（岩土工程专业论文）动力排水固结法理论分析与工程应用研究.pdf

南京工业大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在沦文中作了明确的晓明并表示了谢意。 研究尘签名期型! ：7 二、关于学位论文使用授权的声明 南京：1 ：业大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社及清华劂方光盘股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电予文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。允许论文被查阅和借阅，叮以公柿( 包括刊 登) 论文的全部或部分内容。论文的公砸j ( 包括刊登) 授权南京工业大学研究生 部办理。 髋一：岿姥社羽 硕十学位论文 摘要 本文通过理论分析、数值模拟和现场试验几方面的细微工作，对动力排水固 结法加固饱和软粘土地基的加固机理与效应以及施工工艺进行了比较系统的研 究。 首先，对动力固结法与波动理论的内在关系进行了探讨。夯击能量以波的形 式向土体深度传播，当土体中某点的波能达到一定强度即可起到加固的效果。夯 能的传播以一维传播为主，即形成了夯坑下土体加固效果远大于坑周土体的现 象，在设计时应注意夯点问距不宜过大。夯能的作用将强力排除土体中的流体( 孔 隙水或孔隙中的气体) ，使得砂土逐渐压密、软土逐渐固结，从而起到加固地基 的作用。 其次，对动力固结法进行了数值模拟分析，得出了锤底接触力的分布及变化 规律。由于地基土的反力作用使得夯锤发生一定的弹起，故强夯接触力具有强间 断性的特征。同时，得出了强夯过程中土体动念响应基本规律，包括夯锤冲击力 时程及空阳j 分布情况，土体动应力分布传播情况，地表和土体深层位移情况，以 及土体密度分布变化情况。 在强夯过程中，同一位置土体的位移峰值到达时问比应力峰值到达时间存在 滞后效应，随着深度和径向距离的增大，土体位移和应力的峰值逐渐滞后，这正 反应了波的传播特性。动荷载结束后，土体中流体被挤出土体发生弹塑性变形， 使得土体得到加固。土体密度变化呈球面分布，从夯锤底逐渐向外传播。 进而，通过对不同参数下的夯击过程进行数值模拟分析，得出了动力固结过 程中加固深度与其影响因素之问的关系曲线，其中加固深度分别随夯锤落距、夯 锤质量、夯击能和土体弹性模量的增加而增大，并随着夯锤半径的增大而减小。 各影响因素对加固深度的影响程度随着各自数值的增大逐渐减小。 再其次，研究了夯击作用下地基的振动特性，得出了土粒的振动规律。土粒 加速度峰值及其出现的时间随着深度和径向距离的增大呈现逐渐滞后效应，也说 明了夯能传播的性状特征。土粒的最大竖向加速度和径向加速度都随着深度和径 向距离的增大而减小。在此基础上，提出了确定最小安全距离的方法和减振措施。 最后，通过现场试验分析，研究了动力排水固结法的加固效应，并证实了通 过监测信息反馈及时完善信息化施工的可行性。 综上所述，本文较全面地探讨了动力排水固结法的加固机理等性状特征并通 过对对动力排水固结法的工程应用研究，提出了相应的施工工艺，可供实际工程 应用时参考。 关键词：动力排水同结法软粘士地基波动理论有限元士体动态响应机理l ：艺 硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1t h i st h e s i s ，t h em e c h a n i s m ，i m p r o v e m e n te f f e c ta n de n g i n e e r i n gt e c h n i q u eo f d 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 ( d c d ) i m p r o v i n gt h e s a t u r a t e ds o f ts o i l f o u n d a t i o na r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db ym e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n di n s i t et e s t i n g f i r s t l y , t h ei n t e r n a lr e l a t i o n s h i po fd ca n dw a v et h e o r yi ss t u d i e d t a m p i n ge n e r g y s p r e a dsa l o n gt h ed e p t hi nt h ef o r mo fw a v e a n d t h ei m p r o v e m e n te f f e c ti so b t a i n e d a st h ew a v ee n e r g ya r r i v e sc e r t a i nd e g r e e t h em a n n e ro fo n ed i m e n s i o ns p r e a d i n gi s t h em a i no n eo ft h ee n e r g