毕业论文：强夯加固回填风成砂地基的数值模拟.doc

1、河北大学 2011届本科生毕业论文 1 1 引言 强夯法是由法国工程师 Menard 于 1969 年首先提出来的一种地基加固技术，法国Riviera 滨海填土地基加固工程是世界上第一例强夯法地基处理工程。 强夯法具有诸多其它地基处理方法相比，是一种简单、经济、快速、有效的地基处理加固技术，在全球各类工程的地基处理中得到了日益广泛的应用，也是我国目前最为常用和最经济的深层地基处理方法之一。 强夯法经过了三十多年的发展，在建筑工程方、水利工程和公路工程中都得到了广泛的应用。 强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。 强夯置换法适用于高饱和度的粉土与

2、软塑 和 流塑的粘性土等地基上对变形控制要求不严的工程。 在强夯加固地基机理研究方面，许多专家与学者对此作了大量的研究工作。但目前国内外关于强夯法加固地基机理的研究还没有达成共识，主要是因为地基土体性质千差万别 ，饱和土与非饱和土的加固机理不同，饱和土中粘性土与无粘性土也有区别，对特殊性土，如湿陷性黄土，也应该考虑它的特殊性。 叶代成 1结合吹填砂的地基处理，在典型区域进行试夯后，对地基进行监测与检测，得到了基本的数据。 刘松凯 2以抚顺某强夯施工工地为研究背景，建立与施工工 地相对应的地基土体模型，模拟夯击过程，对该工地的地基土参数设置、强夯过程中夯锤与地基土的动态响应以及监测进行深入的研究

3、。 胡乃财 3建立了强夯加固地基的三维有限元动力固结分析模型，考虑几何非线性。 施有志 4通过对某填海工程吹填砂地基进行强夯处理的现场试验 ,对夯坑沉降及夯点周围地表变形、场地平均沉降量、孔压的增长和消散、强夯振动等进行监测 ,然后采用载荷试验 ,重型动力触探、标准贯入、瑞利波波速测试等原位测试方法对地基的加固效果进行评价 ,在此基础上 ,给出了地基强夯参数 ,以供指导施工。通过试验研究可以了解强夯 对提高吹填砂地基承载力的效果、孔隙水的响应规律、地基的振动影响等 ,有利于揭示强夯加固砂地基的特性 ,为我国沿海地区的“填海造地”工程提供了经济有效的地基处理方法和经验。 汤庆荣 5通过分析土的动

4、力固结理论和震动波压密理论，对强夯法加固地基的作用机理进行了深入探讨。并结合我国目前各项现行规范和工程实践，分析探讨了强夯设计方法，提出了强夯施工过程中的各参数的选择方法，通过实例对强夯效果进行了评价。应用 Flac软件对强夯法加固该工程地基的强夯过程进行模拟分析，得到了强夯过程中夯点竖向位移和强夯时地基土体位移、应力 及弹塑性区相应的变化情况，进一步评价了强夯法加固该工程地基的作用效果。 张唯 ,王坚 6 通过某码头工程典型试验区进行的强夯试验 ,研究了在单点夯试验过程河北大学 2011届本科生毕业论文 2 中夯沉量与夯击次数的关系、地基土水平位移和深度的关系、夯击次数与孔隙水压力的关系及孔

5、隙水压力增长与消散和时间的关系；在试验块强夯后 ,进行了静载试验、静力触探试验和钻孔取土室内土工试验。通过对强夯前后进行对比 ,得到了强夯法加固吹填砂地基的效果 ,提出了合理的强夯施工参数和控制工艺 ,并得出了一些有益的结论。 张阿粒 7基于波 动理论推导了土层中的波动方程 ,采用弹性半空间理论对强夯法的有效加固深度的众多影响因素进行了理论分析 ,介绍了采用强夯法加固填土地基的施工实践。 林雄斌 8在研究分析国内外比较有影响的动力固结理论和震动波压密理论的基础上，探讨了强夯时地基土的加固过程，从运动角度对土体中的不同成分互相影响的关系出发，对强夯加固机理进行新的阐述。 詹金林，水伟厚，梁永辉，

6、宋美娜 9对内蒙沙漠土进行 8 000 mk N 、 6 000 mk N 、4 000 mk N 、 3 000 mk N 能级强夯法地基处理试验，通过标准贯入试验、动力触探试验和平板载荷试验对强夯后的沙漠土进行检测，得出各种能级强夯对沙漠地区填方区、挖方区处理后的有效加固深度和承载力。对强夯法处理沙漠土的一些规律进行总结，给出各种强夯能级能够处理的有效加固深度、夯点间距等设计施工参数，供类似地质条件下强夯地基处理工程借鉴参考。 杨俊波 ,李忠义 10以某电厂工程场地为例 ,通过对回填土进行强夯地震效应测试 ,分析强夯振动的特征 及振动衰减规律 ,评估隔震沟的减震作用、强夯对回填土所形成的高

