基于ABAQUS的强夯冲击特性数值模拟

2015-04-17 06:01秦伟华韩云山刘敏甲荣韶婧

绿色科技 2015年5期

秦伟华，韩云山，段伟，刘敏甲，董洁，荣韶婧

（1.中北大学理学院，山西太原030051；2.太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原030024）

1 引言

强夯法起源于法国，由法国Menard技术公司首创的一种地基加固方法，是将几十吨重锤从几十米高处自由落下，通过重复夯实基础，使它表层一定深度内夯击密实而提高地基的强度。强夯法施工设备简单、适用土质范围广、加固效果好、经济实惠，从而被广泛适用。虽然强夯法施工发展迅速，是一种有效的地基处理方法，但是强夯法施工会产生强大的冲击波，对周围环境产生负面的影响。

李润等［1］通过对实际工程强夯振动测试，分析强夯振动加速度、速度随测点距离的衰减规律，提出强夯施工及加固建议；蒋鹏等［2］通过强夯振动数值模拟，总结了无论是径向加速度，或是垂向加速度，沿径向距离增加衰减很快；陈超等［3］基于ABAQUS有限元软件，建立三维强夯振动模型提出了强夯塑性加固区的判断标准，及时调整每次夯后回填土土性参数，分析了土体振动加速度、速度的特性及变化规律，以及夯击能对于土体振动特性的影响；胡焕校等［4］运用ANSYS/LS－DYNA模拟软件，对强夯作用下填土地基的动力特性进行数值分析，最终得出了强夯时土体中动应力、竖向位移以及加速度在时间和空间上的变化曲线，并总结了其分布特征和变化规律；张谆等［5］利用有限元软件ABAQUS建立了强夯振动简化模型，应用单因素参数评估方法，以瑞典振动控制规范作为标准，对施工振动环境影响进行了评价。以上研究均为对强夯填方边坡坡面振动速度进行研究。因此，本文基于边坡坡面振动速度的数值模拟对强夯瞬态冲击地基施工进行数值模拟。

2 边坡动力分析模型及参数选取

2.1 边坡几何模型建立

本次模拟利用ABAQUS有限元分析软件，以陕西某石油工程的强夯填方边坡地基处理为模拟对象，建立一个三维均质土坡模型，建设场地位于陕西省北部，延安市南部。为了节省计算时间，在建模时按轴对称条件对模型进行简化，取1/2夯锤和土体进行建模，模型尺寸长×宽×高＝30m×15m×15m的区域作为模型范围，边坡坡高10m，坡率1∶1。夯锤模型为半径1.25m，高为0.7m的圆柱体，锤重21.5t，落距19m。计算时，忽略夯锤的下落时间，在夯锤与土体接触时，给夯锤施加一个初速度即可（图1）。

图1 填方动力分析模型

2.2 模型参数选择

填方边坡土体本构模型采用Mohr－Coulomb模型，其是一种理想的弹塑性模型，实质是线弹性模型＋Mohr－Coulomb破坏准则，能够很好的描述土体的塑性变形并反映土体的破坏行为，且在岩土工程中应用非常广泛，积累了丰富的工程经验。夯锤模型的材料属性简化为刚体材料，具体模型参数见表1。ABAQUS单元库中几乎所有单元都适用于动力问题的分析。为了能更好地模拟土体在巨大冲击荷载作用下的响应，并考虑到一阶单元比二阶单元能更好地模拟应力播的传播［7］。本文采用一阶8结点的三维实体减缩积分单元C3D8R。

表1 模型参数

3 计算结果分析

3.1 土体动应力分析

ABAQUS软件模拟了一次夯锤冲击土体的过程，计算了单次夯击作用下土体的动态响应。图2为冲击过程结束后的应力云图。

图2 强夯应力云图

如图3可见，该软件模拟的夯锤自由落下与土体接触的瞬时应力为三角形的荷载。根据前人对强夯过程中的强夯接触应力实测分析，可知，实测的应力波为一尖峰，吴铭炳［6］等将这种瞬态荷载简化成三角形或半正弦形式。

图3 夯锤接触土体的瞬时应力

3.2 振动速度分析

以陕西某石油工程的强夯填方边坡地基处理的实测数据为例，4000能级下的实测坡面水平径向速度随距夯点距离的增大呈先增大后减小的规律，垂直竖直向振动速度随距夯点距离的增大而减小。可见，边坡对水平径向速度有放大作用。由图4～图5显示了数值模拟曲线的变化规律，振动速度模拟曲线在实测曲线附近，虽曲线有些出入，但是变化趋势一致，验证了ABAQUS对强夯瞬态冲击土体数值模拟的可靠性。

3.3 土体隆起变形分析

鉴于ABAQUS模拟强夯瞬态冲击数据的可靠性，通过改变夯锤接触土体的瞬时速度及锤重，分别模拟了单击夯击能为4000、6000、8000强夯冲击作用下，夯坑附近地面隆起变形的规律。模拟数据显示靠近夯锤的两个观测点隆起显著，远离夯锤各点隆起不明显。随着夯击能的增加单击下夯坑深度逐渐增加，且地面隆起的最大竖向位移也逐渐增加，靠近夯锤观测点的增加幅度要比远离观测点的增加幅度大，地面变形的水平传播距离大概在4.0m，详见图6。