ys p r e a d i n gm a n n e r s s ot h ei m p r o v e m e n to fs o i lu n d e r t a m p i n gh o l ei sf a rb e t t e rt h a nt h a ta r o u n dt h eh o l e ，a n dt h ed i s t a n c eb e t w e e ns p o t s s h o u l dn o tb et o of a rw h e nd e s i g n i n g t a m p i n ge n e r g yi m p a c t ss a n do rc o n s o l i d a t e s s o f ts o i lg r a d u a l l y , a n di m p r o v e m e n te f f e c ti so b t a i n e d s e c o n d ，t h ep r o c e s so fd ci nt h es o i lf o u n d a t i o ni sa n a l y z e dn u m e r i c a l l y t h e d i s t r i b u t i n gl a wo fc o n t a c tf o r c ea n di t sv a r i e t yl a wa r eo b t a i n e d b e c a u s eo ft h e r e a c t i o nf o r c eo ft h es o i lf o u n d a t i o n ，t h eh a m m e rr e b o u n d st os o m ed i s t a n c e ，t h a t m a k e sc o n t a c tf o r c ea p p e a rd i s c o n t i n u o u sc h a r a c t e r t h eg e n e r a ll a w sd o m i n a t i n g d y n a m i cr e s p o n s eo fs o i la r eo b t a i n e d ，i n c l u d i n gt h ev a r i e t yw i t ht i m ea n dd i s t r i b u t i n g o ft h et a m p i n gf o r c e ，t h ed i s t r i b u t i n ga n ds p r e a d i n go ft h ed y n a m i cs t r e s so fs o i l ，t h e d i s p l a c e m e n to fs o i lo nt h es u r f a c ea n di nt h ed e p t h ，a n dt h ev a r i e t yo f t h ed e n s i t yo f s o i l d u r i n gt h ep r o c e s s ，t h ep e a kv a l u eo ft h ed i s p l a c e m e n tl a g sb e h i n dt h eo n eo ft h e s t r e s s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed e p t ha n dt h er a d i a ld i s t a n c e ，t h ep e a kv a l u eo ft h e d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sl a g a n dt h a tr e f l e c t st h ec h a r a c t e ro fs p r e a d i n go f t h ew a v e a f t e rt h ed y n a m i cl o a d ，p l a s t i cd i s t o r t i o nh a p p e n st os o i la n ds o i li si m p r o v e d t h i r d ，t h ep r o c e s so fd cw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r si sa n a l y z e dn u m e r i c a l l y t h e r e l a t i o n s h i p o fi m p r o v e m e n td e p t ha n di t se f f e c tf a c t o r si so b t a i n e d t h e i m p r o v e m e n td e p t hi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ed r o ph e i g h to ft h eh a m m e r , t h em a s so ft h eh a m m e r ，i n p u te n e