强夯加固回填风成砂地基的数值模拟毕业论文

1、河北大学 2011 届本科生毕业论文1 引言强夯法是由法国工程师 Menard 于 1969 年首先提出来的一种地基加固技术，法国 Riviera 滨海填土地基加固工程是世界上第一例强夯法地基处理工程。 强夯法具有诸多其它 地基处理方法相比，是一种简单、经济、快速、有效的地基处理加固技术，在全球各类工 程的地基处理中得到了日益广泛的应用，也是我国目前最为常用和最经济的深层地基处理 方法之一。强夯法经过了三十多年的发展，在建筑工程方、水利工程和公路工程中都得到了广泛 的应用。强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填 土和杂填土等地基。 强夯置换法适用于高饱和度的粉土

2、与软塑 '和流塑的粘性土等地基上对 变形控制要求不严的工程。在强夯加固地基机理研究方面，许多专家与学者对此作了大量的研究工作。但目前国 内外关于强夯法加固地基机理的研究还没有达成共识，主要是因为地基土体性质千差万 别，饱和土与非饱和土的加固机理不同，饱和土中粘性土与无粘性土也有区别，对特殊性 土，如湿陷性黄土，也应该考虑它的特殊性。叶代成 1结合吹填砂的地基处理，在典型区域进行试夯后，对地基进行监测与检测， 得到了基本的数据。刘松凯2 以抚顺某强夯施工工地为研究背景， 建立与施工工地相对应的地基土体模型， 模拟夯击过程，对该工地的地基土参数设置、强夯过程中夯锤与地基土的动态响应以及监

3、测进行深入的研究。胡乃财3 建立了强夯加固地基的三维有限元动力固结分析模型，考虑几何非线性。施有志 4通过对某填海工程吹填砂地基进行强夯处理的现场试验, 对夯坑沉降及夯点周围地表变形、场地平均沉降量、孔压的增长和消散、强夯振动等进行监测 , 然后采用载 荷试验 , 重型动力触探、标准贯入、瑞利波波速测试等原位测试方法对地基的加固效果进 行评价,在此基础上 ,给出了地基强夯参数 ,以供指导施工。通过试验研究可以了解强夯对 提高吹填砂地基承载力的效果、孔隙水的响应规律、地基的振动影响等, 有利于揭示强夯加固砂地基的特性 , 为我国沿海地区的“填海造地”工程提供了经济有效的地基处理方法 和经验。汤庆

4、荣5 通过分析土的动力固结理论和震动波压密理论， 对强夯法加固地基的作用机理 进行了深入探讨。并结合我国目前各项现行规范和工程实践，分析探讨了强夯设计方法， 提出了强夯施工过程中的各参数的选择方法，通过实例对强夯效果进行了评价。应用 Flac 软件对强夯法加固该工程地基的强夯过程进行模拟分析，得到了强夯过程中夯点竖向位移 和强夯时地基土体位移、应力及弹塑性区相应的变化情况，进一步评价了强夯法加固该工 程地基的作用效果。张唯, 王坚 6通过某码头工程典型试验区进行的强夯试验 , 研究了在单点夯试验过程中夯沉量与夯击次数的关系、地基土水平位移和深度的关系、夯击次数与孔隙水压力的关 系及孔隙水压力增

5、长与消散和时间的关系；在试验块强夯后, 进行了静载试验、静力触探试验和钻孔取土室内土工试验。通过对强夯前后进行对比 , 得到了强夯法加固吹填砂地基 的效果, 提出了合理的强夯施工参数和控制工艺 ,并得出了一些有益的结论。张阿粒7基于波动理论推导了土层中的波动方程 , 采用弹性半空间理论对强夯法的有 效加固深度的众多影响因素进行了理论分析 , 介绍了采用强夯法加固填土地基的施工实 践。林雄斌8 在研究分析国内外比较有影响的动力固结理论和震动波压密理论的基础上， 探讨了强夯时地基土的加固过程，从运动角度对土体中的不同成分互相影响的关系出发， 对强夯加固机理进行新的阐述。詹金林，水伟厚，梁永辉，宋美

