强夯冲击荷载作用下山区填土地基的应力与位移分析★

刘宪庆 杨 帆 辜文杰 朱建凯 陈金锋 徐艳玲

(1.后勤工程学院，重庆 401311； 2.重庆市设计院，重庆 400015)

强夯冲击荷载作用下山区填土地基的应力与位移分析★

刘宪庆1杨 帆2辜文杰1朱建凯1陈金锋1徐艳玲1

(1.后勤工程学院，重庆 401311； 2.重庆市设计院，重庆 400015)

利用ABAQUS有限元软件，建立了计算分析模型，对重庆山区典型填土地基的强夯应力、位移进行了模拟分析，指出在相同的夯击能下，夯锤重量越大，其接触土体时产生的应力呈降低的趋势，最大夯沉量以及夯后土体回弹量呈增加的趋势，夯坑隆起量变化不大；采用重锤低落距的强夯效果优于轻锤高落距。

填土地基，强夯法，应力，竖向位移

0 引言

随着经济的发展和社会的进步，城市化进程不断加快，土地资源紧张的矛盾日益突出，可用于建设的场地空间也变得越来越狭窄。重庆作为西南地区重要的中心城市，在城市规模化开发的过程中，需要大规模的开山填谷，其建筑的地基主要有两类：第一类为已填筑的地基，多为爆破山体、建筑垃圾、工业矿渣等组合填筑而来，具有填土厚度、颗粒大小不均匀以及填筑成分变化大、填筑时间长短不一等特点；另一类为边填边施工的地基，一般为就近爆破山体而成的岩土体作为填料，具有填土厚度、颗粒粒径大小可控，成分固定以及填筑时间较短的特点[1]。强夯法从问世至今，具有能级高、冲击力大、影响深度大、设备简单、施工方便、节省劳动力、工期短等特点[2]，被广泛应用于工业民用建筑、仓库、道路和铁路路基、飞机跑道以及码头等结构中，特别适合于砂性土、粉土、黄土、回填土、杂填土等的加固[3]。

由于被加固土体的复杂多样性以及强夯加固地基的机理和设计目前没有统一的标准，强夯的施工参数的确定和检验强夯加固效果的方法都没有准确的法则，看似简单的强夯施工的工程实践远远领先于其理论研究，如何评价加固效果以及确定影响加固效果的因素都很难形成统一的共识。笔者采用ABAQUS对重庆地区某工程填土地基的强夯施工的应力和位移进行分析，为山区此类填方地基的强夯施工参数提供参考和依据。

1 分析模型建立

1.1 计算模型

拟建场地地层结构为上覆第四纪人工填土层、坡残积粉土层、下伏侏罗系中统沙溪庙组砂质泥岩、泥岩互层，素填土上部松散、下部稍密，厚度约为0.10 m～15.69 m；粉质粘土无光泽，干强度、韧性中等，厚度约为1.0 m～3.0 m；砂质泥岩由粘土矿物组成，粉砂泥质结构，厚度约为0.20 m～8.95 m；砂岩粗粒结构，钙质胶结[4]。根据强夯的设计技术要求结合建筑场地的复杂程度以及建筑类型，选取一块代表性的区域进行强夯试验，其平面尺寸为40.0 m×40.0 m，土层厚度选择素填土8.0 m，粉质粘土2.0 m，砂质泥岩层5.0 m，总厚度为15.0 m，通过ABAQUS建立计算模型。为了较好的模拟强夯冲击荷载作用下的应力波在土体中的传播，一阶单元往往比较优于二阶单元，单元类型选用C3D8R，在划分网格时，为了精确的模拟夯锤和土体的作用，夯锤中心两倍夯锤范围内的网格尺寸设定为0.1 m，其余区域的网格尺寸设定为1.0 m，竖向网格尺寸为0.2 m，远离夯锤的边界固定其水平位移，土层底部固定其竖向位移。

表1 土层参数

1.2 本构模型的选取

在进行强夯模拟的过程中，夯锤一般是钢筋混凝土结构或钢结构，其在强夯的过程中由于其刚度远大于被夯材料，所以在ABAQUS/Explicit显式动力分析中，将夯锤简化为刚性体模型，其密度为7 850 kg/m3，弹性模量E=2.1×1011MPa，泊松比为0.3；土层参数如表1所示，土体模型采用Dracker-Prager理想弹塑性本构模型，在实际参数输入中将Mohr-Coulomb弹塑性模型的参数转变为Dracker-Prager理想弹塑性本构模型的参数[5]。

1.3 强夯冲击荷载选取

一次完整的强夯过程是提升夯锤到一定高度，夯锤自由下落到被夯点，以一定的初速度冲击下部土体，夯锤速度在很短的时间内(大约0.04 s～0.2 s)衰减到0，由动量定理可得，该过程产生的冲击力可达到夯锤重量的几十倍，土体被瞬间压缩，而后土体产生一定的回弹，此时只有夯锤静力荷载作用于土体上，相对于强夯过程产生的冲击荷载，其静力荷载可以忽略不计。已有的研究表明，强夯的冲击过程产生的应力波只有一个尖峰，其瞬时冲击荷载可以简化为半正弦函数或三角形函数的形式，如图1所示，这种方法是通过强夯作用力随时间的变化作为加载条件来模拟冲击荷载；本文采用第二种加载的形式，即根据夯锤的落距，计算出夯锤和土层接触时的初速度，设定夯锤和土的接触类型并加载。

