黄泛区强夯加固地基效果的数值模拟研究

匡 健，李晓静，张 岩，王明斌，刘又文

(1．广东省建东工程监理有限公司，广东 广州 510500;2．山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101;3．鲁东大学 土木工程学院，山东 烟台 264025;4．湖南大学 工程力学系，湖南 长沙 410082)

黄河泛滥影响的地区(简称黄泛区)主要由黄河冲积而成，沉积物以粉土、粉质黏土为主，并夹有软土，土层软弱、孔隙比大、压缩性高、结构松散、强度低，是工程建设的不良地基［1］。强夯法又称动力固结法，能够降低地基土层的压缩性，提高地基土的强度，从而达到加固的效果［2-4］。

本文依托滨德高速公路工程，在之前现场试验的基础上，采用FLAC-3D分析对比了在填土荷载、工程完工后极限荷载和强夯3种工况作用下土体内部各点的沉降变形情况。通过本文的研究，能够对黄泛区地基强夯的加固机理以及加固效果有更深入的理解，同时还能为黄泛区强夯施工参数的设计提供一定的参考依据。

1 工程概况

本文所依托的滨德高速公路位于山东省境内，途经宁津、陵县、德州城区，路线所经地区地处黄河冲积区。该区域地势平坦，冲积物主要为粉土、粉质黏土、粉细砂等，地下水位较浅，最浅的为0.2 m。

该区域普遍存在的粉土是一种具有特殊工程性质的土，它属于低塑性土，一般70%以上的粒组为粉粒和细砂粒，比表面积不大，毛细现象突出。毛细压力使土粒联结在一起，呈现“假塑性”。粉土在动荷载作用下，易发生液化现象，会造成路基的不均匀沉降，甚至引发路面结构的损坏［5］。

根据前期现场试验结果，可知该区域在填2.5 m厚的粉土后再进行强夯的效果要远好于直接在地基表面进行强夯。故本文中所述的3种计算方案均模拟在填2.5 m厚的粉土后的情况。

2 计算模型的建立

本文采用了莫尔－库伦弹塑性材料模型和空模型建立计算模型;采用静力、动力和渗流等计算模式进行运算;利用FISH语言进行了模型建立及计算等编程。

2.1 计算范围

计算模型范围的选取考虑了以下2个方面的影响因素:①为了与实际工程相符，模型计算范围在横向和纵向上均按实际情况进行取值。模型长30.0 m，最上层为2.5 m厚的填土，其下各土层厚度分别按该路工程勘察报告中土层资料进行取值，最深取至第5层，模型总高为10.0 m。采用平面应变，宽取单位长度。②考虑到动力分析中，空间网格尺寸应该小于输入波最高频分量波长的八分之一到十分之一［6］。

2.2 边界条件

模型的左右边界为约束边界，约束水平方向的位移;模型的底面为约束边界，同时约束垂直与水平方向的位移，对于流体边界，底面为不透水边界。

2.3 模型力学参数

计算中土体采用的模型参数根据该路工程勘察报告。主要包括:体积模量 K、剪切模量 G、黏聚力C、内摩擦角φ、孔隙度 n，渗透系数 k，泊松比 υ。而夯锤采用弹性模量，模型参数包括:体积模量K和剪切模量G［7］。

计算参数的选取综合考虑了室内试验结果及经验值，具体数值如表1所示。

表1 计算参数

2.4 计算方案

本文主要探讨不同荷载作用下路面地基的沉降问题。共设计了3套方案，计算模型如图1～图3所示。

方案1:路面地基在大面积填土后的沉降变形;

方案2:路面地基在工程完工后极限荷载作用下的沉降变形;

方案3:采用夯击能为2 000 kN·m的强夯对填土后地基进行处理的地基沉降变形。

图1 方案1—填土作用下模型

图2 方案2—极限荷载作用下模型

图3 方案3—强夯加固地基的模型

3 模型计算结果分析

3.1 方案1土体内竖向位移变化规律

图4为在原地面填厚度为2.5 m粉土后，在填土压力作用下，土体内部各层的沉降云图。从图4可以看出，在垂直方向上，随着深度的增大，土体位移不断减小。而在水平方向上，同一层土体在填土荷载作用下的沉降值相同。

图4 方案1土体内部各层位移云图(单位:m)

图5为不同深度处土层位移随着时步增大的变化情况。可以看出，填土荷载作用的影响深度基本小于原地面下6.5 m的范围，即填土面下＜9.0 m的范围。有效加固深度在原地面下 ＜4.0 m的范围，即填土面下＜6.5 m的范围。随着计算时步的增大，影响范围内土体的位移不断增大。填土面和原地面上的位移增大最为明显，分别为8.7 cm和4.8 cm。即在填土荷载作用下，已固结土层(原地面以下土层)的沉降最大达4.8 cm;所填 2.5 m 厚粉土的沉降为 3.9 cm，占本方案总沉降的48%。

图5 方案1不同深度土体内竖向位移时程曲线

3.2 方案2土体内竖向位移变化规律

方案2主要模拟分析填土荷载、路面荷载和车辆荷载等综合作用下，土体的最终沉降问题。在模拟过程中，填土和路面荷载均按该路的岩土工程勘察报告和本研究设计方案有关参数进行取值，两者之和按70 kPa进行取值，车辆荷载则保守取大值。所有荷载之和按150 kPa进行计算。

