深厚回填土地基强夯加固效果影响因素研究

李怡文陈颖辉 邹梦超

（昆明理工大学建筑工程学院，昆明 650500）

0 引言

随着城市建设的快速发展，城市建设用地越来越紧缺。因此“城镇上山、项目上山”，充分利用荒山荒地进行横向发展，成为山区城市发展的最佳选择。在云贵高原地区，由于山地众多，地形地貌陡峭、起伏较大，很多建筑场地用地位于高挖方、深填方的区域，从而形成大量深厚填方场地，高填方地基由于施工质量控制不佳，回填填料成分不均匀，孔隙比较大，地基压实不均匀，如果地基处理不当易造成建筑差异沉降，出现工程质量事故［1］。加固深厚回填土地基，在环境允许、土质条件适宜的情况下，强夯法性价比较高。强夯法的地基加固手段已经被广泛应用，但由于地质条件的复杂性，不同夯击能级、不同夯击次数、不同夯击组合都对地基加固效果有较大的影响，所以该手段的理论基础还需要进一步完善，有必要对此类地基强夯加固影响因素进行深入研究。

强夯加固作用理论主要分为三个方面：动力性固结、振动波压密和动力置换。强夯动力性固结是指当巨大的外部荷载作用于土体时，会破坏土体固有结构，土体内部存在的气泡被排出，土体总体积发生缩减。若持续对土体进行强夯，土体内部孔隙水压力就会不断递增，土体总应力也随之递增，最终导致土体发生变形出现类似不规则裂隙，从而提升了土体的渗透性，有利于土体中自由水的流出，使土体固结。土体固结后，随着土的弹性模量和抗剪模量提高，土体地基承载力和抗剪能力也随之提高。强夯振动波压密是指强夯施工时，夯锤作用于地基土体的瞬间产生了庞大的夯击能量，其以振动波的方式在土体中发展，促使土颗粒发生位移，进一步挤压土体中存在的空隙，从而使土体更加密实，改善了地基承载能力。强夯动力置换是指强夯时利用巨大的夯击能量将碎石、矿渣等材料锤进土体进行置换，形成复合性地基。此方法能大幅改善地基承载能力，强夯置换法在置换的过程中，一方面土体原有结构被破坏，形成了排水通道，加速了土体固结；另一方面形成复合地基提高了土体承载力。

吴铭炳和GUQ等［2-3］从弹塑性结构模型理论入手，对强夯动力加固结构相关应力机理进行了边界有限元法深入分析。孔令伟等［4-5］在没有充分考虑夯锤自重的模型理论基础上，得到了填土强夯的动力边界接触应力与主体沉降在底部应力边界变换域移动过程中的底部应力变换解析式。钱家欢等［6］分别利用强夯动力边界有限元法对强夯动力加固机理问题及其关系进行了深入分析研究，得出了夯锤底部接触移动时间应力变化规律及其底部移动时间应力与夯土边界底部接触时间移动应力的相互关系计算曲线。

本文在前人的研究基础上，基于果林广场深厚回填土地基强夯加固实例，运用有限元软件ABAQUS对实际工程进行模拟，在已建立的模型上依次改变夯击能、夯击次数、施工组合和夯锤直径，研究改变上述因素下强夯加固作用规律，从而给类似工程提供一定借鉴和参考。

1 工程概况

果林广场项目位于云南省昆明市经济开发区，项目海拔高度为1900～2000 m，工程占地面积约5.7万m2，建筑面积约20万m2，拟建项目为办公楼和零售市场。项目所处区域内地质构造良好，地下水对项目影响不大。根据地勘报告可知，场地内主要有杂填土、粉质黏土、红黏土和白灰质灰岩，其中回填土最大深度约10 m。拟建场地内人工填土，在回填时未进行专门处理，土体内部颗粒较为松散、密实度较低，整体表现为较低的均匀性及力学性［7］。并且上层深厚回填土尚未完成自重固结，在自身重力的影响下会随时间变化产生固结沉降。在上部荷载及自重固结作用下，由于填土本身的不均匀性，人工填土层易产生较大沉降和不均匀沉降，导致地面沉降、开裂，主体结构开裂、倾斜，影响主体结构安全。