本文模拟夯锤第一次夯击土体，单机夯击能为3 000 kN·m，夯锤重量分别为25 t，20 t，16.7 t，其夯锤落距分别为12 m，15 m和18 m，计算所得的夯锤接触上层土时的初速度分别为v25=15.34 m/s，v20=17.15 m/s，v16.7=18.78 m/s，设置接触为主从面面接触的形式，为了保证产生的应力波的消散，将计算时间设定为1.0 s。

2 计算结果分析

2.1 强夯竖向应力分析

图2～图4分别为25 t，20 t和16.7 t夯锤作用下产生最大应力时的Mises应力云图，图5为土体中心点处的接触应力随夯锤作用时间的变化曲线。从图2～图4对比图5的结果可以看出，在相同的夯击能下，夯锤重量越大，接触应力幅值和接触时间随着夯锤重量的增大呈增大的趋势，原因是，从刘惠珊的研究结果可以得到[6]，接触时间和落距与单击夯沉量的比值呈反比的关系，夯锤越重，落距越小，夯沉量越大，其比值越小，接触时间越长；由动量定理可知，在相同的夯击能下和接触时间时，夯锤越重，其产生的动量越大，接触冲击力越大，产生的接触应力幅值越大。

图6～图8分别为25 t，20 t和16.7 t夯锤作用下产生最大夯沉量时的竖向位移云图，图9～图11为土体中心点、中心点下分别为2.0 m，4.0 m，6.0 m处的竖向位移随夯击时间的变化曲线。从图6～图8可以看出，随着夯锤重量的增加，其最大夯沉量呈增加的趋势，25 t，20 t，16.7 t夯锤产生的最大夯沉量分别为0.813 m，0.771 m和0.720 m；从图9～图11可以看出，夯沉量随着土层厚度的增加呈下降的趋势；在夯沉量达到最大时，夯坑底部存在土体回弹现象，25 t，20 t，16.7 t夯锤夯击回弹量分别为0.088 m，0.080 m，0.073 m，随着夯锤重量的增加而增加。

2.2 强夯竖向位移沿径向变化规律分析

图12～图14为夯锤重量分别为25 t，20 t和16.7 t在夯坑深度最大、夯坑隆起量最大和模拟夯击结束时的随距离土体中心点距离，图15为不同夯锤下在夯坑隆起量最大时其竖向位移沿径向的变化曲线。从图12～图14可以看出，由于夯锤的半径为1.25 m，夯坑隆起量随离夯锤的距离增加而下降，且在大约距离夯锤0.5 m处达到最大值；在产生最大隆起量之后到夯击结束，其隆起量变化不大。从图15可以看出，隆起量随着夯锤重量的增加其幅值变化不大。

3 结语

文中通过ABAQUS对山区填土地基强夯的强夯应力、竖向位移沿着竖向和径向的变化规律进行了分析：在相同的夯击能下，夯锤重量越大，其接触土体时产生的应力呈降低的趋势，最大夯沉量以及夯后土体回弹量呈增加的趋势，夯坑隆起量变化不大；采用重锤低落距的强夯效果优于轻锤高落距。

[1] 陆 新.强夯法处理软土与高填方地基技术研究与工程应用[D].重庆：后勤工程学院，2005.

[2] 刘艳萍，杜克勤，姚洪波.强夯法施工对周围物体产生的振动影响[J].河南水利与南水北调，2009(8)：173.

[3] 赵文贵.强夯法在山区块石抛填地基处理中的应用[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2013,12(1)：52-53.

[4] 阮 维.强夯法在山区块石填方工程中的应用[D].重庆：重庆大学，2007.

[5] 郑颖人,孔 亮.岩土塑性力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[6] 刘惠珊，饶志华.强夯置换的设计方法与参数[J].地基基础工程，1996，6(2)：6-13.

Analysis of stress and displacement of mountain filled foundation under dynamic compaction impact loading★

Liu Xianqing1Yang Fan2Gu Wenjie1Zhu Jiankai1Chen Jinfeng1Xu Yanling1

(1.LogisticsEngineeringSchool,Chongqing401311,China; 2.ChongqingDesignInstitute,Chongqing400015,China)

Using the ABAQUS finite element software, this paper established the calculation analysis model, simulated and analyzed the compaction stress and displacement of Chongqing area typical filled foundation, pointed out that in the same tamping energy, the greater of hammer weight, the stress of contact soil decreased, the maximum settlement and after compaction soil rebound increased, the tamping pit uplift volume changed little, the dynamic compaction effect using strong hammer low distance better than light hammer high drop distance.

filled foundation, dynamic compaction method, stress, vertical displacement

1009-6825(2017)02-0079-04

2016-11-07★：重庆市建设科技计划项目(城科字2014年09-2号)；后勤工程学院青年基金(YQ16-420502)

刘宪庆(1986- ),男，博士，讲师

TU431

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