6、娜 9对内蒙沙漠土进行 8 000 kN m、6 000 kN m、 4 000 kN m 、3 000 kN m 能级强夯法地基处理试验，通过标准贯入试验、动力触探试 验和平板载荷试验对强夯后的沙漠土进行检测，得出各种能级强夯对沙漠地区填方区、挖 方区处理后的有效加固深度和承载力。对强夯法处理沙漠土的一些规律进行总结，给出各 种强夯能级能够处理的有效加固深度、夯点间距等设计施工参数，供类似地质条件下强夯 地基处理工程借鉴参考。杨俊波,李忠义 10以某电厂工程场地为例 ,通过对回填土进行强夯地震效应测试 ,分析强夯 振动的特征及振动衰减规律 ,评估隔震沟的减震作用、 强夯对回填土所形成的高边坡

7、的影响 以及对新浇混凝土基础的影响 , 为回填土地基处理方案的确定提供依据 ,取得了较好的效 果。刘先11 利用相关理论，构建强夯有限元分析模型，并利用大型的有限元软件Adina8.3进行计算分析 ;得出夯击能及夯击技术对强夯有效加固深度的经验公式。随着强夯研究方法的增多，强夯理论得到了一定程度的提高，但其理论研究远远落后 于工程实践。因此强夯地基处理技术和机理的研究已成为国内外岩土工程界的热点之一， 并取得了很多具有探索性的成果。但强夯法的机理较为复杂，强夯的设计和施工多数依靠 经验，在一定程度上限制了强夯法的进一步提高，因此有必有对强夯的加固机理进行系统 的研究。鉴于以上分析，本文结合内蒙

8、古汇能煤化工有限公司煤制天然气项目化工装置区地基 强夯工程的现场动力测试结果，采用有限元数值分析方法对强夯法加固风成砂地基的加固 过程进行数值模拟，为类似工程设计提供理论依据。1河北大学2011届本科生毕业论文2强夯加固风成砂地基的计算模型强夯加固地基时，可以把地基看成是各向同性水平层状分布，地基土为均质各向同性 的半限体域。强夯作用在地基表面的过程是一个动力过程。假设夯锤底部应力平均分布， 且随时间变化。在强夯作用下有限元体系的运动增量方程：(1)M x C x(t) K(t) x P(t)阻尼矩阵C: C M K式中，M为体系中的总质量矩阵；K为体系的总刚度矩阵；C为体系的总阻尼矩阵。和按

9、下式确定:2 j2 i2( j ii j)2 2 j i2( i j j i)i j(2)式中，i、 j为阻尼比；i、 j为固有频率。在计算分析中，首先进行模态分析得到体系的自振周期。考虑强夯作用的计算频率， 分别选取体系的低阶基本频率作为阻尼计算用的频率值，土体阻尼比取10-15%。在用有限元方法研究地基等无限域介质的动力响应时，其计算模型中必须引入人工边 界条件，以消除在边界上非真实的反射波，以保证波在人工边界处的波传播特性与原连续 介质一致。在时域内的动力分析中使用的传输边界主要有粘性边界、叠合边界、旁轴边界 及插值边界四种类型。人工边界最简单的处理方法是避开边界条件，取人工边界至结构物

10、 的距离足够远，以使在人工边界处波的衰减趋近于零。本文计算模型两侧采用截断边界， 计算模型的两侧水平固定，竖向自由，底部固定。3 强夯加固风成砂地基的工程概况3.1 工程概况内蒙古汇能煤化工有限公司煤制天然气项目化工装置区地基强夯工程位于鄂尔多斯 市伊金霍洛旗纳林陶亥镇新庙乡，北距鄂尔多斯市东胜区约70km，距边贾公路约3km，西距包神铁路约 50km。根据上部结构荷载要求，本工程地基需进行强夯处理，强夯后地基按双线浸水检测法 检测承载力不小于 250kPa。3.2 工程地质条件3.2.1 地形地貌场地区域属河谷侵蚀堆积地貌，原微地貌一般属冲洪积的高台地地形，东侧局部地段为丘陵斜坡地形。原地形

