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摘要：针对吹填地基，基于ADINA有限元分析软件，采用大变形几何非线性有限元方法对强夯加固效果进行了数值模拟。分析中考虑了夯击引起的塑性变形，给出了不同夯击能下的强夯加固的土体影响范围，为强夯加固地基的施工提供参考。
关键词：强夯；吹填地基；数值模拟；ADINA
中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
从20世纪80年代开始，兴建港口码头已成为我国东南沿海及沿江城市跨越式发展的重要举措。尤其是进入21世纪后，大型深水港集装箱码头和国际航运中心大型港口陆续兴建，成为我国扩大对外开放的全球经济战略的重要组成部分。为此，在沿江沿海水域岸边进行吹填造地是土地资源开发的重要途径。它同时还可解决江、河、湖、海的航道清淤疏浚问题，成为加速沿江沿海城市江岸码头建设促进其经济发展的一条重要途径。
强夯法具有加固效果显著、施工设备简单、施工方便迅速和工程造价低廉等优点。与其它地基处理方法不同，强夯法不消耗三材，对周边环境不产生工后污染，基本不受地下水的影响，加固深度大，所以强夯法较其它机械的、化学的地基处理方法在许多方面更为有效和优越，夯击过程中可能对周边建筑物产生振害影响是强夯法唯一显著缺点，从而要求强夯法施工应保持一定安全距离，故强夯法特别适合新开发的大面积的开阔场地的地基处理工程，如港口堆场、仓储码头、机场跑道场坪、道路路基和新建厂矿场地平整等。
2强夯数值分析模型的建立
2.1基本假定
强夯加固时对土体是建立在以下几个基本假设的基础上进行的：
（1）连续性假设：认为组成固体的物质不留空隙的充满了固体的体积。实际上，组成固体的粒子之间存在着空隙并不连续，但这种空隙与构件的尺寸相比极其微小，可以不计，于是就认为固体在其整个体积内是连续的。
（2）均匀性假设：认为从物体任意一点处取出的体积单元，其力学性能都能代表整个物体的力学性能。本研究中假设土体是由同一类型的均匀材料组成，因此每层土体的物理参数都是相同的，他们不随坐标位置的变化而改变。
（3）各向同性假设：假定整个地基在各个方向上具有相同的物理性質，这就是说物体的弹性模量E、剪切模量G等物理参数将不随坐标方向的改变而变化，可以在任何方向上建立坐标系来研究问题。
2.2 土体的本构模型
本文采用ADINA中的Mohr-Coulomb塑性模型来模拟强夯冲击荷载作用下土体的特性。MC模型是一种理想的弹-塑性模型，它综合了胡克定律和Coulomb破坏准则。共有5个控制参数，即控制弹性行为的2个参数：弹性模量E和泊松比v及控制塑性行为的3个参数：有效黏聚力c、有效内摩擦角和剪胀角。M-C模型采用了弹塑性理论，能较好地描述土体的破坏行为。
基于Mohr一Coulomb理想弹塑性材料模型的以上特点，符合强夯处理的特点，因而选取Mohr一Coulomb模型为土体参数模型。
2.3有限元模型的建立
数值模型的建立包括2部分：一部分为土体，另外一部分为夯锤。土体选用了（m）范围内的土体，夯锤半径1m，高1m。夯锤与土体之间定义自动的面对面接触。
图1 网格模型
表1 模型有限元分析主要参数
2.4强夯对土体的冲击作用模拟
强夯冲击力时程近似采用三角波代替。虽然强夯对地基土的作用是通过锤底的接触力实现的，但是为了反映问题的主要部分，在夯锤底部与地基土接触的范围内仍然采用接触压力作为输入荷载。关于夯锤与土体的接触压力问题，吴铭炳[1]、梁志荣[2]、李本平[3]等利用动力有限元法对强夯问题进行了细致的研究，根据经验将瞬态荷载简化为一已知的三角形波或正弦波将其作为应力边界进行计算并假设锤底应力是均匀分布，如图2所示。
图2强夯冲击荷载简化图
其中：，
3结果分析
（a）
（b）
（c）
图3不同时刻的土体在夯锤作用下的竖向位移等值云图（单位：m）
