强夯法填土地基处理有限元模拟研究

杨建平

(福建省华厦能源设计研究院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

强夯法是将重锤从高处自由落下，通过重锤自身的重力所产生的冲击力来对岩土体进行击实的一种方法。由于强夯法适用范围较广，且具有工期较短、造价相对较低、施工器械较为简单等诸多优点，目前已经被广泛应用于地基处理中，众多学者都对强夯法进行了研究。闫吉成等[1]采用ABAQUS软件模拟了强夯法在粉土地基中的应用，并研究了夯击次数、夯击能、落距和水位等对强夯加固效果的影响。李成[2]基于MIDAS GTS/NX有限元程序对强夯处理回填砂土地基加固效果进行了三维有限元模拟研究，并对强夯设计的主要因素进行了分析，结论表明，夯击能与有效加固深度在一定范围内是成正相关线性关系；周亮[3]采用离散元法(PFC软件)对软粘土地基的强夯加固效果进行模拟研究，研究中采用了多种夯锤落距工况，结果发现最优夯击效果时的落距为8m和12m；张雨等[4]将强夯法应用于机场地基处理；刘永垒[5]将强夯法应用于湿陷性黄土路基处理中，并采用数值模拟对处理效果进行了预测。以上这些研究成果都表明，强夯法在地基处理中具有广泛适用性，同时也验证了数值计算手段在强夯研究中具有一定可行性，能够通过数值模拟对强夯的工作原理和效果进行更为深入而形象的分析。

本文以某工程为例，首先对其回填土地基处理工程进行了简要介绍，而后采用大变形通用有限元程序LS-DYNA对强夯法在该地基处理中的应用进行模拟分析，以便通过数值计算手段预测变形效果，以期为强夯设计的优化提供一定参考借鉴，避免工程上不必要的浪费。

1 工程案例

1.1 场地概况

某工程场地位于泉州市丰泽区，总用地面积10 870.7m2。采用“开山填谷”方式创造建设场地，场地由素填土堆填而成，填料主要由粘性土、碎块石、建筑垃圾等组成，最大堆填厚度约为7m，其中碎块石含量10～20%，块石岩性主要为中风化花岗岩，呈块状和棱角状，粒径大小不一，一般为0.3m～1.0m。由于堆填时该层未经分层夯实，呈松散～稍密状，成分及密实度不均，强度低，工程性能差，承载力特征值为70kPa，需进行加固处理。综合考虑工程适用性、造价、周期等，拟采用强夯法进行地基处理。

1.2 强夯法处理地基初步方案

按照一般工程经验，强夯的初步方案大致为两遍点夯、一遍满夯，处理深度为7m，其中：

第一遍点夯设计参数：①能级：3000kN·m;②点夯间距：6m×6m正方形;③击数：9击;④收锤标准：夯坑达2m或夯击达到9击;⑤锤重：20t，落距15m。

第二遍点夯设计参数：①能级：3000kN·m;②点夯间距：6m×6m正方形;③击数：9击;④收锤标准：最后两击平均夯沉量不大于5cm;⑤锤重：20t，落距15m。

满夯主要设计参数：①能级：1500kN·m;②击数：4击;③点夯间距：相互搭接30%锤面积;④锤重：20t，落距7.5m。

2 强夯处理地基的有限元模拟

2.1 有限元模型的建立

在LS-DYNA有限元程序中建立夯锤模型和土体场地模型(图1)。限于篇幅，本研究仅模拟第一遍点夯中的单点多次夯击过程。场地模型厚度14m，为填土厚度的两倍，完全可以满足一次夯击的影响范围需求；模型长度20m。由于强夯具有对称性，为了节约计算时间，只建立半个模型，如图1所示，宽为10m。

图1 有限元模型(半模型)

模型中的夯锤和土体，都采用六面体单元划分，共计22 421个单元和25 029个节点。模型底部和四周设置了无反射边界，以便让强夯冲击荷载产生的应力波能够向外传播，以实现用有限大的模型范围模拟无限大的岩土体地基。

落锤与土体之间定义了摩擦接触关系，以真实模拟落锤与岩土体的相互作用。

2.2 材料本构的选取

由于夯锤采用刚体就可以较为合理地模拟实际情况，本研究采用LS-DYNA中的莫尔库伦本构模型(Mohr-Coulomb model)模拟回填土，以较为准确地把握土体的力学性能。根据勘察报告和室内外试验结果，土体本构计算参数如表1所示。

表1 土体的Mohr-Coulomb本构参数表

2.3 强夯荷载的施加

2.4 结果分析

2.4.1土体等效应变

图2为不同夯击次数下土体等效应变的发展过程。由图2可以看出，随着夯击数的增加，土体等效应变逐渐从表层土体向深层和四周扩散，并且夯锤底部的土体等效应变值最大，以此为中心沿着四周方向等效应变逐渐减少，等效应变大体上呈现半球形分布。到达一定范围后，等效应变值基本为零，说明强夯的加固效果是有一定范围的。就本次模拟案例，4次夯击后的土体等效应变大概延伸至深度7m处，即填土层的厚度，大体上达到了预期的处理目标。

