強(qiáng)夯加固對(duì)CFG復(fù)合地基破壞的影響

袁晶晶,喬京生

(河北聯(lián)合大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北 唐山063000)

0 引 言

工程實(shí)踐表明,強(qiáng)夯是一種有效的地基加固措施,人們對(duì)此已做了很多的研究工作,但大部分是對(duì)強(qiáng)夯引起的地下土體或地面結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的研究[1～7],例如蔡袁強(qiáng)等[7]采用大變形幾何非線(xiàn)性有限元法分析強(qiáng)夯加固機(jī)理及其振動(dòng)對(duì)環(huán)境影響。關(guān)于強(qiáng)夯對(duì)地下結(jié)構(gòu)影響的研究較少。在唐山市曹妃甸對(duì)吹填土地基處理工程中,由于上部結(jié)構(gòu)荷載特性不同和工期安排等原因,有可能在某一場(chǎng)地CFG樁復(fù)合地基施工完成后,在相鄰較近的距離范圍內(nèi)馬上開(kāi)始強(qiáng)夯施工,這時(shí)強(qiáng)夯的巨大沖擊作用會(huì)使近距離一定深度范圍內(nèi)的土體發(fā)生振動(dòng)或變形,使CFG樁復(fù)合地基發(fā)生變形破壞。例如素混凝土樁比其他類(lèi)型的CFG樁(水泥或石灰攪拌樁、旋噴樁)更容易由于變形產(chǎn)生裂縫,屬于剛性樁,在第一條裂縫產(chǎn)生之后,由于強(qiáng)夯的重復(fù)沖擊振動(dòng)引起了疲勞效應(yīng),可能使CFG樁裂縫不斷擴(kuò)展并貫通,使樁身發(fā)生斷裂,影響復(fù)合地基的承載力。所以應(yīng)該對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究,通過(guò)計(jì)算分析掌握振動(dòng)的衰減規(guī)律,為強(qiáng)夯施工確定最小的安全距離。本文以曹妃甸某地基處理工地為例,通過(guò)有限元數(shù)值分析方法對(duì)該問(wèn)題做了研究。

1 數(shù)值計(jì)算模型建立

由于涉及到的材料有混凝土、褥墊層及吹填土,與線(xiàn)彈性材料的性質(zhì)完全不同,因此材料的受力與變形過(guò)程是非線(xiàn)性的。固體力學(xué)幾何非線(xiàn)性有限元法中,UL法(Updated Lagrange)能很好地處理幾何非線(xiàn)性與材料非線(xiàn)性同時(shí)存在的雙重非線(xiàn)性問(wèn)題,動(dòng)力方程簡(jiǎn)單明了?；贚agrange描述,以Cauchy應(yīng)力張量, G reen應(yīng)變張量為度量的考慮大變形系統(tǒng)有限元?jiǎng)恿Ψ匠虨?

式中M為質(zhì)量矩陣,C為阻尼矩陣,采用瑞利阻尼,C=αM+β(K0+Kσ),其中α,β是常數(shù),Ri+1是外荷載向量,Fi是節(jié)點(diǎn)力向量,是待求的運(yùn)動(dòng)量。,其中:單元小位移剛度矩陣,單元初應(yīng)力剛度矩陣。對(duì)比小變形條件下,可見(jiàn)考慮大變形后整體剛度矩陣更為復(fù)雜了。對(duì)于(1)式所表示的瞬態(tài)動(dòng)力平衡方程,可采用Newm ark-β法直接積分計(jì)算,一般取γ=0.0,β=0.5。

2 工程實(shí)例計(jì)算

曹妃甸某工地,工程總用地面積約1200x104m2,全部為吹填粉細(xì)砂區(qū),吹填厚度9～12 m,高出海平面4.5 m左右,場(chǎng)地地面基本平坦,平均海拔高程3.71 m,且該層吹填土為液化土層,液化程度為中等-嚴(yán)重,場(chǎng)地條件不能滿(mǎn)足工程建設(shè)要求,需要加固處理。其中一個(gè)工程場(chǎng)地采用CFG樁復(fù)合地基,CFG樁直徑450 mm,樁距1.5 m,樁長(zhǎng)10 m。當(dāng)CFG樁復(fù)合地基施工完成后,在另一個(gè)相鄰的工地馬上要開(kāi)始強(qiáng)夯法地基處理施工,夯錘重150 kN,直徑2.5m,夯吊高度13m,混凝土CFG樁距最近的夯坑邊緣為5m,有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 強(qiáng)夯有關(guān)參數(shù)

