扈長霞

(東營市河口區(qū)水利灌溉管理站，山東 東營 257200)

1 軟土地基加固法及數值分析設計

1.1 聯(lián)合加固法施工設計

強夯法是將重量數百噸的重錘從一定的高度自由落下，利用重錘產生的動力對土體進行夯擊，孔隙水排出地表使土層強制壓密從而減少其壓縮性，是提高土體強度的一種施工方法，適用于軟土地基加固，但強夯法在施工過程中振動噪音較大，影響施工條件，強夯法的動力密實原理如圖1所示。對于軟土地基的加固還可以使用井點降水法，在基坑開挖前，在基坑四周埋設濾水管，利用抽水設備保持所挖土層含水率始終處于低值，有利于地基的機械施工，縮短施工工期[1-2]。因此，針對山東東營某農田水利工程軟土地基的土層特性，將這兩種加固技術進行聯(lián)合使用，結合各自優(yōu)勢提高加固地基工程施工效果。

圖1 土體壓實過程

聯(lián)合法利用井點降水法的較大排氣量減輕強夯技術的超靜孔隙水壓力，施工前充分了解施工地的地質地層構造、地下水分布情況，結合工程設計規(guī)范與標準計算地基承載力與均勻性及安全穩(wěn)定性，進而確定重錘的起重、加固深度、夯擊能量等相關操作參數。綜合工程施工布置情況以及地質勘察數據確定夯擊點的布置。確定初步施工方案時，需進行試夯。根據工程前期勘察報告，在現(xiàn)場施工區(qū)域內選取一個工程代表區(qū)域作為試探點，通過原位試驗得到的初步試驗數據編制并修正初步強夯施工方案，施工流程圖如圖2所示。

圖2 強夯法施工工序

在正式施工階段，清理平整場地后，將起重機夯錘對準夯點位置，核實夯錘的高程，夯錘自由下落后又測定新高程，重復以上操作直至場地全部夯擊完成。達到間隔時間后根據規(guī)范標準重新測量夯擊后的場地高程，完成所有夯擊遍數。施工結束后，檢測施工的記錄和操作數據記錄，并在施工完成后地基承載力檢驗和工程驗收。

此次研究選用梅那法對加固深度進行大致確定，并根據土層性質對加固深度修正，結合地基處理厚度進一步確定強夯級能的選擇。根據梅那理論，強夯加固的極值大約為15 MPa，加固深度越深，夯擊能與錘底面積也相應增大。當錘底的擠壓力大于土的側邊約束力時，此時的夯擊能恰好使土體隆起，夯擊能為極限夯擊能。錘底面積及夯錘形狀與沖擊應力分布有關，影響有效加固深度，合適的錘形及夯底面積才能實現(xiàn)理想的施工效果，此次研究采用圓形夯錘，每夯擊點夯擊15次，夯擊間歇時間為1周。夯擊點的間距根據土層性質和加固深度確定，合適的夯擊間距有利于夯擊能的傳遞，實現(xiàn)地基土的加固。施工結束后，引入靜力觸探試驗和標準貫入試驗兩種試驗方法對工程聯(lián)合法的加固地基土體施工效果進行分析，對聯(lián)合強夯和井點降水法的加固技術做出更準確的評價[3-4]。

1.2 聯(lián)合加固法數值模擬分析設計

數值分析方法是研究用計算機求解數學計算問題的方法及其理論的學科，聯(lián)合強夯法處理農田水利工程地基加固問題機理復雜，可利用數值分析方法來解決強夯法的非線性問題。專業(yè)的巖土工程三維分析軟件FLAC 3D可幫助土木、交通以及水利工程進行檢測及分析，解決有限元軟件難以模擬的復雜工程問題。FLAC 3D含有多種可變化邊界方位的邊界條件，單元內部可以給定初始應力，節(jié)點可以給定初始位移、速度等，實現(xiàn)特定地下水位有效應力計算等，功能強大。FLAC 3D的參數化建模十分高效，同時支持FISH語言和二次開發(fā)，可方便地實現(xiàn)眾多復雜的功能，具有強大的后處理功能。因此，使用FLAC 3D仿真軟件建立夯擊作用下加固軟土地基的數值模型[5-7]。

根據實際工程土體變化特點，建立模型時僅考慮重力作用，夯擊能影響范圍以外地基變形可以忽略，假設夯錘底部始終保持水平。研究采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型，破壞狀態(tài)定義為產生塑性破壞的最大應力狀態(tài)，屈服方程見式(1)。

