（岩土工程专业论文）动力排水固结法加固软粘土的室内试验研究及土的微观结构分析.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 越来越多的理论研究及成功的工程实例表明，如果处理得当，采用动力排水固结法加 固软粘土地基，可以达到预期的加固效果。一般而言，这一方法具有效果好、工期短、投 资省等优点。然而，由于软粘土的特殊性和复杂性，加之该方法应用时间并不长，目前应 用这项技术处理软粘土地基仍停留在经验积累阶段，尚无成熟的理论和设计计算方法。因 此，开展动力排水固结法的试验研究，探寻该法的合理施工工艺，对提高该技术应用水平 具有重要意义。 同时，土体工程性质在很大程度上受微观结构状态的影响，任何复杂的物理力学性状 都是其微观结构特性及其变化的综合体现。要想揭示物理力学行为的本质，必须掌握土体 在受力前后其微观结构的变化规律。 本文利用室内试验手段，对动力捧水固结法加固软土地基的施工工艺以及其土体微观 结构变形特性进行了分析。主要工作包括： 1 确定试验方法。提出了室内动力固结试验装置的设计思路，并验证了改造后的动 力固结装置模拟现场动力排水固结施工的可行性。在室内试验的基础上，通过对夯击过程 中孔隙水压力和轴向变形两方面的变化以及动力固结后土体强度的增长情况进行对比分 析，提出了夯击的最佳夯击能、锤重与落距组合、夯击遍数以及能量施加顺序等施工参数 的确定方法 2 对夯击前后土体微观图像进行分析，获取其孔隙的主要参数，对比其变化。通过 液氮冷冻干燥制样技术制备软土试样，借助扫描电子显微镜技术，得到经室内动力排水固 结前后土体的微观结构图像，用眦t l a b 语言编程，计算得到其微观结构参数，初步分析 了在动力排水固结前后土体微观结构发生的变化 3 引入分形几何理论，应用小岛法分析了土体孔隙的分形特征土体水平垂直两断 面的孔隙均具有分形特征，其分形维数介于1 2 之间，经夯击，两者的分形维数均减小。 4 对本文的工作进行总结，并对今后的研究工作进行展望。 关键词：动力捧水固结法，软粘土，室内试验，扫描电镜，微观结构，分形 第页 武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o r ea n dm o r et h e o r e t i c a l s t u d ya n d s u c c e s s f u l e n g i n e e r i n ga p p f i c a t i o ne x a m p l e s i n d i c a t i e dt h a tt h em e t h o do fd y n a m i cc o n s o l i d a t i o nb yd r a i n a g e ( m d c d ) f o ri m p m v i n gs o f t c l a yf o u n d a t i o nc a na c h i e v e dt h ea n t i c i p a t i v ee f f e c ti np r o p e rt r e a t m e n t u s u a l l yt h i sm e t h o dh a s t h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：c o n s t r u c t i o np e r i o di ss h o r t , t h ec o s ti ss a v e ，t h et r e a t m e n te f f e c ti s g o o d h o w e v e r , b e c a u s eo ft h es o f tc l a y sc o m p l e x i t ya n ds p e c i f i c i t y , a n dt h i sm e t h o di sa p p l i e d t oa p p l i c a t i o nv e r yf a s t , a n di ti sa tt h ee x p e r i e n c ea c c u m u l a t i o ns t a g en o w , i th a sb e e nc a r r i e d o u tw i t h o u ta n yg u i d a n c eo fm a t u r et h e o r yo rd e s i g nc a l c u l a t i o n a lm e t h o d s t h e r e f o r e ，c a r r y i n g o nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h em d c d , e x p l o r i n gi t sr a t i o n a lc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi so f g r e a ti m p o r t a n c e m e a n w h i l e ，t h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs o i la g ei n f l u e n c e dg r e