7、边坡的影响以及对新浇混凝土基础的影响 ,为回填土地基处理方案的确定提供依据 ,取得了较好的效果。 刘先 11利用相关理论，构建强夯有限元分析模型，并利用大型的有限元软件 Adina8.3进行计算分析 ;得出夯击能及夯击技术对强夯有效加固深度的经验公式。 随着强夯研究方法的增多，强夯理论得到了一定程度的提高，但其理论研究远远落后于工程实践。因此强夯地基处理技术和机理的研究已成为国内外岩土工程界的热点之一，并取得了很多具有探索性的成果。但强夯法的机理较为复杂 ，强夯的设计和施工多数依靠经验，在一定程度上限制了强夯法的进一步提高，因此有必有对强夯的加固机理进行系统的研究。 鉴于以上分析，本文结合内蒙

8、古汇能煤化工有限公司煤制天然气项目化工装置区地基强夯工程的现场动力测试结果，采用有限元数值分析方法对强夯法加固风成砂地基的加固过程进行数值模拟，为类似工程设计提供理论依据。 河北大学 2011届本科生毕业论文 3 2 强夯加固风成砂地基的计算模型 强夯加固地基时，可以把地基看成是各向同性水平层状分布，地基土为均质各向同性的半限体域。强夯作用在地基表面的过程是一个动力过程。假设夯锤底部应力平均分布，且随 时间变化。 在强夯作用下有限元体系的运动增量方程： )()()( tPxtKtxCxM （ 1） 阻尼矩阵 C ： KMC 式中， M 为体系中的总质量矩阵； K 为体系的总刚度矩阵； C 为体

9、系的总阻尼矩阵。 和 按下式确定： jiij ijji 22 )(2 （ 2） 22)(2ijjiij （ 3） 式中， i 、 j 为阻尼比； i 、 j 为固有频率。 在计算分析中，首先进行模态分析得到体系的自振周期。考虑强夯作用的计算频率，分别选取体系的低阶基本频率作为阻尼计算用的频率值，土体阻尼比取 1015%。 在用有限元方法研究地基等无限域介质的动力响应时，其计算模型中必须引入人工边界条件，以消除在边界上非真实的反射波，以保证波在人工边界处的波传播特性与原连续介质一致。在时域内的动力分析中使用的传输边界主要有粘性边 界、叠合边界、旁轴边界及插值边界四种类型。人工边界最简单的处理方法

10、是避开边界条件，取人工边界至结构物的距离足够远，以使在人工边界处波的衰减趋近于零。本文计算模型两侧采用截断边界，计算模型的两侧水平固定，竖向自由，底部固定。 河北大学 2011届本科生毕业论文 4 3 强夯加固风成砂地基的工程概况 3.1 工程概况 内蒙古汇能煤化工有限公司煤制天然气项目化工装置区地基强夯工程 位于鄂尔多斯市 伊金霍洛旗纳林陶亥镇新庙乡 ，北距 鄂尔多斯市 东胜 区 约 70km， 距边贾公路约 3km，西距包神铁路约 50km。 根据上部结构荷载要求，本工程地基需进行强夯 处理，强夯后地基按双线浸水检测法检测承载力不小于 250kPa。 3.2 工程地质条件 3.2.1 地形

11、地貌 场地区域属河谷侵蚀堆积地貌，原微地貌一般属冲洪积的高台地地形，东侧局部地段为丘陵斜坡地形。原地形起伏不平，地面高程 1129.57 1141.60m，相对高差 2.0 5.0m，局部丘陵斜坡处可达 7 10m，地面坡度一般 5% 8%，局部最大可达 8% 12%，地表均为风积砂覆盖，沙丘形态多为新月形及垅岗状，少为平沙地。场地现已进行了挖填方场平，场区东侧局部为挖方区，场区西侧大部为回填区，最大回填厚度 10m。 场平后地面高程1130.69 1139.91m，地面坡度一般 1% 4%。 场地属中等复杂地貌。 3.2.2 土层分布及描述 单元层 素填土：人工堆积，黄色、浅黄色，松散，局部

12、车道处稍密，上部干燥，中下部稍湿，物质组成主要为风积细砂，夹有粉砂质泥岩岩屑及少量煤屑，局部表部有少量的杂填土，物质来源主要为附近山体剥离的岩土体构成，未经专门压实处理，堆积时间约半年左右。地层强度低，变形量高，工程特性不稳定，中等冻胀性。该层在场地大部分地段有分布，仅东侧的丘陵斜坡处未见发育，地层厚度一般较大，局部较小，变化较大，地层 厚度为 0.7 5.7m。 单元层 细砂：风积， 黄色 ， 土黄色， 松散， 局部下部稍密， 稍湿，矿物成份为长石、石英及云母，颗粒形状多呈次棱角粒状及针片状，少为次园粒状，磨园较差，其中粒径大于 0.075mm 的颗粒含量为 86.5%，小于 0.005mm

