赵 永 祥

(中交第一公路工程局有限公司，北京 100024)



高能级强夯加固回填土的数值模拟

赵 永 祥

(中交第一公路工程局有限公司，北京 100024)

采用FLAC软件，对强夯加固回填土地基进行了数值模拟，研究了能级变化对强夯加固效果的影响，并结合工程实例，分析了不同夯击能、不同夯击次数作用下土体的动力反应特征，所得结论对类似强夯工程施工有一定的参考价值。

回填土，高能级强夯，数值模拟，锤击应力，土层厚度

0 引言

随着城市化进程的不断深入，用地矛盾日益突出，采用“开山填谷”“开山填海”的方法解决建设用地的工程日趋增多[1]。与此同时，强夯加固机理较为复杂，现有的设计计算方法基本上都是经验性或半经验性的，国内外的专家学者进行了相关研究，但至今未形成一套完整的设计计算理论。一些专家学者进行了相关研究[2-9]。数值分析法通过合理确定土体的应力—应变关系、屈服准则以及力学边界条件来模拟强夯加固地基的全过程。本文采用FLAC软件，对强夯处理大厚度填土进行数值模拟，得出了一些结论，对于今后类似地基的强夯加固设计具有一定的参考意义。

1 计算参数

夯锤参数：锤重为400 kN，对应夯击能6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m的夯击，落距分别为15.0 m,20.0 m,25.0 m,30.0 m,35.0 m和40.0 m，夯锤底面直径均为2.5 m。

荷载的施加：采用三角形荷载形式，将锤击力加在锤土接触节点上。当夯击能量分别为6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m时，对应的最大应力pmax分别为5.50 MPa,6.35 MPa,7.10 MPa,7.78 MPa,8.40 MPa和8.98 MPa。

计算所用土层参数选取如表1所示。

表1 土层参数

2 最大锤击应力沿深度的分布及土层厚度的影响

2.1 最大锤击应力沿深度的分布

图1是土层厚度为15.0 m时，不同能级作用下最大锤击应力沿深度的分布，图1a)为第1击时最大锤击应力沿深度变化的曲线，可以看出，能级越高，相同深度处最大锤击应力也越大，对于能级为6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m的强夯，第1次夯击作用下，锤土接触面上的最大锤击应力分别为5.11 MPa,5.91 MPa,6.62 MPa,7.25 MPa,7.84 MPa和8.37 MPa，能级10 000 kN·m强夯的最大锤击应力比能级6 000 kN·m提高了29.5%，而能级16 000 kN·m的最大锤击应力比能级为6 000 kN·m和10 000 kN·m分别提高了63.8%和26.4%，可见能级提高对强夯加固效果的改善非常明显。图1b)，图1c)分别为第5击、第9击时的最大锤击应力沿深度的分布曲线，与第1击相类似，能级越高，相同深度处最大锤击应力也越大。图1d)为第16击作用下最大锤击应力沿深度的分布曲线，对于能级为6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m的强夯，埋深10 m处最大锤击应力分别为0.14 MPa,0.32 MPa,0.40 MPa,0.46 MPa,0.50 MPa,0.79 MPa，能级10 000 kN·m强夯在埋深10 m处的最大锤击应力比能级6 000 kN·m提高了185.7%，而能级16 000 kN·m的最大锤击应力比能级6 000 kN·m和10 000 kN·m分别提高了464.3%和97.5%，能级的提高对深层土体的加固效果有明显改善。

2.2 土层厚度的影响

图2以10 000 kN·m强夯为例，说明土层厚度的变化对最大锤击应力的影响。在第1击和第16击作用下，不同土层厚度(15 m,25 m,35 m)的3条曲线基本重合，表明土层厚度的变化对土体竖向位移的影响可以忽略。通过其他能级的计算，亦发现相同结论。