a t l yb yi t sm i c r o s t m c - t u r e ，a n yc o m p l e xp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs o i la r et h ec o m p r e h e n s i v er e f l e c t i o no f i t s 蜘c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e i rc h a n g e s r e v e a l i n gt h ee s s e n t i a lo ft h ep h y s i c a la n d m e c h a n i c a lb e h a v i o a ro fs o i ln e d $ t om a s t e rt h ec h a n g er e g u l a t i o no fi t sm i c r o s t r u c t u r eb e f o r e a n da f t e rl o a d i n g t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fs o f tc l a yf o u n d a t i o ni m p r o v e m e n tb ym d c da n dt h es o f t c l a ym i c r o s t m c t u r ed e f o r m a t i o nc h a r a o e r i s t i ca r es t u d i e db yl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a lm e t h o d s t h em a i nw o r kc a nb ec o b c l u d e da sf o i l o w s ： 1 e x p e r i m e n t a lm e t h o di sd e t e r m i n a t e d t h ed e v i c ep r o j e c to fl a b o r a t o r ye q u i p m e n ts i m u - l a t i n gt h ed y n a m i cc o n s o l i d a t i o ni se x p o u n d e d , i t sf e a s i b i l i t yi sa f f t r m e d t h ep o r ew a t e r p r e s s u r ea n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o f tc l a yu n d e ri m p a c tl o a d i n gi nl a b o r a t o r ye x - p e r i m e n ta r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y , a n dt h ea s c e r t a i nm e t h o d so fc o n s t r u c t i o nt e c h n i c a lp s r a m e t e r ss u c ha st h eb e s ti m p a c te n e r g y , t h ei m p a c tt i m e s , t h ed r o ph e i g h ta n dm a s s ，t h eo r d e ro f d y n a m i cl o a d i n gi n f l i c t i o na n ds oo nh a v e b e e np u tf o r w a r d 2 t h ep a r a m e t e r so ft h es o i lp o r e sa r ef o u n db ys t u d y i n go nt h em i c r o s t m c t u r ei m a g e so f t h es o f tc l a yb e f o r ea n da f t e ri m p a c t ，a n dt h ec o m p a r i s o no ft h ep a r a m e t e r sh a sb e e nm a d e b a s e do nt h es a m p l e m a d et e c l m o l o g yo ft h el i q u i dn i t r o g e nf r e e z e - d r y , s a m p l e so fs o f tc l a y h a v eb e e np r e p a r e d w i t ht h e h e l po fs 啪e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) t e c h n o l o g y , t h e m i c r o s t m c t u r ei m a g e so ft h es o f tc l a yb