11、起伏不平，地面高程 1129.571141.60m,相对高差2.05.0m， 局部丘陵斜坡处可达710m，地面坡度一般5%8%,局部最大可达8%12%，地表均 为风积砂覆盖， 沙丘形态多为新月形及垅岗状， 少为平沙地。 场地现已进行了挖填方场平， 场区东侧局部为挖方区，场区西侧大部为回填区，最大回填厚度10m。场平后地面高程1130.691139.91m，地面坡度一般 1% 4%。场地属中等复杂地貌。3.2.2 土层分布及描述单元层一素填土：人工堆积，黄色、浅黄色，松散，局部车道处稍密，上部干燥，中下部稍湿，物质组成主要为风积细砂，夹有粉砂质泥岩岩屑及少量煤屑，局部表部有少 量的杂填土，物质来

12、源主要为附近山体剥离的岩土体构成，未经专门压实处理，堆积时间 约半年左右。地层强度低，变形量高，工程特性不稳定，中等冻胀性。该层在场地大部分 地段有分布，仅东侧的丘陵斜坡处未见发育，地层厚度一般较大，局部较小，变化较大， 地层厚度为0.75.7m。单元层一细砂：风积，黄色，土黄色，松散，局部下部稍密，稍湿，矿物成份为长 石、石英及云母，颗粒形状多呈次棱角粒状及针片状，少为次园粒状，磨园较差，其中粒 径大于0.075mm的颗粒含量为86.5%,小于0.005mm的粘粒含量2.6%。地层强度较低， 变形量较高， 中等冻胀性。 该层在场地大部分地段有分布， 仅东侧的丘陵斜坡处未见发育， 地层厚度一般

13、较大，局部较小，厚度为 1.76.0m。单元层一细砂：坡积，灰黄色，土灰色，灰黑色，稍密，局部中下部中密，稍湿， 矿物成份主要为长石、石英，颗粒形状多为次园粒状，少为次棱角状，磨园中等，级配较 好，其中粒径大于0.075mm的颗粒含量为87.3%，小于0.005mm的粘粒含量为2.7%。下 部偶含砾石。中下部夹中粗砂薄层，夹层厚 0.120.35m，夹层呈稍湿，稍密状态，地层 强度中等， 变形量中等， 中等冻胀性。 该层仅在场区东侧丘陵斜坡地段有分布， 范围较小，大部地段未见发育，地层厚度一般较大，局部较小，单体建筑场地变化较小，地层厚度为1.1 10.3m。单元层一粉砂细砂：冲洪积，土黄色，

14、稍密，稍湿湿，矿物成份主要为长石、 石英及云母，颗粒形状多为次园粒状，少为次棱角状，磨园较好，级配一般，其中粒径大 于0.075mm的颗粒含量为84.6%,小于0.005mm的粘粒含量为2.8%。地层强度中等，变 形量中等，中等冻胀性。该层在场地均有分布，地层厚度一般较大，局部较小，最大厚度 7.5m，最小厚度1.6m，平均厚度5.0m。单元层一细砂：冲洪积，黄色，浅黄色，中密密实，上部稍湿，中下部很湿饱 和，矿物成份以长石、石英及云母为主，颗粒形状多为次园粒状，少为次棱角状，磨园较 好,级配较好，其中粒径大于0.075mm的颗粒含量为89.6%，小于0.005mm的粘粒含量为 2.6%。偶含

15、砾石，地层中下部局部夹粉土薄层二三层，夹层厚0.170.23m，夹层呈湿、中密状态；地层底部局部地段夹中粗砂和砾砂薄层二三层，夹层厚0.210.38m，夹层呈饱和、密实状态。地层强度较高，变形量较低，中等冻胀性。该层在场区均有分布，地 层厚度一般较大，局部较小，单体建筑场地变化较小，地层最大厚度17.4m，最小厚度10.9m， 平均厚度14.7m。3-1所示。地基岩土单元层承载力特征值及压缩（变形）模量综合取值表详见表表3-1岩土单元层力学参数单元层 编号岩性承载力特征值压缩（变形）模量fa / kPafak/k PaEs(E0)/M Pa素填土(1.0)细砂100(3.0)细砂160(6.5

