CN104328776B - 一种预测动力强夯对土体及周边环境影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预测动力强夯对土体及周边环境影响的方法，该方法基于夯锤在强夯过程中贯入位移历史的施工全过程动力学模型，采用非线性数值模拟技术预测动力强夯施工对土体及周边环境的影响，具体包括以下步骤：1)建立强夯动力学模型；2)建立分析模型；3)模拟施工全过程；4)进行数值计算，得到强夯加固的夯实效果及夯击对周边环境的影响。与现有技术相比，本发明具有计算简单，预测准确等优点。

Description

一种预测动力强夯对土体及周边环境影响的方法

技术领域

本发明涉及一种地基加固处理施工技术领域，尤其是涉及一种预测动力强夯对土体及周边环境影响的方法。

背景技术

通过夯锤从高空落下重复夯击松软土层的动力强夯法，在国内外被广泛用于港口工程、海岸工程、路面工程以及其他工业与民用建筑设施的建设，该工法在我国上海浦东国际机场跑道的修建过程中得到应用。随着该工法的广泛应用，研究其施工对土体及周边环境的影响很有必要。

目前研究施工对周边环境影响的主要手段有：理论分析、现场监测、经验公式、数值模拟等。非数值方法通常是在理论假设的基础上，通过对现场观测数据或数值模拟计算结果的拟合分析而得到半经验性结论，或者直接由大量观测数据提出经验公式。

动力强夯施工对土体及周边环境的影响与一般的地基加固处理有很大的不同，强夯夯击过程中土体与土体之间及土体与构筑物之间的相互作用更为明显。目前国内研究强夯施工对地层及周围环境的影响主要以经验分析为主，缺乏成熟的计算理论。目前国内外有关动力强夯夯击的数值模拟方法主要有两种：1)Poran&Rodriguez在1992年提出直接赋予夯击点位置的土体一个随时间变化的加速度历史，并假设夯击点周围土体一个极高的刚度防止土体破坏，加速度随时间变化历史由有限的试验数据获得；2)Pan&Selby于2002年提出直接赋予夯击点的土体一个随时间变化的速度，并假设夯击点周围土体一个极高的刚度防止土体破坏，速度随时间变化由有限的试验数据获得。上述这两种方法都因为引入一些未经验证的参数而严重影响数值模拟结果精度，并且这些方法都只能模拟单个夯击的影响，因此在实际工程中的应用非常有限。目前国内针对动力强夯，进行高精度数值模拟技术展开的研究还不多见。动力强夯施工是一个不断重复的瞬时高能冲击的动态过程，其力学性态、空间状态在施工过程中不断变化，更要考虑到夯击锤从空中下落及在贯入的土体过程中能量的损失问题，有关参数的确定也较为复杂，使得建立考虑夯锤与土体共同作用的数值计算模型比较困难，涉及到非线性接触分析时问题更复杂。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种基于夯锤贯入位移历史的动力强夯施工力学模型，结合数值模拟技术动力强夯对土体及周边环境影响的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种预测动力强夯对土体及周边环境影响的方法，该方法基于夯锤在强夯过程中贯入位移历史的施工全过程动力学模型，采用非线性数值模拟技术预测动力强夯施工对土体及周边环境的影响，具体包括以下步骤：

1)根据施工因素和地层条件，依据夯锤在不同夯击数下的贯入位移和夯击能等效平均应力两种方式，分别建立夯锤贯入位移历史动力学模型和夯锤等效平均应力动力学模型，确定夯击深度、夯锤等效平均应力及夯击作用时间，这两种动力学模型具体为：

A.夯锤贯入位移历史动力学模型：

一般方法采取施加强夯加速度，初始速度或者动力荷载。本方法采用的是预加位移边界条件的方法，即在一个时间段内，对夯锤顶部施加一个预加的位移边界条件，并且保持不变。假定夯锤在N击之后的贯入土体的深度为D_p，那么每一击的平均贯入深度就可以表示为d_avg＝D_p/N相应地，第i击时，夯锤的贯入深度为d_i＝i·D_p/N，(1≤i≤N)。夯锤的贯入深度可以通过现场试夯试验得到。