13、 的粘粒含量 2.6%。地层强度较低，变形量较高，中等冻胀性。 该层在场地大部分地段有分布，仅东侧的丘陵斜坡处未见发育，地层厚度一般较大，局部较小，厚度为 1.7 6.0m。 单元层 细砂： 坡 积， 灰 黄色， 土灰 色， 灰黑色， 稍密， 局部中下部中密，稍湿 ，矿物成份 主要为 长石、石英，颗粒 形状多 为 次园粒状，少为次棱角状，磨园 中等 ，级配 较好 ，其中粒径大于 0.075mm 的颗粒含量为 87.3%，小于 0.005mm 的粘粒含量为 2.7%。 下部偶含砾石 。 中下部夹中粗砂薄层 ， 夹层厚 0.12 0.35m，夹层呈稍湿，稍密状态， 地层强度中等，变形量中等， 中等

14、 冻胀性 。 该层 仅 在场区 东侧丘陵斜坡地段有分布，范围较小，河北大学 2011届本科生毕业论文 5 大部地段未见发育， 地层厚度 一般 较 大 ， 局部较小，单体建筑场地变化较小，地层厚度为1.1 10.3m。 单元层 粉砂 细砂： 冲洪 积， 土 黄色， 稍 密， 稍湿湿 ，矿物成份主 要为 长石、石英 及云母 ，颗粒形状多 为 次园 粒状，少为次棱角状，磨园 较好 ，级配 一般 ，其中粒径大于 0.075mm 的颗粒含量为 84.6%，小于 0.005mm 的粘粒含量为 2.8%。地层强度 中等 ，变形量 中等 ， 中等 冻胀性 。 该层在场 地均有分布， 地层厚度 一般 较 大，局

15、部较小，最大厚度7.5m，最小厚度 1.6m，平均厚度 5.0m。 单元层 细砂： 冲洪 积，黄色， 浅 黄色， 中 密 密实 ， 上部稍湿 ， 中下部很湿饱和， 矿物成份以长石、石英 及云母 为主，颗粒形状多 为 次园粒状，少为次棱角状，磨园 较好 ，级配 较好 ，其中粒径大于 0.075mm 的颗粒含量为 89.6%，小于 0.005mm 的粘粒 含量为2.6%。 偶含砾石，地层中下部局部夹粉土薄层二三层，夹层厚 0.17 0.23m，夹层呈湿、中密状态；地层底部局部地段夹中粗砂和砾砂薄层二三层 ， 夹层厚 0.21 0.38m，夹层呈饱和、密实状态。 地层强度 较高 ，变形量 较低 ，

16、中等 冻胀性 。 该层在场区 均有分布， 地层厚度 一般 较 大，局部较小，单体建筑场地变化较小，地层最大厚度 17.4m，最小厚度 10.9m，平均厚度 14.7m。 地基岩土单元层承载力特征值及压缩（变形）模量综合取值表详见表 3-1所示。 表 3-1 岩土单元层力学 参数 单元层 编号 岩性 承载力特征值 压缩 (变形 )模量 备注 af / kPa akf /kPa )( 0EEs /MPa 素填土 (1.0) 1） af 为不许修正的承载力特征值； 2） akf 为尚未修正（允许修正） 的承载力特征值； 3)单元层 -素填土，土质不均且松散，现状稳定的承载力。 细砂 100 (3.0

17、) 细砂 160 (6.5) 粉砂细砂 165 (7.0) 细砂 200 (16.0) 砾石 260 (25.0) 粉砂质泥岩与 细砂岩互层 1200 (150.0) 粉砂质泥岩与 细砂岩互层 2800 (280.0) 3.3 强夯方案设计 3.3.1 设计要求 (1) 夯点布置 夯击点位的布置，本工程采用等边三 角形、等腰三角形、正方形布置夯点采用正方形布置，夯击点间距取夯锤直径的 2.5 3.5倍。 河北大学 2011届本科生毕业论文 6 (2) 强夯遍数及间隔 夯击遍数应根据地基土的性质确定，可采用点夯 2 3 遍，对于渗透性较差的细颗粒土，必要时夯击遍数可适当增加。最后再以低能量满夯

