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深厚吹填砂无填料振冲加同试验研究中文摘要 摘要 无填料振冲法加固砂土地基自1 9 3 7 年在德国诞生以来，在国内外得到了广 泛地应用。但是传统上认为无填料振冲法主要适用于含粘粒较少的中粗砂。对于 粉细砂，目前只在粘粒含量小于5 的砂土地基中谨慎采用，且加固深度一般不 超过l o m 。本文针对无填料振冲法加固粘粒含量较高，深度达到1 5 m 的粉细砂地 基，采用现场试验和室内模型试验，对无填料振冲法加固粉细砂地基进行了试验 研究。 围绕上述问题，本文针对吹填粉细砂基本特性，借鉴了前人的研究成果，进 行了现场试验研究，通过改进和革新传统的振冲施工工艺，研究了无填料振冲法 加固粉细砂地基的适宜性以及振冲器型号和功率、振冲方式、振冲间距、颗粒级 配和粘粒含量等因素对无填料振冲的影响，并对振冲后砂土加固效果进行了分析 和研究。 由于现场试验受各种因素影响，有些问题不能深入研究，为此进行了室内 模型试验来进一步研究时间效应闽题和粘粒含爨对振冲加固效果的影响。 关键词：无填料振冲粉细砂加固效果粘粒含量时间效应试验研究 施工工艺 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fv i b r o f l o t a t i o no fd e e ph y d r a u l i cf i l l e ds a n d s a b s t r a c t a b s t r a c t v i b r o f l o t a t i o nw i t h o u ta d d i t i o n a lb a c k f i l lh a sb e e nw i d e l ya n ds u c c e s s f u l l yu s e dt ot r e a t w e a ks a n d ys o i l si nt h ew o r l ds i n c ei t sc r e a t i o ni ng e r m a n y i ng e n e r a l ，v i b r o f l o t a t i o nw i t h o u t a d d i t i o n a lb a c k f i l li sv i e w e dt oo n l ys u i tf o rd e n s i f y i n gl o o s em e d i u mo rc o a r s es a n d s t h e t e c h n i q u ec a nb eu s e dr e s t r a i n e d l yo n l yi ns i l t ya n df i n es a n d so ft o t a lc l a yc o n t e n to fl e s st h a n 5 a n db eu s e dt ot r e a tl e s st h a n l o i nl o o s es i l t ya n df i n es a n d s i nt h i st h e s i s ，v i b r o f l o t a t i o no f 1 5 ms i l t ya n df i n es a n d so fh i g hc l a yc o n t e n tw i t h o u ta d d i t i o n a lb a c k f i l li ss t u d i e di nd e t a i l sb y w a yo fi n - s i t ut e s t sa n dl a b o r a t o r ym o d e l t e s t s b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fc h a r a c t e r i s t i co f s i l t ya n df i n es a n d sa n dt h er e s e a r c h c o n c l u s i o no ft h ef o r m e r ，t h ei n - s i t ut e s t sa r ee x e c u t e dt os t u d yt h ee f f i c i e n c yo f t h e v i b r o f l o t a t i o no fs i l t ya n df i n es a n d sw i t h o u ta d d i t i o n a lb a c k f i l lb ym e a n so ft h ei n n o v a t i v ea n d m o d i f i e dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s t h er e s u l t so ft h ef i e l dt e s t si n c l u d ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e ， c l r ra n ds p t ri sf o u n df r o mt h et e s tr e s u l t st h a tt h ed e g r e eo fd e n s i f i e a t i o nr e s u l t i n gf r o m v i b r o f l o t a t i o ni sc o n s i d e r e dt ob eaf u n c t i o no fm a n yf a c t o r s ，i n c l u d i n gv i b r o f l o tt y p ea n dp o w e r , v i b r o f l o t a t i n nm a n n e r , g r i ds p a c i n g ，p r e - t r e a t m e n td e n s i t y , g r a d a t i o na n dc l a yc o n t e n tb e s i d e st h e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s t h ee f f e c to fi r e a l n l e n ta f t e rv i b r o f l o t a t i o np r o c e s si si n v e s t i g a t e d b e c a u s eo fm a n yd i s a d v a n t a g ef a c t o r s ，s o m ep r o b l e m sc a nn o tb es t u d i c di nt h ei n - s i t u t e s t s a g i n ge f f e c t sa n dt h ee f f o ao fc l a yc o n t e n ta l es t u d i e di nl a b o r a t o r ym o d e lt e s t s k e yw o r d s ：v l b r o f l o t a t i o nw i t h o u ta d d i t i o n a lb a c k f i l l ；s i l t ya n df i n es a n d s ； e f f e c to ft r e a t m e n t ；c l o yc o n t e n t ；a g i n ge f f e c t s ；e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h ：c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 牛目 赫悸 ： 月 名； 签 年f加 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：排峰 舜j 月f 舄目 深厚欧填砂无填料振冲加固试验研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 随着基础建设的高速发展，土地资源越来越宝贵，利用滩涂或者直接围海造 嗣的工程越来越多，吹填法形成大面积陆域作为经济成熟的工艺被广泛采用。由 于形成陆域的吹填砂一般比较疏松，不能满足工程需要，必须进行处理才能使用， 所以吹填砂地基的加固方法就显得格外重要。 加固砂土地基一般采用振冲碎石桩、强夯、水泥搅拌桩和无填料振冲等方法。 水泥搅拌桩法由于造价较高，应用范围较小；强夯法加固深度有限，也制约了其 应用；振冲碎石桩法一般在加固中粗砂地基中采用，但有其局限性，一是需填料 量大，工程质量不易控制和检验，二是能否有效解决场地的不均匀沉降问题，目 前尚存在较大争论。因此，对予码头、机场和道路等加固面积大、对不均匀沉降 要求高的工程项目中谨慎采用。而且此法加固粉细砂地基效果不佳，甚至加固失 败；无填料振冲法加固砂土地基具有工艺简单、经济实用和效果显著等优点。目 前，国内外一般认为仅适用于处理粘粒含量小于1 0 的中粗砂等粗颗粒砂土地 基。对于粉细砂地基，一般教科书或有关规范中都有明确规定，不宜采用或不能 采用。但如果采用低水压振冲，并根据粉细砂的翼体性质选择合理的振冲器和相 应的施工工艺，粘粒含量较少的粉细砂地基采用无填料振冲法加固是可以取得成 功的。对于粉细砂地基，特别是粘粒含量大于6 的粉细砂，工程上常用振冲碎 石桩进行处理，但如果采用无填料振冲法可以取得更加明显的经济效益。因此， 采用无填料振冲法加固粘粒含量较高的粉细砂地基的研究具有重大的工程意义。 本文从上海国际航运中心洋山深水港实际工程出发，针对其特有的饱和、 疏松、粘粒含量偏高且处理深度达1 5 m 的吹填粉细砂进行了现场试验，通过采 用大功率振冲器和改进的施工工艺，取得较好的加固效果。在随后的室内模型 试验中，对现场试验发现的时间效应问题和粘粒含量对振冲加固效果的影响进 行了深入研究。 