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[摘 要]强夯法是地基处理的常规方法之一，因其施工工艺简单，加固效果好，使用经济性等特点，在填土地基处理方面的运用日益广泛。总结土体在夯击作用下的变化趋势，进而给出相关实验工程强夯工艺施工相关参数，以便为相关工程研究、设计、施工等方面进行借鉴和指导。
[關键词]强夯 吹填土 有限元法 数值分析
中图分类号：TU435 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）30-0145-02
0.引言
强夯法是利用夯击动能而改变土体力学参数的一种地基处理技术。其基本原理是通过起重设备将具有一定外形规格的夯锤提高到设计高度，夯锤脱钩后在自重作用下接触土体，利用强大的夯击能迫使土体动力固结密实，提高土体的承载能力。
夯击法具有施工设备、工艺简单；施工速度快，效率高；材料费用较低等特点。主要适用于砂性土，粉土，粘性土，黄土，人工填土等。一般应用①加固建筑物松散软弱土地基，在场地上强夯后，建造建筑物，可以提高地基承载力、减少沉降和不均匀沉降；②处理非均匀性土层地基，通过强夯，使土层的密度均化，减少沉降和不均匀沉降，如杂填土地基；③强夯处理可液化地基。
1.强夯加固机理的分析
强夯加固地基主要是以巨大的夯击动能产生强烈的应力波和动应力对地基土作用的结果。按照应力波在土中传播的特性，体波（纵波和横波）从夯击点出发向地基深处传递，引起土体的压缩与固结和剪切变形；表面波在地表传播，引起表层土的松动，不起加固作用。因此强夯的结果沿地基深度形成性质不同的三个区域，在地表因受表面波的扰动，形成松动区；在其下一定深度内，受到压缩波的作用，使砂土和黏土压密形成加固区；加固区下，应力波逐渐衰减，对地基不起加固作用，称为弹性区[1]。示意图如图1：
2.强夯的数值分析
强夯涉及的是地基土在冲击力作用下的动态响应问题，主要考虑的问题有土体自身的本构关系，土体的动力平衡方程，夯锤冲击荷载模式，夯锤与土体碰撞面算法，土体的人工边界条件，土体压缩模量的变化。
夯锤与土体碰撞面算法：模拟接触碰撞问题是强夯数值分析的特征问题，本文采用界面算法采用常用的对称罚函数法[5]，其基本的分析原理为：每一时步先检查各从节点是否穿透主表面，对于未穿透主表面的从节点不作处理，对于穿透的节点则在该从节点与被穿透的主表面之间引入一个较大的界面接触力，其大小与穿透深度，主部刚度成正比，称为罚函数值。相当于从节点与主表面之间放置一个法向弹簧，以限制从节点对主表面的穿透，所谓对称罚函数法是指对从主节点均按照以上理论处理。
土体的人工边界：因土体视为无穷大弹性体，为简化计算，取部分土体研究，因此为降低边界反射波对土体的影响，土体周边边界采用多次透射边界[6]假定应力波垂直射向边界，产生的误差可以看成是射向外面的波，可以再次透射，随着透射次数的增加误差将逐渐减小。
土体压缩模量的变化：随着夯击次数的增加，地基土不断地被压实，强夯加固区土体的弹性模量也逐渐增大，参考文献[7]根据室内试验得到了细砂的弹性模量随夯击次数增长的经验公式：
E=E0Na
其中E0为土体初始弹性模量，N为夯击次数，E为N次夯击后的弹性模量，a为随土的类型变化的常数对于细砂a=0.516。
3.工程实例分析
某造船基地位于上海市崇明县长兴岛。长兴岛位于崇明县的东南部，是吴淞口外长江南水道入海口的一个岛屿。东南邻横沙岛，北眺崇明岛，西与“宝钢”、西南与浦东外高桥隔江相望。由于厂区内吹填土土性不均，以粉细砂为主，且为新近吹填，尚未固结完成，工程性质变化较大且不稳定。