18、2遍，满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。 (3) 间歇周期 两遍夯击之间应有一定的时间间隔，间隔时间取决于图中的超静孔隙水压力的消散时间。依据被处理土质的渗透性，来确定两遍夯击之间的时间间隔。对于渗透性较差的粘性土地基时间间隔不应小于 3 4周，对渗透性较好的地基可 连续夯击。 3.3.2 强夯施工参数设计 本工程设计要求强夯地基处理后按双线浸水检测法检测地基承载力不少于 250kPa，根据业主提供的勘察报告，填方区：第层细砂、第层粉砂细砂的承载力分别为 160kPa和 165kPa，经深度修整后能满足设计要求，因此强夯施工仅对层素填土和层细砂层进行处理；挖方区：因第层细砂埋置深度较

19、浅，因此需处理层细砂和层细砂，实际施工时可根据实际地层情况进行调整。 3.3.3 7m 填土厚度 10m (1) 处理土层及处理深度：第层素填土 7m 10m，强夯处理最大深度 10m。 (2) 第一、二遍点夯夯击能量： 5000kNm 6000kNm，夯击次数试夯后确定。 (3) 夯锤直径 2.3 2.6m，锤重 30t，落距 16.7m 20m。 (4) 夯点间距：夯点间距 6m6m，正方形布置，如图 3-1所示，最后两击平均夯沉量不大于 100mm。 (5) 满夯：夯击能量 1000kN m，满夯两遍，夯点与夯点锤印搭接不小于 1/4。 3.3.4 停夯标准 夯点的夯击次数，应按现场试夯

20、得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，并应同时满足下列条件： (1) 最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值： 当单击夯击能小于 4000kN.m 时为50mm；当单击夯击能为 4000 6000kN m时为 100mm；当单击夯击能大于 6000kNm 时为200mm； (2) 夯坑周围地面不应发生过大的隆起； (3) 不因夯坑过深而发生提锤困难。 3.3.5 间歇时间 间歇时间是指两遍夯击之间的时间间隔，间歇时间 根据 土中孔隙水压力 消散情况确定。本工程土层渗透性较好，处理范围内未见地下水，地基可连续夯击。 3.3.6 动力测试 强夯能级为 6000kN.m，夯锤质量 35.2t，夯锤直径

21、3.4m，起吊高度为 17.0m 时，动力河北大学 2011届本科生毕业论文 7 测试 拾振器布置如下图 3-1所示。典型测点的动力加速度时程曲线如图 3-2图 3-7 所示。 图 3-1 6000kN.m 能级动力测试布置图 40 42 44 46 48 50-6 0 0-4 0 0-2 0 00200400azm / s2z =2mz =4mz =8mz =9mz =13 mt / s图 3-2 6000kN.m 0.0x m 时， taz 曲线 河北大学 2011届本科生毕业论文 8 3 3 .5 3 3 .6 3 3 .7 3 3 .8 3 3 .9 3 4 .0-1 5-1 0-50

22、51015z =0mz =2mz =4mz =6mz =9mz =13 mt / saz/ m / s2图 3-3 6000kN.m 0.3x m 时， taz 曲线 3 3 .5 3 3 .6 3 3 .7 3 3 .8 3 3 .9 3 4 .0-1 0-50510z =1mz =3mz =7mz =9mz =11 mt /saz/ m / s2图 3-4 6000kN.m 0.3x m 时， taz 曲线 河北大学 2011届本科生毕业论文 9 3 3 .5 3 3 .6 3 3 .7 3 3 .8 3 3 .9 3 4 .0 3 4 .1 3 4 .2-2 5-2 0-1 5-1 0-

23、50510z =0 mz =2 mz =4 mz =6 mz =9 mz =1 3 mt /saz/ m / s2图 3-5 6000kN.m 0.6x m 时， taz 曲线 0 10 20 30 40 50 60 70-4 .0-3 .5-3 .0-2 .5-2 .0-1 .5-1 .0-0 .50 .00 .51 .01 .52 .02 .53 .03 .54 .0azm / s2t /sz =0mz =2mz =4mz =6mz =9mz =13 m图 3-6 6000kN.m 0.12x m 时， taz 曲线 将现场实测最大动力加速度 za 采用 Matlab 做出三维曲线图如图 3.7 所示。现场实测最小动力加速度 za 三维 matlab 曲线图如图 3-8 所示。 河北大学 2011届本科生毕业论文 10 图 3-7 现场实测 maxza 在空间的变化规律 图 3-8 现场实测 minza 在空间的变化规律 由图 3-23.8 可以看出：在强 夯作用下风成砂回填土地基的各点的水平和竖向加速度随深度和局夯点的水平距离逐渐衰减。加速度最大值发生在夯点下，最大竖向加速度值为350 2m/s ；在竖向 5m 范围内影响显著，在 13m 处，最大竖直加速度为 4 2m/s ；约为最大加速度的 1%，衰减变化很明显。