B.夯锤等效平均应力动力学模型

按照能量等效的原则，有式①：

其中：W为夯锤重量，H为夯锤落高，为平均夯击力，为夯锤平均贯入深度，为夯锤夯击效率系数。可分别按式②③进行计算。式②如下：

${\stackrel{\‾}{F}}_D={\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{i}A={\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_i\·\frac{\mathrm{\π}}{4}{B}^2$

其中：为平均夯击应力，B为夯锤直径。根据现场试夯试验，得到D_p和N。根据式③计算夯锤平均贯入深度：

$\stackrel{\‾}{d}=\frac{D_p}{N}$

其中：D_p为落锤最终贯入深度，N为夯击次数。

由此，可以得到，平均作用应力为：

上式可直接作为应力边界条件用于有限元数值计算，夯锤夯击效率系数的取值可参考Sjoblom(2002)给出的标准贯入试验中夯锤的夯击效率值，其取值范围为0.4～0.9，在有限元模拟中，可以取平均值0.65。

2)根据两个动力学模型，结合有限元软件建立分析模型，并对分析模型进行网格划分；

3)根据施工计划设置工况，利用分析模型模拟施工全过程，考虑到夯锤的刚度远远大于土体，模拟过程中不考虑夯锤自身的变形。

4)对分析模型进行有限元计算，根据土体中应力应变的变化情况以及构筑物的位移、变形情况的计算结果评价动力强夯施工对土体及邻近构筑物的影响。

所述步骤1)中建立两种力学模型时，有以下假设：

(1)将整个场地的强夯加固考虑为二维平面应变问题，一是因为实际问题更接近于平面应变问题，二是因为选取典型断面进行二维计算，足以保证计算精度，因而不需要进行三维有限元计算，以节约计算时间；

(2)忽略被夯击土体对夯锤变形的影响；

(3)夯锤触土面的竖向位移等于夯锤在土层中的贯入深度；

(4)假定夯锤进入土体的过程中无倾斜和水平偏移。

所述步骤2)中分析模型的计算域大小根据强夯夯击对环境影响研究和工程实际以及两种动力学模型确定，其中水平方向一般取为整个场地的2～3倍左右，竖直方向设计加固深度的2倍左右；分析模型的土体模型采用循环荷载作用效果的硬化土模型，并根据土体本构模型和两种动力学模型对土体赋予相应参数，同时对模型进行网格划分。

所述模拟过程中，不断更新有限元网格节点位移以反映夯击过程中土体的真实位移变化情况，通过在不同夯击数下夯锤的贯入位移历史来反映夯击对土层和周边环境的作用。

所述步骤3)中涉及的土体边界条件包括：

(1)对场地两端竖向边界条件施加水平位移约束，但竖向自由；

(2)夯锤水平位移被约束，只能发生竖向位移；

(3)夯锤触土面的竖向位移等于夯锤在土层中的贯入深度；

(4)模拟场地的底部水平边界在水平和竖直两个方向被约束。所述四个边界条件均根据动力强夯各工况下土体实际边界予以激活。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明避开了强夯施工的瞬时高能冲击的复杂动态过程，无需考虑夯锤从空中下落及在贯入的土体过程中能量的损失问题。直接根据夯锤试夯试验的的贯入位移时间历史，建立夯锤的动力学模型。