r g ya n dt h ee l a s t i cm o d u l u so fs o i l ，t h e i m p r o v e m e n td e p t hd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h eb o t t o mr a d i u so f t h eh a m m e r w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h o s ef a c t o r s ，t h o s ei n f l u e n c eo nt h ei m p r o v e m e n td e p t h d e c r e a s e f o r t h ，t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r so ft h ef o u n d a t i o nd u et ot a m p i n ga r es t u d i e d t h e v i b r a t i o nl a wo fs o i li so b t a i n e d t h ep e a kv a l u eo fs o i la n dt h et i m eh a p p e n i n gl a g w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ed e p t ha n dt h er a d i a ld i s t a n c e t h em a x i m u mv e r t i c a l a b s t r a c t a c e e l e r a t i o na n dr a d i a la c c e l e r a t i o nd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ed e p t ha n dt h e r a d i a ld i s t a n c e t h em e a s u r e st om i n i m i z ev i b r a t i o nd a n a a g ea r ep r o p o s e d l a s t ，t h o u g hi n - s i t et e s t i n ga n a l y s i sa n dt h ei m p r o v e m e n t e f f e c to fd c di ss t u d i e d a n dt h ev a l i d i t yo fi n f o r m a t i o nc o n s t r l l c t i o ni np r o v e da sw e l l i ns u m ，t h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo fd c di sd i s c u s s e d t h ee n g i n e e r i n g t e c h n i q u eo fd c d i sp r o p o s e d t h e s er e s u l t sc a l lb ep r o v i d e da sar e f e r e n c ef o ra c t u a l e n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：d 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 t s o i lf o u n d a t i o nw a v e t h e o r y ；3 - df e m ：g e n e r a ll a w sd o m i n a t i n gd y n a m i cr e s p o n s eo f s o i l ； m e c h a n i s m ：e n g i n e e r i n gt e c h n i q u e 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 动力固结法的应用 动力固结法( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ) 即强夯法。这种方法是反复将 很重的锤( 一般为1 0 4 0 t ) 提到高处使其自由落下( 落距一般为1 0 4 0 m ) 给 地基冲击和振动，从而提高地基的强度并降低其压缩性。 强夯法具有加固效果显著、施工设备简单，施工方便迅速和工程造价低廉等 优点，与其他地基处理方法不同，强夯法不消耗三材，对周边环境不存在工后污 染，基本不受地下下水的影响，加固深度大，施工噪音较小，所以强夯法较其他 机械的、化学的地基处理方法在许多方面更为有效和优越。夯击过程中可能对周 边建筑物产生的振害影h 向是强夯法唯一显著缺点，从而要求强夯法施工应保持一 定安全距离，故强夯法特别适合新开发的大面积的开阔场地的地基处理工程，如 港口堆场、仓储码头、机场跑道场坪、道路路基和新建厂矿场地平整等。 