強夯法處理山區(qū)高速公路填石路基數值模擬研究

(莆田市高速公路有限責任公司，莆田351100)

強夯法處理山區(qū)高速公路填石路基數值模擬研究

■林順青

(莆田市高速公路有限責任公司，莆田351100)

本文運用數值分析方法模擬強夯處理山區(qū)高速公路填石路基，分析了夯點豎向位移隨深度方向的變化規(guī)律以及土體豎向位移隨水平距離的變化規(guī)律，其數值模擬結果和現場試驗吻合較好，具有一定的參考價值。

強夯數值模擬填石路基

強夯法是用起重設備反復將夯錘(一般10t～60t)起吊到一定高度(一般10m～40m)，然后使其自由下落，利用其產生的較大沖擊和振動能量使地基得到加固處理的方法。強夯法起源于法國，我國自70年代引進此法后迅速在全國推廣應用。強夯法在工程中得到了廣泛的應用，有關強夯機理的研究也在不斷深入，并取得了一批研究成果，但是還沒有一套成熟的設計計算方法。因此，規(guī)定強夯施工前，應在現場有代表性的場地上進行試夯或試驗性施工。但現場試驗存在費用較高，測試精度受諸多因素的影響等缺點，數值模擬則通過合理應力應變關系、屈服準則以及力學邊界條件來模擬強夯加固的全過程。與試驗方法相比，數值分析法具有研究成本低廉，并可方便地進行參數研究等優(yōu)點。本文采用LS-DYNA軟件對強夯法處理高填方進行模擬，并進行相應分析。

1 工程概況

某高速公路設計為雙向六車道高速公路，時速100km/h，路基寬度33.5m。其中K39+062～K39+502段為高填路堤，中心最大填筑高度33.4m。該段填料主要來源于挖方路基開炸出來的花崗巖塊石。為保證該段路基填筑質量，采用強夯補強加固處理路基，以便于縮短沉降周期，減少工后沉降。

2 強夯參數及施工工藝

(1)方法：采用先點夯后滿夯的方法，點夯夯擊能采用3000kN·m，分2遍進行，滿夯夯擊能為1500kN·m。

(2)夯點間距：錘重200kN，落距15m，夯錘的直徑為2.5m，夯點間距6.0m×6.0m，采用等邊三角形布置，符合第一遍夯擊點間距可取夯錘直徑(2.5～3.5)倍的規(guī)定[2]，第二遍夯擊點位于第一遍夯擊點之間。

(3)夯擊時間間隔：該段路基填料為花崗巖塊石，滲透性好，對于滲透性好的地基可連續(xù)夯擊。

(4)停止夯擊標準：應按現場試夯得到的夯擊次數和夯沉量關系曲線確定，且同時滿足下列條件：最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm；夯坑周圍地面不應發(fā)生過大的隆起；不因夯坑過深而發(fā)生起錘困難[2][3]。

(5)工藝流程：場地平整→標高測量→第一遍夯點放樣→第一遍夯點施工→夯坑補料填平→標高測量→第二遍夯點放樣→第二遍夯點施工→夯坑填料整平→標高測量→布點→滿夯→整平→標高測量→質量驗收。

3 數值模擬與分析

3.1 有限元模型的建立

模型的建立是數值模擬分析的研究基礎，需要確定土體的本構模型、采用的單元類型、網格的劃分、時間步長的選用以及荷載的輸入等各種參數。強夯加固填石路基時，可以將路基看成是半無限體域，由于研究體的幾何形狀、約束條件及荷載都是軸對稱，為了節(jié)約計算時間，用軸對稱模型對強夯過程進行分析，對稱面施加對稱約束條件。為了防止剪切波和壓縮波的反射，還需在側面和底面施加無反射邊界。對夯錘和土體的接觸面采用面面侵蝕接觸類型。

巖石、土體等材料屬于顆粒狀材料，此類材料受壓屈服強度遠大于受拉屈服強度，且材料受剪時，顆粒會膨脹，采用的Von Mises屈服準則不適合此類材料。實踐證明，在巖土的有限元分析中，采用Drucker-Prager屈服準則的材料可以得到比較精確的結果。本文采用LS-DYNA中的Drucker-Prager彈塑性模型來模擬填料。計算模型見圖1，其中總節(jié)點數393015，總單元數376200。