深厚吹填砂无填料振冲加网试验研究 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 振冲法的研究现状 1 2 1 1 振冲法的起源及其发展 振冲法( 即振动水冲法，英文常称 v i b r o f l o t a t i o n ，v i b r o c o m p a c t i o n 等) 加固松散砂类 土地基，形成和始用于1 9 3 7 年的德国，通常认为 它是通过一鱼雷形振冲器( 见图1 1 ) 往复插入土 体内部产生强烈振动和挤压并通常辅以压力水或 气的方法来振密和挤密砂类土地基( m o s e l e y p f i e b e1 9 9 3 ) 。1 9 3 7 年德国凯勒公司( j a h a n n k e l l e r ) s t e u e r m a n 基于混凝土振捣棒设计制造出 具有现代振冲器雏形的机具，并酋次用于处理柏 林市郊一幢建筑物的粗砂地基，没有外加填料。 加固后承载力了提高一倍多，相对密度由4 0 提 高到8 0 ( s t e u e r m a n1 9 3 9 ) 。其后在大量工程实 水管 吊管 活节头 电机垫板 潜水电机 转于 电机轴 联轴节 空心轴 壳体 翼板 偏心体 向心轴承 推力轴承 射水管 图1 1 振冲器构造示意图 践的基础上其有效性和经济性越来越被人们所认识。4 0 年代开始传到美国 ( d a p p o l o n i a1 9 5 3 ) ，5 0 年代被引进到英国和法国，6 0 年代开始在非洲得到应 用( w e b b1 9 6 9 ) ，5 0 年代末和6 0 年代初，英国、德国和美国相继通过回填碎 石等粗颗粒填料形成密实粗颗粒桩的方式又把这一技术拓宽到用来处理粘性 土，从而使振冲法逐渐发展成两大分支：一是不添加碎石等外来填料的无填料 振冲法( 国内又称振冲密实法) 和添加碎石等外来填料的填料振冲法( 国内又 称振冲置换法或振冲碎石桩法) ，其中前者主要用于加固中、粗砂等粗颗粒土， 而后者多用于粘性土等细粒土加固。日本于1 9 5 7 年引进振冲法，因6 0 年代经 新泻和十胜冲地震后振冲处理过砂基的破坏情况远较没有处理过砂基的破坏 轻，振冲法开始作为砂基抗震防止液化的有效措施而被进一步推广应用。由于 该法具有设备简单、施工便捷、施工期短、节约“三材”和效果显著等优点， 此后在世界各地得到了广泛的应用。 深厚畋填砂无填料振冲加固试验研究 第一章绪论 我国白7 0 年代中期开始对振冲法的研究，1 9 7 7 年南京水利科学研究院与交 通部水运规划设计院协同研制出我国最早的振冲器( z c q - 1 型及z c q - - 2 型) 并首次应用于南京船厂的船体车间工程，取得了成功的经验。随后唐山钱家营 矿、官厅水库、南通天生港电厂和四川铜街子水电站等工程相继采用，该法在 国内得到迅速推广。近二十多年来，中国在码头、机场、大坝、道路、桥涵、 大型厂房及工业与民用建筑地基上广泛应用振冲法进行加固，据不完全统计， 截至2 0 0 0 年我国已有2 1 0 0 多台振冲器投入工程使用，振冲加固地基总进尺已 达2 亿2 千多万延米( 曾昭礼2 0 0 0 ) 。 目前国内外许多大型地基加固工程，如美国安德斯坝、箱峡水电站、斯本 奈火电站、卡尔隆原子能电站、盂加拉m e g l m a g h a t 电厂、埃及阿斯旺大坝、香 港新机场和澳门机场等均是采用振冲法进行处理的。至2 0 0 2 年，世界上振冲法 的最大加固深度已达5 9 m ，振冲施工已从陆地操作拓展到水上平台或驳船操作， 应用范围也从中、粗砂拓展到粉砂、粉土、粉质粘土、粘土、淤泥质土甚至淤 泥、杂填土、湿陷性黄土、尾矿、垃圾土等，不过除中、租砂外其他土类多采 用的是填料振冲法( d e g e n1 9 9 7 ，b r o m s1 9 8 7 ，曾昭礼2 0 0 0 ) 。 1 2 1 2 振冲法的施工机具和工艺 振冲法旌工的主要机具有振冲器、伸缩管和支撑吊机三部分。其中对土体 加固效果起决定性作用的主要是振冲器的性能。近年来随着振冲法的不断推广 和应用，振冲器的发展也很快，出现了多种类型和性能的振冲器。根据振冲器 振动方向的不同，从广义上讲目前世界上常用的振冲器可以分为一下几种类型： 1 ) 水平向振动振冲器( v i b m f l o t ) 1 9 3 7 年德国人s t e u e r m a n 设计的世界上最早的振冲器就是采用水平向振动 方式，这也是目前国内外最常用的振冲方式。其振冲器为一带有偏心块的空腔 钢管，通过一柔性联轴节连接在伸缩管的下端，振冲器的水平向振动由偏心块 沿垂直轴旋转来产生。伸缩管的直径略小于振冲器的直径，其长度可根据具体 加固深度进行调整。另外为了提高振冲器的振动效果，通常在振冲器的周边还 镶有一些翼片。目前国内外常用水平向振动振冲器的技术参数见表1 1 和表1 2 。 在传统振冲器基础上，加拿大p h o e n i x 公司1 9 8 8 年研制出一种新型水平振 动振冲器：p h o e n i x 排水振动机( p h o e n i xm a c h i n e ) ，该机主要由一鱼雷型振动 深厚吹填砂尤填料振冲加固试验研究第一章绪论 管和一抽水装置构成，在振动加固过程中同时进行抽水。