16、)粉砂细砂165(7.0)细砂200(16.0)砾石260(25.0)粉砂质泥岩与 细砂岩互层1200(150.0)粉砂质泥岩与 细砂岩互层2800(280.0)1）fa为不许修正的承 载力特征值；2）fak为尚未修正（允 许修正）的承载力特征 值；3）单元层-素填土， 土质不均且松散，现状 稳定的承载力。备注3.3强夯方案设计3.3.1设计要求（1）夯点布置夯击点位的布置，本工程采用等边三角形、等腰三角形、正方形布置夯点采用正方形 布置，夯击点间距取夯锤直径的 2.53.5倍。(2) 强夯遍数及间隔夯击遍数应根据地基土的性质确定，可采用点夯 23遍，对于渗透性较差的细颗粒 土，必要时夯击遍数

17、可适当增加。最后再以低能量满夯 2 遍，满夯可采用轻锤或低落距锤 多次夯击，锤印搭接。(3) 间歇周期 两遍夯击之间应有一定的时间间隔，间隔时间取决于图中的超静孔隙水压力的消散时间。依据被处理土质的渗透性，来确定两遍夯击之间的时间间隔。对于渗透性较差的粘性 土地基时间间隔不应小于 34周，对渗透性较好的地基可连续夯击。3.3.2 强夯施工参数设计本工程设计要求强夯地基处理后按双线浸水检测法检测地基承载力不少于250kPa,根据业主提供的勘察报告，填方区：第层细砂、第层粉砂细砂的承载力分别为160k Pa和165kPa,经深度修整后能满足设计要求， 因此强夯施工仅对层素填土和层细砂层进 行处理；

18、挖方区：因第层细砂埋置深度较浅，因此需处理层细砂和层细砂，实际施 工时可根据实际地层情况进行调整。3.3.3 7 mV填土厚度 < 10m(1)(2)(3)(4)处理土层及处理深度：第层素填土 7m10m，强夯处理最大深度10m。 第一、二遍点夯夯击能量：5000kNm6000kNm，夯击次数试夯后确定。夯锤直径2.32.6m，锤重30t，落距16.7m20m。夯点间距：夯点间距6mx6m,正方形布置，如图3-1所示，最后两击平均夯沉量 不大于 100mm。1/4。(5) 满夯：夯击能量1000kNm满夯两遍，夯点与夯点锤印搭接不小于3.3.4 停夯标准夯点的夯击次数，应按现场试夯得到的

19、夯击次数和夯沉量关系曲线确定，并应同时满 足下列条件：(1) 最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值：当单击夯击能小于 4000kN.m 时为 50mm当单击夯击能为 40006000kN - m时为100mm；当单击夯击能大于 6000kN-m时为 200mm；(2) 夯坑周围地面不应发生过大的隆起；(3) 不因夯坑过深而发生提锤困难。3.3.5 间歇时间间歇时间是指两遍夯击之间的时间间隔，间歇时间根据土中孔隙水压力消散情况确 定。本工程土层渗透性较好，处理范围内未见地下水，地基可连续夯击。3.3.6 动力测试强夯能级为6000kN.m夯锤质量35.2t，夯锤直径3.4m，起吊高度为17.0m

20、时，动力测试拾振器布置如下图3-1所示。典型测点的动力加速度时程曲线如图3-2图3-7所示。eOOOkN.m沉降测点 动测夯点SS 吊;5 度.17X111 糠重强卫t图3-16000kN.m能级动力测试布置图7图 3-26000kN.m x 0.0m 时，az t 曲线河北大学2011届本科生毕业论文11图 3-36000kN.m x3.0m时，az t曲线10 -a /m/s2z1m3m7m9m11m-5 -!人"i rd1(irJ-10 -t /s33.533.633.733.833.934.0图 3-46000kN.m x3.0m时，az t曲线10 -5 -0 -5 -10

21、 -15 -20 -25 -33.533.633.733.833.934.034.134.2图 3-56000kN.m x 6.0m 时，az t 曲线4.03.5 J3.0 :2.5 =2.01.5 -1.0 -0.50.0 -0.5 =1.0 J1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 -30405060700 10 20图 3-66000kN.mx 12.0m 时，az - t 曲线将现场实测最大动力加速度a z采用Matlab做出三维曲线图如图3.7所示。现场实测最小动力加速度az三维matlab曲线图如图3-8所示。zon -y1DU.3010竖亘rrfX.水平jmI