3.2 計算參數

(1)土體及夯錘參數

圖1 有限元模型圖

對于夯錘，本文將其定義為剛性體，采用solid164單元，彈性模量為2.1GPa，等效密度為7830kg/m3，泊松比為0.3。對于填料參考類似工程文獻[10]中材料參數，采用solid164單元，彈性模量為80MPa，密度為2.3kg/m3，泊松比為0.3。

夯錘的夯擊能來源于夯錘的重力勢能，在碰撞瞬間，速度很大，為了節(jié)約計算時間，將夯錘的落距轉化為碰撞前的下落速度。將夯錘速度設置為當需要調節(jié)夯錘落距時，調節(jié)夯錘下落速度即可。

(2)人工體積粘性參數

強夯過程屬于大變形問題，數值模擬時在計算材料內部會產生沖擊波，這種沖擊波將會使填料內部形成壓力、密度、能量和質點加速度的間斷點，使微分方程產生奇異點，人工體積粘性選項可修正此類問題。參考相關文獻[4][5][8]，本文對人工粘性參數采用默認值。

(3)土體彈性模量

填料的彈性模量是強夯數值模擬中一個重要的參數，很大程度上決定了數值模擬結果的合理性。隨著夯擊次數的增加，土體不斷被壓實，強夯加固區(qū)內土體的彈性模量也不斷增大。然而很多文獻只研究一次夯擊的結果，或者一次性施加多個波峰的荷載曲線作為多次夯擊的荷載，那樣得到的結果與實際情況是不符的，得到的結果是不準確的。

根據研究，土體彈性模量隨夯擊次數的變化規(guī)律取用錢家歡[7]提出的經驗公式：

式中，E為夯擊N次后加固區(qū)內土體的彈性模量，E0為初始彈性模量，N為夯擊次數。

多次夯擊需要多次求解，但又不能進行新的求解，因為下一次夯擊的求解需要利用上一次夯擊得出的變形、應力等結果，鑒于此，本文采用了ANSYS/LS-DYNA軟件的Full Restart功能進行求解。

(4)完全重啟動分析

ANSYS/LS-DYNA軟件中的Full Restart功能很適合于用來模擬夯錘對土體的多次夯擊過程。完全重啟動技術支持在計算過程中對模型參數的修改，添加應力初始化關鍵字(*STRESS_INITIALIZATION)，對上次求解后模型應力以及構形進行更新，對每次夯擊完成后土體的彈性模量進行調整，再進行下一次求解。每一次重啟動計算都將生成新的結果文件，因而可以保留每一次夯擊完成后的所有結果，便于分析[4][5]。

(5)強夯沖擊荷載模式

根據大量的實測結果，在夯錘對地面的沖擊碰撞過程中，應力波只有一尖峰，且沒有明顯的第二應力波，故可將強夯產生的瞬間荷載簡化成三角形荷載[8]，以較好地模擬沖擊碰撞過程，如圖2所示。

圖2 沖擊荷載示意圖由動量定理推導出接觸面應力的峰值公式

式中，W為夯錘的重量，L為一次夯擊時的夯沉量。

根據公式2及工程現場的夯錘參數可求得：接觸面應力Pmax=7.066MPa。

本文荷載加載方式是夯錘一個初始速度撞擊地面，該速度為夯錘碰撞地面前的瞬時速度。圖3為數值模擬分析結果，夯錘與地面接觸應力最大值為6.909MPa。說明將強夯對地面的沖擊簡化為三角形荷載是可行的，公式2較準確地描述了夯錘與地面的最大接觸應力。

圖3 夯錘與地面接觸應力圖

3.3 計算結果分析

ANSYS前處理中不支持Drucker-Prager材料模型，因此先臨時定義線彈性材料，待生成K文件后，在K文件中添加修改Drucker-Prager材料模型。

ANSYS/LY-DYNA軟件自帶LS-PREPOST程序是專門用于LY-DYNA求解結果的后處理工作的處理器。打開LS-PREPOST，讀入求解時生成的d3plot文件，即可得到各種結果和分析。

圖4為計算模型對稱軸上土體頂部結點(結點編號9442)在夯擊過程中豎向位移隨時間的變化。從圖上可以看出，隨著夯擊次數的增加，位移逐漸增大，但是增大的幅度逐漸減小，第一次夯擊后為14cm，第二次夯擊后為27cm，第三次夯擊后為40cm，第四次夯擊后為49cm，第五次夯擊后為57cm，第六次夯擊后為68cm，第七次夯擊后為76cm，第八次夯擊后為86.6cm，第九次夯擊后為87.3cm。夯坑基本垂直，其變形過程與現場情況基本一致。在夯錘的提起和離開地面的過程中，夯錘與土體發(fā)生了非完全彈性碰撞，且表現出彈塑性材料卸載后的塑性變形積累的性狀。

