强夯处治粉煤灰路基的显式动力非线性数值模拟摘要：基于显式动力非线性有限元分析方法，利用ANSYS/LSDYNA软件对强夯问题进行分析，得出了显式动力非线性数值模拟方法的一般步骤.结合某路基强夯实例建立三维立体模型，对碰撞过程进行数值模拟，得到了强夯加固范围及夯后土体的应力场、位移场.通过与现场实测数据的比对，验证了显式动力非线性有限元数值模拟方法在强夯问题中的适用性.在此基础上，研究和探讨了岳阳地区强夯处治粉煤灰路基中的夯锤参数选取问题，分析比较了夯后土体的沉降，结果表明同能级下重锤低落距有更好的加固效果.关键词：强夯；数值模拟；大变形；粉煤灰路基；参数分析：TU470.3文献标识码：A随着工业化、城镇化的推进，土地资源愈发紧张，大量工程不得不建立在粉煤灰堆积地区.而粉煤灰地基的承载力较低，往往不能满足工程需要，因此必须进行处理，以使其满足承载力、稳定性和抗变形能力的要求.强夯法凭借其施工工艺简单、经济性好、加固效果明显等优点＼[1＼]在粉煤灰地基处治中应用＼[2＼]较多.然而，与广泛的工程应用相比，强夯的理论研究稍显滞后.强夯过程的复杂性决定了其难以用精确的解析方法求解，其加固机理和设计理论方面尚不成熟，现场施工主要依靠经验公式和试验确定＼[3＼]，大大限制了强夯法的发展和应用.针对这一状况，国内外学者采用数值方法，对强夯过程及夯后土体应力场、位移场等进行了较为系统的研究.钱家欢等＼[4＼]运用加权余量法导出了弹性振动问题的边界积分方程，并将其应用于边界元分析强夯问题.Chow等＼[5＼]基于一维波动方程模拟夯锤和土体之间的相互作用，得出应力波的传播特性.孔令伟等＼[6＼]在考虑夯锤自重的基础上，结合夯锤刚体运动方程和成层弹性地基空间轴对称动力问题的传递矩阵法，导出了强夯的边界接触应力与沉降在变换域中的解析式.然而，上述方法均是基于小变形假定，在工程实际中，夯击区将产生较大破坏，上述方法得出的结果往往不尽如人意.随着数值计算方法的发展，显式动力非线性有限元理论＼[7＼]日趋成熟，为强夯这类非线性大变形问题的求解提供了一种新的选择.Thilakasiri等＼[8＼]率先采用显式动力非线性有限元软件LSDYNA2D对强夯置换软土进行了数值模拟，得到了夯后土体的应力应变关系，但其采用的仍是二维平面模型.国内研究者于德水＼[9＼]、杨建华＼[10＼]、张建辉和杨培轩＼[11＼]分别利用ANSYS/LSDYNA分析了强夯加固湿陷性黄土、碎石土、风成砂的过程，对强夯法的加固机理及其加固范围进行了探索.可见在常见土类的强夯研究中，显式动力非线性数值方法已经占有一席之地，取得了一定的成果.相较而言，其在粉煤灰地基中的应用目前尚属空白.鉴于此，本文首先对显式动力非线性有限元数值模拟的一般方法进行探讨，并通过实例验证其在强夯中的适用性，得到夯后土体应力、应变场及夯沉量.在此基础上，结合岳阳某粉煤灰路基强夯工程，对工程中的夯锤参数方案选择问题进行研究.1显式动力非线性有限元分析方法1.1显式动力非线性有限元方法简介在动力学中，显式算法与隐式算法是两个相对的概念.显式算法主要包括centraldifferencemethod（即中心差分法），是ANSYS/LSDYNA中的主要求解方法，用于分析大变形、瞬态问题、非线性动力问题.结构系统的通用运动学方程为：M+C+KU=Rt.（1）式中：U，Rt，M，C，K分别为结构位移、荷载、质量、阻尼、刚度矩阵.假定0，t1，t2，…，tn时刻的节点位移、速度及加速度已知，现求解t+Δt时刻的结构响应.中心差分法对速度、加速度采用中心差分代替，即为：t=1Δt2（Ut-Δt-2Ut+Ut+Δt），（2）t=12Δt（Ut+Δt-Ut-Δt）.（3）将式（2）和式（3）代入式（1）中，整理可得：Ut+Δt=t.（4）式中：=1Δt2M+12ΔtC；（5）t=Rt-（K-2Δt2M）Ut-（1Δt2M-12ΔtC）Ut-Δt.（6）式（5）和式（6）分别被称为有效质量矩阵、有效载荷矩阵.中心差分法在求解t+Δt瞬时的位移Ut+Δt时，只需t+Δt时刻以前的状态变量Ut和Ut-Δt，然后计算出有效质量矩阵、有效荷载矩阵，即可求出Ut+Δt，故称此法为显式算法＼[12＼].显式算法的优点是它既没有收敛性问题，也无需求解联立方程组，其缺点是时间步长受到数...