22、 'E zOO -.-400 10图3-7现场实测azmax在空间的变化规律0.100.2UU 、.«.：F .is-300 r-1b0Y竖直佃0 f10、一 ：亠AX 10K水平恂图3-8现场实测azmin在空间的变化规律由图3-23.8可以看出：在强夯作用下风成砂回填土地基的各点的水平和竖向加速度 随深度和局夯点的水平距离逐渐衰减。加速度最大值发生在夯点下，最大竖向加速度值为350m/s2 ;在竖向5m范围内影响显著，在13m处，最大竖直加速度为 4m/s2 ;约为最大 加速度的1%,衰减变化很明显。4强夯加固风成砂地基的数值分析ANSYS采用有限元法对强夯有效加固深度以

23、及动力响应进行数值模拟和优化，采用 有限元分析软件进行建模。强夯有限元分析模型的建立是数值模拟的研究基础，需要确定土体的本构模型、采用 的单元类型、有限元网格的大小，计算时间步距的大小以及荷载的输入形式等各种参数。z轴。强夯法加固地基时，把地基看成半无限域，并假设锤底应力均匀分布，因此，研究体 的几何形状、约束条件及荷载都对称于4.1工程算例及结果分析根据建立的强夯模型及有限元动力时程分析过程，编制有限元程序，对强夯进行数值 模拟计算。4.11有限元模型场地地层结构：回填风成砂，深度 20 m，土质均匀。根据现场实验情况取风成砂重度15kN/m3，泊松比0.3，弹性模量E=1800kPa,阻尼

24、比为0.10,夯锤高度为1.44m，锤的质量35.2t，落距17.0m，夯击能量6000kN m3。夯锤直径2.4m，折合方形边长2.12m。计算模型为轴对称，计算区域深度取为 20m，水平方向取31.8m。在有限元模拟中，把夯 锤直径部分应力考虑为均匀分布。有限元模型建立网格划分如图4-1所示，模型建立如图4-2所示。图4-1网格划分河北大学2011届本科生毕业论文I土iaI二，兔11®1»».'4：1J'图4-2有限元模型计算模型两侧采用截断边界，计算模型的两侧水平固定，竖向自由，底部固定。施加人工边界条件，全固定没有位移转角，模型如图4-3所

25、示。?二遁 V -/a :a J J 匸J ".* ，-J;p歿 _ vlr J Jf > < ! lu * - 1- L - 1*1;<_,. h “ . r 厂二u An r 幻触* 脅r, ri .&.%那 v L rk - JI' I lb I - _.窗4 -b-s - 7 “ ：；出.占-“；4 j 11 !1 J _ J. 1- J!.H 孑 d 5 1<To - F .d .b*卜_ iiri:-H=BIS1图4-3施加边界约束模型4.12模态分析通过模态分析计算基频，模态分析基频结果如表4-1所示。 表4-2各阶自振频率值阶数

26、123456固有频率2.00752.23102.23102.48292.48292.57334.13荷载输入的荷载由现场试验推出。由动量定理：(4-1)F m v t式中，v为夯锤接触地面瞬时的速度，由自由落体远动公式得；m为夯锤的质量；F为夯锤底面与风成砂地基接触过程的作用力；t为夯锤与地基相互作用的时间，由现场动力测试实验给出，t取0.2s。(4-2)式中，h为夯锤的落距；g为重力加速度。假设力均匀作用在作用面上，大小为：(4-3)f FA式中，A为夯锤底面积。将夯机的有关数据代入后即输入一个脉冲荷载，曲线如图4-4所示。4.14结果分析通过模型建立，进行有限元ANSYS数值模拟计算分析。