圖4 節(jié)點9442時程位移圖

圖5為數值模擬和現場試驗得到的9442號結點的夯沉量與夯擊次數的關系圖。從圖上可以看出，夯擊到第9錘時候，現場單次夯沉量為4.2cm，僅占累積夯沉量的4.72%，與前一擊相差為0.9cm，根據《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79-2012)[2][3]中的規(guī)定，可以認為該夯擊次數最佳。數值模擬結果和現場試驗吻合度較高，因此可以用數值模擬比較方便地確定強夯加固的最優(yōu)夯擊次數。

圖5 數值模擬和現場試驗對比圖

圖6為第一次夯擊豎向位移等值圖，結果表明夯擊使土體的垂直區(qū)域得到了明顯的加固，其加固范圍類似橢圓形。

圖6 第一次夯擊豎向位移等值圖

第九次夯擊完成后對城鎮(zhèn)上土體夯區(qū)豎向變形的計算結果如圖7所示，結果表明，豎向變形隨深度的增加衰減很快，深度超過9m后，變形只有5cm。由數值模擬可知，本次強夯的影響深度達到了12m，但深度達到9m后土體的豎向位移已經很小。參考王鐵宏強夯法有效加固深度的確定方法[1]，可得到本工程強夯有效加固深度為9m。

圖7 夯區(qū)豎向變形隨深度變化圖

第九次夯擊完成后土體地表的豎向位移隨水平距離的變化如圖8所示，結果表明，地表豎向位移隨水平距離的增加迅速衰減，而且距離夯點越近衰減越快，當距離為4m時，土體的豎向位移已經很小，衰減比較緩慢。說明強夯法對夯錘下方土體的加固作用比夯錘側面土體更明顯。

圖8 地表的豎向位移隨水平距離的變化圖

4 結論

(1)采用有限元模擬強夯處理填石路基過程，數值分析結果與現場試驗結果較吻合，說明采用數值模擬強夯處理過程是可行的，可以方便地進行參數分析，對工程實踐具有指導價值。

(2)夯錘下土層沉降隨深度增加逐漸減少，呈非線性特征，隨著夯擊次數的增加而增大，但是增加速度逐漸減小，最后收斂穩(wěn)定。土體地表豎向位移隨水平距離的增加迅速衰減，最后趨于收斂穩(wěn)定。

(3)將夯錘對地面的沖擊碰撞過程簡化為單波峰應力波，本文對此進行了驗證，結果表明強夯對地面的沖擊簡化為三角形荷載是可行的，可以比較準確地得出夯錘與地面的最大接觸應力。

(4)本項目強夯過程具有一定的工程和設計參考價值，可為同類工程提供一定的參考價值。

[1]王鐵宏，水偉厚，王亞凌，等.強夯法有效加固深度的確定方法與判定標準[J].工程建設標準化，2005(3):27-38.

[2]中華人民共和國行業(yè)標準.JGJ79-2012,建筑地基處理技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2012.

[3]中華人民共和國行業(yè)標準，CECS 279:2010,強夯地基處理技術規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社.2010.

[4]尚曉江，蘇建宇，王化鋒,等．ANSYS/LS-DYNA動力分析方法與工程實例(第二版)[M]．中國水利水電出版社，2008.

[5]白金澤．LS-DYNA3D理論基礎與實例分析[M].科學出版社，2005.

[6]周世良，王多垠，吳友仁.強夯處理高填方的大變形有限元數值模擬[J].應用力學學報，2008,25(1):89-93.

[7]錢家歡，帥方生.邊界元法在地基強夯加固中的應用[J]．中國科學(A輯)，1987，3：329-336.

[8]黨鋒.強夯加固地基大變形有限元分析初探[D].西安理工大學碩士學位論文，2007.

[9]向澤華，胡煥校，吳高權.強夯作用下土體動力特性的數值模擬[J].水資源與水工程學報,2015(6):207-211.

[10]馮雷.超大粒徑塊石填筑路堤施工工藝研究[D].河北工業(yè)大學碩士學位論文，2014.