中铁隧道勘察设计研究院有限公司 河南洛阳 471009
摘要：自动夯扩DDC是传统DDC机械化的体现，自动夯扩DDC强烈的挤密夯击作用形成了DDC复合地基独有的应力分布形式，传统的DDC复合地基由于人为因素等弊端无法形成理论上的明显加固区，这点直接导致了DDC复合地基施工完后实际值与理论值不符。根据自动夯扩DDC复合地基原位试验可知，自动夯扩条件下的DDC复合地基成桩直径，深度，挤密程度均符合理论值。自动夯扩DDC复合地基在ABAQUS模拟中桩身应力具有明显特点，同时自动夯扩过程将形式硬壳层。
关键词：DDC复合地基；夯扩挤密；模拟分析；应力分布
1引言
DDC法（Down-hole Dynamic Consolidation）中文全称孔内深层强夯法，其以动力固结为手段，适用于各种复杂地层。传统的DDC施工由人工操作，预成孔400mm夯填完只能达到450mm。而自动夯扩DDC施工可保证400mm的预成孔夯填完后达到600mm的直径，甚至更大。自动夯扩DDC法强烈的夯击能使地基土塑性区迅速扩展，内部应力重组，承载特性改变。为了明确自动夯扩DDC复合地基的工作原理，必须对自动夯扩条件下DDC加固过程中的应力、应变加以研究。
2 自动夯扩DDC复合地基原位试验
2.1试验条件
拟建工程为某电厂扩建项目，场地内分布有厚度较大的湿陷性黄土，设计采用的自动夯扩DDC复合地基在处理后应完全消除其湿陷性，承载力不得小于470kPa且刚度均匀。试验桩体材料为3∶7灰土，预成孔400mm。试验以圆形压板承压，单桩直径取600mm，复合地基取1800mm。
2.2试验结果
桩间土挤密效果评价在全部工程桩施工结束后25~40d进行，土工试验结果表明：经处理后的地基土自重湿陷性系数均小于0.015，其自重湿陷性全部消除。自动夯扩DDC复合地基桩径达到600~800mm，桩端形成扩大头，桩身不同程度存在臌胀现象，桩土紧密结合相互嵌固，地基处理深度符合设计要求。复合地基检测P-S曲线如图1所示。
图1复合地基P-S曲线
根据试验可知：最大加载为960kPa的复合地基静载试验，承压板沉降介于3.797-3.023mm之间，静载试验未达到极限状态，复合地基承载力还有很大储备。根据相关规范可知：本次试验DDC复合地基承载力特征值可取fk=480 kPa，该值满足设计要求。
3 有限元模型建立
3.1模型条件
土体和桩体本构模型选取Mohr-Coulomb模型，
不考虑土体超空隙水压力及渗流问题，考虑工程实际DDC复合地基的成桩方式，适当增大材料的压缩模量及桩土接触面摩擦系数[1]。
DDC复合地基土体模型取12m×12m×32m，模型边界条件包括：固定土体底部、边界平面位移，土体剖面、夯锤剖面横向位移及夯锤侧面水平位移。网络划分及单元类型选八节点六面体减缩积
分单元（C3D8R）[2]。结合原位试验，夯扩过程中夯锤落距取8m，同时忽略夯锤下落过程，在夯锤与土体接触时给夯锤定义一个初速度12m/s，夯击能为2265kN •m/m2。同时为了模拟地表以下20m处的夯击，在模型地基土表面加载320kN并通过地应力将其平衡。
3.2原位试验与模拟结果对比
根据试验，建立等属性ABAQUS模型模拟DDC复合地基受荷过程，数值模拟与试验结果如图2。
图2 DDC复合地基数值模拟与试验结果对比
图2说明：在利用前述建模方法和材料属性下，模拟结果与试验结果接近，等效部分材料属性后模拟结果可以一定程度反映真实情况。由此判断，建模所用参数及软件计算结果可用作后续文章理论分析及规律总结。
4 DDC复合地基夯扩过程应力分析
4.1土体应力等值云图
图3土体应力等值云图
由图3可以看出：DDC施工过程中，地基土应力以夯锤为中心呈椭圆形应力泡在土中扩散。观察变形网格可以看出：夯锤在接触地基土时土体颗粒发生振动，振动较剧烈的位置地基土塑性变形较大，距夯锤表面较远的地基土颗粒振动较小，塑性变形也小。夯锤夯击土体产生的土体内部应力随距夯锤中心距离的增大而逐渐消失。
4.2夯扩过程应力随深度分布规律
图4竖向应力随击数的变化