e f o r ea n da f t e rl a b o r a t o r yi m p r o v e m e n tw i t hm d c da r e t a k e n t h ec h a n g e so ft h es o f t c l a ym i c r o s t m c t u r ep a r a m e t e r sa r es t u d i e db yap r o g r a m d e v e l o p e db yt h em a t l a bl a n g u a g e t h ec h a n g e so ft h es o i lm i c r o s t m c t a r ea f t e rt h e i m p r o v e m e n th a v e b e e ns t u d i e dp r e l i m i n a r i l y 3 b yi n t r o d u c i n gt h ef r a c t a lg e o m e t r yt h e o r y , t h ef r a c t a lp r o p e r t i e so ft h es o i lp o r e sa r e s t u d i e db yu s i n gs l i ti s l a n dm e t h o d t h ep o r e so nt h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lc r o s ss e c t i o n so ft h e s o i lp o s s e s st h ef r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c , t h e i rf r a c t a ld i m e n s i o n sr a n g ef r o m1t o2a n db o t hh a v e b e e nd e c r e a s e da f t e rt h ei m p a c t 4 t h ea c h i e v e m e n t so ft h i ss t u d ya r es u m m a r i z e d , t h el a t e rt a s k sa r ea l s op r o s p e c t e d k e yw o r d s ：t h em e t h o do fd y n a m i cc o n s o l i d a t i o nb yd r a i n a g e ，s o f tc l a y , l a b o r a t o r ys i m u l a t i o n e x p e r i m e n t , s e m ，m i c r o s t r u c t u r e ，f r a c t a l 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 自然界的土体是由砂粒、粉粒与粘粒三种颗粒组成的混合体。软土是在工程建设中遇 到的工程问题最多的一种特殊土，我国各行业对软土的定义有所不同。建筑地基基础设 计规范( g b 5 彻一2 0 0 2 ) 中定义软土为淤泥及淤泥质土；交通部的公路软土地基路堤 设计与施工技术规范( 脚0 1 7 _ 9 6 ) 中定义软土为：滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然 含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土；我国岩土工程勘察规范 ( g b 5 0 0 2 1 - 2 0 0 1 ) 中规定：天然孔隙比大于或等于1 d ，且天然含水量大于液限的细粒土 应判定为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭土等，其压缩系数大于o 5 m p a 1 ，不捧 水抗剪强度小于3 0 k p a 。综上所述，软土是与土质，工程性质相关的高孔隙比、大含水量、 低强度、高压缩性及低渗透性且具有触变恢复性的以近代沉积的细颗粒粘性土为主的软弱 土层的统称“。 在我国软土分布广泛且具有区域性，软土的沉积形成所需要的地质和地理环境决定了 大凡平坦的地方，主要是沿海地区，如滨海平原、河口三角洲、河岸、湖畔等处，往往都 有淤泥或淤泥质土的存在，而这些地区恰好又是经济发达的地区，涉及软土地基的建筑设 施越来越多。因此，研究淤泥类软土的工程特性，对软土地基进行加固处理理所当然地成 了工程地质和岩土工程界要解决的重点问题。 i i 强夯法加固地基机理 土动力学是土力学的一个分支，它是研究土在动应力作用下的工程性质与行为的学 科。作用于地基和土构筑物上的动荷载可能是地震、炸弹爆炸、往复式或旋转式机器或重 锤的夯击( 如强夯) 、施工操作( 如打桩) 、采石、高速交通工具( 包括飞机着陆) 、风或 者波浪作用。每一种荷载的性质都是互不相同的。 重锤的夯击将构成作用在基础上的瞬时荷载，其特点是： i 实质上荷载并不是真正周期性的，即荷载的循环并不是按相等的时间间隔重复出 现的。 2 任意两个循环荷载的峰值可能不同。 3 在自然界中不存在纯粹的动荷载。