采用ADINA—M odel建模方式,這樣在構(gòu)造空間幾何體時(shí)操作方便。

1)土體及褥墊層可用BLOCK定義,樁身可用CYLINDER定義,樁身、墊層及土體均采用3D solid單元。

2)樁身材料采用ADINA軟件內(nèi)嵌的混凝土模型,土體及褥墊層材料采用摩爾-庫(kù)倫模型;

3)土體與樁體接觸面為摩擦接觸類(lèi)型,接觸摩擦系數(shù)一般取0.2。

4)所考慮空間范圍的土體四個(gè)側(cè)面及地面為固定約束。

5)強(qiáng)夯沖擊力時(shí)程近似采用三角波代替。

圖1 幾何模型

圖2 有限元分析網(wǎng)格

表2 CFG(C15)樁混凝土力學(xué)性能參數(shù)表

表3 墊層及土體有限元分析主要參數(shù)

圖3 混凝土參數(shù)選項(xiàng)卡

圖4 摩爾-庫(kù)倫材料參數(shù)選項(xiàng)卡(墊層與吹填土)

雖然強(qiáng)夯對(duì)地基土的作用是通過(guò)錘底的接觸力實(shí)現(xiàn)的,但是為了反映問(wèn)題的主要部分,在夯錘底部與地基土接觸的范圍內(nèi)仍然采用接觸壓力作為輸入荷載。關(guān)于夯錘與土體的接觸壓力問(wèn)題,吳銘炳[8]、梁志榮[9]、李本平[10]等利用動(dòng)力有限元法對(duì)強(qiáng)夯問(wèn)題進(jìn)行了細(xì)致的研究,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將瞬態(tài)荷載簡(jiǎn)化為一已知的三角形波或正弦波將其作為應(yīng)力邊界進(jìn)行計(jì)算并假設(shè)錘底應(yīng)力是均勻分布。

3 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

從圖5～8中可以看出,強(qiáng)夯引起的地面振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短,加速度時(shí)程曲線(xiàn)與已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果類(lèi)似[11]。

從圖9可以看出,在0.3 s時(shí),樁頂與樁底已出現(xiàn)大量的裂縫,側(cè)面也出現(xiàn)了一定數(shù)量的裂縫,這與施工現(xiàn)場(chǎng)觀察到的樁頂開(kāi)裂現(xiàn)象是一致的。從圖10(第一主應(yīng)力云圖)中可以看出,最大主拉應(yīng)力為5.56 M Pa (三軸應(yīng)力狀態(tài))均已超過(guò)C15混凝土單軸抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.27 MPa很多,甚至已超過(guò)平均值,而混凝土材料的最大抗拉強(qiáng)度即為單軸抗拉強(qiáng)度,所以這實(shí)際上是不存在的應(yīng)力狀態(tài),反應(yīng)了現(xiàn)有混凝土材料模型的不足之處,也代表了混凝土已經(jīng)達(dá)到受拉破壞,所以才導(dǎo)致裂縫的大量出現(xiàn)。實(shí)際上,由于強(qiáng)夯重復(fù)振動(dòng)作用產(chǎn)生疲勞效應(yīng),使混凝土抗拉強(qiáng)度降低,在更低的主拉應(yīng)力水平時(shí),裂縫應(yīng)該早已出現(xiàn)。雖然混凝土材料在強(qiáng)夯快速振動(dòng)加載時(shí)抗拉強(qiáng)度會(huì)有提高的現(xiàn)象,但提高的幅度僅限于30%～40%左右,根本不能避免混凝土材料開(kāi)裂。

從圖11(第三主應(yīng)力云圖)中可以看出,第三主應(yīng)力(最大壓應(yīng)力)為7 MPa以?xún)?nèi),低于C15混凝土單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值10M Pa,因此可認(rèn)為此時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)混凝土壓潰現(xiàn)象,因此在ADINA界面沒(méi)有表示出壓潰破壞。所以,裂縫是由受拉破壞引起的。

由于強(qiáng)夯振動(dòng)可能會(huì)引起CFG樁開(kāi)裂破壞,因此在鄰近CFG樁復(fù)合地基場(chǎng)地進(jìn)行強(qiáng)夯施工時(shí),應(yīng)避開(kāi)一定的安全距離,推薦的安全避讓距離為15m以上。另一方面,由于強(qiáng)夯施工是多次重復(fù)的過(guò)程,反復(fù)的振動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生疲勞效應(yīng),因此應(yīng)該將樁身應(yīng)力控制在更低的水平(例如60%的開(kāi)裂應(yīng)力),才能保證樁身不出現(xiàn)裂縫。在工程實(shí)踐中夯擊能常常是一定的,這時(shí)需要通過(guò)計(jì)算確定合適的安全避讓距離。

