强夯法是将一定重量的重锤提升到某一高度后使其自由落下，将重锤的势能转化为动能，给地基以冲击和振动能量，使地基土压密和振密，从而提高地基的强度，改善地基的力学性能的一种地基加固方法。强夯法由法国工程师梅纳(L.Menard)于上世纪60年代末首次提出。强夯法在法国的工程中应用成功之后，很快引起世界各国工程界的注意，尤其在英国、德国、瑞典、荷兰等欧洲国家应用较早。我国从1975年开始介绍强夯法。目前，应用强夯法处理的工程项目越来越多，包括普通工业与民用建筑、仓库、油罐、贮仓、公路和铁路路基、机场跑道及码头等。由于强夯法具有加固效果显著、适用土质广、设备相对较简单、施工方便、节省劳动力、施工期短、节约材料和施工费用低等优点，故在工程中得到了广泛应用，是当前普遍采用的地基加固方法之一。 虽然强夯法在岩土工程中的应用面越来越广，但关于强夯法加固理论的研究却远远落后于实践。强夯加固理论研究的核心在于，弄清楚强夯对地基土的作用机理、动力学特征和孔隙水压力的变化规律。目前，国内外关于强夯法加固地基机理的看法还不一致，对强夯过程动力学特征和孔隙水压力的变化规律也有不同的学术观点。 用数值模拟的方法来研究强夯加固理论是一种全新的研究思路，但也存在着很大的难度。首先，土体在自然界的存在模式各不相同，土的组成、结构和由此形成的特性也千差万别；其次，强夯法处理土体作用机理非常复杂，欲正确地描述强夯作用下土体的应力-应变及破坏规律并非易事；所以给数值模拟带来了困难。数值模拟中的关键技术难题包括：①强夯作用下土体的本构关系：②土体的大变形问题，许多研究强夯动力固结问题的文献基本都采用“小变形”来假定土体应变-位移关系，而实际上地基在夯击作用下是发生大变形，应考虑几何非线性问题；③流、固两相介质的动力耦合作用；④夯击时夯锤底部与地基表的动接触力计算方法，等。 本文着重对土体大变形和流固动力耦合问题进行研究。研究中采用几何非线性和材料非线性(双非线性)模型，同时考虑流固耦合模型，对饱和土强夯过程进行数值模拟，在此基础上对强夯加固饱和地基的机理、效果和影响因素进行分析，并最终形成结论。 笔者所做的研究工作包括： 1.推导强夯大变形动力固结有限元方程； 2.导出大变形动力固结有限元方程的数值解法； 3.验证数值解法的稳定性和精度； 4.进行单点单次强夯的数值模拟； 5.进行单点多次强夯的数值模拟； 6.通过计算，分析比较强夯加固地基的影响因素； 7.实际工程验证。 本文采用塑性双线性等向强化模型、Mohr-Coulomb模型进行动力固结大变形有限元方法，分析了某饱和地基在强夯作用下的动力响应特性及强夯的影响因素。在有限元分析中，笔者采用了两种不同的方法：一是先计算位移场和应力场，再间接计算孔隙水压力的动力压密；二是基于广义Biot固结理论，同时计算位移场、应力场以及孔隙水压力的动力固结。论文对后一种方法进行了重点研究，得出了以下主要认识： ●大变形动力固结数值解法优于压密数值解法。大变形动力固结有限元解法采用不同阶的单元插值函数方法可克服混合元有限元解法不稳定的弱点，而采用带数值阻尼的Newmark方法能较好地避免数值解的振荡。 ●在冲击荷载作用下，土中将形成一脉冲应力波。离地面越近，冲击波越明显。脉冲波峰到来时间从夯锤与地面作用处向下逐渐推后，且波峰幅值逐渐减小，这反映了应力在土中的传播特点。脉冲波过后，浅部的有效应力比夯前有明显提高；在离夯坑中心一定距离处有效应力得到明显加强，该距离以外，有效应力下降。 ●地面变形规律是夯坑深陷，在夯坑附近地表稍有隆起。土体位移峰值到达的时间随深度的增加而有所滞后，而且部分弹性变形消失得很快，残余变形随深度衰减迅速，说明夯击开始只是上部土体压缩明显，对下部土体的影响要随夯击的进行不断深入。夯坑中心点处的位移最大，两边一定距离内位移减小，该距离之外，影响甚小。 ●在强烈的动载冲击作用下，锤底的土体孔压短时间内急剧上升到最大值，随着有效应力的变化，孔压具有一定的波动，逐渐趋于稳定，形成残余孔压。