(1)

式中：fs為屈服強度，MPa；σ1為小主應力，MPa；σ3為大主應力，MPa；φ為內摩擦角，(°)；c為土體黏聚力，kPa；σt為土層張拉強度，MPa。

建模參數設置時，需對土體模型不同單元進行網格劃分，網格劃分是進行數值模擬分析至關重要的一步，直接影響著后續(xù)數值計算分析結果的精確性。網格劃分涉及單元的形狀及其單元類型、網格生成器的選擇、網格的密度以及單元的編號等，網格越小、越密，分析軟件的結果精度就越高，但同時對計算機的硬件要求也較高；反之，網格越大、越粗糙，分析軟件的結果精度就越低。網格密度的增加會使分析軟件的結果趨于唯一解，當細分網格所得到的解變化不大時，網格收斂。研究采用六面體網格劃分，把三維實體分成幾個大的20節(jié)點六面體區(qū)，然后使用形函數映射技術把各個六面體區(qū)域映射為很多細小的8節(jié)點六面體單元[8]。

邊界條件設定為黏性邊界，黏性邊界也稱阻尼器邊界。在模型邊界處設置阻尼器，阻尼器產生的阻尼力吸收逸散波能，黏性力計算如式(2)。

(2)

式中：tn、ts分別為法向、切向黏性力，N/m2；ρ為介質密度，kg/m3；cp、cs分別為p波、s波的波速，m/s；νn、νs分別為法向、切向的速度分量，m/s。

利用應力時程的方式輸入FLAC 3D動載；瑞利阻尼簡單、方便，采用瑞利(Rayleigh)阻尼來確定機械阻尼，假設結構的阻尼矩陣是質量矩陣和剛度矩陣的組合。建模時將土層視為同一種土體，計算體積模量和剪切模量用于確定除橫觀彈性和正交彈性材料之外的數值計算模式，參數換算公式見式(3)。

(3)

式中：K為體積模量，Pa；G為剪切模量，Pa；E為彈性模量，Pa；υ為泊松比。

2 聯(lián)合法處理軟土地基施工效果分析

2.1 聯(lián)合法的試驗研究和效果分析

在山東東營某一農田水利工程施工現(xiàn)場，將J-3圓錐形探頭以勻速旋入施工場地的選定試驗點，錐頭截面面積為12 cm3，速度大小1.5 m/min，靜力觸探試驗測試點布置如圖3所示，包含5個夯擊觀測點和3個測試點。并測量貫入阻力，進而根據靜力觸探曲線的形態(tài)確定土層工程性質，進行土層分界。

圖3 試驗區(qū)測試點布置

夯擊前后前后靜力觸探曲線圖如圖4所示，靜力觸探曲線圖橫坐標為土層深度值，代表地下深度負值大??；縱坐標為比貫入阻力，比貫入阻力的大小與錐尖阻力和側摩擦阻力大小有關。由圖4可見，夯擊前后曲線對比明顯，聯(lián)合強夯法與井點降水法的軟土地基加固施工效果良好，可以滿足東營地區(qū)農田工程的施工要求。測試點1、測試點2、測試點3的靜力觸探曲線處理前后的變化規(guī)律相似，0～4 m之間的土層比貫入阻力的大小提升最為明顯，對于測試點1，3 m左右的土層比貫入阻力大小提升幅度達90%；由測試點3的靜力觸探曲線可知，聯(lián)合法處理地基之后，最大比貫入阻力為10.5 MPa。結果表明，聯(lián)合法對于0～4 m之間的淺層土體加固效果最為顯著。同時，根據靜力觸探曲線還可大致判斷東營地區(qū)的軟土層主要由淤泥質黏性土和黏土組成。

