摘要：隨著計算機技術的發展，有限元法在解決工程實際問題的研究中應用極為廣泛。該方法可根據實際的工程情況制定既便于求解又符合工程特點的幾何模型進行計算，得出工程上所需的各種結果。以往認為無法求解的一些工程問題，現在應用數值分析的方法，借用計算機都可以獲得較好的結果。本文應用有限元軟件ANSYS對某軟基強夯法加固處理過程進行數值模擬。結果表明：有限元法能較好地模擬強夯法加固軟基，對工程施工有較好的指導作用。
　　關鍵詞：有限元法，數值模擬，軟基，強夯法
　　1前言
　　隨著數值方法在工程實踐中的廣泛應用和計算機技術的長足發展，采用數值模擬解決工程中的問題成為一種常用方法。強夯法是一種常用的軟基處理方法，在大量的工程中得到了廣泛運用，其處理結果比較理想。但是，由于土體在自然界中存在模式是各種各樣的，土的組成、結構和由此形成的特性也是千差萬別的，再加上強夯法處理土體作用機理十分復雜，欲正確地描述強夯作用下土體的應力應變及破壞規律是很不容易的。為確定合理擊實次數，必須在進行強夯處理之前進行試夯。采用有限元法對強夯軟基進行模擬，能有效得出不同土體的合理擊實次數，其計算結果與實測結果相比，規律基本相同；同時，有限元法對于強夯機理的分析和輔助工程設計也有一定的幫助作用。
　　2.有限元數值分析方法簡介
　　2.1有限元法
　　有限元法是一種較早，較成熟的巖土數值分析方法。其基本原理是先根據工程實際，建立符合工程特點的幾何模型。再選取材料單元屬性，材料的實常數等參數。然后對模型進行離散化，形成節點和單元，設置單元屬性，并根據工程的要求添加位移和應力邊界條件。最后，通過單元剛度矩陣建立節點和節點位移關系，求得節點位移，并根據彈塑性理論的各種方法求解工程上要求的結果。
　　2.2ANSYS簡介
　　ANSYS是由美國SASI公司研發大型通用有限元分析軟件。它以高性能價格比和較好的解題廣深度，廣泛用于航空航天、汽車、造船、機械制造、鐵道、電子、一般工業及科學研究的各個領域。由于ANSYS適用面廣，使用方便，除能進行常規的計算外，還能對非線性、斷裂、曲屈、溫度場、電場及流構禍合等問題進行計算分析。即可用于個人計算機，又可用于大中型機和巨型機，支持多個操作系統和眾多的圖形設備，特別是前后處理簡單方便，中間計算分析快捷，深受使用者的歡迎。目前，ANSYS軟件已經具有強大的處理功能，使用也更加簡捷，更加完善。隨著ANSYS軟件處理工程問題的不斷完善，其在巖土工程中的應用也越來越多。
　　3.強夯法的數值模擬
　　根據軟基工程地質情況和強夯加固土體的作用機理，以及強夯法的施工工藝，本文采用ANSYS軟件模擬現場強夯的施工過程。
　　3.1土體性質及強夯方案
　　3.1.1土體性質
　　擬處理的為一大型場地，場區上部為6～8m厚的相對硬殼地層，主要有粉細砂及粘質粉土組成，硬殼層下為較厚的軟土層，由灰色淤泥質粉質粘土、灰色淤泥粘土等組成。試驗測得：路基土天然含水量為34.3%，濕重度為18.7kN/m3，干重度為13.92kN/m3，孔隙比為0.95。模擬區土體物理力學性質指標如下表。
　　
　　項目 容重
　　（KN/m3） 彈性模量
　�。↘n/m3） 泊松比μ 內聚力C
　�。↘pa） 內摩擦角Φ 強化系數
　　指標值 18.7 2.8 0.3 40 29 0.001
　　3.1.2強夯方案
　　強夯采用點夯方法，梅花樁式布點，夯點間距4m。夯錘重18T，起吊高度11.2m,夯擊能2000kN•m，終止標準為最后兩擊夯沉量差小于5cm。夯錘采用圓形底面，半徑為2.5m。
　　3.2建立模型與求解
　　3.2.1建模