其振动频率2 5 h z ，激 振力2 3 k n ( c a m p a n e l l a & h o d g e1 9 9 0 ) 。 2 ) 垂向振动振冲器( v i b r a t o r yp r o b e ) 垂向振动振冲器一般是基于振动杆原理设计的，它通过一特别设计的长密 实管或杆在安装在管顶的重型振动器的激发下做垂向振动并反复插入土体内部 若干次以逐步密实周围土体。目前此类振冲器主要有： 国外常用的水平向振动振冲器主要技术参数( g r e e n2 0 0 1 )表1 1 制造公司 b a u e r b a u e rk e u e rl 江l l e rl 沁l l 盯k e l l e rv i b r ov i b m 型号t r l 3t r 8 5msalv 2 3w 2 长度 3 1 34 2 03 3 03 0 04 3 53 1 03 5 74 0 8 直径( n ) 3 0 04 2 02 9 04 0 02 9 03 2 03 5 1 ) 3 7 8 主机重量。曙) 1 0 0 02 0 9 01 6 0 02 4 5 01 9 0 01 8 1 52 2 0 02 6 0 0 电机功率隹聊 1 0 52 1 05 01 2 05 01 0 01 3 01 7 5 振动频率( r p m ) 3 2 5 01 8 0 03 0 0 01 8 0 02 ) 03 6 0 d1 8 0 01 5 0 0 振幅( m m ) 6 02 2 07 21 8 0 1 3 8 5 32 3 04 2 0 激振力( k n ) 1 5 03 3 1 )1 5 1 )2 8 01 6 02 0 l3 0 04 7 2 国内常用的水平向振动振冲器主要技术参数表1 2 型号z c 0 1 3z c 0 3 0z c q 5 5z c q 7 5 iz c q l 2 5g z c 0 4 0b j 3 0b l 7 5 长度( m ) 1 9 72 1 52 7 93 o l3 4 6 2 9 7 2 0 03 0 0 直径( n m ) 2 7 33 5 13 5 13 5 14 0 23 9 53 7 54 2 6 主机重量0 m ) 7 8 09 4 01 1 6 31 2 6 31 8 0 01 1 4 28 5 02 0 5 0 电机功率o 1 3 3 05 57 5 1 2 5 4 0 3 07 5 振动频率( 1 l m ) 1 4 5 01 4 5 01 4 6 01 4 6 01 4 8 01 4 5 0 1 4 5 0 1 4 5 0 振幅( m m ) 3 04 25 61 0 01 0 54 11 0 07 0 激振力0 c n ) 3 59 01 3 01 6 02 5 01 1 08 01 6 0 俪0 力矩( n m ) 1 4 93 8 55 5 46 8 31 0 2 01 8 5 0 额定电流( a ) 2 5 56 0 01 0 0 01 5 0 02 3 0 o6 0 o 1 5 0 0 1 9 7 4 年美国a n d e r s o n 设计出一种新型振冲器一囊向振动管( t e r r a - p r o b e ) ， 该振动管为一直径0 7 6 m 的开口钢管，管壁厚9 5 m m ，长度大于贯入加固深度 3 5 m ，钢管项部装有一台f o s t e r 型振动打桩锤以产生垂直振动。振动锤频率 为1 5 h z ，垂直振幅为1 0 2 5 m m 。 1 9 7 7 年日本s a i t o 提出垂向振动杆法，振冲器为一1 垂向振动的周围有许多棱 状突起的振动杆( d o u b l et u b er o d 和r o dw i t hp r o j e c t i v e s ) ，其贯入和振密也是 4 深厚吹填砂无填料振冲加固试验研究 第一章绪论 通过一安装在管顶的振动锤产生垂直振动来实现的，对于每一振冲点振冲器需 反复插入、提升若干次。 振冲翅( v i b r o w i n g ) 最早为一瑞典公司制造并应用，它主要由一个约1 5 m 长的钢管和一个安装在其顶部的重型振动器组成，钢管周边有许多间距约 0 5 m 、长约o 8 m 的翅状突起。振冲翅的典型振动频率为2 0 h z ，但其大小可根 据具体场地条件进行调整。振动时间和上拔速率主要取决于加固深度、土的渗 透性以及振冲点间距( m a s s a r s c h & b r o m s1 9 8 3 ) 。 y 型振动管( f r a n k i t r i s t a r p r o b e 或y - p r o b e ) 于7 0 年代末期产生于比利时， 它主要由三个连在一起的钢板组成，钢板宽5 0 0 m m ，厚2 0 r a m ，以1 2 0 。夹角 焊接在一个约1 5 2 5 m 长的钢管端，另外为提高振冲处理效果，在每个钢板 的两边还镶有一些3 0 0 r a m 5 0 m m 1 0 m m 的水平钢肋，间距约2 m 。