基于三维离散元法的强夯动力响应研究.docx

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1、基于三维离散元法的强夯动力响应研究 打开文本图片集 摘要：为了从宏细观结合入手探讨粗粒土在强夯作用下的动力响应机理，以干砂强夯室内模型试验为基础，通过引进和二次开发颗粒流程序，首次采纳三维离散元法建立土体和重锤数值模型，模拟了强夯的动力冲击过程，探讨了夯锤及土体的动力响应，并初步分析了土体颗粒运动规律.结果表明：强夯振动属于单峰值冲击振动，土体动应力峰值沿深度具有肯定的滞后性，动应力的衰减在水平方向较竖直方向快，锤底土体颗粒以竖向运动为主，锤底斜下方颗粒主要做斜向下运动，锤侧颗粒以水平或斜向上运动为主，出现松动和飞起现象，数值模拟结果与室内模型试验基本吻合.探讨工作为揭示强夯加固粗粒土细观机理

2、及模拟实际工程问题供应了一种新的思路. 关键词：强夯；动力响应；颗粒运动；三维颗粒流程序 中图分类号：TU473.31文献标识码：A 强夯法自从1969年由法国工程师Menard提出并应用于地基处理以来，因其效果明显、设备简洁、施工便利和费用低廉，已成为懦弱地基特殊是粗粒土地基最为常用的加固方法之一1.由于地基土体强夯加固的动力响应过程受多种因素影响，理论上很难精确地用解析方法进行分析和求解.目前，国内外学者主要采纳试验方法和数值方法等进行探讨，但对于强夯法宏细观加固机理和设计理论等方面仍有许多不明之处. Chou2，何长明等3采纳大型现场试验探讨了强夯动应力的传播和衰减规律.Poran4，J

3、afarzadeh5，张清峰6，贾敏才7等采纳模型试验探讨了不同夯击能和夯击次数作用下土体的动应力分布特征及其衰减规律.但现场和室内试验方法一般存在耗资巨大，且受到测点数量和测试仪器等诸多因素影响. 湖南高校学报2022年 第3期贾敏才等：基于三维离散元法的强夯动力响应探讨 随着计算机技术的发展与数值模拟方法的进步，国内外学者对强夯进行了一系列的数值模拟.从采纳质量弹簧黏壶系统的一维数值模型8，发展到可考虑水平方向影响的二维模型9，再到可考虑空间效应的三维模型10.目前强夯的数值模拟主要采纳有限元法或者有限差分法，属于连续介质力学的范畴.有限元法不断通过自适应网格、大变形或高级的本构模型等方法

4、，较好地模拟和探讨了强夯的宏观特性和不同影响因素对强夯效果的影响.但对于离散颗粒介质，这种基于连续介质力学的方法就存在肯定的局限性.自从Cundall11将离散单元法引入到土体的探讨之后，为宏细观结合探讨实际静、动力大变形和破坏问题供应了一个强大而敏捷的平台. 目前，应用离散元法对强夯进行分析的探讨才刚刚起先，如蒋鹏12利用自编二维离散元程序对砂土强夯的加固机理进行了初步数值计算和分析，贾敏才等13结合模型试验采纳PFC2D对干砂在强夯冲击过程中的动力反应特性进行了探讨.上述探讨均是基于二维模型离散元，但二维离散元模拟在孔隙率、颗粒质量特性及边界条件等方面存在肯定的缺陷，与真实的土体存在肯定差

5、异.故此，本文尝试引进和二次开发三维离散元程序14模拟粗粒土地基的强夯过程，对强夯过程中的动应力传播和衰减规律，以及土体颗粒运动的速度场改变规律等进行探讨，并结合室内模型试验进行验证.探讨工作为今后宏细观结合探讨强夯加固机理供应了一种新的方法和途径. 1PFC3D数值模型的建立 1.1土体及夯锤数值模型 依据先期完成的室内强夯模型试验建立计算模型7.强夯室内模型试验的模型箱尺寸为50 cm50 cm60 cm，重锤锤径锤高为8 cm6.75 cm，重锤落高约为40 cm.为了加快计算速度而不影响数值结果，结合室内模型试验的结果和对称性，采纳1/4圆柱体数值模型，圆柱体区域的高为40 cm，半径

6、为24 cm；试验中的土样由半径为24 mm的球颗粒来模拟，边界由墙体模拟，模型的初始孔隙率为0.40，共生成96 000个颗粒；1/4夯锤由 915个半径为4 mm的球颗粒模拟，采纳Clump块将颗粒组合在一起，高度和半径同模型试验.土体和夯锤的计算模型见图1. 1.2颗粒接触模型 强夯属于瞬时冲击问题，在冲击前期会产生显著的冲击大变形.考虑到土体强夯响应在加荷和卸荷时并不相等，本文颗粒接触模型选择PFC3D中最适合于模拟快速冲击碰撞问题的滞回阻尼模型13.图2为滞回阻尼模型的法向和切向模型示意图，可以看出滞回阻尼模型采纳不同的加卸载接触刚度，这可以很好地解决线弹性模型的“卸荷回弹”问题，而

7、且能够很好地反映粗粒土在强夯过程中的瞬间冲击密实现象.为了使动力分析中的能量耗散更接近真实情形，将颗粒的局部阻尼设置为0. 1.3参数选择 PFC3D模拟中颗粒的半径对颗粒的接触法向刚度和接触切向刚度会有肯定影响，故采纳颗粒的“接触模量”来衡量颗粒的接触刚度，并采纳kn=ks=4REc来获得颗粒的接触刚度14-15.结合相关文献和数值双轴试验，并经过反复的试算和调整，选择颗粒的细观参数如表1所示；另墙体和夯锤的相关参数也见表1.滞回阻尼接触模型的滞回阻尼系数选取0.75；为了使动力分析中的能量耗散更接近真实情形，质量阻尼参数选取0. 1.4测量圈布置 为了探讨强夯过程中不同位置土体动应力改变规

8、律，在数值模型中设置59个测量圈，其中为了探讨表层土体动应力响应，在土层下2 cm深度处特殊设置了5个测量圈，其余测量圈共9排，每排6个.测量圈的半径为2 cm，详细布置位置如图3所示. 2数值模拟及结果分析 利用PFC3D限制初始孔隙率0.4进行制样，然后自重平衡，最终在试样表面生成重锤，并给予重锤一个初始速度v0=2gh=2.8 m/s，其中g=9.81 m/s2.2.1土体及夯锤数值模型 由图4可知，夯锤锤底竖向应力在锤底和土体接触后快速增大，然后又快速减小，再出现微小振荡，渐渐趋于稳定.锤底动应力响应整体呈单峰值型，并没有出现明显的其次峰值.重锤的锤底最大竖向应力峰值达280 kPa，可见重锤冲击引起较大的动应力. 接触时间/s 第5页 共5页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页