用。体波又分纵波和横波，纵波是由震源向外传递的压 缩波，质点的振动方向与波的前进方向一致，一般表现为周期短，振幅小。横波 是由震源向外传递的剪切波，质点的振动方向与波的前进方向垂直，一般表现为 周期较长，振幅较大。各种波的传播如图2 _ 2 所示p 。 浙江大学硕士学位论文 陈超2 0 0 6 在强大的夯击能作用下，地基土产生剪切压缩和侧向挤压，而横波则使得地 基表层松动。当达n - 。定深度后，只有压缩波( 纵波) 时，才真正对土体起到压 密加固的作用。随加固深度的增加，纵波强度衰减，其压密作用也逐渐减弱。而 强夯冲击荷载产生的面波不但起不到加密的作用+ 反而使地基表面产生松动，面 波对地基起不到任何加固的效果。 按照土体在强夯过程中所经历的不同状态，叮将地基划分为以下几个不同的 区域： 1 地基表面松动区。地基土因夯锤巨大的冲击力而受扰动，在地基表面的 土层受到横波和面波的干扰而变得松动。横波的传播方向和质点的振动方向垂 直，而面波分别按椭圆形运动和按地面水平向运动，土体将产生上下运动使地基 表面松动形成松动区。 2 地基土体强度破坏区。连续夯击作用下，具有加固效果的压缩波反复作 用，使土体中的动应力水平超过了地基破坏强度，土体加固时主要的塑性变形集 巾在这个区域内，该区域内吸收了强夯大部分的能量。这个区域内的土体加同效 果最好。 3 地基弱加固区。压缩波逐渐减弱，对t 体的作用力不断减小，土体只能 产生微小的塑性变形。此区域的范围决定了强夯加固的影响范围。 4 无影响区。此区域内的夯击能量基本消耗完牛，己无法使地基土产生塑 性变形，此区域基本不受强夯冲击荷载的影响。 在强夯的不同阶段，夯击能量在空间卜的分布也将发生一些变化。在强夯最 初的几次夯击时，地基浅层处的土体被压密并产生可观的塑性变形，纵波很快被 土体吸收转化为土体的塑性变形。当夯击次数达到一定次数时，地基浅层土体塑 性变形所吸收的夯击能越来越少，待浅层士体的塑性变形全部完成后，就转变为 弹性压缩变形，随着土体密度的增加，压缩模量和剪切模量增大，波的传播速度 相应加快，此时横波增加，纵波削弱，并且波的折射和反射要消耗能量，这时已 不利于土体的加固，如果再增加夯击次数，效果也不会十分明显。 对回填土地基而言，其加固机理可以归结为夯锤冲击产生的压缩波反复作用 对地基土做功，从而对地基土产生挤密和压密作用。其中一部分能量使土体产生 朔性变形转化为土体的位能：多次夯击时，地基浅层处的土体在达到一定的密实 浙江大学硕上学位论文 陈超2 0 0 6 度后不再产生塑性变形，而发生弹性变形并将另一部分夯击能量向深处传播对地 基深层进行加固，使一定深度内的土体也产生塑性变形，将剩余的夯击能转换为 深层土体的位能。最终在地基内形成。个塑性变形区域，也就是强夯的有效的加 固区域。 从上面分析不难得出，强夯法可j 习于水下i 程的地基加固。因为在水介质中 主要是传播纵波( 压缩波) 而不传播对加固无益的横波( 剪切波) ，所以相对而 言在液相介质中能量损失较少，加固效果更好。当然，还要考虑水中落锤时水对 夯锤阻力等技术问题。 2 2 a b a q u s 有限元分析软件 本文对于强夯加固回填土地基的研究模拟将基于a b a q u s 有限元分析软 件进行，因此，在强夯数值分析前有必要对a b a q u n 软件有一个较为系统而全 面的了解。 2 - 2 - 1 简介 a b a q u s 是一套功能强大的基于有限元方该的工程模拟软件，可以解决相 对简单的线性分析到极富挑战性的非线性模拟等各种问题。拥有丰富的单元库 及相应的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，包括金属、橡胶、 高分子材料、复合材料、钢筋混凝十、可压缩的弹性泡沫以及士和岩石在内的 地质材料。作为通用的模拟计算工具，a b a q u s 能模拟和研究各种领域的问题， 包括结构分析、热传导、质量扩散、电子元件的热控制( 热电耦合分析) 、声学 分析、岩土力学分析( 流体渗透应力耦合分析) 及压电介质分析等。a b a q u s 与其他诸多大型有限元软件相比，最大的优势在于能处理不同材料及特殊介质 的组合问题和复杂的接触碰撞等高度非线性问题【3 ”。 a b a q u s 为用户提供了广泛的功能，使用较为方便，即使是最复杂的问题 也可以容易的建立模型。对于多部件问题可以通过对每个部件定义合适的材料 模型，然后组装成几何构形。对于大多数模拟，包括高度非线性问题，用户也 只需要提供如结构几何形状、材料性能、边界条件和载荷工况等工程参数。在 非线性分析中，a b a q u s 能人工定义或自动选择合适的载荷增量和收敛准则， 浙江大学硕_ 。学位论文陈超2 0 0 6 在分析时，不仅能选择这些参数，而且还能根据分析的需要不断地调整这些参 数，以确保获得精确的解答。 2 _ 2 2 a b a q u s 的主要模块 a b a q u s 由两个主要模块组成：a b a q u s s t a n d a r d 和a b a q u s e x p l i c i t 。 a b a q u s s t a n d a r d 中附加了三个特殊用途的分析模块，分别为：a b a q u s a q u a 、 a b a q u s d e s i g n 和a b a q u s f o u n d a t i o n 。此外，a b a q u s 还为m o l d f l o w 和m s c a d a m s 提供了m o l d f l o w 接门和a d a m s f l e x 接口。a b a q u s c a e 是集成的a b a q u s 工作环境，它包括厂a b a q u s 模型的建立、交互式提交作 业、监控运算过程以及包括对分析结果的评估( 后