钢管和钢 板在安装于钢管顶部的可变频振动器驱动下以5 2 0 i - i z 的频率做垂向振动。y 型振动管的加固效果主要取决于振动时间、振动频率、上拔速率、振点间距以 及土体内的细粒含量( n e e l y l e r o y1 9 9 1 ，v a nl m p c 等1 9 9 3 ) 。 基于土体在共振频率被激发时可以有效放大地面响应的原理，m a s s a r s c h 于 1 9 9 1 年提出了共振密实的概念( m u l l e r r e s o n a n c ec o m p a c t i o ns y s t e m ) ，它是通 过不断调整振动器频率使其达到土层和振冲器系统的基振频率来实现的。土层 和振冲器系统的共振频率可以通过改变振动嚣振动速度并测量其引起的地面响 应来获得。m r c 密实系统是由一开口双y 形柔性密实管和一安装在其顶部的 可变频蘑型振动器构成，另外还包括一可连续记录振动频率、贯入深度、水压 和地面振动速度等重要参数的电子记录系统。密实管首先高频贯入到指定深度， 然后调整振动器频率使其达到土层系统的共振频率，从而放大地面振动反应， 提高对周围土体的有效密实。 上述各类振冲器的一个共同特点是使其产生垂向振动的驱动部分均安装在 长钢管或钢杆的顶部。驱动部分在振冲加固过程中不贯入土体内部，其物理尺 寸没有具体限制。虽然该类振冲器与水平向振动振冲器相比在加固粗颗粒土方 面有其自己的优势，但该法有两个明显的缺陷，一是加固后土体的均匀性很难 保证，二是有深度限制。这是由于该类振冲器在其整个贯入深度范围内均激发 其周围土体进行振动，因此上部士体振动时间较长而下部土体振动时间较短， 深厚吹填砂无填料振冲加固试验研咒第一章绪论 从而有可能使土体沿深度变化产生不一致的密实度。此外由于振动器本身的柔 性，其诱发振动幅值沿振动器长度将逐渐减小，限制了振冲加固的最大深度。 3 ) 水平垂直双向振动振冲器 为了联合水平和垂直振动各自的优势，近年来在水平向振动振冲器和垂向 振动振冲器的基础上，国内外有关专家开始设计制造水平垂直双向振动振冲器， 如国外的s v s 法联合t o y o m e n k a 法，其振动部分包括一产生垂向振动的振动驱 动锤和一产生水平振动的v i l o t 深度密实器( m i t c h e l l1 9 8 1 ) 。我国1 9 8 1 年在 z c q 3 0 型水平向振冲器基础上也研制出的具有水平激振力9 t 和垂向激振力4 t 的双向振冲器，并在沦州市造纸厂和德州平板玻璃厂工程进行了试用。虽然该 型振冲器由于损坏率较高，进行大面积推广尚需进一步改进，但该型振冲器贯 入速度和垂直冲击力更大、竖向压密效果更好的现实显示了其广阔的发展前景。 1 2 1 3 振冲法的适用性及试验研究 1 ) 振冲加固效果及其变化规律 自从1 9 3 7 年振冲法问世以来，在世界各地得到了广泛的应用，其对砂土地 基特别是中粗砂地基的加固效果已得到了有效地验证。d a p p o l o n i a ( 1 9 5 3 ) 利 用试验结果证实了振冲法加固纯净粗砂基的有效性，建议采用影响系数来预估 加固效果，建立了表达振冲点问距和加固后相对密度关系的振冲加固影响系数 图，并指出加固后的密实度( 用相对密度来表示) 随离开振冲器中心的径向距 离呈指数关系减小。但s o l y m a r & r e e d ( 1 9 8 6 ) 基于静探试验结果发现，疏松 中粗砂振冲加固后振冲点处的贯入阻力却相对较低，并随径向距离增加而增大， 在距离贯入点l m 左右达到最大值，然后才开始减小，至3 m 左右已基本无加固 效果。t o b s o n ( 1 9 8 7 ) 通过现场试验给出了纯净砂相对密度随振冲间距变化的 包络线。 b r o w n ( 1 9 7 7 ) 报据试验结果分析了振冲器类型、振点间距和布点方式、土 质条件、振冲器贯入和上提方式、填料以及操作技术对加固效果的影响，给出 了适合进行振冲加固的土体颗粒级配范围，并基于实践提出了个衡量外加填 料适用程度的定量指标“适宜数”( s u i t a b i l i t yn u m b e r ) s 。： 深厚欢填砂无填料振冲加固试验研究 第一章绪论 s 。= 1 7 l e y c u r e s c h r o e d e r ( 1 9 8 7 ) 研究了上覆压力和边坡对垂向振动加固效果的 影响。发现加固后相对密度一般在地面下5 m 左右达到最大值，然后才随上覆 压力的增加逐渐降低。与相同条件下的水平场地相比，边坡的存在起着降低加 固效果的作用。l e y c u r e 等通过对前人质料的分析认为，水平振冲后土体相对密 度随深度的变化规律与垂向振冲不同，其相对密度通常随深度的增加而略有降 低。 a n d r e u 等( 1 9 8 3 ) 基于现场试验结果指出，对于大面积地基处理，三角形 布点方式较矩形或方形布点方式更有效，并发现填料振冲法有时会加剧了原始 土体的不均匀性。 