土基强夯动力加固机理与效果评价研究

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强夯法作为软弱地基加固的工程技术,具有加固效果显著、工效高、工艺简便、成本低等突出优点,在道路、铁道、工业与民用建筑等各种工程的碎石土、砂土、低饱和度的粉土和黏性土、杂填土、素填土、湿陷性黄土及粉土与粘土互层等地基加固中应用广泛。但是由于地基强夯加固属于动力大变形问题,土体强夯加固分析的理论方法尚不完善,特别是缺乏适用于强夯加固分析的土体本构模型,导致强夯动力加固机理尚不明晰,地基加固工艺参数、加固效果分析与评价具有很大经验性。因此开展土基强夯动力加固机理与效果评价研究,对于完善强夯加固地基分析方法,合理设计地基强夯加固方案,准确评价强夯加固效果,具有重要的理论意义和工程价值。本文基于经典土体本构模型(摩尔库伦、Drucker-Prager模型),提出适合土体大变形的非饱和土动力压密本构模型;基于广义Biot理论,建立考虑流固耦合的饱和土动力固结本构模型;结合有限元分析方法,揭示强夯动力压密和动力固结的加固机理,建立评价加固效果计算方法并提出强夯法加固地基的设计方法。研究内容和主要成果如下:(1)在经典土体本构模型基础上,考虑动力加固过程模量等随夯击的变化,提出适合土体大变形的非饱和土改进帽盖模型,并开发相应的VUMAT子程序;基于广义Biot理论u-U方程,利用ABAQUS重叠网格、连接单元表征土水耦合效应,开发VUMAT流固耦合子程序,实现ABAQUS饱和土流固耦合算法。通过一维波动解析解对计算精度和可靠性进行了验证分析,为后续研究提供理论基础。(2)基于非饱和土改进帽盖模型,建立单点夯击下强夯加固有限元模型,通过与离心机试验结果对比,验证了数值模型的可靠性;并获得了强夯过程中p’-q平面内土体的应力路径和竖向与水平向的应力-应变关系变化规律,揭示强夯过程中土体应力应变特征和加固机理;基于数值分析结果,提出了单点夯击下有效加固范围的预测公式。通过建立多点夯击有限元模型,研究了夯击能级、夯锤半径、夯点间距以及不同组合夯击方式等因素对强夯加固效果的影响,重点揭示了夯击次序对相邻夯点间土体加固效果的影响规律,建立了考虑以上各因素的相邻夯点间加固效果评价方法,通过对比两个工程案例验证了该公式的适用性。(3)基于改进的饱和土流固耦合帽盖模型,通过建立均质层状饱和土有限元模型,获得了饱和土在强夯下的超静孔隙水压力和有效应力的发展规律,揭示了强夯动力固结加固机理;研究了地下水位、土体渗透系数等对强夯加固效果的影响,并提出了高地下水位饱和土地基加固效果预测方法。通过与两个工程案例对比,证明了该方法的适用性。通过建立非均层状饱和土有限元模型,从实际工程角度出发,分别分析了软弱夹层厚度和位置、夯击能以及降水深度对强夯过程中土体超静孔隙水压力的发展过程和加固效果的影响。(4)基于Han(2014)强夯施工经验方法,提出了土基强夯施工参数改进设计方法,并结合强夯处治某软土地基现场进行施工方案的优化比选,验证了本文所提方法在强夯施工参数设计方面的合理性和实用性。
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