公路强夯置换地基加固效果仿真分析

公路强夯置换地基加固效果仿真分析

林家乐

广西路桥工程集团有限公司云南分公司

摘  要：依托云南省某高速强夯置换地基处理工程，采用ABAQUS基于ALE网格划分方法建立了强夯置换动力有限元仿真，探讨高能级强夯置换墩发展过程和土体加固效果。结果表明，8000kN·m强夯置换可以形成直径3m，深度6m置换墩；回填松散碎石后单击夯沉量显著增大，完成9次夯击后可有效加固深度12m范围内土体。

关键词：强夯置换；ALE法；置换墩；地基加固深度

强夯置换作为一种经济、高效的地基处理方法[1-5]，广泛应用于大面积地基加固工程。通过重复“夯击-回填-夯击”工艺，将回填碎石土挤入土体，以置换下卧软弱层或迫使软弱层下移、侧向挤出并变薄，从而提高下卧淤泥层承载力并减小沉降。Solowski[6]等采用 GIMP 法模拟强夯置换过程，分析结果仍较为粗略。周健[7]等采用离散–连续耦合法进行建模分析。谢新宇[8]等考察冲击荷载作用下土体失效机制，建立连续强夯碎石墩形成有限元仿真分析模型，分析不同夯击能、垫层厚度和锤径条件下夯 击次数与碎石墩深度相关关系。郑凌逶[9,10]等通过室内模型试验和数值模拟研究强夯冲击下填料、软土与夯锤相互作用过程，将夯锤运动加速度曲线划分为四阶段，得出夯锤运动状态与能量释放时间变化规律。

强夯置换成墩过程对土体产生挤密、压实作用，由于置换墩下部现场检测难度大，因此结合强夯置换ALE数值仿真分析，探讨置换墩形状与土体加固效果，指导强夯施工参数优化。

1 强夯置换模型建立

图1 强夯置换仿真模型

Fig.1 Simulation model of rammer displacement

图1为计算采用1/4对称三维模型，计算土体平面尺寸为20×20m，深度方向取30m；在保证计算精度前提下提高分析效率，对夯锤中心点半径4m内网格加密，加密区网格尺寸0.33×0.75m；土体采用Mohr-Coulomb本构模型模拟，片石层为理想弹塑性模型；模型竖向外侧固定水平位移；内侧竖向对称面采用轴对称边界，土层底部固定竖向和水平位移。截取地基模型尺寸够大，可忽略边界反射波对强夯置换计算精度的影响。

为避免连续夯击过程中网格畸变过大，采用ABAQUS提供的自适应网格划分技术（Arbitrary Lagrange-Euler Method，简称ALE），该方法可适用于强夯施工模拟。ALE方法结合了纯拉格朗日分析和纯欧拉分析的优点。夯击过程中为适应土体极大变形，避免网格畸变，在夯点中心半径4m范围内网格大变形区域采用ALE网格划分，在计算时每个增量步进行一次扫掠，检查是否存在网格畸变并进行网格重新划分，生成新网格后将旧网格中应力、应变位移等变量传输到新网格上。通过上述方法，网格与物质点相互脱离，网格发生大幅度扭曲变形，以适应夯坑形状。

根据云南省某高速公路地基处理工程夯击参数取夯锤直径2.5m，锤重34.2t，落距24.3m，夯击能量8000kN·m；模型中对夯锤下部倒圆角，避免应力集中引起网格畸变过大，将夯击过程等效为具有一定初速度夯锤对土体的冲击作用。由于片石为散粒体结构，夯击过程只考虑夯锤下部片石，夯锤与片石、片石与填土接触方式采用法向“硬接触”、横向无摩擦，图2为锤土接触应力时程曲线，可以发现，锤土接触应力近似半正弦波，峰值应力为2.48MPa，总接触时间为0.2s，数值计算结果与大量试验所测得结果类似。

图2 锤土接触应力时程曲线

Fig.2 Hammer soil contact stress time course curve

图3单击夯沉量与夯击次数关系曲线

Fig.3 Click the curve of the relationship between the tamping amount and the number of ramming strokes

图3给出了单击夯沉量与夯击次数相关关系。可以看出，模拟值与实测值单击夯沉量发展趋势基本相同；模拟值中前4次夯击单击夯沉量分别为0.99m、0.73m、0.58m和0.52m，单击夯沉量差值逐渐减小。第1击时土体最为松散且夯沉量最大，土体发生显著压缩变形，单击夯沉量差值随夯次增加而逐渐减小。向夯坑内回填1/3~1/2夯坑深度片石后，首次夯击（即第5次）夯沉量恢复至0.59m，这是因为回填松散片石后，在夯击作用下被压密；另外，回填片石后置换作用增强，片石向两侧挤压变形显著；回填片石后单击夯沉量快速衰减，最终两击夯沉量为0.25m和0.23m，夯坑内变形趋于稳定。对比三组现场强夯置换实测数据，模拟值与实测值呈现一致的变化规律且拟合度较高。