本文采用Ansys/LS-DYNA通用有限元软件模拟强夯作用下的土体特性数值分析。针对土体特点选择弹塑性模型-双线性随动模型，采用SOLID164单元模拟土层特性；对于夯锤，因主要研究土体在夯击作用下的影响，为简化计算定义为刚体单元，通过调整每次夯击后土体的参数，以模拟多次夯击，强夯模拟过程中未考虑孔隙水的影响（表1，表2）。
土体模型采用10×10×10m，土体底面和侧面设置多次透射边界，降低应力波反射对结果的影响，定义土体及夯锤为碰撞分析的两个分部（part1，part2），土体顶面及夯锤底面定义接触面（EDCGEN，sts，1，2），定义锤底应力随时间变化曲线（三角形荷载）（图3-图5）。
由图表结果可知，第一击产生的夯沉量最大，累计夯沉量随沉夯次数的增加而增大，随着夯击次数的增加，单击夯沉量逐渐减小，并逐渐趋向于稳定。
4.结语
本文依托实际工程，采用Ansys/LS-DYNA分析了人工吹填土在强夯加固作用下的夯击效果与夯击参数的关系，得出合理的夯击次数，通过运用有限元软件模拟强夯的数值分析，对研究强夯理论有非常重要的意义，为相关工程的研究、设计、施工等方面提供了合理的工艺参数，降低试验成本，提高施工质量。
参考文献
[1] 莫海鸿杨小平.基础工程[M].中国建筑工业出版社，2008.
[2] 龚晓南.土塑性力学[M].浙江大学出版社，1997.
[3] 白冰.关于夯锤冲击力大小的研究[J].地下空间，2000，20（2）：92-95.
[4] 吳铭炳.强夯机理的数值分析[J].工程勘察，1989，3：1-5.
[5] 尚晓江，苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].中国水利水电出版社，2006.
[6] 廖振鹏.局部透射边界的精度[J].地震工程与工程振动，1993，13（3）：1-6.
[7] 钱佳欢，帅方生.边界元法在地基强夯加固中的应用。中国科学（A辑），1987（3）：329-336.
[關键词]强夯 吹填土 有限元法 数值分析
中图分类号：TU435 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）30-0145-02
0.引言
强夯法是利用夯击动能而改变土体力学参数的一种地基处理技术。其基本原理是通过起重设备将具有一定外形规格的夯锤提高到设计高度，夯锤脱钩后在自重作用下接触土体，利用强大的夯击能迫使土体动力固结密实，提高土体的承载能力。
夯击法具有施工设备、工艺简单；施工速度快，效率高；材料费用较低等特点。主要适用于砂性土，粉土，粘性土，黄土，人工填土等。一般应用①加固建筑物松散软弱土地基，在场地上强夯后，建造建筑物，可以提高地基承载力、减少沉降和不均匀沉降；②处理非均匀性土层地基，通过强夯，使土层的密度均化，减少沉降和不均匀沉降，如杂填土地基；③强夯处理可液化地基。
1.强夯加固机理的分析
强夯加固地基主要是以巨大的夯击动能产生强烈的应力波和动应力对地基土作用的结果。按照应力波在土中传播的特性，体波（纵波和横波）从夯击点出发向地基深处传递，引起土体的压缩与固结和剪切变形；表面波在地表传播，引起表层土的松动，不起加固作用。因此强夯的结果沿地基深度形成性质不同的三个区域，在地表因受表面波的扰动，形成松动区；在其下一定深度内，受到压缩波的作用，使砂土和黏土压密形成加固区；加固区下，应力波逐渐衰减，对地基不起加固作用，称为弹性区[1]。示意图如图1：
2.强夯的数值分析