强夯法处理技术广泛应用于碎石土、砂性土、湿陷性黄土、人工填土、低饱 和度粉土及一般粘性土，还用于处理难处理地基如大块碎石类以及各种垃圾土组 成的杂填十。 用强夯法加固后地基压缩性可降低2 0 0 1 0 0 0 ，而强度可提高2 0 0 5 0 0 ( 有的文献介绍，粘土可提高1 0 0 3 0 0 ，粉质砂土可提高4 0 0 ，砂和泥炭 质土可提高2 0 0 4 0 0 ) 。 用强夯法处理垃圾土，尚可使有害气体迅速排除，有利于环境保护。 强夯法最适宜的施工条件： ( 1 ) 处理深度最好不超过1 5 m ( 特殊情况除外) ： ( 2 ) 对于饱和软土，地表面应铺设一层较厚的砾石、砂土等优质填料： ( 3 ) 地下水位离地表面下2 3 m 为宜： ( 4 ) 夯击对象最好为粗颗粒土组成； ( 5 ) 施工现场离既有建筑物有足够的安全距离( 一般 1 0 m ) 。 1 1 2 动力排水固结法的产生 软粘土作为一种经常要遇到的地基土，分布于我国的广大地区。软粘土是软 弱性粘土的简称，又称软土，这类土的特点是天然含水量高、天然i l 隙比大、抗 剪强度低、压缩性高、渗透性差。在荷载作用下，软粘土的地基承载能力低，地 基沉降变形大，差异沉降亦大，因而软粘土地基是工程实践中遇到的较难进行人 工处理的地基之一。 第一章绪论 过去的研究业已表明，强夯法比较适合于加固碎石土、杂填土和湿陷性黄土 等各类地基，但对饱和软粘土地基应慎用。s m o l t c a y k 认为强夯法只适合于塑性 指数，。1 0 的土【2 】g a m b i n 业给出了类似的结论川。 10 i 淤泥质牯土。5 0 鼍10 。r 稳定结构的裂隙 毒1 0 。 州】0 堆 10 地基土液化度 圈i - i 士的渗透系数与液化度关系曲线 f i g 3 1 1c u r v eo f p e n e t r a b i l i t y - - f l u i d i f i a n t d e g r e e 辩5 0 | r h ! v 、j 釉。m 。、 j3 0 h i 2o 旧。7 圜1 - 2 土体结构破坏时孔隙水压力监测曲线 f i g 1 - 2v a r i a t i o n a lc u r v eo f h o l eh y d r a u l i c p r e s s u r ea ss o i ld i s t r o i e d 根据工程中对强夯后土体强度提高过程的连续检测发现，土体强度提高的关 键在于土体中水的排出与超孔隙水压力的消散。图1 1 h i 为土的渗透系数与液化 度关系曲线。从图中可见，当液化度小于i 临界液化度a ；时，渗透系数比例于液化 度增长：当它超出哦时则渗透系数骤增，这时土体出现大量裂隙，形成良好的 排水通道。这些排水面一般垂直于最小应力方向。由于夯击点成网格布置，夯击 能相互叠加，所以在夯击点周围就产生了垂直破裂面，夯坑周围就出现冒水冒气 现象。 按此观点，对于饱和细粒土强夯后，土体中超孔隙水压力将较迅速的排出， 但在工程实践中，有时在夯坑下部范围处会出现橡皮土，其原因是：强夯在土体 中形成的排水网路一般出现在夯坑的周围，对于夯坑下部软土，不但不会出现排 水网路，反而由于夯击的扰动，饱和软粘土所具有的架空结构遭到破坏，土中 孔隙水形成若干封闭的“气泡”无法排出，不仅损失结构强度，而且还大幅度降 低了渗透性，使超孔隙水压力难以消散，出现“橡皮土”现象。故对于深层饱和 粘性土，如果没有较畅的排水通道( 人工附加排水板或天然央砂层等) ，一般强 夯后超i l 隙水压力需长时间才得以消散，且达不到非粘性土那样的加固程度。图 1 2 为软粘土结构破坏后孔隙水压力的监测曲线p 1 ，超孔隙水压力长达1 5 天还没 有完全消散。 由于上述原因，在对饱和软粘土进行强夯处理时往往需要采取辅助的排水措 施来保证强夯的效果，加速土体的排水固结，减少施工周期。因此在实践中就产 生了将动力固结法和排水固结法结合起来的动力排水固结法新工艺。 硕士学位论文 1 2 动力固结法国内外研究现状 二十世纪六十年代术及七十年代初，法国人m e n a r d l 首次提出在抛石填筑 而成的地基上采用重锤夯实法进行加固，他第一次将锤重增加到8 0 k n 落距提 高到1 0 m ，即采用每击夯击能达到8 0 0 k n m 的能量来夯实地基，仅夯击了一 遍，整个建筑场地就平均f 沉了5 0 c m 左右，地基土承载力由加固前的1 0 0 k p a 提高到3 0 0 k p a 。地基加固一年后上部建筑物施工完毕，建筑物沉降仅l c m ，而 差异沉降可以忽略，说明强夯加固地基可取得良好的效果。 1 9 7 0 年m e n a r d l 又在法国波尔姆一米莫萨( b o r m e s l e e s m i m o s a s ) 港口工 地上，用每击8 0 0 k n i n 的能量夯实6 7 m 厚的由云母页岩组成的回填土获得成 功。于是这种夯实法被取名为“重夯法”。 1 9 7 1 年，m e n a r dl 又发现用这种重夯法加固透水性较差的饱和土和冲积士 也很有效。在随后的四年间，一共有近百项工程采用了重锤法加固地基均取得 了良好的技术经济效果，于是正式将这种夯实方法定名为“动力固结法”( 法文 为c o n s o l i d a t i o nd y n a m i q u e ；英文为d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n ) 。