m e t z g e r k o e m e r ( 1 9 7 5 ) 利用一直径5 5 9 m m 高1 9 m 的金属容器和直径 6 6 m m 长0 3 0 5 m 的振冲器对初始相对密度、填料类型对加固效果的影响以及加 固效果随离开振冲器中心距离的变化规律进行了多次模型试验研究。试验结果 证明了对振冲进行室内模型试验研究的可行性。 振冲法除用来提高地基强度、减小地基沉降和不均匀沉降外，还被广泛用 来改善地基土的动力特性，减小砂性土的液化势，振冲产生的预振效应和挤密 效应可以有效提高砂性土的抗液化性能( d o b s o n1 9 8 7 ，b a e z1 9 9 5 ，施履祥 1 9 8 4 ) 。 2 ) 振冲加固适用范围及细粒含量对加固效果的影响 砂类土中的细粒含量对 土体的振冲加密有很大的影 响。w 曲b i a nh a l l ( 1 9 6 9 ) 根据在含粘粒的砂基中进行 的填料振冲试验结果，认为 细粒含量达3 0 时，在距振 冲点l m 以内仍有一定的加 密效果，不过加密影响范围 和加固效果随粘粒含量的增 i 搿援疑等捌舅。1 ”、。 ，滋 鬻蒸黪 t j 孑嚣、i 铴 粪羹 溅耕 2 ：臻刃，k 碧。芽 ：- tji、 1 0 i j 。t “一 、母垮菇黪磐| ，、 魏搿囊礅鬈k ， 、| 。；，遗翌辣i 尊；一，c 一寸r 图1 2 振冲加固颗粒级配范围 工蚶吾一r! 深厚吹填砂无填料振冲加固试验研究 第一章绪论 加而明显减小。s l o c o m b e 等( 2 0 0 0 ) 认为通过提高振冲器功率和改进施工技术， 填料振冲法可以用来加固细粒含量超过4 5 的土体。但s a i t o ( 1 9 7 7 ) 却指出对 于细粒含量超过2 0 的砂土，振冲法几乎没有任何挤密效果。h a r d e r 等( 1 9 8 4 ) 也报道了对t h e r m a l i t o a f t e r b a y 坝基的粉砂( 细粒含量超过2 0 ，部分达3 5 ) 用填料振冲法加固失败的例子，并认为加固失败的原因是由于加固砂层上面的 粘土或粉土硬壳层或砂土中含有较高细粒的缘故。目前世界上对于振冲法能否 有效密实细粒含量超过2 0 2 5 的土体还存在较大的争议。 m i t c h e l l ( 1 9 8 1 ) 给出了适合于振冲加固的颗粒级配范围( 见图1 2 ) ，当土 层颗粒级配全部位于b 区时，加固效果最好，若级配曲线全部落在c 区，因颗 粒过细则加固有困难，若位于a 区，则影响振冲器的贯入速度和易损坏振冲器。 随着近年来大功率振冲器的问世，可加密土体粒径的上限已逐渐提高，但可加 密土体粒径的下限却变化不大。m a s s a r s c h ( 1 9 9 1 ) 根据静探试验结果建立了土 的可振冲加密性与锥尖阻力及摩阻比间的关系图，基于锥尖阻力和摩阻比给出 了适合进行振冲加固的土类范围。 对于无填料振冲法的适用范围，目前一般认为无填料振冲法仅适用于小于 0 0 7 4 r a m 的细粒含量不超过1 0 的中、粗砂地基( m o s e l e y & p r i e b e1 9 9 3 ，叶书 鳞等1 9 9 8 ) 。但s l o c o m b e 等( 2 0 0 0 ) 认为无填料振冲法可以用来加固细粒含量 ( 直径小于0 0 6 r a m ) 达1 5 或粘粒含量( 直径小于0 0 0 5 m m ) 达2 的砂性土。 对于无填料振冲法能否有效加固粉细砂或细粒含量超过1 0 的砂性土地基，目 前国内外尚无明确统一的认识。 3 ) 振动器固有振动参数对加固效果的影晌 振动力对加固效果的影响；增大振动力可以提高加固效果和加大影响范围。 但加固效果通常并不随其成比例增加，对不同的土质和加固深度，应选择不同 的振动力( 叶书鳞1 9 9 8 ) 。 振动频率对加固效果的影响：当振动频率接近土颗粒振动频率而使土体处 在共振状态时加固效果最佳。过高的振动频率虽有利于振冲器的贯入，但并无 助于土体振密。m a s s a r s c h ( 1 9 9 1 ) 试验袭明，垂直振动频率为1 0 2 0 r p m 时对粉 细砂土的加固效果较频率为8 4 0 r p m 的好。b 本金刺敏朗的试验也表明水平振动 频率为1 5 0 0 r p m 时的加固效果远较3 0 0 0 r p m 的效果好( 林宗元1 9 9 3 ) 。 深厚吹填砂无填料振冲加固试验研究 第一章绪论 振动加速度对加固效果的影响：当土体振动加速度为1 o 2 o g 时，孔隙水 压力随加速度的增加而增加，当加速度在2 9 以e 时，孔隙水压力基本不再增加， 这说明过大的振动加速度对砂土加固是没有意义的。实测资料表明，振动加速 度和振动孔压随离振中距离的增加而呈指数关系衰减( 王盛源1 9 8 6 ，王仁钟等 1 9 9 3 ) 。 c h a n g ( 1 9 8 7 ) 利用振动台研究了振动时间、频率、振幅、加速度、仞始密 度、饱和度等因素对均匀砂和理想级配砂振动密实的影响，认为砂土振动密实 主要受控于振动强度即振动加速度，并存在一最优振动加速度。 