数值模拟分析在建筑垃圾及筛余石强夯地基处理中的应用

杨光

摘 要：由于新疆地区卵砾石分布较广，改革开放后新疆经济和基础建设的快速发展，这种建筑材料被大量开采，导致新疆地区超深采砂坑分布广泛。而大部分的采砂坑位于城市近郊或距离城区较近，随着近几年新疆地区的跨越式发展，城市的快速扩张，土地资源日益紧缺。研究超深砂坑强夯法处理杂填土、筛砂滤料，在新疆地区尤其是对于城市近郊区域的采砂坑治理具有较大的意義。采用强夯法处理超深采砂坑的施工工艺，以获得最佳的过程效果，积累处理杂填土及筛砂滤料的施工经验，形成施工工法，为以后同类岩土工程的设计与施工提供借鉴。

关键词：强夯；数值模拟分析

目前，国内外针对结构抗震的试验分析方法大体上分为三类，即拟静力实验、地震模拟振动台实验、拟动力实验。而针对地基的抗震分析评价尚无成熟的模型，主要依托地震模拟振动台的实验进行分析。现在最常用的方法主要采用有限元分析软件进行抗震模拟分析，在地震计算的方法中最常用的方法为反应位移法、反应加速度法和时程分析法。

一、三维数值分析概述

本抗震模拟分析采用MIDAS GTS NX软件进行三维数值分析模拟，综合考虑强夯后各土层的弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角等参数，分析在地震作用下土体的应力、位移及整体抗震性能。midas GTS NX是针对岩土工程而开发的有限元软件，该软件具有简洁的界面、前后处理功能强大的岩土材料模型库，能满足大部分岩土体的破坏模式，因此用此软件对强夯工程的建立三维数值模型，比较接近真实情况，且计算结果相对安全。

二、midas GTS NX软件原理

2.1线性静力分析

线性静力分析是假定岩土及岩石材料为线性弹性材料后，基于静力荷载作用假定的分析。岩土材料的线性弹性时期局限于施加荷载后变形率发生微小变化的加载初始阶段。但是，线性弹性分析不考虑破坏，把应力-应变关系按直线形态理想化来执行分析，应用于确认原场地的应力分布或应力集中部位等，或需要简单分析的情况。

2.2特征值分析（模态分析）

特征值分析用于分析岩土/结构的固有动力特性，通过特征值分析得到岩土/结构的固有模态（振型形状）、固有周期（固有频率）、振型参与系数等。这些特性取决于结构的质量和刚度。换言之，结构一旦确定，其固有频率和固有模态也就确定，模态的数量与结构自由度相同。实际情况中，结构几乎并不按照单独一种模态形状振动并且表现出多模态重叠的复杂振型。

2.3反应谱分析

反应谱分析法是利用相对应的谱数据并组合与各模态时间响应的绝对最大值的分析方法。因为不考虑各模态最大值的同时性，只组合绝对最大值，所以，其可以看做线性时程分析（振型叠加法）的近似解。但是，考虑各模态的相关关系而进行的振型组合，可以更正各模态同时发生时的误差。

三、计算模型与参数

1、计算模型

本次模型采取计算长度50m、宽度 50m、深度31.64m。该项目土体采用莫尔-库伦模型，荷载考虑为乌鲁木齐市城北8度区的加速度时程曲线，边界条件为土体四周自由场边界，下边界为位移固定边界，分析类型为线性时程分析。

2、计算参数

根据现场剪切试验及钻孔波速试验结果，得到强夯后的各土层动物理参数如下表：

注：动力分析与静力分析是两种不同的概念，包括荷载类型、边界类型等都是不一样的，如果用土体的静力试验参数来计算动力工况得到的结果将会相差很大。一般通过现场试验得到动剪切模量和动泊松比，根据公式E=G（1+2μ）来计算弹性模量，式中E、G、μ分别为动弹性模量、剪切模量和泊松比。

四、计算结果分析

在横向剪切地震波作用下，地基变形和剪应力值分析结果如下：

（1）对地基的整体变形合位移，位移最大发生在地层上部，随着地层深度变化位移逐渐减小。地基整体相对合位移在小震和中震时最大值分别为2.69mm和5.63mm，按拟建场地建筑物每层层高3m考虑，在小震和中震时结构的层间位移角分别为：2.69/3000=1/1115和 5.63/3000=1/533，可见小震、中震时结构仍处于弹性阶段。

（2）在水平方向，位移最大发生在地层上部，随着地层深度变化位移逐渐减小。地基相对水平位移在小震和中震时最大值分别为2.57mm和5.45mm，按拟建场地建筑物每层层高3m考虑，在小震和中震时结构的层间位移角分别为：2.57/3000=1/1167 和 5.45/3000=1/550，可见小震、中震时结构仍处于弹性阶段。

（3）在垂直方向，地基沉降和隆起发生在场地沿地震波方向两侧，地基沉降量和隆起量在小震和中震时最大值分别为0.8mm和1.49mm，可见均小于建筑物地基变形允许值。

（4）根据上述应力图结果，剪应力变化由上至下依次增大，由场地中心向四周逐渐增大。剪应力在小震和中震时最大值分别为48.8KN/㎡和97.9KN/㎡。

结语：

本抗震数值模拟分析基于建筑垃圾及筛余石强夯地基处理施工情况建立了空间3D模型，充分考虑了建筑垃圾及筛余石分层强夯的空间作用，地震对强夯后的地基变形影响。通过上述计算分析结果表明，地基有良好的整体抗震性能。