3 土体竖向应力时程曲线

3.1 锤下2 m处

图3是土层厚度为15.0 m时，不同能级作用下锤下2.0 m处土体竖向应力的时程曲线。图3a)为第1击曲线，在开始阶段，不同能级的竖向应力均呈线性增长，并达到峰值，能级越高，竖向应力峰值越大；能级为6 000 kN·m强夯时的峰值为3.56 MPa，而能级为16 000 kN·m强夯时的峰值为6.20 MPa；不同能级夯击时，达到峰值的时间相差不大。达到峰值后，竖向应力开始呈线性减小，在夯击时间超过0.099 s后，各能级竖向应力随时间基本没有变化，进入稳定状态，并且不同能级的竖向应力基本相等，为0.17 MPa。图3b)为第5击曲线，与第1击相比，曲线变化的形态基本一致，对于6 000 kN·m，8 000 kN·m，10 000 kN·m，12 000 kN·m，14 000 kN·m和16 000 kN·m的强夯能级，其竖向应力最大值分别为4.21 MPa，4.73 MPa，5.25 MPa，5.74 MPa，6.10 MPa和7.03 MPa，与第1击相比，竖向应力峰值有所增大，达到应力峰值的时间均为0.052 s左右，竖向应力进入稳定阶段的夯击时间为0.115 s。图3c)为第16击曲线，竖向应力峰值与进入稳定状态的时间与第5击相似，但进入稳定状态后，能级16 000 kN·m产生的竖向应力最大。从以上分析可以发现，对于浅层土体(锤下2.0 m)，能级越高，夯击过程中产生的竖向应力最大值越大。

3.2 锤下10 m处

图4是土层厚度为15.0 m时，不同能级作用下锤下10.0 m处土体竖向应力的时程曲线。图4a)为第1击曲线，可以发现，夯击时间在0～0.08 s之间，竖向应力保持不变，表明夯击能量还没有传播到此处土体；夯击时间在0.08 s～0.205 s之间时，竖向应力经历一个波动，先增大到峰值，能级越高，竖向应力峰值越大，然后各竖向应力开始减小，之后又有所增加，这个波动过程表明土体仍处于弹性状态，波动段过后，竖向应力随时间保持不变。图4b)为第5击作用下锤下10.0 m处土体竖向应力随时间的变化曲线，与第1击相比，不同能级作用下，竖向应力有了明显的差异，随着能级增加，竖向应力越来越大。图4c)为第16击作用下锤下10.0 m处土体竖向应力随时间的变化曲线，与第5击相比，曲线形态基本相似，但是能级越低，曲线越平缓，表明在锤下10.0 m处，能级较低的强夯影响较小。

比较夯锤中心点下10.0 m处土体的竖向应力时程曲线和夯锤中心点下2 m的结果，可以看出，不同能级的夯击能量在锤下10.0 m处已经大大衰减，其竖向应力峰值仅为2 m处的1/10左右。

另外，本次研究还计算了土层厚度为25.0 m和35.0 m时，深度为2.0 m和10.0 m处土体的竖向应力时程曲线，同土层厚度为15.0 m的情况基本一致。

4 结语

本文通过能级分别为6 000 kN·m,8 000 kN·m,10 000 kN·m,12 000 kN·m,14 000 kN·m和16 000 kN·m的夯击作用下土体的应力分析，得到了以下主要结论：

1)能级较低的夯击对浅层土体的加固效果较好，其竖向应力的峰值反而大于能级较高的夯击，但是能级较高的夯击对深层土体的加固效果较好，其竖向应力峰值的深度比能级较低的要深2.0 m左右；随着夯击的进行，逐渐呈现出能级越高，竖向应力峰值越大，且最大竖向应力点的深度也越来越大的规律。

2)在第16击作用下，能级10 000 kN·m强夯在埋深10.0 m处的最大锤击应力比能级6 000 kN·m提高了185.7%，而能级16 000 kN·m的最大锤击应力比能级6 000 kN·m和10 000 kN·m分别提高了464.3%和97.5%，能级的提高对深层土体的加固效果有明显改善。

3)不同能级作用下，锤下2 m处土体的竖向应力时程曲线均在0.05 s左右出现峰值，能级越高，竖向应力的峰值也越大。

4)不同能级的夯击能量在锤下10.0 m处已经大大衰减，其竖向应力峰值仅为锤下2.0 m处的1/10左右。

5)不同能级作用下，土层厚度的变化对锤下2.0 m和10.0 m处土体的竖向应力时程曲线影响不大。

6)不同能级作用下，土层厚度的变化对最大锤击应力沿深度的分布影响不大。

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On numeric simulation of refiller consolidation with high-grade reinforcement

Zhao Yongxiang

(No.1EngineeringBureauCo.,Ltd,CCCC,Beijing100024,China)

The paper adopts FLAC software to undertakes the numeric simulation for the dynamic consolidation of the refilled foundation, researches the influence of the changes in energy levels on the dynamic consolidation effect, analyzes the dynamic response features of the earthwork under different dynamic energy and various compaction times with the engineering cases, and indicates its application value for similar dynamic projects.

refilled soil, high energy level compaction, numeric simulation, hammer stress, layer thickness

1009-6825(2017)11-0089-03

2017-02-10

赵永祥(1983- )，男，硕士，工程师，注册岩土工程师

TU472.31

A