同时还可以发现，在强夯冲击荷载作用下，土体的等效应变可以超过100%，因此，必须采用LS-DYNA这类大变形有限元分析程序，才能够更为准确地模拟出岩土体在强夯作用下的响应。

(a) 1击(b) 2击

(c) 3击(d) 4击图2 不同击数下的土体等效应变等值面图

2.4.2土体沉降

图3为不同击数下的土体沉降云图。由图3可见，土体的沉降最大值发生在锤底，随夯击数的增加，土体结构被破坏，土体沉降也逐渐增大。在夯击次数达到3击时，土体最大累积位移达到了2.11m，而在击数达到4击后，土体最大累积位移达到2.27m，因此，初步预测现场回填土夯击3次或4次即可达到夯坑2m的收锤标准。

限于篇幅，图3仅给出了4次不同击数下的土体累积沉降云图，而图4给出了9次夯击下的土体累积沉降曲线，图5则给出了沉降增量与夯击次数的曲线关系图。

(a) 1击：累积沉降=1m(b) 2击：累积沉降=1.61m

(c) 3击：累积沉降=2.11m(d) 4击：累积沉降=2.27m图3 不同击数下的累积沉降云图

图4 不同击数下的累积沉降曲线

由图4可以看出，随着夯击次数的增加，土体累积沉降呈现逐渐增大的趋势，但增幅不断减少。通过图5的沉降增量曲线可以更为直观地发现，首次夯击导致的沉降增量最大，说明了填土地基需要在土料回填时就进行碾压夯实，否则，仓促地在回填土场地上进行工程建设，不但地基土强度达不到要求，还容易引发不均匀沉降；随着夯击数增加，土体的沉降量呈现出非线性增长趋势，沉降增幅逐渐降低，说明土体逐渐被击实，从而导致变形的发展越来越缓慢。

图5 不同击数下的沉降增量

2.4.3强夯应力波的传播

工程实践可以直观地观测到土体的变形，但强夯这一动力作用过程中应力波的传播过程则是工程实践所无法观测到的。因此，为更透彻地把握强夯作用机理和效果，需要对强夯应力波传播和发展规律进行研究。图6给出了一次夯击过程中，不同时刻强夯应力波的传播过程。

由图6可以发现，夯击初始，土体应力可以达到MPa级别(图6(a))，但也导致土体迅速发生压缩变形，沉降剧增；随后，应力波大致呈现圆弧形在土体中迅速向外扩散传播，并且随着传播距离的增大，应力幅值也急速降低至kPa级别(图6(d))，说明了强夯加固具有一定范围。

通过图6(d)可以发现，应力波在模型边界处产生了明显的透射现象，验证了本研究设置无反射边界的有效性，使强夯冲击荷载产生的应力波能够继续向外传播，以实现用有限大的模型范围模拟无限大的地基。

因此，通过数值模拟的辅助，可以直观地捕获到工程实践所难以观测到的现象，更为有效地对强夯法处理地基进行研究。

(a) t=0.004s(b)t=0.04s

(c) t=0.06s(d) t=0.08s图6 强夯应力波的传播过程

2.4.4强夯设计方案的修正

初步设计方案中，第一遍点夯的收锤标准为“夯坑达2 m或夯击达到9击”；而根据数值模拟的结果，3～4次夯击即可使得夯坑深度达到2 m(图4)，因此，稳妥起见，可将收锤标准修改为“夯坑达2 m或夯击次数达到6击”。

初步设计方案中，第二遍点夯的收锤标准为“最后两击平均夯沉量不大于5cm”；而根据数值模拟预测，需要夯击9次以上才能使得最后两击平均夯沉量不大于5cm(图5)，因而收锤标准需修正为“最后两击平均夯沉量不大于5cm且夯击次数不小于9击”。实际的实施方案需根据现场情况随时进行调整。

最终，按照该优化的设计方案进行了强夯法地基处理(图7)。经浅层平板荷载试验检测，处理后的地基承载力特征值达到了250kPa，取得了良好的效果(图8)。

图7 强夯现场施工图

(a)试4#点

(b)试5#点

3 结语

文章简要介绍了泉州市丰泽区某工程场地回填土地基的工程概况，采用大变形通用有限元程序LS-DYNA对强夯法在该地基处理中的应用进行了模拟，主要结论如下：

(1)LS-DYNA能够较好地模拟强夯作用下的土体响应，根据数值模拟预测，对强夯设计方案进行了优化，使得最终的强夯法地基处理获得了良好的效果。

(2)随着夯击数的增加，土体等效应变逐渐从表层土体向地基深层和四周扩散，土体沉降逐渐增大，在经过3次或4次夯击后，土体沉降可达到夯坑深度为2m的收锤标准。

(3)土体的沉降量呈现出非线性增长的趋势，沉降增幅逐渐降低，说明土体在夯击过程中不断被加固，压缩性降低。

(4)强夯应力波大致呈现圆弧形在土体中迅速向外扩散传播，应力强度衰减极快，与强夯加固的范围相关。

需要指出的是，由于本文只建立了单点夯击模型，不同夯点之间的影响无法体现，同时，还可结合现场监测来为强夯数值模拟的准确性提供更有力的验证。这些都是将来需要予以继续研究的重点。