荷载总是动、静荷载的组合，静荷载是由上部 结构和下部结构的自重产生的，而动荷载可能是由振源( 如夯锤) 引起的。 动力固结是由法国工程师梅那( m e n a f d ) 于1 9 6 9 年首创的地基加固新技术。它是将8 3 m ( 约8 0 3 0 0 k n ) 的钢或钢筋混凝土重锤，起吊到高6 - 3 0 m 的空中，让其自由落下夯 击地面。夯击作用使地基内出现强大的应力波，地基土的孔隙被压缩，孔隙水压力急剧上 升。砂土局部液化；粘土在夯点周围产生辐射状的铅直裂缝，使孔隙水得以顺利逸出土 体经过动力固结后，地基的压缩性降低，承载力提高。动力固结法在我国简称为。强夯法” 强夯法在国内外地基加固处理工程中得到了广泛应用，它在砂土、回填土、碎石土、粘性 土及湿陷性黄土等地层中均己获得成功。大量工程实践表明，强夯法具有设备简单、速度 快、成本低、效果好等优点。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 1 1 强夯法的加固效应和加固机理 1 加固效应 强夯法也称动力固结法( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n ) ，它是通过一个巨大的重锤从很高处 自由落下，反复夯击、夯实土体，致使土体体积压缩，孔隙减小，密度增加，均匀性得以 改善 2 1 。强夯的“加固效应”主要表现在夯后地基中将形成一定厚度或范围的。硬壳层” 2 加固机理 关于强夯加固饱和粘土地基的机理比较复杂，国内外学者从不同的角度进行了大量的 研究，看法并不完全一致，存在两种理论解释，即“新的动力固结理论”和。波动理论” m e n a r d 根据饱和粘性土经受强夯后产生数十厘米间变形的现象提出了与过去固结理 论相反的新的动力固结理论，即饱和粘性土是可压缩体。其理论的解释依据是：饱和二相 土实际并非二相土，二相土的液体中存在一些封闭气泡，约占土体总体积的1 一3 ，在夯 击时，这部分气体是可压缩的，因而土体体积也可以压缩。 气泡体积缩小的压力应符合波义尔一马略特定律，这一压 力增量与孔隙水压力增量一致。因此夯击使土结构破坏， 土体积缩小，液体中气泡被压缩，孔隙水压力增加孔隙 水渗流排出，水压减小，气泡膨胀，土体又可以进行二次 夯击压缩。夯击使土结构破坏，孔压增加，这时土出现液 化及触变现象，孔压消散，土触变恢复，强度增长若一 遍压密过大，则土结构破坏丧失的强度大，触变恢复增加 的强度小，则夯后的承载力反而减小；但若二遍夯击，土 进一步压密，则触变恢复增长的强度大，依次增加遍数可 以获得预期效果。据此机理，m e n a r d 还提出如图1 1 所示 的动力固结模型。不过，m e n a r d 只对上述机理作了宏观的 解释，而未做进一步的探讨。 圈1 1m e u r d 动力固结模型 1 有摩擦活塞 2 含少量气泡，液体可压缩 3 不定比弹簧 4 变孔径 “波动理论”是把强夯视为地震的震源，由于强夯产生强大的动能转变成波能作用于 地基土中，且向深处扩散，能量也在一定范围内的地基中释放，并为地基土所吸收。根据 夯击能的大小和产生的震动波的传播特性不同，以及对波能的吸收能力不一，从而使土体 得到不同程度的压密效果。其作用机理为：夯击能在软土中以弹性波的形式传播，弹性波 主要分为纵波和横波，纵波主要在水中传播，使孔压迅速增加，另外由于压缩波的拉一压 作用破坏了土的构架，在土中形成定向张裂纹，这些张裂纹使孔隙水压力迅速消散，土中 液相体积减小，土体被压缩。而孔隙水的排出使土颗粒结合水膜变薄，颗粒与颗粒问联结 键增强，颗粒易于聚集成较大颗粒。横波主要是在土颗粒之间传播。它使土颗粒重新排列 成更密实状态。 郭见扬 3 - 6 1 从强夯夯锤的夯击力问题以及夯能传播并沿土层的分布等问题对强夯的机 理进行了系列分析。 近年来，强夯法加固地基的理论研究和工程实践都取得了一定的成果。但总的来说， 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 理论与实践存在较大的差距。例如关于强夯法加固机理，加固深度及夯实效果，目前还没 有合理的解释及计算方法理论研究所得的成果真正用于工程实践还不多，其原因是多方 面的，但现场测试工作跟不上是明显的1 7 卅。 1 1 2 动力捧水同结法加固机理 强夯法在开始施用时，仅限于加固砂土和碎石土地基，经过2 0 多年的发展和应用， 它已适用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地 基的处理，对饱和度较高的粘性土，如用一般强夯方法处理，则其效果不太显著，尤其用 以加固淤泥和淤泥质土地基，处理效果更差这主要是因为饱和软粘土含水量高、透水性 差、易产生流动，强夯时会引起孔隙水压力大幅度上升，压密效果差，过量夯击将使饱和 软粘土产生大量水平挤出，土体结构严重破坏，强度丧失且难以恢复，出现。橡皮土”现 象嘲 国外关于强夯的适用范围有比较一致的看法，s m o l t c z y k 在第8 届欧洲土力学及基础 工程学术会议上的深层加固总结报告中指出闭，强夯法只适用于塑性指数，= 1 0 的土。我 国在7 0 年代末首次在天津新港三号公路进行强夯试验研究。继而在全国各地各类土强夯 处理都取得了十分良好的技术经济效果。