图6为在150 kPa综合荷载作用下，土体内部各层的沉降云图。可以看出，在垂直方向上，随着深度的增大，土体位移不断减小。而在水平方向上，同一层土体在填土荷载作用下其沉降值相同。

图6 方案2土体内部各层位移云图(单位:m)

图7为不同深度处土层位移随着时步增大的变化情况。从图中可以看出，填土荷载作用的影响深度基本小于原地面下6.5 m的范围，即填土面下 ＜9.0 m的范围，在该深度范围产生的最大沉降为2.0 cm。而有效加固深度为原地面下 ＜4.0 m的范围，即填土面下＜6.5 m的范围，在该位置产生的最大沉降达9.2 cm，占地基面总沉降(49.0 cm)的18.8%，其数值和所占总沉降的比重均较大。

图7 方案2下不同深度土体内竖向位移时程曲线

随着计算时步的增大，影响范围内土体的位移不断增大。在150 kPa综合荷载作用下，地基面的最终位移将达到49.0 cm，原地面的最终位移将达到20.6 cm。即在150 kPa综合荷载作用下，已固结土层(原地面以下土层)的沉降将占总沉降的42%;所填2.5 m厚度粉土的沉降为总沉降的58%。

3.3 方案3土体内竖向位移变化规律

该方案采用2 000 kN·m夯击能强夯加固填土地基，分析强夯处理后地基的沉降变形规律。

图8为土体在强夯过程中内部各点位移的分布情况。可以看出，土体在强夯作用过程中的位移为椭球状。椭球的长半轴平行于夯锤中轴线，显示了夯击作用下，竖直向位移的增大现象明显。沿着椭球短半轴方向可以看出，椭球边界点在与短半轴相交部位的位移最大，显示了该点相比其纵向各点在夯击压缩波和剪切波作用下的颗粒压缩现象最为明显;而与之同一纵剖面的表层(夯锤周边)各点在夯击过程中出现了隆起现象，隆起量受边界点的土体性质、离夯锤的距离大小等因素的影响。本模拟过程中由于夯锤周边表层模型网格被反射波拉至破坏等原因，出现较实际偏大的隆起。

图8 方案3土体内部各层位移云图(单位:m)

图9则显示了沿夯锤中轴线不同深度处土层位移随着时步增大的变化情况。从图中可以看出，夯击作用的影响深度基本小于原地面下6.5 m的范围，即填土面下＜9.0 m的范围，在该深度范围产生的最大沉降为1.0 cm。而加固深度为原地面下 ＜4.0 m的范围，即填土面下＜6.5 m的范围，在该位置产生的最大沉降达 11.5 cm。

图9 方案3锤底中心下不同深度土体内竖向位移时程曲线

随着计算时步的增大，影响范围内土体的位移不断增大。在综合荷载作用下，地基面的最终位移将达到47.9 cm，图9中显示的3.0 cm左右的回弹可能由于模拟过程中填土区结构单元的变形所致。原地面的最终位移将达到15.12 cm。夯击作用下，主要加固区(填土面下 ＜6.5 m的范围)的沉降达到 36.4 cm，占总沉降的76%;填土面下6.5～9.0 m范围的沉降达到10.5 cm，占总沉降的22%(比其它两种方式大)。

图10显示了同一地面深度下(填土面下4 m的范围)，离夯锤中心不同距离处位移随时步的变化情况。在夯击作用下，离夯锤中心6.5 m位置的最终沉降为4.0 cm。所以夯击作用下，该深度的水平影响距离在6.5 m左右。可以此作为强夯施工参数设计的依据［8-10］。

图10 方案3距锤底中心下不同深度土体内竖向位移时程曲线

上述结果显示了夯击作用下对土体位移的消除情况，并通过模拟预测了预定荷载为150 kPa时土体的位移情况。通过两者的对比可以看出，夯击作用基本可以消除预定荷载下土体位移的97.8%，工后沉降约为 4.1 cm(见表 2)。

此外，数值模拟夯击作用总位移与之前现场试验后实测土体总沉降基本相近，但小于实测值(实测为53 cm)。模拟数值偏小可能源于对夯击的模拟与实际情况有所差异、参数取值与实际参数有所差异。这表明，实际夯击位移大于模拟结果，由此夯击作用对预定荷载(150 kPa)下总位移的消除作用将更为明显，或消除超过100%。

表2 3种方案结果的对比分析

4 结论

1)在填土荷载(方案1)和工后极限荷载(方案2)作用下，在垂直方向上，随着深度的增大，土体位移不断减小。而在水平方向上，同一层土体的沉降值相同。土体在强夯作用(方案3)过程中的位移为椭球状，说明在夯击作用下，竖直向位移的增大现象明显。

2)填土荷载(方案1)、工后极限荷载(方案2)以及强夯作用(方案3)下，影响深度主要在填土面下约9.0 m的范围，有效加固深度在填土面下约6.5 m范围。就各层沉降占总沉降的比例而言，强夯作用下，填土面下6.5～9.0 m 范围的沉降达到 10.5 cm，占总沉降的22%，大于其他两种方式，说明强夯的影响深度较大。同时，根据Menard公式，计算得该区域强夯有效加固深度系数α=0.145。

3)2 000 kN·m夯击能作用下，基本可以消除预定荷载下土体位移的97.8%，甚至可能超过100%。同时，在填土面下4.0 m处，夯击作用的水平影响距离约为6.5 m。可以此作为强夯施工参数设计的依据。

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