图4夯坑下中心点处土的竖向位移时程曲线
图5夯坑下土体不同深度处的夯击沉降量
从图5可以看出，夯坑下方夯击沉降量随着土体深度的增加逐渐减小，并且土层深度越大沉降量减小的速度越快。在土层深度接近4m左右处，夯击沉降量就非常小了，仅为几个厘米。数值分析结果也较好的模拟了夯坑外侧周围土体在夯击完成时有明显的隆起现象，且图层越靠近地面，隆起效果越明显，和实际强夯情况相吻合。从上图中也可以看出在3m以下的深度处土体的沉降非常小，也基本上没有土体的隆起现象。因此在实际施工中对整个场地进行满夯加固时，要控制好夯击能的大小，确保有隆起现象的土层的土体也能够得到压密加固，满足要求。
图6 不同夯击能下的土体塑性开展区
从图6可以看出，当夯击能为1.0时，对应的有效加固深度为5m左右；当夯击能为1.5时，对应的有效加固深度为7m左右；当夯击能为3.0时，对应的有效加固深度为9m左右；随着夯击能的增加，土体塑性区的范围逐渐开展。夯击时不仅垂直方向土体有沉降，而且水平方向的土体也受到夯实，在一定范围内也起到了有效的加固。
4 结语
本文通过有限元数值模拟分析了吹填地基在不同夯击能下的的强夯加固范围，并研究了同一夯击能下的不同深度处土体沉降量的变化，竖向强夯加固范围一般在3m左右，水平方向也存在塑性变形区域，另进行加固时要合理有效的布置夯点，降低成本，同时也要防止橡皮土的出现。
参考文献
[1]吴铭炳, 王钟琦, 强夯特性的数值分析[J]. 工程勘察, 1989(3):1-5.
[2]梁志荣, 曹名葆, 叶柏荣. 有限元法强夯加固机理. 地基处理. 1992, 3(12):20-26.
[3]李本平,有限元法分析强夯加固机理[D].杭州: 浙江大学, 1993.
[4]宋修广, 李英勇, 韩军. 强夯法加固地基的多重耦合分析[J]. 岩土力学. 2003,24(3)：471.
[5]丁年红. 强夯法的动力接触分析[J]. 安徽工业大学学报. 2005,22(3)：256.
[6]蔡袁强, 王大力, 徐长节等. 强夯加固机理及其环境影响的数值分析[J]. 岩土力学. 2005, 26(增刊): 159-162.
关键词：强夯；吹填地基；数值模拟；ADINA
中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
从20世纪80年代开始，兴建港口码头已成为我国东南沿海及沿江城市跨越式发展的重要举措。尤其是进入21世纪后，大型深水港集装箱码头和国际航运中心大型港口陆续兴建，成为我国扩大对外开放的全球经济战略的重要组成部分。为此，在沿江沿海水域岸边进行吹填造地是土地资源开发的重要途径。它同时还可解决江、河、湖、海的航道清淤疏浚问题，成为加速沿江沿海城市江岸码头建设促进其经济发展的一条重要途径。
强夯法具有加固效果显著、施工设备简单、施工方便迅速和工程造价低廉等优点。与其它地基处理方法不同，强夯法不消耗三材，对周边环境不产生工后污染，基本不受地下水的影响，加固深度大，所以强夯法较其它机械的、化学的地基处理方法在许多方面更为有效和优越，夯击过程中可能对周边建筑物产生振害影响是强夯法唯一显著缺点，从而要求强夯法施工应保持一定安全距离，故强夯法特别适合新开发的大面积的开阔场地的地基处理工程，如港口堆场、仓储码头、机场跑道场坪、道路路基和新建厂矿场地平整等。
2强夯数值分析模型的建立
2.1基本假定
强夯加固时对土体是建立在以下几个基本假设的基础上进行的：
（1）连续性假设：认为组成固体的物质不留空隙的充满了固体的体积。实际上，组成固体的粒子之间存在着空隙并不连续，但这种空隙与构件的尺寸相比极其微小，可以不计，于是就认为固体在其整个体积内是连续的。
（2）均匀性假设：认为从物体任意一点处取出的体积单元，其力学性能都能代表整个物体的力学性能。本研究中假设土体是由同一类型的均匀材料组成，因此每层土体的物理参数都是相同的，他们不随坐标位置的变化而改变。