之后，孔压将缓慢消散，土的强度将逐步提高。孔隙水压力随着距夯坑中心线距离的增大迅速减小，随深度增加逐渐减小。含粘性土层时，孔隙水压力消散缓慢，强夯时间间隔至少要1周以上。 ●强夯的总体加固效果与夯锤质量的关系更密切，与夯锤尺寸的关系次之。强夯效果与夯锤质量成正比，夯锤质量越大，总体加固效果越好。在底面积相同、夯击能相同条件下，重锤比轻锤更能提高土体的密实程度，但加固深度相对较小。即重锤强夯以提高加固程度为主，提高加固深度次之。强夯加固程度与夯锤尺寸的关系表现为，夯锤径高比越大(锤越扁)，对土体的渗透力越差，压密效果就越差：相反，夯锤径高比越小，对土体的渗透力越好，压密效果也就越好。所以，针对不同的强夯目标和不同的地质条件，灵活选用不同的夯锤，有利于充分发挥夯击能，提高工效。 基于以上认识，本文可得出如下结论： 1.笔者根据多孔介质模型广义Biot固结理论建立的控制方程，基于更新式拉格朗日坐标建立的有限元离散方程，可同时考虑地基的流固耦合、大变形/大应变以及材料非线性冈素。论文应用离散有限元方程对单次和多次强夯过程进行了数值模拟，具体分析比较了强夯加固地基的影响因素。数值模拟的结果与实际强夯结果相吻合。 2.考虑到现阶段本领域的数值模拟研究很少考虑流固耦合，而是采用先计算应力场再由此推算孔隙水压力的“动态压密法”(并非专家都这么叫)。本文在综合考虑流固耦合、大变形/大应变以及材料非线性(即双重非线性)的基础上进行数值模拟，较好地再现了强夯过程中的应力场、位移场和压力场。本文的方法明显比前者更合理、准确，对于改变强夯法过于依赖试验和经验的现状具有重要意义，可以明显减少试验的费用和施工的盲目性。 3.在有限元求解过程中，笔者采用混合有限元，把位移和孔隙水压力作为未知量。由于不同类型的未知量之间数量级差别很大，为了提高数值的稳定性和精度，在大变形动力固结有限元解法中采用了不同阶的单元插值函数方法；在计算域的时空离散方面，让数值满足一定的要求，防止数值发散：借助带数值阻尼的Newmark方法，较好地避免了强夯数值解的振荡。其中，最后一项措施在强夯数值模拟中很少有人采用。 4.在强夯全过程的模拟中，由于单次冲击时间很短，而二次冲击之间间隔时间很长，所以采用单一的瞬态动力模型计算，相当花时间(因为时间步长要求很小，步长大了会不稳定)。为了加快计算速度，笔者尝试在二次强夯的间歇期采用瞬态静力模型，取得了很好的效果。即该阶段不考虑惯性力，该模型可以逐步加大步长而不失稳，从而明显提高计算的速度。这种处理方法在强夯数值模拟中很少有人采用。事实上，前人很少对多次夯击的全过程进行模拟。 综观全文，论文的主要创新点在于： 1.采用同时考虑流固耦合、大变形/大应变以及材料非线性(即双重非线性)的数值模拟，较好地再现了强夯过程中的应力场、位移场和压力场； 2.对单次和多次强夯全过程进行了完整的数值模拟； 3.在强夯过程的不同时期采用不同的计算模型，冲击期采用瞬态动力模型，间歇期采用瞬态静力模型，从而使强夯全过程模拟成为可能； 4.采用带数值阻尼的Newmark方法，较好地避免了强夯数值解的振荡。 强夯法已广泛应用于我国的岩土工程施工领域，但其机理的研究(包括数值模拟研究)远落后于工程实践，导致不同地区的施工中存在一定的经验性和盲目性。通过本课题的研究，借助现代数值模拟理论与方法，可以比较清晰地了解强夯过程中的位移场、应力场和孔隙水压力的变化情况，深化对强夯法机理的研究。并且通过数值方法，可以对强夯法施工的重要影响因素进行分析，推荐解决优化施工的一些建议。 笔者展望，本论文的研究思路与方法不仅对进一步优化强夯法施工具有重要指导意义，而且对今后研究其它类似的地基处理与加固问题也具有借鉴价值。论文在最后一章中提出了该领域今后还需要深化研究的若干问题。我们相信，在各界同仁的共同努力下，数值模拟方法将不断地完善，不断深化与拓宽强夯法的研究。