1 2 1 4 振冲法的理论研究 与工程实践的广泛应用和巨大成功形成鲜明对比，振冲法，特别是无填料 振冲法的理论研究目前还尚处于肤浅、零星和不成熟的初级阶段，对于振冲过 程中砂土颗粒的变化规律以及加固效果的控制因素还不清楚，振冲法的设计还 处于主要靠经验和现场试验的阶段。 振冲法加固砂性土地基是借助于振冲器产生的重复强烈振动和侧向挤压， 有时还附以压力水和压力气，使一定范围内的土体发生液化或结构破坏，土粒 重新摊列，由不稳定位置移到稳定位置，孔隙减小而得以加固。李君纯等( 1 9 8 2 ) 认为振冲加固砂性士的机理为振挤作用、浮振作用和固结作用。造孔时主要为 振挤作用，留振时主要为浮振作用，停振后主要为固结作用。叶书鳞等( 1 9 9 8 ) 认为砂性土的振冲加固机理为挤密效应、排水减压效应和预振效应。郑建国 ( 1 9 9 2 ) 认为造孔时主要为挤密过程，而上拔时主要为振密过程。对于这些加 固作用是如何进行和实现的，却未见有详细分析。 妥h 弹性区 重 强 度 度l l 。 i 挤密区卜磊一r 一 ，l 了再专：g 矗o g 一穗度 图1 3 砂土对振冲的理想反应 研究表明，当振动加速度为o 5 9 时，土的结构开始破坏；1 0 1 , 5 9 时士体 深厚吹填砂无填料振冲加【剞试验研究 第一章绪论 进入流态：超过3 0 9 时土体发生剪胀，此时土体不但不变密实，反而由密变松。 根据从振冲器测壁向外加速度的大小将振冲器周围的土体分为五个区域，即紧 靠测壁的剪胀区( 土体处于剪胀状态) 、流态区( 土体处于流体状态，士粒有时 联接，有时不联接) 、过渡区和挤密区( 土粒保持联接，能够通过图骨架传递振 动应力) 以及弹性区( 土粒受振动小，无挤密效果) ，如图1 3 。并认为只有过 渡区和挤密区才有明显的挤密作用，过渡区和挤密区的大小取决与砂土的性质 和振冲器的性能( g r e e n w o o d k i r s e h1 9 8 3 ) 。 d o b r y p e t r a k i s ( 1 9 9 0 ) 基于试样中孔隙的统计空间分布建立了一微观力 学统计模型，以解释干颗粒土受应变控制循环单剪作用引起的密实现象及其孔 隙发展。该模型假设土体的密实主要受孔隙的统计空间分布控制。 s a w i c l d & s l i w i n s k i ( 1 9 8 9 ) 基于砂土在循环荷载作用下的密实理论建立了 用循环应力幅和应变幅表示的密实模型及数值计算方法，并分析了砂土因振冲 作用而引起的密实和沉降。但该模型是建立在土体响应是完全弹性的假设上。 h o l c y m a n ( 1 9 9 7 ) 基于能量传播和地震液化的概念，通过引起等效循环应 力比，提出了一种地震工程法来预测垂向振动法对砂摹的加固效果。g r e e n ( 2 0 0 1 ) 基于土体破坏主要是由垂向剪切波( s v 波) 引起的假设，建立了预测 垂向振冲器餍围土体内能薰消散的一阶模型。 m a s s a r s e h ( 1 9 9 9 ，2 0 0 2 ) 从加固过程中的能量传递和应力应变关系入手简 要分析了共振密实( m r c 法) 的基本原理，并指出加固后土体的侧向有效应力 将会明显增大，土体处于超固结状态。 此外，国内外也有人采用有限元方法，从复合地基角度来分析加固后土体 性状，我国的研究人员多采用此种方法。但由于该方法考虑桩间土的扰动和挤 密作用较困难，桩土界面不规则且界面特性模拟末解决好而有很大的局限性。 1 2 1 5 振冲加固效果的监测与检测 由于振冲问题本身的复杂性和现有设计计算理论的不完善，振冲施工过程 中和加固后必须采取适当的措旌对加固效果进行监测和检测。 对于施工过程中的质量监测，主要是控制密实电流、留振时间、填料量以 及振冲器的贯入速率、提升问距和速率。对于匕述参数的监测目前国内外多采 用自动记录仪结合人工进行。此外动孔压也可作为加固深度和质量控制的。种 深厚吹填砂无填料振冲加同试验研究 第一章绪论 间接指示。 对于加固后的质量检测，目前常用的有标准贯入试验( s p t ) 、静力触探试 验( c p t ) 、旁压试验( p m t ) 、大型静载荷试验、十字剪切板试验、波速试验、 室内试验和地面沉降观测等。 标贯试验虽应用最为广泛但对于估算密实土沉降势、承载力或相对密度并 不可靠，且因标贯击数不是连续获得，无法正确评估振冲密实的垂向变化情况。 对于地下水位下的松砂由于塌陷和扰动，很难得到准确的结果。此外标贯试验 还受到动孔压和静止侧压力系数等因素的影响( b r o w n1 9 7 7 ) 。 静力触探作为一种简单和经济实用的现场试验方法，克服了标贯试验的主 要缺陷，锥尖阻力可直接用来估计密实土的沉降，被认为是一种最好的质量控 制方法之一。但是当有超静孔压时，锥尖阻力会不合理地异常低，且受毛细作 用和砂的压缩性影响较大( b r o m s1 9 8 7 ，c a v i l 等1 9 9 7 ) 。 近年来，表面波频谱分析法( s a s w 法) 、地质雷达和地质斜钻等方法也开 始作为振冲加固质量的检验措施为国内外工程界所接受。 