近年来，随着强夯施工工艺的调整、加固机理研 究的深入以及饱和软粘土地基强夯加固工程成功经验的不断积累，对于强夯的适用范围已 经有了新的认识郑颖人院士认为只要方法适合，强夯法加固软粘土地基也能达到预期的 加固效果【9 l 。对于饱和软粘土的加固，若想取得更好的加固效果，关键是提供排水的通道。 为此，强夯法加袋装砂井( 或插塑料排水板) 是一个在软粘土地基上进行综合处理的有效 加固途径。 1 动力排水固结法施工工艺 根据软土的工程特性，将强夯法和捧水固结法结合起来，根据现场地质条件、工程施 工情况与技术要求进行捧水体系设计，视需要设置水平摔水体( 一般情况下铺设砂垫层， 在砂垫层中挖设盲沟，将打设到软土层中的集水井连接起来) 与竖向捧水体( 插塑料排水 板或打设袋装砂井) ，然后根据交工面高程填土至预定位置，再进行动力夯击；利用动力 荷载及填土静载促使软土加速排水固结，捧出的孔隙水经塑料排水板或砂井向上捧至砂垫 层，再经盲沟汇集于集水井，用水泵外捧。软土在动、静荷载联合作用下快速完成排水固 结，达到缩短软土固结时间，加快旌工进度，节省工程造价的目的，该种方法被称为。动 力排水固结法”( d , ：a m i cc o n s o f i d a t i o nb yd r a i n a g e ) i l o 1 1 1 由于动荷载的多次夯击作用及排水条件的改善，软土之上的人工掉水体及上覆土层形 成的。硬壳层”又能使动载作用产生的附加应力保持一定的时间，促使软土地基中产生的 超孔隙水压力快速消散，孔隙水不断排出，地基强度则不断提高。一般而言，动力排水固 结法在工期上比堆载预压法短，在造价上要比块石强夯法、粉喷桩法低，在使用范围上比 传统的强夯法更为广泛。 2 动力排水固结法加固机理 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 按目前的强夯工艺，郑颖人院士将饱和土的强夯机理概述为 9 1 ： ( 1 ) 能量转换与夯坑受冲剪阶段：动能转化成动应力；坑壁冲剪破坏，下部土体压 缩；夯坑周围水平位移，土体侧向挤出；坑周剪切破坏f 表面隆起；坑周垂直状裂缝发展。 ( 2 ) 土体液化与破坏阶段：影响范围内孔隙水压力迅速提高，孔隙水压力亦达到最 高点；土体结合水变成自由水；土体可能出现液化或触变，土体结构破坏；液化区强度降 到最低点，高孔隙水压力区强度降低 ( 3 ) 固结压密阶段：水与气体由坑周裂隙及毛细管排出；土体固结沉降；无粘性土 固结沉降迅速完成，软粘土固结有一定的时效性。 ( 4 ) 触变固化阶段：水、气继续排出，孔隙水压力逐渐消散；土体自由水变成结合 水；液化区强度恢复并有所提高，非液化区强度较大幅度增长 在软粘土的强夯机理中，必须考虑如何消散孔压和增加有效加固深度，那么就要采取 下列相应措施： ( 1 ) 采取适当排水措施，形成良好的排水通道，用以消散孔压。 ( 2 ) 采用夯击能量由轻到重、少击数多遍数，逐步加载的施工工艺，才能确保上部 土体不产生严重的塑性破坏或液化 ( 3 ) 改变收锤标准，确保土体结构不被破坏。 ( 4 ) 严格控制前后两遍夯击的间隔时间，对于软粘土地基，前后两遍夯击的间隔时 间应当更加严格，因为橡皮土的产生正是由于超孔隙水压力尚未充分消散而又强行进行加 载所致。 3 强夯法与动力排水固结法的区别 动力排水固结法与强夯法的不同之处在于首先应在软土中打设塑料排水板等竖向排 水体，以改善软土排水边界条件，要用一定厚度的填土作为静载预压，尤其是在夯击能的 使用、单点的击数、夯击遍数等问题上存在很大的差别。 一般强夯法是先用较大的能量加固深层，再用较小的能量加固浅层，而动力捧水固结 法的特点是夯击能量由轻到重，少击数、多遍数。因为软土含水量高，易流动，只能先以 较小的能量使浅层软土率先排水固结，强度增长，然后加大能量，使夯击能向深部土体传 播，促使深层淤泥排水固结。 1 2 饱和软粘土固结的研究现状 自从太沙基( t c r z a g h i ) 提出著名的有效应力原理以来，固结过程中土的孔隙水压力 及变形性状作为土力学的一个基本问题受到了国内外许多学者的重视并为此进行了大量 的研究工作1 9 4 1 年建立的比奥( b i o t ) 固结理论，由于考虑了土体孔隙水压力与变形的 联系，所以被称为较完善的“真固结理论”1 1 2 1 。近几十年来，国内外许多学者在数值模拟、 理论分析和工程应用等方面对饱和软粘土固结问题进行了细致地研究，也取得了较多的成 果。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 1 2 1 数值模拟方法 关于强夯法加固软粘土的数值模拟研究，国内外学者进行了一些有意义的工作。 钱家欢【1 3 j 和他的研究生们在踟年代初利用自行设计的动力固结仪( 一维变形) ，对塘 沽粘土进行了室内试验研究，结果发现在室内动力固结试验中，其应力应变关系基本 上呈双线性关系，在某一静压力o 下，土体的加荷模量随夯击次数增加而增大，而卸 荷模量和永久变形则逐次减小，并测得塘沽粘土在夯击荷载作用下，有侧限加荷模量e s 和卸荷模量e 洲的经验公式分别为： e 1 5 7 4 0 ( 2 - 9 7 3 - e ) 2 o v e 。 s n “1 才伽。 1 4 - e e - 1 5 2 埘“巨 公式( 1 1 ) 公式( 1 2 ) 式中：e 为孔隙比；r 为夯击总历时，m 8 。 另外还给出动孔隙水压力变化的经验公式这些为强夯数值分析提供了宝贵的参数。 