强夯地设不同减振沟及锤径的减振效果分析

（山西应用科技学院，山西 太原 030062）

0 引言

强夯加固土体是将具有起重能力的起重设备将一定规格、重量为10到40吨的夯锤提升到10至40米高度后脱钩自由下落，夯锤与土体碰撞后，土体获得巨大的夯击能，夯击能以波的形式向四周传播。

在采用强夯法处理地基时，强夯引起的地面振动可能会对周围较近建筑物或构筑物产生很大影响，地面振动过大造成建筑物或构筑物损坏。地面振动幅值可以衡量强夯引起的地面振动强度与能量的大小，地面振动强弱可以用振动速度和加速度来衡量。雷学文等[1]，何少林等[2]应用现场实测数据分析得出，距夯点水平长度加大，强夯引起的速度、加速度减小，地面各点处速度、加速度随击数的增加而逐渐增大[3]。强夯对土体产生的动力效应的复杂性导致用解析法难以解决，就只能借助其他方法。ansys/ls-dyna是工程领域最好的解决动力性问题的程序[4]。范文超[5]等利用ansys/ls-dyna软件建立强夯加固土体的模型，用冲击荷载考虑强夯对土体的短暂作用，利用实测数据对数值分析结果进行了验证，证明所采用的方法是正确的。J.L.Pan 和A.R.Selby[6]研究表明，直接定义夯锤与接触土体之间的接触来模拟，对土体中的应力分析取得了成功。

1 减振沟数值模型的建立

土体本构关系采用Drucker-Prager弹塑性本构关系。将夯锤当作刚体，钢材材料作为其属性，密度7850kg/m3，泊松比0.33，弹性模量206GPa；土体密度1760Kg/m3，泊松比0.3，剪切模量6MPa，C=18kPa，φ=19°。采用八节点六面体单元SOLID164模拟夯锤和土体。假设不考虑地下水的影响，土体是水平状均质土体，夯锤在夯击接触过程中底部保持水平，建立长20米、宽20米、深25米的长方体作为土的模型，取土体和夯锤的1/4，锤直径为2.5米、重20吨。对夯锤和土体采用映射划分网格进行划分，从夯点向周围成等比例加大，模型如图1所示。

图1 减振沟模型

裘以惠[7]等对强夯进行了现场实测，结果表明强夯产生的应力波有一个尖峰，没有明显的第二波峰，接触时间是0.04～0.2s。本次分析求解时间设置为0.5s，主要是因为在地表面距夯击点不同距离处，根据程序试算，强夯引起的的振动在0.5s内达到了峰值。

表1 建立各模型的参数

2 减振沟减振效果分析

由模型O和A求解可得，水平速度最大值的减小对比曲线如图2所示。由图示知，距夯点4米到7米，水平向速度峰值减小90%，在无减振沟时水平向速度峰值减小66%，说明沟后土体减小振动的效果明显。由模型O和B求解可得，竖向速度最大值的减小对比曲线如图3所示。分析表明减振沟对位于减振沟后面的土体确实起到了很好的减振效果。

图2 水平向振动速度变化曲线对比

图3 竖直向振动速度变化曲线对比

3 减振沟不同因素对减振影响分析

3.1 夯点与减振沟距离不同的影响

分别距夯点水平距离5米、7米、9米三个不同位置处设置同样减振沟（深度3米、宽度1米）建立模型A、B、C。竖向速度最大值的曲线如图4所示。可以得到，距夯点5米、7米、9米位置处设置减振沟，可以使6米、8米、10米处土体水平向速度峰值最小。表明在其他因素相同时，应尽可能加大夯击点到减振沟的距离，减小需保护建筑或其他对象到减振沟的距离才能使减振效果最好。

图4 竖直向振动速度变化曲线对比

3.2 沟深的影响

距夯点水平距离5米处设减振沟，分别建立宽为1米，深为3米、4米、5米、6米的减振沟模型A、D、E、F，求解得到竖向速度最大值曲线如图5所示。由图分析可得，沟深为3米与4米、5米、6米时减振效果比较，表明减振效果与沟深成正比。沟深为4米、5米、6米时，距夯点不同水平距离竖向速度峰值比较接近，表明他们的减振效果都比较接近。这说明沟深超过一个定值后，随沟深的加大减振效果不再提高很大，因此我们在设计减振沟时应注意沟深的取值。

图5 竖直向振动速度变化曲线对比

3.3 沟宽的影响

距夯点5米的水平距离，分别建立深度3米，宽度1.0米、2.0米、3.0米的减振沟模型，即模型A、G、H。求解得到距夯点不同水平距离，竖向速度峰值变化曲线如图6所示。由图分析可得，不同宽度的减振沟，不同距离处水平向、竖向速度峰值都很接近，表明沟宽对减振效果的影响很小，在实际设计中按需要设置宽度即可。

图6 竖直向振动速度变化曲线对比

4 不同直径夯锤强夯振动分析

为了分析在同一能级4000KN·m时，不同直径的夯锤对周边场地的振动效应，建立在无减振沟状态下，三个不同直径夯锤（锤径2.5m、2.0m、1.2m，高为0.52m、0.81m、2.25m的圆柱实体）的数值模型。夯锤密度都是7850Kg/m3，质量为20吨。求解得到三种不同直径夯锤强夯的竖向速度最大值的变化曲线如图7所示。图示分析表明强夯夯击点附近近处，小直径夯锤强夯引发的地面振动速度远小于大直径。随距离夯击点水平方向距离的加大，三种直径夯锤引发的地面振动速度越来越接近。因此，我们在设计时，可以选择较小直径夯锤强夯来满足减弱地面振动的要求。

图7 竖直向振动速度变化曲线对比

5 结语

分析表明，在设计减振沟时，要减少建筑物或构筑物到减振沟的距离、利用现场试验确定某一最佳沟深来达到最佳减振效果。此外，还可以在满足加固深度的前提下，利用小直径夯锤在需保护对象附近强夯，也可以达到保护已有建筑物或构筑物的目的。