1 3 本文研究的目的、意义和主要内容 1 3 1 研究的目的和意义 粉细砂地基在我国东部沿海地区分布很广，近年来因码头、机场等大型工 程建设项目发展的需要又出现了很多填海造地形成的粉细砂陆域。这些粉细砂 陆域一般工程性质较差，必须采用适当的加固措施进行处理。无填料振冲法因 其施工简便、工期短和造价低等优点，特别适合我国国情。本课题的研究目的 是通过无填料振冲现场试验、室内模型试验，为洋山深水港地基加固工程施工 提供技术指导。 本课题的研究成果不但为其他类似工程的地基加固开拓了新思路，可以为 将来制订或修改有关地基处理规范时提供参考，而且有助于进一步理解和发现 无填料振冲法加固粉细砂地基的适宜性，解决目前振冲法在实际应用中存在的 若干问题，为正确、合理、高效地进行振冲设计和施工以及拓宽无填料振冲法 的实际加固范围提供科学的理论依据和指导，因此具有很大的理论和现实意义， 可以产生重要的社会和经济效益。 深厚吹填砂无填料振冲加固试验研究 第一章绪论 1 3 2 本文的主要研究内容 首先进行现场试验研究，通过改进和革新传统的振冲施工工艺，研究无填 料振冲法加固粉细砂地基的适宜性；其次针对现场试验出现的问题进行室内模 型试验，研究无填料振冲法在不同粘粒含量的粉细砂中的宏观力学特性，并对 粉细砂时间效应进行研究，以便为将来粉细砂地基振动加固的实际设计和施工 提供指导。 1 现场试验 现场试验分为五个小区进行，分别进行不同功率的振冲器( 7 5 k w 、1 0 0 k w 、 1 2 5 k w ) 、振冲方式( 单振、双振) 和不同振冲间距的试验研究，研究无填料振 冲对粉细砂土加固的适宜性和宏观力学特性。具体测试内容包括：地面沉降观测、 孔隙水压力观测、地下水位观测、干密度试验、静力触探试验、静载荷试验、标 准贯入试验( n 3 6 5 ) 和回弹模量试验。 2 室内模型试验 模型试验旨在对受现场试验条件限制而无法研究的问题进行后续研究。重点 包括粉细砂的时间效应问题和粘粒含量对振冲加固效果的影响。具体的试验有振 冲试验、室内的静力触探试验、干密度试验、相对密实度试验以及其他相关的物 理力学指标试验。 3 数据分析和研究 根据室内外试验结果和现场实测资料分析，对粉细砂的时间效应和粘粒含 量对振冲的影响给出定性结论。 深厚吹填砂无填料振冲加固试验研究 第二章振冲加固现场试验耐f 究 2 1 引言 第二章振冲加固现场试验研究 本次现场试验位于上海市重大工程国际航运中心洋山深水港吹填砂陆域 区，虽然目前有关粉细砂振冲加固的现场试验资料很多，但主要是填料振冲 法，很少涉及无填料振冲法，而且一般深度小于l o m ，此次试验区吹填粉细砂 平均厚度达2 3 6 m ，最深处达4 5 m ，国内没有相关工程经验可供借鉴，具有参 考价值的相关资料较少，必须通过现场试验对于振冲器性能、振冲方式、振 冲间距、颗粒级配和粘粒含量等因素对无填料振冲的影响，并对振冲后砂土 加固效果进行了分析和研究。 本章在1 # 试验区( 浅区) 试验研究成果的基础上，通过分析传统振冲法 加固失败的原因，改进和革新了传统振冲法的施工工艺，从实际应用的角度 对振冲法在粉细砂地基处理中的有效性和主要技术参数及影响因素进行进一 步的研究和分析，探索其可能达到的密实程度和变化规律，加深对振冲宏观 加固机理和影响因素的理解。 2 2 现场试验 2 2 1 概述 港区内钻探资料揭露，离码头前沿线l o o m 范围内天然泥面标高在 一1 3 3 m - 2 2 9 m ，平均为- 1 6 6 m 。表层存在灰黄灰色粉砂夹粉质粘土( 1 1 2 ) ， 1 ：3 深厚欧填砂无填料振冲加用试验研究第二章振冲加固王兑场试验研究 含水量为3 1 2 ，承载力为8 0 k p a ，厚度为2 0 9 2 m ；下层为狄黄灰色淤 泥质粉质粘土( 1 1 1 2 ) ，含水量为4 2 4 ，承载力为6 5 k p a ，厚度为2 0 1 0 o m ； 港区东部局部区域存在灰黄灰色粉细砂( 1 1 3 ) ，厚度为4 8 m 左右，下层为灰 黄狄色淤泥质粘土，厚度为5 1 1 2 o m 。后方区域天然泥面标高在o 4 m 3 2 o m ，平均为1 4 2 m ，局部区域存在1 5 m 厚的淤泥层( i ) ，大部分区域存在 1 8 1 7 8 m 厚的灰黄灰色粉细砂0 1 3 ) ，含水量为3 1 5 ，承载力为9 0 k p a ； 下层为灰黄灰色淤泥质粘土( i i i l 2 ) 和灰黄灰色淤泥质粉质粘5 1 2 ( 1 1 1 2 ) ，互 相交替，厚度为2 o 9 o m ，再下为灰绿灰黄色粉质粘土( i v l 1 ) ，含水量为 2 6 4 ，承载力为1 8 0 1 9 0 k p a ；厚度为7 o m 左右，可作为良好持力层。 2 # 试验区( 深区) 位于镬盖塘西侧，东边距镬盖塘3 5 0 m 左右，北边距 北围堤约1 5 0 m ，面积约2 5 0 0 0 m 2 。场区原始地面标高介于3 8 1 m 5 8 m ，粉 细砂吹填高程为7 o m ，吹填粉细砂中粒径小于o 0 0 5 m m 的细粒含量( 包括粉 粒和粘粒) 介于1 2 4 0 之间，其中粒径小于0 0 0 5 的粘粒含量接近