D0I:10.13374/i.issm1001053x.2004.01.029 第26卷第4期 北京科技大学学。报 VoL.26 No.4 2004年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2004 基于强夯大变形的地基流固动力耦合分析 王启平》谢能刚)史小路) 1)安徽工业大学机械工程学院，马鞍山2430022)北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要根据流固动力耦合方法分析强夯加固地基机理，在土体的应变位移关系上采用大 变形假设，建立土体非线性动力平衡方程和整体流固动力耦合方程.在算例数值分析中给出 了地基位移、孔隙压力在强夯作用时间内和空间中的变化分布规律，得到了夯锤的最大夯沉 量，计算了夯击后地基孔隙压力的消散行为，计算结果与济南绕城高速公路强夯法施工现场 的测试结果较符合， 关键词强夯：大变形：流固动力耦合 分类号TU472.3 由于天然地基是流气固三相介质，因此强夯 达西定律： 法加固地基的机理非常复杂，现有计算理论基本 =-sp/f) (6) 都采取一级合理近似，即将其处理为流固动力耦 式中，，为位移分量：，为应力张量分量；为应变 合问题.在众多研究强夯动力固结问题的文献和 张量分量：9为土体积力分量；无为水的体积力分 成果中对土体的应变一位移关系，基本还都采用 量：p为土体密度：p为孔隙水压力：为Biot有效 “小变形”假定.在本文的分析中，土体应力一 应力系数：S为单位体积中水体体积的改变量：c 应变关系采用钱家欢提出的加卸载双线性强夯 为储存系数：为渗流速度分量：5为渗透系数张 本构模型，考虑几何非线性，根据大变形假设， E R 量分量：10+n-20,G=21+四称为拉梅常数， 建立基于有限单元法的土体非线性动力平衡方 E,4为弹性模量和泊松比：δ，为克罗内克符号： 程和整体流固动力耦合方程，给出计算流程，对 Biot有效应力系数和储存系数c可以表示为： 强夯法加固地基的机理进行数值模拟分析， 3(4- 91-244.-4 541201+c-2c0-2p1+ (7) 1基于强夯大变形的地基基本控 式中，A为Skempton孔隙压力系数；4，h分别为排 水和不排水情况下的泊松比.因此E4,4,A,s这 制方程 五个材料参数构成模型中的材料定解条件. 土骨架动力平衡方程： (1) 2基于有限单元法的整体流固动 [(⑧a+4asl+q-pi㎡=0 土体应变位移关系： 力耦合方程 (uww (2) 将夯击作用区域进行有限元离散，考虑土体 本构关系： 阻尼力，上述基本控制方程可转化为流固动力耦 ow=eδ，+2Ge,-pdg (3) 合方程： s=ge+cp (4) [M{8)}+[C]{8t)}+[K{8)}+ 连续性方程： [K]△{)}+[L]()》={2)}(8) +D=0 (5) [L]r{8)}+[D])}+[H])}={FO》(9) 收稿日期200309-15 王启平男，55岁，副教授 式（⑧）为土体非线性动力平衡方程，式(9)为水体 *安徽省教育厅自然科学研究重点项目(2003KJ010ZD),安徽 流量方程，其具体的推导过程见文献[6].其中， 省教育厅自然科学研究项目(2004kj057)第 ￾￾卷 第 ￾期 ￾￾￾￾年 ￾月 北 京 科 技 大 学 学 报 ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾小。￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾￾￾ ￾￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾￾￾ 基于 强夯大变形 的地基流固动力祸合分析 王 启 平 ” 谢 能 刚 ” 史 小 路 ” ￾安徽工 业 大学 机械工 程 学 院 ， 马鞍 山 ￾￾￾￾￾ ￾ 北 京科技 大学机械工 程 学 院 ， 北京 ￾￾￾￾ 摘 要 根据流 固动 力祸合 方法 分析 强 夯 加 固地 基 机 理 ， 在 土 体 的应 变位 移 关 系上 采 用大 变 形假 设 ， 建 立 土 体 非线性动 力 平 衡 方 程 和 整 体流 固动 力祸 合 方程 ￾ 在 算例 数 值 分 析 中给 出 