數(shù)值模擬分析在建筑垃圾及篩余石強夯地基處理中的應(yīng)用

楊光

摘 要：由于新疆地區(qū)卵礫石分布較廣，改革開放后新疆經(jīng)濟和基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，這種建筑材料被大量開采，導(dǎo)致新疆地區(qū)超深采砂坑分布廣泛。而大部分的采砂坑位于城市近郊或距離城區(qū)較近，隨著近幾年新疆地區(qū)的跨越式發(fā)展，城市的快速擴張，土地資源日益緊缺。研究超深砂坑強夯法處理雜填土、篩砂濾料，在新疆地區(qū)尤其是對于城市近郊區(qū)域的采砂坑治理具有較大的意義。采用強夯法處理超深采砂坑的施工工藝，以獲得最佳的過程效果，積累處理雜填土及篩砂濾料的施工經(jīng)驗，形成施工工法，為以后同類巖土工程的設(shè)計與施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：強夯；數(shù)值模擬分析

目前，國內(nèi)外針對結(jié)構(gòu)抗震的試驗分析方法大體上分為三類，即擬靜力實驗、地震模擬振動臺實驗、擬動力實驗。而針對地基的抗震分析評價尚無成熟的模型，主要依托地震模擬振動臺的實驗進行分析?，F(xiàn)在最常用的方法主要采用有限元分析軟件進行抗震模擬分析，在地震計算的方法中最常用的方法為反應(yīng)位移法、反應(yīng)加速度法和時程分析法。

一、三維數(shù)值分析概述

本抗震模擬分析采用MIDAS GTS NX軟件進行三維數(shù)值分析模擬，綜合考慮強夯后各土層的彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)，分析在地震作用下土體的應(yīng)力、位移及整體抗震性能。midas GTS NX是針對巖土工程而開發(fā)的有限元軟件，該軟件具有簡潔的界面、前后處理功能強大的巖土材料模型庫，能滿足大部分巖土體的破壞模式，因此用此軟件對強夯工程的建立三維數(shù)值模型，比較接近真實情況，且計算結(jié)果相對安全。

二、midas GTS NX軟件原理

2.1線性靜力分析

線性靜力分析是假定巖土及巖石材料為線性彈性材料后，基于靜力荷載作用假定的分析。巖土材料的線性彈性時期局限于施加荷載后變形率發(fā)生微小變化的加載初始階段。但是，線性彈性分析不考慮破壞，把應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系按直線形態(tài)理想化來執(zhí)行分析，應(yīng)用于確認(rèn)原場地的應(yīng)力分布或應(yīng)力集中部位等，或需要簡單分析的情況。

2.2特征值分析（模態(tài)分析）

特征值分析用于分析巖土/結(jié)構(gòu)的固有動力特性，通過特征值分析得到巖土/結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)（振型形狀）、固有周期（固有頻率）、振型參與系數(shù)等。這些特性取決于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度。換言之，結(jié)構(gòu)一旦確定，其固有頻率和固有模態(tài)也就確定，模態(tài)的數(shù)量與結(jié)構(gòu)自由度相同。實際情況中，結(jié)構(gòu)幾乎并不按照單獨一種模態(tài)形狀振動并且表現(xiàn)出多模態(tài)重疊的復(fù)雜振型。

2.3反應(yīng)譜分析

反應(yīng)譜分析法是利用相對應(yīng)的譜數(shù)據(jù)并組合與各模態(tài)時間響應(yīng)的絕對最大值的分析方法。因為不考慮各模態(tài)最大值的同時性，只組合絕對最大值，所以，其可以看做線性時程分析（振型疊加法）的近似解。但是，考慮各模態(tài)的相關(guān)關(guān)系而進行的振型組合，可以更正各模態(tài)同時發(fā)生時的誤差。

三、計算模型與參數(shù)

1、計算模型

本次模型采取計算長度50m、寬度 50m、深度31.64m。該項目土體采用莫爾-庫倫模型，荷載考慮為烏魯木齊市城北8度區(qū)的加速度時程曲線，邊界條件為土體四周自由場邊界，下邊界為位移固定邊界，分析類型為線性時程分析。

2、計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場剪切試驗及鉆孔波速試驗結(jié)果，得到強夯后的各土層動物理參數(shù)如下表：

注：動力分析與靜力分析是兩種不同的概念，包括荷載類型、邊界類型等都是不一樣的，如果用土體的靜力試驗參數(shù)來計算動力工況得到的結(jié)果將會相差很大。一般通過現(xiàn)場試驗得到動剪切模量和動泊松比，根據(jù)公式E=G（1+2μ）來計算彈性模量，式中E、G、μ分別為動彈性模量、剪切模量和泊松比。

四、計算結(jié)果分析

在橫向剪切地震波作用下，地基變形和剪應(yīng)力值分析結(jié)果如下：

（1）對地基的整體變形合位移，位移最大發(fā)生在地層上部，隨著地層深度變化位移逐漸減小。地基整體相對合位移在小震和中震時最大值分別為2.69mm和5.63mm，按擬建場地建筑物每層層高3m考慮，在小震和中震時結(jié)構(gòu)的層間位移角分別為：2.69/3000=1/1115和 5.63/3000=1/533，可見小震、中震時結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段。

（2）在水平方向，位移最大發(fā)生在地層上部，隨著地層深度變化位移逐漸減小。地基相對水平位移在小震和中震時最大值分別為2.57mm和5.45mm，按擬建場地建筑物每層層高3m考慮，在小震和中震時結(jié)構(gòu)的層間位移角分別為：2.57/3000=1/1167 和 5.45/3000=1/550，可見小震、中震時結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段。

（3）在垂直方向，地基沉降和隆起發(fā)生在場地沿地震波方向兩側(cè)，地基沉降量和隆起量在小震和中震時最大值分別為0.8mm和1.49mm，可見均小于建筑物地基變形允許值。

（4）根據(jù)上述應(yīng)力圖結(jié)果，剪應(yīng)力變化由上至下依次增大，由場地中心向四周逐漸增大。剪應(yīng)力在小震和中震時最大值分別為48.8KN/㎡和97.9KN/㎡。

結(jié)語：

本抗震數(shù)值模擬分析基于建筑垃圾及篩余石強夯地基處理施工情況建立了空間3D模型，充分考慮了建筑垃圾及篩余石分層強夯的空間作用，地震對強夯后的地基變形影響。通過上述計算分析結(jié)果表明，地基有良好的整體抗震性能。