2)避免了现有方法中赋予夯击点位置一个随时间变化的加速度或者速度方法所引起的夯点土体局部破坏不收敛的情况。

3)提出的基于夯锤贯入位移历史的动力学模型简单、有效、精度高，避免了现有方法中因参数过多、不确定性太大而使得数值模拟结果精度。

4)本发明的方法可以大量用于多点强夯，而现有模型仅能有效模拟单点强夯。

5)本发明使用的简化施工动力学模型可以简单有效地用于预测、评估动力强夯施工对土体和周边环境的影响，也可用于评估振动夯实等地基加固技术对环境的影响。

附图说明

图1为强夯夯击示意图；

图2为强夯夯击动力学模型；

图3为本发明方法的主要流程图；

图4为一工况的夯击位置分布图；

图5为一工况的夯击顺序图；

图6为土体及周边围护结构变形结果显示。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

由于夯锤自身刚度很大，不考虑夯击施工过程(如图1)中的夯锤的变形和水平位移和倾斜，即在仅考虑夯锤竖向位移(夯锤贯入深度)的前提下，假定夯锤在土层中的竖向位移随夯击次数线性增加(如图2)。依此提出两种夯锤与土体相互作用的施工全过程动力学模型，即夯锤贯入位移历史动力学模型和夯锤等效平均应力动力学模型。本发明用于预测强夯施工对土体和周围环境的影响，研究对象为被夯击土体和周边环境(各种地下管线、地下设施及地面构筑物)。采用有限元软件，以土体、夯锤和周边构筑物为建模对象，根据施工计划划分工况，在各工况对夯锤施加相应的位移、位移边界条件，进行数值计算，通过后处理可得到夯击对土体的密实效果和对周边环境的影响情况，从而为动力强夯施工对周边环境影响的评价提供依据。

一种预测动力强夯对土体及周边环境影响的方法，如图3所示，该方法基于夯锤在强夯过程中贯入位移历史的施工全过程动力学模型，采用非线性数值模拟技术预测动力强夯施工对土体及周边环境的影响，具体包括以下步骤：

1)根据施工因素和地层条件，依据夯锤在不同夯击数下的贯入位移和夯击能等效平均应力两种方式，分别建立夯锤贯入位移历史动力学模型和夯锤等效平均应力动力学模型，确定夯击深度、夯锤等效平均应力及夯击作用时间；

2)根据两个动力学模型，结合有限元软件建立分析模型，并对分析模型进行网格划分；

3)根据施工计划设置工况，利用分析模型模拟施工全过程，其中模拟过程中不考虑夯锤自身的变形；

4)对分析模型进行有限元计算，根据土体中应力应变的变化情况以及构筑物的位移、变形情况的计算结果评价动力强夯施工对土体及邻近构筑物的影响。

步骤1)中建立两种力学模型时，有以下假设：

(1)将整个场地的强夯加固考虑为二维平面应变问题；

(2)忽略被夯击土体对夯锤变形的影响；

(3)假定夯锤进入土体的过程中无倾斜和水平偏移。

步骤2)中分析模型的计算域大小根据强夯夯击对环境影响研究和工程实际确定，计算域大小为常规技术，计算域的选取原则主要是取决于土体波长以避免边界能量的反射。分析模型的土体模型采用循环荷载作用效果的硬化土模型，并根据土体本构模型对土体赋予相应参数，硬化土模型是经典模型，参数赋值取决于实际的场地土体地质条件，具体是取场地土样，依据试验室循环加载试验的结果确定相关参数的，而不是一个特定的固定值。

模拟过程中，不断更新有限元网格节点位移以反映夯击过程中土体的真实位移变化情况。

步骤3)中涉及的土体边界条件包括：

(1)对场地两端竖向边界条件施加水平位移约束，但竖向自由；

(2)夯锤水平位移被约束，只能发生竖向位移；

(3)夯锤触土面的竖向位移等于夯锤在土层中的贯入深度；

(4)模拟场地的底部水平边界在水平和竖直两个方向被约束。

上述四个边界条件均根据动力强夯有限元模拟的各工况下的土体实际边界情况予以激活，在建立土体模型初始应力平衡阶段，需满足约束条件(1)和(4)；在模拟夯锤作用时，按夯锤贯入位移历史动力学模型时，需满足约束条件(1)、(2)、(3)、(4)，按夯锤等效平均应力动力学模型，需满足约束条件(1)、(2)、(4)。

实际问题边界需按土体实际边界予以激活，即根据实际各夯点的位置以及空间布置来确定土体边界。

如图4所示，对于夯点断面布置形式为A1、B1、A2、B2、A3的工程，施工顺序为A1-A2-A3-B1-B1的强夯方案。

如图5所示，在对A1进行夯击时，对A1处土体施加土体边界条件，其他位置自由；当对A2进行夯击时，对A1及A2处土体施加土体边界条件，其他位置自由，如此依次进行，直至对B1进行夯击时，对A1、B1、A2、B2、A3处土体施加土体边界条件，其他位置自由。