由图4可以看出：随着夯击次数的增加，距夯击面较浅处土体内部应力先增大后减小，结合网格变化可知，土体结构前4次夯击较完整，土体能承受较大荷载。第4次夯击后，土体结构出现破坏，土体内部应力随之减小。而距夯击面以下一定深度，土体结构较完整，土体应力随夯击次数呈递增趋势，夯击荷载不变的情况下，深处土体结构破坏逐渐加重，由此说明浅层土体吸收的夯击能随夯击次数的增加有所减小。由此分析可知：浅层土体在开始受到夯击时，土体颗粒排列松散，夯击能引起的土体颗粒振动较大，土体产生塑性变形吸收较大夯击能。随着夯击次数的增加，浅层土体塑性变形不断加大，土体颗粒挤密，形成明显加固区，由于明显加固区没有更大的塑性变形来吸收夯击产生的能量，所以浅层土体吸收的夯击能随夯击次数的增加有所减小，夯击能传向土体更深处。但同时，在一定夯击能作用下，强夯作用对地基的加固是有限的，从图中可以看出夯击面以下2.7m，土体竖向应力随夯击增加几乎不再变化，说明浅层土体的明显加固区已基本完全将夯击能吸收，此时就算一直增加夯击次数，夯击能也不会传向地层更深处[2]。
4.3硬壳层概念的提出
根据前述DDC夯扩应力发展规律可知：自动夯扩DDC复合地基成桩时，预成孔周围浅层土体将形成明显加固区，明显加固区随夯击次数的增加其吸收的夯击能将逐渐减小。自动夯扩DDC在成桩后桩体呈串珠状，桩周土体对其具有巨大的侧向约束抱紧作用，在计算桩体的承载力时多以“混合桩”的形式加以考虑[3]。由前文描述可知：“混合桩”的概念和明显加固区相同，故可以将明显加固区厚度等效为“混合桩”半径。
DDC复合地基的工程设计中为了明显区分不同半径处桩周土的加固程度，计算桩间土承载力时，常常需要将桩间土分为桩边土（明显加固区）及桩边土以外部分[4]。桩边土对承载力的影响在设计中以“桩边土加强系数Kps”考虑。Kps与桩间土承载力提高系数相关，而桩间土承载力提高系数与复合地基承载力线性相关[5-6]。考虑自动夯扩条件下DDC施工过程中桩边土的明显加固，以及其对复合地基承载力可能带来的影响，本文特提出以将这种桩边土明显加固的区域称之为“硬壳层”。
5 结论
自动夯扩DDC复合地基在施工完成后桩径及桩深符合理论值，同时复合地基桩间土挤密程度及承载力满足要求。DDC施工时，距夯击面较近地基土随夯击次数增加将形成明显加固区，明显加固区可以减小土体对夯击能的吸收，使能量传向更深处，从而加大地基加固范围。但一定夯击能作用下，DDC强夯加固地基有限，无故增大夯击次数并不能有效加大地基处理范围。同时根据明显加固区及DDC复合地基桩边土特点可将明显加固区以硬壳层概念代替。
参考文献：
[1]曾春华.关于土在重复荷载下动态特征的综述[J].土木工程学报，1988，21（2）：70-80.
[2]陈超， 徐长节， 蔡袁强.强夯加固回填土地基振动特性的三维数值模拟[J].哈尔滨工业大学学报，2009，41（12）：119-122.
[3]钟平，朱宏伟， 罗兆辉.孔内深层强夯法刚性桩的影响因素分析及承载力计算[J].天津城市建设学院学报，2005，11（3）：184－187.
[4]徐至钧， 司炳文.地基处理新技术-孔内深层强夯法[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[5]L.A.Dimov，I.L.Dimov.Bearing capacity of piles in clayey soils from calculations and field tests[J].Soil Mechanics and Foundation Engineering，2006，43（3）：26-29.
[6]龚晓南.广义复合地基理论及工程应用[J].岩土工程学报，2007，29（1）：1－13.
作者简介：张康宁（1990），男，陕西西安，助理工程师，硕士，从事地基基础及岩土工程方面的设计及科研工作
论文作者:张康宁
论文发表刊物:《基层建设》2017年第35期
论文发表时间:2018/3/23
标签：地基论文; 应力论文; 承载力论文; 塑性论文; 次数论文; 模型论文; 硬壳论文; 《基层建设》2017年第35期论文;