　　強夯加固是瞬時對地基土體施加一個巨大的沖擊能量，使土體發生一系列土體結構的破壞或液化、排水固結壓密以及觸變恢復等變化。從而使得一定范圍內地基強度提高、孔隙擠密[70，71]。夯錘及地基模型如右圖所示。
　　在此模型基礎上進行邊界條件設置和單元網格劃分。土體模型徑向取15m，即d=30m；縱向取12m，即H=12m。底部邊界（AB邊），約束其豎向和水平位移。
　�。�1.1）
　　式中：E為變形模量(MPa)；Es為壓縮模量(MPa)；為泊松比，壓縮模量ES取3.73MPa，土體變形模量E取2.8MPa。
　　本模型采用軸對稱問題求解，土體按單相體考慮，單元為四節點單元，采用兩節點高斯積分，非線性方程采用切線剛度法，在每一荷載增量的每次迭代中，都要重新計算單元剛度，屈服準則是Druck-Prager屈服準則。為提高計算精度，網格劃分采用四邊形單元，網格劃分如右圖所示。
　　3.2.2加載
　　根據動量定理將夯擊能轉化為接觸壓力，夯錘沖擊前的瞬時速度為（h為夯錘落距），作用結束瞬間夯錘的速度v2=0，設錘土接觸面的最大應力為Pmax，接觸時間為△t，依據動量定理有
　　(1.2)
　　式中：A為夯錘的底面積，M為夯錘的質量。接觸時間△t和Pmax可分別由1.3和1.4式求得。
　　(1.3)
　　(1.4)
　　式中：W為夯錘的重量，L為單擊時的夯坑夯沉量。
　　根據上面公式和土體工程參數可以求得從夯錘與地面接觸到夯錘入土停止所需要的時間△t=0.085s，取L=0.6m，由此求得夯擊過程中最大接觸應力，接觸壓力為3527059N，在此取N=3500000N。
　　3.2.3求解
　　本模型采用Drucker-Prager準則求解，其屈服準則如下：
　　(1.5)
　　式中：I1為應力張量第一不變量；J2應力偏張量第二不變量；α和k為材料常數。
　　土體彈塑性本構方程如下：
　�。�1.6）
　　土體質點運動方程如下：
　　[M]{u1}+[C]{u2}+[K]{u3}={R}(1.7)
　　采用瞬態動力方法求解，具體過程由計算機實現。
　　3.3模擬結果
　　應用Ansys軟件求解建立的數學模型，可得到單點夯沉量，最大主應力等分布圖。這些圖形能形象反映夯擊后土體的各項力學指標變化情況及強夯的作用效果。
　　3.3.1夯沉量分析
　　夯沉量是決定有效加固深度的重要參數，也是決定夯擊次數的標準。隨著夯擊數的增加，夯錘下土體密實度增加、孔隙度減小、土體顆粒被壓實，所以單點夯沉量隨著夯擊次數的增加逐漸減小。由ansys模擬出的1至6次夯擊豎向位移如下圖所示。
　　
　　
　　
　　土體豎向位移圖
　　從圖中可以看出單點夯沉量隨夯擊次數的增加而減小，在第4次夯擊之后單擊夯沉量趨于平穩，第6次夯擊時單擊夯沉量，滿足停止夯擊標準，最佳夯擊次數為5~6次。
　　3.3.2最大主應力分析
　　對應的不同的夯擊次數下土體模型的最大主應力分布如下圖。
　　
　　
　　最大主應力分布圖
　　從圖中可以看出最大主應力最大值出現在夯錘與土體接觸面上，且隨夯擊次數增加，其影響范圍增大，第6擊時夯錘下8m處最大主應力達到0.48MPa；擊夯過程中夯坑側壁土體出現拉應力，且隨著夯擊次數的增加有增長的趨勢，到第5夯時，開始有所回落，這也從另一方面說明最佳夯擊次數為5～6次。
　　4小結
　　運用有限元軟件ANSYS很好地模擬了強夯法處理軟土地基，根據模擬結果能清晰的觀察強夯作用下軟土的應力應變規律，并得出合理的擊實次數，為合理組織工程施工提供有力依據。
　　
　　參考文獻
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