以下是利用该发明对某高速公路项目强夯施工对土体及周边环境的影响进行了预测评估。

拟建高速公路部分路段通过湿地，长度大约5公里，为减轻施工对湿地的影响，该路段采用钢板桩做路基两边围护结构，开挖软弱淤泥质土层并回填颗粒土，两排钢板桩之间的间距大约18米。由于开挖工程中没有采取排水措施，回填颗粒土处于饱和松散状态，在地震活动情况下极易发生液化而导致地基破坏失稳。因此，动力强夯作为一种经济高效的地基处理手段被用来密实饱和松散的回填土。回填土的厚度大约为10米左右，采用20吨的夯锤从18米高的空中落下来进行夯实，每个夯击点被重复夯击9次，相邻夯击点的距离大约为0.6米左右，现场测到的夯锤在土层中的贯入深度大约为1.3米至1.5米左右。根据以上所述分析步骤建立有限元模型设置工况并进行计算，周边土体及钢板桩围护结构变形如附图6所示。

有限元计算结果和实测值基本吻合。回填土的密实程度随夯击数增加而增加。随着夯锤的贯入深度增加，周边地表隆起不断增大，且影响范围也随着增大。离钢板桩较远处的夯击对钢板桩基本没什么影响，但是当夯击点与围护结构之间的距离小于18米的时候，钢板桩的位移随着夯击数的增加而迅速增大。如果在钢板桩前面挖一条隔离沟将能有效地减少钢板桩的位移和振动。

通过对本实例介绍了基于夯锤在土层中贯入位移的动力学模型，采用数值模拟技术预测动力强夯施工过程中夯击对土体的密实作用和对周边环境的影响的方法。本发明对动力强夯施工对土体及周边环境的影响进行了简化建模，通过与现场实测值比较，也证实了本发明所建夯击动力学模型及采用数值模拟技术的有效性。可为今后动力强夯及类似地基处理方法施工对土体及周边环境影响的预测评估提供一种简洁、经济、有效的方法。

Claims (4)

1.一种预测动力强夯对土体及周边环境影响的方法，其特征在于，该方法基于夯锤在强夯过程中贯入位移历史的施工全过程动力学模型，采用非线性数值模拟技术预测动力强夯施工对土体及周边环境的影响，具体包括以下步骤：

1)根据施工因素和地层条件，依据夯锤在不同夯击数下的贯入位移和夯击能等效平均应力两种方式，分别建立夯锤贯入位移历史动力学模型和夯锤等效平均应力动力学模型，

所述夯锤贯入位移历史动力学模型为：

d_i＝i·D_p/N,(1≤i≤N)

其中：N为总夯击次数，d_i为第i次夯击后的夯击深度，D_p为总夯击深度；

所述夯锤等效平均应力动力学模型为：

其中：为夯锤夯击效率系数，W为夯锤重量，H为夯锤落高，B为夯锤直径，为夯锤等效平均应力；

2)根据两个动力学模型，结合有限元软件建立分析模型，并对分析模型进行网格划分，所述分析模型计算域大小根据强夯夯击对环境影响研究和工程实际确定，分析模型的土体模型采用循环荷载作用效果的硬化土模型，并根据土体本构模型对土体赋予相应参数；

3)根据施工计划设置工况，利用分析模型模拟施工全过程；

4)对分析模型进行有限元计算，根据土体中应力应变的变化情况以及构筑物的位移、变形情况的计算结果评价动力强夯施工对土体及邻近构筑物的影响。

2.根据权利要求1所述的一种预测动力强夯对土体及周边环境影响的方法，其特征在于，所述步骤1)中建立所述夯锤贯入位移历史动力学模型和夯锤等效平均应力动力学模型的前提条件为：

(1)整个场地的强夯过程为二维平面应变问题；

(2)夯锤在整个过程中没有发生形变；

(3)夯锤进入土体的过程中没有倾斜和水平偏移。

3.根据权利要求1所述的一种预测动力强夯对土体及周边环境影响的方法，其特征在于，所述步骤3)模拟过程中，每次夯击后都更新有限元网格节点位移。

4.根据权利要求1所述的一种预测动力强夯对土体及周边环境影响的方法，其特征在于，所述步骤3)模拟过程中，包括四个约束条件，具体为：

(1)对场地两端竖向边界施加水平位移约束，但竖向自由；

(2)夯锤水平位移被约束，只能发生竖向位移；

(3)夯锤触土面的竖向位移等于夯锤在土层中的贯入深度；

(4)模拟场地的底部水平边界在水平和竖直两个方向被约束。