在整个建设项目工程施工前的场地内，总共夯击四遍，前两遍夯击为主点夯，采用6000 kN·m能级（夯锤的最大承重30 t，落距20 m），第三遍为加固夯（3000 kN·m），第四遍满夯（2000 kN·m），要求处理深度≥8.0 m。经过计算，施工区夯击点布置如图1所示，首次点夯时，夯点以7 m×7 m方形设置（红色）；第二遍夯击时，其点设置于第一遍夯点图形中心处（蓝色），两遍强夯处理点形状同样表现为梅花形；第三遍为加固夯，以4.95 m×4.95 m菱形设置（绿色）；第四遍强夯时，夯击点搭接在以往夯印的1/4处，从而实现满夯。

图1 施工区夯击点布置图Fig.1 Construction area hammering point layout

2 数值模拟

为更好地研究夯击能、夯击次数、夯击组合、夯锤直径等因素的影响，本文选用ABAQUS有限元软件进行模拟分析［8］，分别深入研究不同程度影响夯击因素对强夯加固效果。

2.1 有限元模型建立

根据果林广场项目的实际情况，在ABAQUS中选用修正的摩尔-库伦本构模型，C3D8R单元，网格尺寸为1.0 m，时间步距为0.002 s，夯锤与土体接触时间经计算为0.06 s，模型尺寸为40 m×40 m×22 m，地基模型［7-8］的边界条件设置为水平方向和地面三向位移约束。所有条件赋予后，所建模型如图2、图3所示，场地各土层的物理力学参数如表1所示。

表1 各土层的主要物理力学指标表Table 1 Table of the main physical and mechanics indicators of each soil layer

图2 三维模型图Fig.2 three-dimensional diagram

2.2 荷载参数及输入

依据工程的强夯施工方案，施工二区选用的夯锤质量为300 kN，g取10 N/kg，夯锤直径为2.6 m，落距为20 m，依据以往工程经验及试夯结果，单次夯击土体沉降值L取0.6 m。强夯时，夯锤作用于地基土体的时间可按式（1）计算得出：

同时查阅文献可知，李守巨等［9］利用动量定理和重力势能做功推导出接触面之间应力公式：

式中：Δt为接触时间，s；g为重力加速度，m/s2；h为落距，m；W为夯锤质量，kN；L为单击沉降量；A为夯锤底面积，m2。

荷载输入形式如图4所示。

图4 荷载输入形式Fig.4 Load input form

将上述参数代入式（1）、式（2）求得在模型中接触时间为0.06 s，接触面应力为4.56 MPa。

2.3 模型合理性

将论文给定的强夯施工参数值直接赋予软件，通过软件模拟果林广场施工的全过程。选取果林广场前六次夯击结果与强夯模拟结果对比，得到表2。

表2 强夯下土体竖向位移表Table 2 The vertical displacement table of the earth under the strong mound cm

在模型中按6000 kN·m能级将荷载输入，导出强夯模拟数据，对比强夯实际数据，得到图5。

从表2和图5可以看出，ABAQUS有限元软件模拟本工程效果良好。数值模拟得到的单击沉降量和累计沉降量与工程实际测得的单击沉降量和累计沉降量数值相差不大，误差较小，表明所建模型较符合工程要求，并为后续研究强夯加固效果影响提供了基础。

图5 不同夯击下土体竖向位移对比Fig.5 The vertical displacement contrast of the soil under different moths

3 强夯加固效果影响研究

3.1 相同夯击能下不同夯击次数对强夯加固效果的影响

本文以6000 kN·m夯击能为同一能级，以夯击后土体的竖向位移量为评定强夯加固效果的依据，不改变其他施工参数，对果林广场进行强夯处理，得到以下夯击云图，如图6所示。

图6 不同夯击次数下土体竖向位移云图Fig.6 The vertical displacement cloud map of the soil under different hammering times

