強夯地設不同減振溝及錘徑的減振效果分析

（山西應用科技學院，山西 太原 030062）

0 引言

強夯加固土體是將具有起重能力的起重設備將一定規格、重量為10到40噸的夯錘提升到10至40米高度后脫鉤自由下落，夯錘與土體碰撞后，土體獲得巨大的夯擊能，夯擊能以波的形式向四周傳播。

在采用強夯法處理地基時，強夯引起的地面振動可能會對周圍較近建筑物或構筑物產生很大影響，地面振動過大造成建筑物或構筑物損壞。地面振動幅值可以衡量強夯引起的地面振動強度與能量的大小，地面振動強弱可以用振動速度和加速度來衡量。雷學文等[1]，何少林等[2]應用現場實測數據分析得出，距夯點水平長度加大，強夯引起的速度、加速度減小，地面各點處速度、加速度隨擊數的增加而逐漸增大[3]。強夯對土體產生的動力效應的復雜性導致用解析法難以解決，就只能借助其他方法。ansys/ls-dyna是工程領域最好的解決動力性問題的程序[4]。范文超[5]等利用ansys/ls-dyna軟件建立強夯加固土體的模型，用沖擊荷載考慮強夯對土體的短暫作用，利用實測數據對數值分析結果進行了驗證，證明所采用的方法是正確的。J.L.Pan 和A.R.Selby[6]研究表明，直接定義夯錘與接觸土體之間的接觸來模擬，對土體中的應力分析取得了成功。

1 減振溝數值模型的建立

土體本構關系采用Drucker-Prager彈塑性本構關系。將夯錘當作剛體，鋼材材料作為其屬性，密度7850kg/m3，泊松比0.33，彈性模量206GPa；土體密度1760Kg/m3，泊松比0.3，剪切模量6MPa，C=18kPa，φ=19°。采用八節點六面體單元SOLID164模擬夯錘和土體。假設不考慮地下水的影響，土體是水平狀均質土體，夯錘在夯擊接觸過程中底部保持水平，建立長20米、寬20米、深25米的長方體作為土的模型，取土體和夯錘的1/4，錘直徑為2.5米、重20噸。對夯錘和土體采用映射劃分網格進行劃分，從夯點向周圍成等比例加大，模型如圖1所示。

圖1 減振溝模型

裘以惠[7]等對強夯進行了現場實測，結果表明強夯產生的應力波有一個尖峰，沒有明顯的第二波峰，接觸時間是0.04～0.2s。本次分析求解時間設置為0.5s，主要是因為在地表面距夯擊點不同距離處，根據程序試算，強夯引起的的振動在0.5s內達到了峰值。

表1 建立各模型的參數

2 減振溝減振效果分析

由模型O和A求解可得，水平速度最大值的減小對比曲線如圖2所示。由圖示知，距夯點4米到7米，水平向速度峰值減小90%，在無減振溝時水平向速度峰值減小66%，說明溝后土體減小振動的效果明顯。由模型O和B求解可得，豎向速度最大值的減小對比曲線如圖3所示。分析表明減振溝對位于減振溝后面的土體確實起到了很好的減振效果。

圖2 水平向振動速度變化曲線對比

圖3 豎直向振動速度變化曲線對比

3 減振溝不同因素對減振影響分析

3.1 夯點與減振溝距離不同的影響

分別距夯點水平距離5米、7米、9米三個不同位置處設置同樣減振溝（深度3米、寬度1米）建立模型A、B、C。豎向速度最大值的曲線如圖4所示。可以得到，距夯點5米、7米、9米位置處設置減振溝，可以使6米、8米、10米處土體水平向速度峰值最小。表明在其他因素相同時，應盡可能加大夯擊點到減振溝的距離，減小需保護建筑或其他對象到減振溝的距離才能使減振效果最好。

圖4 豎直向振動速度變化曲線對比

3.2 溝深的影響

距夯點水平距離5米處設減振溝，分別建立寬為1米，深為3米、4米、5米、6米的減振溝模型A、D、E、F，求解得到豎向速度最大值曲線如圖5所示。由圖分析可得，溝深為3米與4米、5米、6米時減振效果比較，表明減振效果與溝深成正比。溝深為4米、5米、6米時，距夯點不同水平距離豎向速度峰值比較接近，表明他們的減振效果都比較接近。這說明溝深超過一個定值后，隨溝深的加大減振效果不再提高很大，因此我們在設計減振溝時應注意溝深的取值。

圖5 豎直向振動速度變化曲線對比

3.3 溝寬的影響

距夯點5米的水平距離，分別建立深度3米，寬度1.0米、2.0米、3.0米的減振溝模型，即模型A、G、H。求解得到距夯點不同水平距離，豎向速度峰值變化曲線如圖6所示。由圖分析可得，不同寬度的減振溝，不同距離處水平向、豎向速度峰值都很接近，表明溝寬對減振效果的影響很小，在實際設計中按需要設置寬度即可。

圖6 豎直向振動速度變化曲線對比

4 不同直徑夯錘強夯振動分析

為了分析在同一能級4000KN·m時，不同直徑的夯錘對周邊場地的振動效應，建立在無減振溝狀態下，三個不同直徑夯錘（錘徑2.5m、2.0m、1.2m，高為0.52m、0.81m、2.25m的圓柱實體）的數值模型。夯錘密度都是7850Kg/m3，質量為20噸。求解得到三種不同直徑夯錘強夯的豎向速度最大值的變化曲線如圖7所示。圖示分析表明強夯夯擊點附近近處，小直徑夯錘強夯引發的地面振動速度遠小于大直徑。隨距離夯擊點水平方向距離的加大，三種直徑夯錘引發的地面振動速度越來越接近。因此，我們在設計時，可以選擇較小直徑夯錘強夯來滿足減弱地面振動的要求。

圖7 豎直向振動速度變化曲線對比

5 結語

分析表明，在設計減振溝時，要減少建筑物或構筑物到減振溝的距離、利用現場試驗確定某一最佳溝深來達到最佳減振效果。此外，還可以在滿足加固深度的前提下，利用小直徑夯錘在需保護對象附近強夯，也可以達到保護已有建筑物或構筑物的目的。