27、计算结果如图4-5-4-11所示。(1)竖向加速度az的结果分析可求得在坐标 y=0，z=0，x (0.0,0.53,1.06,2.12,2.65,3.71,4.77,5.83) m 时的 z 向加速度 值az，沿水平方向衰减曲线如图4-4所示。图4-4 z 0m时，az - t曲线由图可直观看出，强夯加固回填风成砂在水平方向az加速度逐渐减小，在所选影响范 围内夯点处最大动力加速度为192m/s2，最小动力加速度为31.3 m/s2，最小动力加速度是最大动力加速度的16.3%。为观察在竖直方向强夯加固地基时动力加速度衰减曲线图，选取在x=0, y=0, z=(0,-1,-2,-3,-4,-6

28、)m点动力加速度值，其随z向深度增加而变化的动力加速度时程曲线如下 图所示。河北大学2011届本科生毕业论文图 4-5 x 0.0 m 时,az t曲线选取在 x=1.06,y=0,z=(0,-1,-2,-3,-4,-6)m变化的动力加速度时程曲线如下图所示。点动力加速度值,其随z向深度增加而10050 -0 -50-100 -150 -200 -33.6033.6533.7033.7533.8033.8533.9033.95图 4-6 x 1.06m 时，az t 曲线由以上两组动力加速度时程曲线衰减变化可看出，强夯加固回填风成砂在x=0，y=0(x=1.06,y=0)时动力加速度值随z向深

29、度增加而减弱。在x=0，y=0时最大动力加速度 为172m/s2，最小动力加速度为7.7 m/s2，最小动力加速度是最大加速度的4.5%。在x=1.06， y=0处随z向深度增加最大动力加速度为104m/s2，最小动力加速度为7.3 m/s2，最小动 力加速度是最大动力加速度的 7%由以上两组数据可以看出动力加速度的衰减系数差不多。通过有限元数值模拟分析取在x=5.83m, x=11.3m处z向动力加速度Sz随深度增加的时程变化曲线如下图所示:图 4-7 x=5.83m 处azt曲线图 4-8 6000kN m x 11.3m时，Sz t 曲线在x=11.3m处最大动力加速度为0.55 m/s

30、2，是最大动力加速度172m/s2的0.3%,略偏小于实测衰减系数1%将有限元数值模拟的最大动力加速度 Szmax采用matlab做出三维曲线图（图3-103-11所示）。IDO-30、1510500-X 0i5IQ/竖直/mXA/rri图4-9 6000kN m数值模拟azmax的空间变化曲线图4-106000kN m数值模拟azmin的空间变化曲线由图4-9和图4-10可以看出：数值模拟动力加速度az变化曲线与实测动力加速度变 化曲线走向一致，在实测中最大动力加速度中影响显著的范围约为5m在数值模拟分析中最大动力加速度影响显著范围约为 4m在实测中最小动力加速度影响显著范围约为 5m 在数

31、值模拟分析中最小动力加速度影响范围显著约为40。在有效加固深度方面数值模拟数据显著影响范围都偏小于实测显著影响范围，出现这种结果的原因可能是实测现场的土质 是不均匀的，而在数值模拟分析中考虑的是均质回填土，按弹性分析。19河北大学 2011 届本科生毕业论文5 结论强夯加固回填风成砂地基数值模拟，通过建立数学模型和有限元模型，分析实验结果 数据可知：(1) 在强夯脉冲荷载作用下 , 强夯加固回填风成砂在水平方向加速度逐渐减小，夯点 处最大动力加速度为 192m/s 2 ，最小动力加速度为 31.3 m/s2 ，最小动力加速度是最大动力 加速度的16.3%。z向动力加速度az在竖向随深度增加而减弱，在 x=0, y=0时最大动力加 速度为172m/s2，最小动力加速度为7.7 m/s2，最小动力加速度是最大加速度的 4.5%。在 x=1.06，y=0处随z向深度增加最大动力加速度为104m/s2，最小动力加速度为7.3 m/s2， 最小动力加速度是最大动力加速度的 7%。由以上两组数据可以看出动力加速度的衰减系数 差不多。(2)通过有限元数值模拟计算竖向动力加速度与实测数据时程曲线的规律一致，模 拟计算结果偏小。在实测中最大动力加速度中影响显著的范围约为5m在数值模拟分析中最大动力加速度影响显著范围约