钱学德( 1 9 8 3 ) p 4 1 、钱家欢等( 1 9 8 5 ，1 9 8 6 ，1 9 8 7 ) 1 1 3 1 5 1 6 , 1 7 1 依据室内试验结果建立 了夯击荷载作用下土的应力应变、孔隙水压力和渗流的经验方程，修正了s c o t t l l s j 接触面 应力公式，分别用集中质量法、有限差分法和边界元法对砂土和设置砂井时的软粘土进行 了轴对称的和三维的强夯数值分析。由此求得了土体的动力反应，并按照某种标准来确定 加固深度和相应的土性的变化程度，并初步给出了可用于中小型工程设计的关系曲线。 吴铭炳( 1 9 8 9 ) p g 梁志荣( 1 9 9 2 ) 刚、李本平( 1 9 9 8 ) 2 1 l 等建立了位移u 以增量形 式的动力有限元基本关系式( 1 3 ) 。 【m 】 o 。 + 【q t o 。，+ 【l q u - r + 。卜 e 公式( 1 3 ) 式中： 幻为集中质量矩阵；晖卜，p 九d 单】i 曰协，为整体刚度矩阵 【c 】为阻尼阵，采用瑞雷阻尼t c 】= a 嗍+ b 田； r t + m ) 为载荷向量； e j i b f q 沙 v 碱+ 。h 谚+ 。n 【， 分别为“f 时刻结点的加速度，速度及位移增量。 明为几何矩阵，a 、6 为常数； ， 他们分别利用弹性、弹塑性本构模型，采用三角形脉冲荷载进行空间轴对称强夯数值 模拟，分析了土中应力、屈服过程、孔隙水压力、土体变形以及运动加速度。 p o r a n 等( 1 9 9 2 ) 1 2 2 1 利用双屈服和多屈服面本构模型，对强夯进行了大应变有限元分 析，他们将计算结果与室内模型试验成果进行了比较并分析了影响计算成果的一些因素。 c h o w 等( 1 9 9 0 ，1 9 9 2 ) 1 2 3 , 2 4 提出了粒状土中强夯分析的一维模型，他们在锤下取足 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 够深的一个与锤径相同的土体，将其视为侧胀变形的柱体，用一系列弹簧和粘壶代替周围 土的作用，利用数值方法进行了求解。该模型能给出不同夯击次数后的夯坑深度，不同深 度处的残余变形和密度、模量、内摩擦角的变化。 周良忠等( 1 9 9 8 ) 1 2 5 1 从土动力学角度提出了强夯的物理模型与数学模型，并在此基础 上开发了数值模拟程序 目前在强夯数值模拟中，对夯击期内的孔隙水压力响应处理方法主要是利用 s k 锄p n 【硐公式间接求得孔隙水压力，其中孔隙水压力系数由三轴试验测得【1 9 - 2 1 。孔令 伟( 1 9 9 8 ) 1 2 7 1 结合夯锤的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 这一新途径，对层状地基饱和砂土层在强夯作用下的性状进行了耦合分析，直接获得了孔 隙水压力的响应。虽然分析中采用的弹性本构模型不完全符合土的实际性状，但无疑是强 夯数值模拟中的一大进步 近几十年来，国内外学者在研究软土地基b i o t 固结的有限元分析计算方面己作了卓有 成效的工作。但大多采用三角形单元或双线性四边形单元来模拟地基中的位移、应力和孔 压分布，由于所需单元数目多，精度上不理想而张吉园i 切、王志建i 篮l 等采用邓肯张e 弘本构模型和弹性非线性e 叩模型，利用流量改变法编制了平面问题的b i o t 固结有限 元程序，描述土体固结时的性状。孔令伟【2 7 l 、宋修广l 冽、徐长节例、赵成刚【3 l j 、雷学文【3 2 】 等采用工程上常用的饱和砂或土的力学模型，考虑流、固耦合作用，求解析解或编制了模 拟强夯动态响应有限元程序，对土体中孔压、土压与变形规律加以研究 1 2 7 理论研究 s k e m p t o n 2 s l ( 1 9 5 4 ) 首先提出了大家熟悉的孔隙水压力方程曾国熙田】( 1 9 6 4 ，1 9 7 9 ) h e n k e l d 4 1 ( 1 9 6 0 ，1 9 6 6 ) 和柴田徼【矧( 1 9 6 5 ) 等人作了进一步研究，分别提出了适用于饱 和土和非饱和土的用应力不变量表达的孔隙水压力方程以及由三轴试验结果得到的考虑 土应力应变关系的孔隙水压力函数式。l a w 和h o l t z l 3 6 1 论述了主应力轴的转动对孔隙水 压力系数i 的影响和孔隙水压力与土的应力应变关系。符圣聪 3 7 1 ( 1 9 6 5 ) 论证了土的剪 胀性是剪应力的二次幂效应，提出了一个饱和土非线性孔隙水压力方程。林勤华1 3 s ( 1 9 8 2 ) 由室内三轴试验结果提出了另一个考虑非线性变形特性的孔隙水压力计算式。 王铁儒1 3 9 1 利用三种原状正常固结饱和粘土探讨了固结不排水三轴压缩试验中孔隙水 压力和有效应力表达式，并由有效应力路径的唯一性提出一组适合于不同应力路径的孔隙 水压力方程及土体临界孔隙水压力计算式，反映了土的非线性应力应变特性。在不排水 条件下，由荷载引起的地基中某点孔隙水压力的变化也可以通过比较其总应力路径和有效 应力路径来计算。由式 血凹+ 【_ 而m p , 一扣咆) 计算荷载作用下孔隙水压力，可以说明如下特征： 公式( 1 4 ) 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 ( 1 ) 荷载引起的孔隙水压力可以分成两部分，一部分由平均正应力增量引起，另一 部分由剪应力增量引起； 。 ( 2 ) 平均正应力增量引起的孔隙水压力与土的非线性变形特性无关，其值等于相应 平均总正应力增量；由剪应力增量引起的孔隙水压力与剪应力呈显著的非线性关系，可甩 孔隙水压力函数即，来说明。函数f 不是常量而是随土的非线性特性、固结状态和剪应力 增量等而变化的，同时也受总应力路径的影响。 m p 6 r e f l l y 柏l 等通过循环荷载作用对正常固结的淤泥质粘土进行偏压固结三轴压缩 试验，引入粘塑性概念建立了一个循环荷载作用的简单模型，这一模型更适合于考虑比较 大的加荷速率的影响，比如说波、地震和交通荷载等等荷载频率比较高的情况。将粘性屈 服点耦合到已有的弹塑性循环荷载模型中去。m p 6 r e i l l y 认为： ( 1 ) 偏压固结三轴压缩试验中淤泥质粘土试样的强度值由试验操作的剪切速率而定。 ( 2 ) 假定了粘性屈服面的概念，这一屈服面的存在与静屈服面相似当循环荷载的 频率很低时，这两个屈服面是一致的；在较高频率的荷载作用下。粘性屈服面出现扩展， 扩展由塑性剪切应变速率决定，但在一般的试验中也与荷载频率有关。 ( 3 ) 粘塑性的概念对于了解( 认识) 在循环荷载作用下细粒土的粘性影响的特性也。 是有作用的。 王盛源1 4 l l 认为饱和软粘土的变形从应力观点分析可以划分为两部分：即由孔隙水压力 所引起的体积变形和骨架有效应力所引发的骨架变形。从物理意义上讲，前者为水渗流产曼i 生的固结变形，它服从太沙基理论，即主固结理论。后者为土骨架蠕变，又称次固结变形， 它服从蠕变度函数。 白冰 4 2 , 4 3 1 通过大量室内试验，研究了饱和软粘土在夯击荷载作用下变形和孔压的变化， 规律，讨论了孔压增长的内在机理和不同围压、不同夯击能作用下孔压的变化，并对影响 孔压发展的诸如土性、固结应力状态、荷载强度等因素进行了分析，建立了一个夯击荷载 作用下孔隙水压力的计算模式。将动荷载和静荷载加以耦合并阐述了。动静结合捧水固结 法”处理饱和软粘土地基的基本思想。 陈凡1 4 4 】在动力固结仪上将饱和砂和淤泥在夯击荷载下一维固结的动力特性进行了对 比研究。徐献芝【4 5 j 提出了基于多孔介质的一种新的有效应力原理，据此，当饱和土加载后， 孔隙度的变化与孔隙水压力之间的关系是非线性的，它们之间的变化关系同样取决于初始 孔隙度以及初始孔隙水压力。 r u h r 大学的j e 鲻b c 增c i i 撕l 通过室内试验研究发现：强夯夯击加固淤泥与夯击波和触变 效果有关，淤泥的固结与土的破坏条件有关，一定的应力状态和应力分布的产生显得非常 重要。夯击荷载产生的动应力分布可以通过f 6 r h l i c h 和i g l e r 的方法进行估算。并且通过 试验结果建立了夯锤重、落距、锤底面积和夯锤在土体表面产生的夯击荷载之间的关系表 达式 m a t s u i l 4 7 1 的研究较多地关注了孔隙水压力的变化，分析了残余孔压与剪应变之间的相 互关系及循环荷载作用历史对剪切特性的影响。b a l i g h 曾给出一个较为完善的循环荷载作 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 用下的固结理论。 钱学德i l ：1 通过秦皇岛细砂地基的研究认为，强夯土孔压消散计算中的渗透系数不是常 量，而是随时问逐渐减小。 r - k - ( 2 一惦+ 1 公式1 5 式中：硒为孔隙水压刚开始消散时的渗透系数，局z 8 5 1 0 d c m s ；t 为时间( s ) 1 2 3 工程应用 过去一直沿用m e n a r d 的经验公式推求强夯加固影响深度，但是加固深度与锤重、落 距、夯锤底面积及土的类别、层次、颗粒大小及连结强度、地下水位以及夯击间距和夯击 次序等诸多因素有关，特别是与土的强度关系最大。夯击时必须使土体中产生的动应力超 过土的强度，才能使土的结构遭到破坏，从而使土得到夯实。为此，夯击时实测锤底动应 力及土体中的动应力分布对于解决强夯加固深度问题将提供依据 裘以惠【7 】等采用太原工学院自制的柱式电阻应变压力传感器对夯击时产生的锤底动应 力进行实测，并对锤底动应力与加固深度之间的关系进行了探讨。认为： ( 1 ) 实测锤底动应力最大值与土的坚硬程度有关，一般为2 5 9 0 k g c m z ( 2 ) 锤底面积大，应力扩散慢，加固深度大，m a = 2 3 t m 2 为宜。 王仁钟忙j 在强夯加固南化乙烯工程污水处理站软土地基试验中，测试了夯击在土体中 产生的动孔隙水压力波形以及2 m 和3 j m 处的振动加速度和动土压力，但其所得成果是初 步的，不成熟的。 冯永炬【删等认为强夯就是能量的转换过程( 由机械能转换为土体的变形能) ，并提出 了强夯作用模型，对强夯的作用机理进行了初步的分析。 马晓轩1 4 9 】等在对滨海淤泥土层的工程地质特性进行全面分析的基础上，建立了软土弹 塑性固结变形计算模型，并利用这一模型对拟建机场跑道地基在预压荷重作用下的位移和 孔隙水压力分布与发展规律进行了分析。 将动力排水固结法用于工程实践中，我国岩土工程界人士作出了大量的工作 丘建金酬通过珠海市红旗区观湖小区软基加固工程认识到：软土在强夯和堆载预压联 合作用下将引起超孔隙水压力的长消，孔压长消的大小和速度在一定程度上反映了加固效 果的好坏。孔压的消散意味着软土有效应力的增长，软土相当于受到一次超载，因夯击而 产生的孔压由于土中微裂隙的存在和土中打设的排水板而较快消散。