基于三维离散元法的强夯动力响应研究摘要：为了从宏细观结合入手研究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（PFC3D），首次采用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，研究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一定的滞后性，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.研究工作为揭示强夯加固粗粒土细观机理及模拟实际工程问题提供了一种新的思路.关键词：强夯；动力响应；颗粒运动；三维颗粒流程序：TU472.31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、设备简单、施工方便和费用低廉，已成为软弱地基特别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，国内外学者主要采用试验方法和数值方法等进行研究，但对于强夯法宏细观加固机理和设计理论等方面仍有很多不明之处.Chou＼[2＼]，何长明等＼[3＼]采用大型现场试验研究了强夯动应力的传播和衰减规律.Poran＼[4＼]，Jafarzadeh＼[5＼]，张清峰＼[6＼]，贾敏才＼[7＼]等采用模型试验研究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.湖南大学学报（自然科学版）2015年第3期贾敏才等：基于三维离散元法的强夯动力响应研究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.从采用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用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，较好地模拟和研究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（如砂、碎石等），这种基于连续介质力学的方法就存在一定的局限性.自从Cundall＼[11＼]将离散单元法引入到土体的研究之后，为宏细观结合研究实际静、动力大变形和破坏问题提供了一个强大而灵活的平台.目前，应用离散元法对强夯进行分析的研究才刚刚开始，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＼]结合模型试验采用PFC2D对干砂在强夯冲击过程中的动力反应特性进行了研究.上述研究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一定的缺陷，与真实的土体存在一定差异.故此，本文尝试引进和二次开发三维离散元程序（PFC3D）＼[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变化规律等进行研究，并结合室内模型试验进行验证.研究工作为今后宏细观结合研究强夯加固机理提供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根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50cm×50cm×60cm（W×L×H），重锤锤径×锤高为8cm×6.75cm，重锤落高约为40cm.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，采用1/4圆柱体数值模型，圆柱体区域的高为40cm，半径为24cm；试验中的土样由半径为2～4mm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96000个颗粒；1/4夯锤由915个半径为4mm的球颗粒模拟，采用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...