了地基位移 、 孔 隙压 力在 强夯 作用 时 间 内和 空 间 中的变化 分布 规 律 ， 得 到 了 夯锤 的最 大夯沉 量 ， 计 算 了夯击后地基 孔 隙压 力 的消散行 为 ， 计 算结果 与济 南绕城 高速 公 路 强 夯法 施 工 现场 的测试 结 果较 符合 ￾ 关键词 强 夯 ￾大变 形 ￾流 固动 力祸合 分 类号 ￾￾￾￾￾￾ 由于 天然 地 基 是流 气 固三 相 介质 ， 因此 强 夯 法 加 固地 基 的机理 非 常 复杂 ， 现 有 计算 理 论基本 都采取 一 级 合 理近 似 ， 即将 其处 理 为流 固动 力祸 合 问题 ￾ 在众 多研 究强 夯动 力 固结 问题 的文献 和 成 果 中对 土 体 的应 变一位 移 关系 ， 基 本还 都采 用 “ 小变形 ” 假 定‘团 ￾ 在 本 文 的分 析 中 ， 土 体 应 力一 应 变 关 系 采 用 钱 家 欢 提 出 的加 卸 载双 线 性 强 夯 本 构模型 “，， 考 虑 几 何 非 线性 ， 根据 大变 形假 设 ， 建 立 基 于 有 限单 元 法 的土 体 非 线 性 动 力平 衡 方 程 和 整 体 流 固动 力 祸 合 方 程 ， 给 出计 算流 程 ， 对 强 夯法 加 固地 基 的机 理进 行 数 值模 拟 分析 ￾ ￾ 基 于 强 夯 大 变形 的地 基 基 本 控 ￾ 制 方 程 土骨 架 动 力平 衡方 程 ￾ 〔￾￾‘￾￾公内〕汁宁 ‘，云卜 ￾ 土 体应 变位 移 关 系 ￾ ￾。一 李 ￾、￾￾￾￾劝 本 构 关系 ￾ 丙 ￾ 舫涌产￾￾￡少一 勿氏 ￾“ 食 “十￾ 达 西 定 律 ￾ 又￾ 一￾公仇耳￾ ￾￾￾ 式 中 ， ￾‘为位 移 分量 ￾丙 为应 力张量 分量 ￾场 为应 变 张 量 分 量 ￾￾ ‘为土 体积 力分 量 幼 为水 的体积 力分 量 ￾￾为 土 体 密 度 ￾￾为孔 隙水 压 力 ￾尝为 ￾￾ 有 效 应 力 系 数 ￾￾为 单 位 体 积 中水 体 体 积 的 改 变 量 ￾￾ 为储 存 系 数 ￾又为渗 流 速 度 分 量 ￾凡 为渗透系数 张 量 分 量 ￾、￾ 一资￾孕下不 ， ￾一 瑞弄 不 称 为拉梅常 数 ， 里 刀 思 “ ‘ ￾￾切￾￾￾一 助￾ ’ ￾ ￾￾￾切￾ ‘ ￾￾’ ￾ “ “ ” ， ” ‘ ￾ ’ ￾沼 为 弹 性 模 量 和 泊 松 比 ￾￾。为 克 罗 内 克 符 号 ￾ ￾￾ 有 效应 力 系数省和 储存 系 数￾ 可 以表 示 为 ￾ ， ￾ 一旦如口立一 。 ￾ ￾卫旦二互必业〔过 ￾ ‘，、 亡￾ 下子长气兴份不 ， ￾ ￾ 万扁瑞 、 ￾ 万召带天六尝沐 口￾ ￾￾一 劫￾￾切 。￾ ’ “ ￾￾￾ 之￾￾一 知￾￾￾切 。￾ ￾ 式 中 ，￾ 为 ￾￾￾￾￾￾￾ 孔 隙压 力 系 数 沙 ，产 。 分 别 为排 水 和 不 排 水 情 况 下 的 泊松 比 ， 因此￾，产 ，两 ， ￾ ， ￾这 五 个 材料 参 数 构 成 模 型 中 的材料 定解 条件 ￾ ￾ 基 于 有 限 单 元 法 的 整 体 流 固 动 力祸合方 程 将 夯 击 作用 区域 进 行 有 限元 离散 ， 考 虑 土体 阻尼 力 ， 上述 基 本控 制 方程 可转 化 为流 固动 力藕 合 方 程￾ ￾ 【朋 ￾￾￾￾￾〔￾ ￾叔￾￾￾〔尤口￾武￾￾￾ 连 续性 方 程 ￾ ￾了、了￾￾少 、、产产￾￾ 妙又 ，，￾ ￾ ￾△￾占￾￾￾￾￾￾切￾￾￾ ￾以￾￾ ￾乙〕 ￾ ￾占￾￾￾ ￾￾幼￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾爪￾￾ 收稿 日期 ￾￾一￾￾ 王 启平 男 ， ￾ 岁 ， 副 教授 ￾ 安徽省教育厅 自然科学研究重 点项 目￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ， 安徽 省 教育厅 自然 科学研究项 目￾￾￾￾￾￾￾ 式 ￾￾为土 体 非 线性 动 力平衡方 程 ， 式 ￾ 为水 体 流 量 方 程 ， 其 具 体 的推 导 过 程 见 文 献 ￾￾ ￾ 其 中 ， ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ１００１－０５３ｘ．２００４．０４．０２９