（3）各向同性假设：假定整个地基在各个方向上具有相同的物理性質，这就是说物体的弹性模量E、剪切模量G等物理参数将不随坐标方向的改变而变化，可以在任何方向上建立坐标系来研究问题。
2.2 土体的本构模型
本文采用ADINA中的Mohr-Coulomb塑性模型来模拟强夯冲击荷载作用下土体的特性。MC模型是一种理想的弹-塑性模型，它综合了胡克定律和Coulomb破坏准则。共有5个控制参数，即控制弹性行为的2个参数：弹性模量E和泊松比v及控制塑性行为的3个参数：有效黏聚力c、有效内摩擦角和剪胀角。M-C模型采用了弹塑性理论，能较好地描述土体的破坏行为。
基于Mohr一Coulomb理想弹塑性材料模型的以上特点，符合强夯处理的特点，因而选取Mohr一Coulomb模型为土体参数模型。
2.3有限元模型的建立
数值模型的建立包括2部分：一部分为土体，另外一部分为夯锤。土体选用了（m）范围内的土体，夯锤半径1m，高1m。夯锤与土体之间定义自动的面对面接触。
图1 网格模型
表1 模型有限元分析主要参数
2.4强夯对土体的冲击作用模拟
强夯冲击力时程近似采用三角波代替。虽然强夯对地基土的作用是通过锤底的接触力实现的，但是为了反映问题的主要部分，在夯锤底部与地基土接触的范围内仍然采用接触压力作为输入荷载。关于夯锤与土体的接触压力问题，吴铭炳[1]、梁志荣[2]、李本平[3]等利用动力有限元法对强夯问题进行了细致的研究，根据经验将瞬态荷载简化为一已知的三角形波或正弦波将其作为应力边界进行计算并假设锤底应力是均匀分布，如图2所示。
图2强夯冲击荷载简化图
其中：，
3结果分析
（a）
（b）
（c）
图3不同时刻的土体在夯锤作用下的竖向位移等值云图（单位：m）
图4夯坑下中心点处土的竖向位移时程曲线
图5夯坑下土体不同深度处的夯击沉降量
从图5可以看出，夯坑下方夯击沉降量随着土体深度的增加逐渐减小，并且土层深度越大沉降量减小的速度越快。在土层深度接近4m左右处，夯击沉降量就非常小了，仅为几个厘米。数值分析结果也较好的模拟了夯坑外侧周围土体在夯击完成时有明显的隆起现象，且图层越靠近地面，隆起效果越明显，和实际强夯情况相吻合。从上图中也可以看出在3m以下的深度处土体的沉降非常小，也基本上没有土体的隆起现象。因此在实际施工中对整个场地进行满夯加固时，要控制好夯击能的大小，确保有隆起现象的土层的土体也能够得到压密加固，满足要求。
图6 不同夯击能下的土体塑性开展区
从图6可以看出，当夯击能为1.0时，对应的有效加固深度为5m左右；当夯击能为1.5时，对应的有效加固深度为7m左右；当夯击能为3.0时，对应的有效加固深度为9m左右；随着夯击能的增加，土体塑性区的范围逐渐开展。夯击时不仅垂直方向土体有沉降，而且水平方向的土体也受到夯实，在一定范围内也起到了有效的加固。
4 结语
本文通过有限元数值模拟分析了吹填地基在不同夯击能下的的强夯加固范围，并研究了同一夯击能下的不同深度处土体沉降量的变化，竖向强夯加固范围一般在3m左右，水平方向也存在塑性变形区域，另进行加固时要合理有效的布置夯点，降低成本，同时也要防止橡皮土的出现。
参考文献
[1]吴铭炳, 王钟琦, 强夯特性的数值分析[J]. 工程勘察, 1989(3):1-5.
[2]梁志荣, 曹名葆, 叶柏荣. 有限元法强夯加固机理. 地基处理. 1992, 3(12):20-26.
[3]李本平,有限元法分析强夯加固机理[D].杭州: 浙江大学, 1993.
[4]宋修广, 李英勇, 韩军. 强夯法加固地基的多重耦合分析[J]. 岩土力学. 2003,24(3)：471.
[5]丁年红. 强夯法的动力接触分析[J]. 安徽工业大学学报. 2005,22(3)：256.
[6]蔡袁强, 王大力, 徐长节等. 强夯加固机理及其环境影响的数值分析[J]. 岩土力学. 2005, 26(增刊): 159-162.