圖4 測試點強夯前后靜力觸探曲線

標準貫入試驗將重的錘重從高度出落下，然后將標準規(guī)格的開管式的貫入器打入土中，根據貫入阻抗判斷土體工程性質。測試點地基夯擊處理前后土層的物理力學性質結果見表1，由表1可見，聯(lián)合強夯處理前，淤泥層的標準貫擊平均數為6.4擊，處理后，淤泥層的標準貫擊平均數為7.8擊，增加了21.88%；處理前，黏土層的標準貫擊平均數為9.6擊，處理后，黏土層的標準貫擊平均數為10.6擊，增加了10.42%。由于聯(lián)合強夯的夯擊能有效加固深度有限，對于更深土層的黏土層加固效果不如淤泥層，強夯法對于淺層土的加固壓密效果更好。夯擊后，淤泥層和黏土的含水率較處理前分別降低了17.86%、19.00%，淤泥層和黏土的孔隙比較處理前分別降低了28.70%、9.38%，聯(lián)合加固法對軟土的物理性質改變較大。淤泥層的壓縮系數由0.51降至0.43，黏土層壓縮系數由0.45降至0.36；淤泥層的黏聚力由9.24 kPa增加至19.48 kPa，黏土層的黏聚力由10.37 kPa增加至21.49 kPa，最大增幅達111%。由各項指標具體數值可見，土體的工程性質與力學強度得到改善。

表1 試驗區(qū)地基處理前后土層的物理力學性質

2.2 軟土地基數值模擬結果分析

根據靜力觸探試驗所得數據參照《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007—2011)利用數值分析軟件進行土體承載力計算，計算結果如圖5所示。由圖5可見，淤泥層和黏土層經聯(lián)合夯擊后地基承載力均得到有效提升，處理后所有測試點土層的承載力均在120.0 kPa以上，處理后測試點最小承載力為132.4 kPa，最大承載力為180.2 kPa，而《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007—2011)中要求淤泥層、黏土層的設計承載力最小值分別為110.0 kPa、130.0 kPa，可見施工效果滿足設計要求。由具體數值分析可知對于三個測試點的淤泥土層、黏土層承載力提升幅度分別為114.5%、82.4%、124.3%、190.8%、146.9%、69.1%，測試點2的黏土層土體承載力增加將近2倍，加固效果顯著。

圖5 地基承載力變化

對FLAC-3D建立聯(lián)合加固作用下軟土地基的數值模型進行結果分析，位移變化曲線如圖6所示。由圖6可見，隨著土層深度的增加，土體豎向位移變化曲線均呈下降趨勢，在淺圖層區(qū)域夯擊作用下土體豎向位移變化較大；土層深度相同時，夯擊時間越長，土體豎向位移越大，夯擊時間為0.03 s時，土體表層模擬豎向位移大小為32.2 cm；夯擊時間為0.01 s時，土體表層模擬豎向位移大小僅2 cm。結合FLAC-3D軟件模擬工程狀況來看，聯(lián)合加固法作用下加固土體的水平位移沿夯錘的外側水平增大，豎向與周邊的土體都被壓實緊密，隨著時間的增加，水平位移與豎向位移值都不斷增加，聯(lián)合加固法對土體的擠密壓實效果顯著。

圖6 位移變化曲線

土體孔隙水壓變化如圖7所示，F(xiàn)LAC-3D軟件只考慮自身滲透能力，不考慮井點降水的貢獻。由圖7數值模擬曲線可見，隨著土層深度增加，孔隙水壓大小呈先減小后增大的趨勢。以強夯作用時間為0.20 s為例，在土層深度0～3 m的深度范圍內，超孔水壓力隨著深度增加而減小，超孔水壓值由45 000 Pa下降至3000 Pa；在-7～-3 m范圍內，超孔水壓值由3000 Pa上升至59 000 Pa。相同深度條件下，強夯作用時間在0.01 s到0.05 s范圍內，孔隙水壓力逐漸增加，時間在0.10 s到0.20 s范圍內，孔隙水壓力有減小趨勢，孔隙水壓力大致呈先增大后減小的規(guī)律。

圖7 土層深度對超孔壓的影響規(guī)律

3 結 論

為了保證東營地區(qū)農田水利工程的軟土地基加固施工效果，工程聯(lián)合使用了強夯法與井點降水法。試驗結果表明，夯擊后比貫入阻力最大提升90.00%，聯(lián)合法對于0～4 m的淺層土體加固效果最優(yōu)；夯擊后淤泥層、黏土層的標準貫擊分別增加了21.88%、10.42%；土層的含水率、孔隙比以及壓縮系數均有降低，黏聚力增幅可達111.00%。數值分析表明，夯擊后地基承載力明顯提升，最高土體承載力增加近2倍；土體水平與豎向位移均有增加，孔隙水壓隨土層深度增大呈先減小后增大的趨勢。聯(lián)合法在該地區(qū)農田水利工程軟土地基加固施工效果良好，但研究數值模型單一簡單，有待優(yōu)化。