从图6可以看到，在巨大的夯击能量作用下，夯坑四周出现了隆起。强夯施工期间，夯锤携带的庞大的能量冲击土体，促使土体中土颗粒发生激烈运动，发生挤压，降低了土体的孔隙率，使其密实程度大大提高，从而改善了地基的承载力，与此同时对夯锤底四周的土体进行了挤压，也就是土体发生隆起。强夯加固时首次夯击时的沉降值最大，达到0.63 m。随着夯击次数的增加，单击沉降量不断降低并趋近稳定，而累计沉降量不断增大并且也趋于一个稳定值。当进行第6次夯击时，得到的单夯沉降量仅为0.09 m；第7击时，其值降为0.05 m，满足国家相关规定中的停夯要求［10］。将本文的计算结果与用文献［11］提出的方法所得到的计算结果以及工程实测数据进行了对比，结果表明，伴随着强夯次数的增加，地基土体变得越来越密实，地基承载力也越来越大，渐渐趋于稳定。

这说明盲目增加夯击次数对地基处理效果不大，在强夯施工过程中存在最优夯击数，当夯击数少于最优值时，增加夯击次数有利于地基土的固结；反之，加固效果不佳。

3.2 相同夯击能下不同夯击组合对强夯加固效果的影响

在果林广场项目强夯施工中，选用的是质量为30 t、直径为2.6 m、密度为7800 kg/m³的夯锤，夯锤落距为20 m。在不改变夯锤其他参数的情况下，选用两个不同质量的夯锤作为对照组，其余夯锤质量分别选择为25 t和20 t，施工各参数汇总到表3。

表3 不同夯锤质量工况表Table 3 Different hammer quality operating condition sheets

根据数值模拟结果，从图7可以明显看出在20 t×30 m、25 t×24 m和30 t×20 m三种不同施工方案下，土体的隆起量和沉降量随着施工组合的变化而变化，其中重锤低落距的土体隆起量和沉降量相较于轻锤高落距均得到提高。在20 t×30 m施工组合下的单击沉降量为0.54 m；在25t×24 m施工组合下的单次沉降量为0.57 m；而30 t×20 m施工组合下的单次沉降量为0.63 m，三种施工方案下土体沉降曲线趋势相同。重锤低落距的施工组合下，强夯施工影响深度最大达到9 m，而轻锤高落距则为8.1 m。这表明重锤低落距的施工方式比轻锤高落距施工方式夯击效果更好，在施工允许的条件下尽可能采用重锤低落距这种组合。

图7 同一能级不同夯锤组合下夯沉量随深度变化曲线Fig.7 The amount of sinking in different hammer combinations at the same energy level varies with depth

出现上述施工差异究其原因，还是因为两者施工方式夯击地面时输出的动量不同。以M1、H1表示轻锤高落距的夯锤重、落距，同理M2、H2表示重锤低落距的夯锤重、落距，在同一能量下（能量来自重力势能），即M1gH1=M2gH2，动量可由式Mv=M（2gh）½表示，根据数学运算，得出前后两者施工方式的动量比为（H1/H2）½，计算结果表明，前者施工方式的动量相较于后者要小。故在满足施工要求，同时不改变夯锤其他参数情况下，根据以往相关工程经验可以知道，动量越大，地基加固作用越好，因而应优先考虑重锤低落距的施工方案。

3.3 相同夯击能下不同夯击直径对强夯加固效果的影响

只改变夯锤直径的大小，不改变其它施工参数，夯击能同样是6000 kN·m，具体情况如表4所示。

表4 不同夯锤直径工况表Table 4 Different hammer diameter operating tables

在ABAQUS有限元软件将上述不同直径夯锤分别输入，得到强夯后土体竖向位移云图如图8所示。

图8 不同直径夯锤单夯下土体竖向沉降变化图Fig.8 A graph of vertical settlement changes in the earth under a single hammer of different diameters

从图8可以看到，小直径锤的单夯沉降量达到0.80 m，普通夯锤的单夯沉降量为0.68 m，大直径的单夯沉降量为0.63 m。小直径夯锤与地基土体接触后生成的夯坑，其影响的深度在三者中最大；而大直径夯锤生成的夯坑，其影响深度在三者中最小。产生以上变化的主要原因是由于夯锤与地基土体之间接触面的冲击应力不同。在同一夯击能冲击下，夯锤面积越小，其与土体之间的冲击应力越大，这就表明夯锤底面尺寸的大小直接确定了夯击面的冲击荷载集度。同时也可以看出，小直径夯锤，夯坑周围隆起量大，达到0.26 m，而大直径夯锤其隆起量仅为0.14 m，这说明夯锤直径影响着夯坑四周的隆起量。出现这种情况同样是因为在同一夯击能作用下，夯锤直径越小，接触面冲击力越大，对四周土体挤压力也越大。