強(qiáng)夯引起的振動(dòng)是一種低頻瞬態(tài)振動(dòng),在鄰近夯擊點(diǎn)的位置,地面加速度衰減很快,但在地面以下加速度衰減則不一定符合同樣的規(guī)律,因此對(duì)地下結(jié)構(gòu)物的破壞可能更為嚴(yán)重,影響的范圍也更大,以上的計(jì)算結(jié)果反映了這一現(xiàn)象。強(qiáng)夯時(shí)地基土動(dòng)力反應(yīng)還受到其他一些復(fù)雜因素的影響,例如孔隙水壓力、地層初始應(yīng)力等,它們的影響還難以準(zhǔn)確地考慮,所以在條件許可時(shí)應(yīng)盡量避免在有地下結(jié)構(gòu)物的鄰近地點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)夯施工,或采取可靠有效的減震措施,例如設(shè)置隔震溝等。

以上通過(guò)對(duì)強(qiáng)夯引起地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)破壞的分析計(jì)算,不僅對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)效應(yīng)的評(píng)價(jià)有重要的意義,而且也是利用強(qiáng)夯研究工程場(chǎng)地土體性質(zhì)的一個(gè)重要途徑,在工程實(shí)踐中,還應(yīng)注意實(shí)際數(shù)據(jù)的觀測(cè)與積累,建立起不同巖土體與介質(zhì)作用函數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,獲得工程場(chǎng)地土體的物理力學(xué)性質(zhì)與其動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)之間本構(gòu)關(guān)系的深入認(rèn)識(shí)。

4 結(jié) 論

(1)強(qiáng)夯振動(dòng)會(huì)引起CFG樁開(kāi)裂破壞;當(dāng)夯錘重量較大,落距大,夯擊能較高時(shí),強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)鄰近CFG樁復(fù)合地基中的樁基有破壞作用,建議安全距離在15m以上,否則應(yīng)采取措施(如設(shè)置隔震溝)減少其影響。

(2)由于CFG樁與吹填土的力學(xué)特性相差較大,接觸界面難以實(shí)現(xiàn)位移協(xié)調(diào),因此分析計(jì)算強(qiáng)夯的影響過(guò)程時(shí)采用接觸模型是適宜的。

(3)應(yīng)盡可能避免在有地下結(jié)構(gòu)物的鄰近地點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)夯施工。

[1] 宋修廣,李英勇,韓軍.強(qiáng)夯法加固地基的多重耦合分析[J].巖土力學(xué).2003,24(3):471.

[2] 丁年紅.強(qiáng)夯法的動(dòng)力接觸分析[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2005,22(3):256.

[3] WANG Xu-sheng,JIAO Jiu Jimmy.Analy sis of soil consolidation by vertical drainsw ith double porositym odel[J].International Jou rnal for Numericaland Analytical Methods in Geomechanica,2004,(28):1385～1400.

[4] 鄒維列,吳國(guó)高,安駿勇.強(qiáng)夯加固軟土上覆蓋海砂層的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué).2002,(24),6:983～986.

[5] 水偉厚,高廣運(yùn),吳延煒.濕陷性黃土在強(qiáng)夯作用下的非完全彈性碰撞與沖擊應(yīng)力解析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2003,4(5):92～96.

[6] 胡修文,張唯,王堅(jiān).以吹填砂為覆蓋層的飽和軟粘土地基強(qiáng)夯試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2003,25(5):818～823.

[7] 蔡袁強(qiáng),王大力,徐長(zhǎng)節(jié),等.強(qiáng)夯加固機(jī)理及其環(huán)境影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué).2005,26(增刊):159～162.

[8] 吳銘炳,王鐘琦.強(qiáng)夯特性的數(shù)值分析[J].工程勘察,1989(3):1～5.

[9] 梁志榮,曹名葆,葉柏榮.有限元法強(qiáng)夯加固機(jī)理[J].地基處理.1992,3(12):20～26.

[10] 李本平.有限元法分析強(qiáng)夯加固機(jī)理[D].杭州:浙江大學(xué),1993.

[11] 蔣鵬,李榮強(qiáng),孔德坊.強(qiáng)夯大變形沖擊碰撞數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào).,2000,22(3):222～226.