强夯涉及的是地基土在冲击力作用下的动态响应问题，主要考虑的问题有土体自身的本构关系，土体的动力平衡方程，夯锤冲击荷载模式，夯锤与土体碰撞面算法，土体的人工边界条件，土体压缩模量的变化。
夯锤与土体碰撞面算法：模拟接触碰撞问题是强夯数值分析的特征问题，本文采用界面算法采用常用的对称罚函数法[5]，其基本的分析原理为：每一时步先检查各从节点是否穿透主表面，对于未穿透主表面的从节点不作处理，对于穿透的节点则在该从节点与被穿透的主表面之间引入一个较大的界面接触力，其大小与穿透深度，主部刚度成正比，称为罚函数值。相当于从节点与主表面之间放置一个法向弹簧，以限制从节点对主表面的穿透，所谓对称罚函数法是指对从主节点均按照以上理论处理。
土体的人工边界：因土体视为无穷大弹性体，为简化计算，取部分土体研究，因此为降低边界反射波对土体的影响，土体周边边界采用多次透射边界[6]假定应力波垂直射向边界，产生的误差可以看成是射向外面的波，可以再次透射，随着透射次数的增加误差将逐渐减小。
土体压缩模量的变化：随着夯击次数的增加，地基土不断地被压实，强夯加固区土体的弹性模量也逐渐增大，参考文献[7]根据室内试验得到了细砂的弹性模量随夯击次数增长的经验公式：
E=E0Na
其中E0为土体初始弹性模量，N为夯击次数，E为N次夯击后的弹性模量，a为随土的类型变化的常数对于细砂a=0.516。
3.工程实例分析
某造船基地位于上海市崇明县长兴岛。长兴岛位于崇明县的东南部，是吴淞口外长江南水道入海口的一个岛屿。东南邻横沙岛，北眺崇明岛，西与“宝钢”、西南与浦东外高桥隔江相望。由于厂区内吹填土土性不均，以粉细砂为主，且为新近吹填，尚未固结完成，工程性质变化较大且不稳定。
本文采用Ansys/LS-DYNA通用有限元软件模拟强夯作用下的土体特性数值分析。针对土体特点选择弹塑性模型-双线性随动模型，采用SOLID164单元模拟土层特性；对于夯锤，因主要研究土体在夯击作用下的影响，为简化计算定义为刚体单元，通过调整每次夯击后土体的参数，以模拟多次夯击，强夯模拟过程中未考虑孔隙水的影响（表1，表2）。
土体模型采用10×10×10m，土体底面和侧面设置多次透射边界，降低应力波反射对结果的影响，定义土体及夯锤为碰撞分析的两个分部（part1，part2），土体顶面及夯锤底面定义接触面（EDCGEN，sts，1，2），定义锤底应力随时间变化曲线（三角形荷载）（图3-图5）。
由图表结果可知，第一击产生的夯沉量最大，累计夯沉量随沉夯次数的增加而增大，随着夯击次数的增加，单击夯沉量逐渐减小，并逐渐趋向于稳定。
4.结语
本文依托实际工程，采用Ansys/LS-DYNA分析了人工吹填土在强夯加固作用下的夯击效果与夯击参数的关系，得出合理的夯击次数，通过运用有限元软件模拟强夯的数值分析，对研究强夯理论有非常重要的意义，为相关工程的研究、设计、施工等方面提供了合理的工艺参数，降低试验成本，提高施工质量。
参考文献
[1] 莫海鸿杨小平.基础工程[M].中国建筑工业出版社，2008.
[2] 龚晓南.土塑性力学[M].浙江大学出版社，1997.
[3] 白冰.关于夯锤冲击力大小的研究[J].地下空间，2000，20（2）：92-95.
[4] 吳铭炳.强夯机理的数值分析[J].工程勘察，1989，3：1-5.
[5] 尚晓江，苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].中国水利水电出版社，2006.
[6] 廖振鹏.局部透射边界的精度[J].地震工程与工程振动，1993，13（3）：1-6.
[7] 钱佳欢，帅方生.边界元法在地基强夯加固中的应用。中国科学（A辑），1987（3）：329-336.