2仿真结果分析

图4 不同击数下夯坑变形

Fig.4 Deformation of ramming pit under different number of blows

图4为不同击数夯坑变形。经过第1击时中心1.3m半径范围内出现夯坑，中心点夯沉量0.80m，夯坑边缘夯沉量略高为0.82m，夯坑外侧0.5m宽度范围内地表略有隆起；片石在夯击过程中发生侧向挤压，夯坑尺寸略大于夯锤直径2.5m，对比第2、3、5和9击过后夯坑变形曲线，可以发现前3次夯坑形状较为相似，夯坑深度随击数增加而增大，夯坑外侧地表隆起范围略有增加，侧向挤压作用更加明显；向夯坑内回填1/3至1/2深度片石后，第5击夯坑深度继续增大且片石的侧向挤压作用显著，经过全部9次夯击后夯坑最终呈鼓状，体现了片石的挤淤置换作用。经过全部9次夯击后夯坑直径2.6m，土体竖向变形4.14m；回填碎石至起夯面后置换墩长5.64m，呈鼓状，在深度1.5m~3m处墩体发生侧向挤压，回填1.2m厚片石后，在夯击作用下片石向侧向挤压变形，最终形成鼓状墩；另外，在片石挤压置换作用下，夯坑直径略大于夯锤直径2.5m。分析得出8000kN·m强夯置换形成置换墩直径2.6m、长度5.64m，模拟所得置换墩长度略小于实测值6.5m。

强夯置换完成后，夯坑总体积约29.76m3。经过第1击时夯坑体积约4.3m3、直径约2.6m，占总体积14.4%；经过第2、3击时夯坑体积快速发展，直径分别为1.4m、1.48m，夯坑体积增量占比分别为14.6%、18.5% 。可以看出，在前3击后片石向两侧挤压，夯坑直径不断扩大，夯坑体积也随之增大。第5、9击后夯坑体积增量占比分别为17.8%、16.9%，在夯击作用下土体逐渐压密，强度不断增大，夯坑体积增量随之减小，直至稳定状态。

定义影响深度为等效塑性应变为0的点至起夯面的距离，有效加固深度为等效塑性应变为10%的点至起夯面的距离如图5所示。夯击完成后，等效塑性应变大于10%则该深度范围内土体材料已经屈服并处于压密状态；等效塑性应变为0深度以下的土体处于未扰动状态。图6中经过第1击时，可以有效加固深度5.8m，直径6m范围内土体，随着夯击次数的增加，有效加固范围不断扩大，其增长幅度不断减小，在第9击完成后，可以有效加固深度10.1m，直径8m范围内土体，超过夯点间距6.25m，夯点间距设计值相对保守。前3次夯击有效加固范围形状较为相似，向夯坑内回填1/3至1/2深度片石后，第5击回填片石区等效塑性应变区半径不断增大，片石侧向挤压作用更加显著，有效加固半径大于夯坑底部。

图5夯击完成后等效塑性应变沿深度变化曲线

Fig.5 Variation curve of equivalent plastic strain along depth after tamping

图6 10%等效塑性应变区

Fig6 10% equivalent plastic strain zone

3结论

依托云南省某高速强夯置换地基处理工程，采用ABAQUS基于ALE网格划分方法建立了强夯置换动力有限元仿真，探讨高能级强夯置换墩发展过程和土体加固效果。结果表明，8000kN·m强夯置换可以形成直径3m，深度6m置换墩；回填松散碎石后单击夯沉量显著增大，完成9次夯击后可有效加固深度12m范围内土体。

参考文献

[1]Menard L, Broise Y. Theoretical and practical aspect of dynamic consolidation[J].Geotechnique,1975,25(1):3-18.

[2]曾庆军,莫海鸿,李茂英.强夯后地基承载力的估算[J].岩石力学与工程学报,2006(S2):3523-3528.

[3]龚晓南.地基处理手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2008:

[4]张清峰,王东权.强夯法加固煤矸石地基动应力模型试验研究[J].岩土工程学报,2012,34(06):1142-1147.

[5]Asaka Yoshiharu. Improvement of fine-grained reclaimed ground by dynamic compaction method[J]. Japanese Geotechnical Society Special Publication,2016,2(59):

[9] SOŁOWSKI W T, SLOAN S W, KANTY P T, et al. Numerical simulation of a small scale dynamic replacement stone column creation experiment[C]// International Conference on Particle-based Methods-Fundamentals and Applications. Stuttagrt, 2013: 522–533.

[10]周健,邓益兵,贾敏才,等.基于颗粒单元接触的二维离散-连续耦合分 析方法[J].岩土工程学报,2010,32(10):1479-1484.

[11]谢新宇,徐玉胜,吴健,等.软土地基连续强夯置换碎石墩的数值分析[J]. 西北地震学报,2011,33(03):249-254.

[12]郑凌逶,周风华.强夯置换软土中碎石墩形成过程的试验研究[J].岩土 力 学 ,2014,35(01):90-97.

[13]郑凌逶,周风华,谢新宇.强夯置换中碎石运动机制和成墩过程的数值 模 拟 [J]. 岩 土 工 程 学 报 ,2013,35(11):2068-2075.

作者简介：

林家乐（1983-），男，广西藤县人，单位：广西路桥工程集团有限公司云南分公司，学历：本科，职称：高级工程师，研究方向为公路工程。

云南省交通运输厅科技创新及示范项目《高能级强夯置换加固深软杂填路基关键技术研究》（云交科教便〔2021〕1号