因此，强夯不仅能加 快软土的固结过程，尚能给软土一定的超载。 徐金明【5 l 】、何伟东1 5 2 l 等通过动力排水固结法加固处理软土地基的现场孔隙水压力长消 情况观测到：孔隙水压力在不同时间出现不同的长消情况，随夯击次数的增加，超静孔隙 水压力稳定并达到一个最大值，再夯击时超静孔隙水压力反而会减少各个不同位置，孔 隙水压力的最大值均出现在夯击时刻。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 王发卧枷、李彰明【1 1 】等认为软土性质的改善取决于孔隙水压力能否迅速消散，以及软 土不被过分扰动，以保持软土本身的微观结构不被严重破坏，并且与土体本身的物理力学 性质、荷载及排水的边界条件有关。通过观测强夯在软土不同深度产生的孔隙水压力的大 小和消散过程，可以推测强夯的影响深度，同时也可用来控制夯击遍与遍之间的间隔时间。 在试验中发现值得进一步研究的两个现象： ( 1 ) 对于软土地基，夯击时土体中孔隙水压力增长量与地表夯坑的每击夯沉量有一 定的对应关系。 ( 2 ) 在淤泥地基动力捧水固结施工中，夯击瞬间从仪器观察到先出现孔压负增长的 现象。 叶为民【5 3 l 通过现场测试数据的分析认为：饱和粘性土的加固范围很大程度上取决于 孔隙水压力的消散，在影响深度范围内各土层的加固效果采取捧水措施的方案优于不捧水 的方案，证实了饱和软粘土地基采用强夯法进行大面积处理是可行的，关键在于捧水。曾 庆军弹垮认为：强夯法处理饱和软土地基时，除了应力波在软土体内形成裂隙外，有必要 重视填土层的捧水作用，主要表现为裂隙和压缩小孔隙的毛细作用。 张建民i 矧通过对强夯孔隙水压力、夯坑周围隆起量及地基土物理力学性质的检测分 析，说明了强夯处理地基土强度增长的机理。 c h a r l c s l - 铂1 通过现场试验得出了动力固结加固海相沉积淤泥质粘土中孔压的消散曲线， 并得到了沉积性粘土在夯击瞬间及夯锤吊离瞬间孔压的变化波形。 工程实践表明，动力捧水固结法适用于大型仓储区、场区、道路、低层建筑物等的软 粘土地基，该法具有施工简单、工期短且经济有效等优点，应用前景广阔。 1 3 土微观结构特性 土的工程性质从本质上看主要受控于土的微观结构( t c r z a g h i ，1 9 5 2 1 5 7 1 ，o s i p o v ， 1 9 8 5 l y s l ) ，土的动力学特征( 尤其是强度特征) 亦应当与土的结构特征有较大的相关性。 1 3 1 土微观结构特性简介 粘性土是复杂的多相混合体，由于其成因、物理性质、粒度组成、化学性质、有机质 含量、溶液性质和浓度的不同，形成多种类型的粘土结构。粘性土作为建筑材料、地基及 地下工程的围限介质得到广泛利用，同时还大量涉及各类边坡工程问题。在长期的工程实 践中，人们发现粘性土的宏观工程性状在很大程度上受到微观结构的系统状态或整体行为 的控制，复杂的物理力学性状是其微观结构特性的集中体现，任何一种基于适度均匀化处 理的连续介质模式都很难准确地表述其结构的复杂性，难以逾越粘性土微观结构的多样性 和不确定性这一巨大的障碍i 叫 通常人们用宏观力学的方法来建立粘土变形和强度的模型，这种从室内试验一唯象分 析一建立数学或力学模型的方法，在理论上己经建立了很多模型，这些模型在工程实践中 起到了一定的作用。但是随着科技的发展和社会的进步，工程建设向着高、大、深、重及 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 多样化的方向发展，这样也对作为建筑地基的粘性土，提出越来越苛求的强度和变形要求。 长期以来依靠宏观方法所取得的物理、力学性质指标作为工程设计的依据，愈来愈不能满 足实际的需要。原因就在于这种“纯”宏观力学的建模方法对粘土微观结构缺乏了解，一 些模型参数的物理含义模糊。著名土力学家沈珠江l 删院士曾强调指出：2 1 世纪土力学的核 心问题是建立土的结构性数学模型，其方法就是走宏观和微观相结合的道路谢定义l 缸l 认为，微观结构分析试验与宏观力学特性试验的结合，将对创立粘土结构性指标和结构性 模型方面做出有力的贡献。此外，土体损伤力学特性研究是当前土力学领域中广泛关注的 前沿课题之一，许多学者开始重视土体力学的细观行为，共同认识到宏观的变形破坏为微 观变形的积累扩展而成，掌握微观变形破坏的规律，可以为岩土工程出现的问题给予更科 学的解释并加以解决。 因此，从微观结构定量的试验研究着手，揭示土体工程特征与其微观结构变化之间的 内在规律性，建立起具有微观结构变化特征背景的关系式，不仅对各类岩土工程问题的深 入研究具有十分重要的科学意义和学术价值，而且对分析和评价土体工程性质及其对工程 建筑的适应性也有着明显的现实性 1 3 , 2 土微观结构定量研究发展概况 关于粘土结构的研究，可追溯到本世纪2 0 年代，首先由太沙基( t a i z a g h i ，1 9 2 5 ) 揭 示了单粒、絮状、蜂窝状结构的概念( 图1 2 ) 高劳特雪米托( g o l d s c h m i d t ，1 9 2 6 ) 提出 了片架( c a r dh o u s e ) 结构，明确了高灵敏粘土结构的不稳定性卡萨格兰特( c a s a g r a d e ， 1 9 3 2 ) 6 2 1 提出了蜂窝结构中基质( m a t r i x ) 和键合粘土( b o n d ) 的概念，提出蜂窝结构存