同时，通过数值模拟可以发现不同直径夯锤对夯坑水平方向的影响，三种直径夯锤作用下土体水平位移基本呈对称分布，均在夯坑四周最边沿处产生最大位移，但沿水平方向或竖直方向远离夯击点时，其水平位移量逐步降低。对比三种不同直径夯锤云图发现，小直径夯锤强夯作用下水平影响范围最小，但在竖直方向上其影响深度最大，而大直径夯锤的强夯效果与小直径夯锤作用情况正好相反。究其原因也是由于夯锤与土体之间接触面应力集度不同，在夯击能一定时，夯锤与土体间接触面积越大，接触应力就越分散，影响的水平范围就越大；反之，当夯锤与土体的接触面积较小时，接触应力就越集中，因此影响的深度就越大。

综合可知，在同一夯击能下，采用小直径夯锤处理浅层回填土的加固效果较好，有利于土体的快速变形，但由于水平范围处理较弱，因此在强夯施工时应当适当减小夯点间距，工程中也应视情况选取夯锤直径。

3.4 不同夯击能对强夯加固效果的影响

选用6个不同等级的夯击能，同样采用单一变量原则，其他参数保持不变，研究单次夯击下土体的竖向位移变化，夯击能等级分别为2000 kN·m、2500 kN·m、3000 kN·m、4000 kN·m、6000 kN·m、8000 kN·m。通过6个不同夯击能下的单击夯沉量和隆起量发展趋势，发现随着夯击能量的提高，单击沉降量和夯坑周边隆起量也在逐步增加，如图9所示。通过ABAQUS有限元软件，将上述不同夯击能分别输入，得到不同夯击作用下土体沉降量随深度范围的变化，具体如图10所示。

图9 夯击能对沉降量隆起量影响Fig.9 The impact of stun can have on the amount of subsidence

图10 不同能级夯击下土体沿地基深度位移Fig.10 The soil is shifted along the foundation depth by different energy levels

从图10可以看到，随着夯击能的提高，地基表面的土体的沉降量也随之增大。在同一能级作用下，土体的竖向位移量在表层2 m深度内减小幅度较小，基本呈现线性，而随着地基土体深度的进一步增加，土体的竖向位移量迅速减小。对于3000 kN·m及以下的夯击能，从图可以看出其在6 m以上的影响很小，基本可以忽略；而4000 kN·m及以上的夯击能影响深度可达到7 m，这种结果也符合国家行业标准中的相关定。当夯击能级从4000 kN·m增大到6000 kN·m时，土体竖向位移量增幅为44.2%，而夯击能从6000 kN·m增加到8000 kN·m时，夯沉量增幅仅为8.1%，说明对于同一类型土体，盲目增加夯击能，对影响深度的增加效果也并不明显。

4 结论

（1）当夯击能等级相同，其他施工参数保持不变时，随着夯击次数的增加，土体沉降量也随之增大，但增幅变缓，说明在强夯中存在一个最优夯击次数，本文根据数值模拟，得到最佳夯击次数为第7击。

（2）当夯击能等级相同，改变夯击组合进行数值模拟，发现重锤低落距施工方式较于轻锤高落距作用效果更好，本文中应优先采用30 t×20 m这种施工方式。

（3）当夯击能一定时，改变夯锤直径，发现采用1.4 m直径夯锤时对土体影响深度较大，水平范围较小，单夯沉降量为0.8 m；采用2.6 m直径夯锤时影响深度较小，但水平范围较大，单夯沉降量0.63 m；采用2.0 m直径夯锤加固效果居中，这说明在实际工程中应当依据具体情况酌情选取。

（4）不同夯击能级时，其他施工参数保持不变，随着夯击能的增大，土体单次夯沉量也不断增大。当夯击能级从4000 kN·m增大到6000 kN·m时，土体竖向位移量增幅为44.2%，而当夯击能从6000 kN·m增加到8000 kN·m时，夯沉量增幅仅为8.1%，这说明在施工中盲目提高夯击能是不合理的，在本工程中夯击能选用6000～8000 kN·m即可。