到1 9 7 3 年底己有 1 2 个国家在1 5 0 余项地基工程中采用动力固结法，处理面积达1 4 9 余万平方米。 到七十年代末，全世界己有2 0 多个国家，在将近4 9 9 项工程中使用了这种方法， 加固面积达8 0 0 万平方米。至1 9 8 5 年底，用强夯法加固的地基面积已超过3 0 0 0 万平方米【6 1 。 m e n a r d l ( 1 9 7 5 ) 根据工程实践，总结出了新的动力固结理论【7 1 。其主要观 点是：饱和土是可压缩的( 气体的压缩) ，在冲击荷载下土中气体可迅速排出。 m e n a r d l 认为：饱和土中仍有少量的气体( 1 3 ) ，因此在冲击荷载下仍可压 缩；反复冲击作用后，土中超孔隙水压力不断增大导致土的液化、土中产生放射 状裂隙及结合水的析出，使土的渗透性明显改善( 在动力固结期间) ，孔隙水迅 速排出。夯实后导致结构被扰动，但经触变恢复后土的性状仍得以改善。 这个理论模型类似于太沙基的固结模型。其不同之处在于：( 1 ) 用“活塞与 筒壁之间的摩擦力”来说明孔压消散之后的现象和气体的压缩；( 2 ) 用“弹簧强 度是可变的”来解释出于振动作用土中结合水析出导致内聚力削弱和土的强度的 降低：( 3 ) 实测孔压消散的她一l o g t 曲线可拟合成不同斜率的两条相交直线段， 由模型中“孔径是变化的”来解释这一点。也就是说，夯击冲击下出现树枝状排 水网络，此时渗透系数陡增，当超孔压消散n d , 于横向压力时，裂隙部分闭合， 土中水又恢复常态；( 4 ) 同时模型还可以从宏观上模拟触变恢复。 s c o t t 和p e a r c e 在其著名文章( 1 9 7 5 ) 8 】中，用理想模型( 即模量、泊松比 不随振动频率变化) ，采用经典结构动力学理论来预估地基土在强烈冲击下的反 应。锤底接触面应力盯与锤体下沉位移珊之间关系为： 第一章绪论 万d 2 仃= r 0 5 + _ 二竺竺_ ( 1 1 ) 1 一“ 式中为锤底半径，为泊松比，e 为锤底土变形模量，m i b = 一肋2 0 ，并且假 定土体初始应力o - o = p c v ( v 为落锤冲击速度) 。根据这一假定和运动方程， 取一个适当的系数“0 6 ”得到锤底土粘滞常数为r = 0 6 7 r a 2 p c ( c 为膨胀 波速) 。但是s c o t t 公式中没有考虑土的性质在加荷与卸荷阶段的显著的不 同，且在t = 0 时，o z 一。0 。 从微观上来看，h a n s b o ( 1 9 7 3 ) 1 9 1 提出：在他所做的粘土试验研究中发现孔 隙水中存在可活动粒子。 p w m a y n e ( 1 9 8 3 ) 【l0 】基于动量定理提出了最大接触面应力公式 m g u n a r a t n e ( 1 9 9 6 ) 】在模型试验基础上，对圆柱状试样轴线上的孔压产 生( 与太沙基理论不同) 和消散进行了理论分析。他的实测和理论分析都表明 表面应力分布近似为三角形脉冲或半正弦脉冲。 德国鲁尔大学的g o d e c k e ( 1 9 8 0 ) 、j e s s b e r g e r ( 1 9 8 1 ) 等进行了干砂和饱和 粉土的室内动力固结试验，探讨了冲击荷载下土中的应力变化特点、冲击荷载及 夯后土的渗透规律【1 2 。 p o r a n 等( 1 9 9 2 ) 【】4 利用双屈服和多屈服面本构模型对砂土强夯进行了大 应变有限元分析，他们将计算结果与室内模型试验结果进行了比较并分析了影响 计算结果的一些因素。 c h o w 等( 1 9 9 0 ，1 9 9 2 ) 1 5 , 1 6 1 提出了粒状土中强夯分析的一维模型，他们在 锤下取足够深的一个与锤径相同的土粒体，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。 g a m b i n mj 1 9 8 4 年在第八届非洲地区土力学及基础工程会议上总结的 m e n a r d 公式： h = 口厕 ( 1 2 ) 许多学者提出过口的不同取值范围。g a m b i n l l 7 1 提出口：0 5 。1 0 。m a y n e 等( 1 9 8 4 ) 通过分析全世界1 0 0 多项工程的实际资料提出口= 0 3 。1 0 。f a n g 和e l l i s 【19 1 认为，是饱和度、夯坑深度和夯坑半径的函数，即= ( s ，占，) ，但夯坑 深度是难以事先给定的。 s l l e e ( 1 9 8 5 ) 和k w 1 0 ( 1 9 9 0 ) 2 0 , 2 1 1 研究了场地平均夯沉量与土质条件 和单击夯击能的关系，建立了相应的经验曲线和相关方程。 j e s s b e r g e r 等( 1 9 8 1 ) 2 2 1 根据夯锤运动的牛顿定律和d y n 0 3 型动力固结仪 中实测的峰值加速度与夯锤落地冲击速度的关系，得出锤的峰值应力进而计算 深度z 处的附加应力盯。： 硕士学位论文 口筹厨卜南，叫 。， o z , d ：口等丽( 1 + z t a n o o ) 一z ( 1 4 ) 式中口：比例系数；u ：集中系数；0 ：扩散角；a ：锤底面积；m ：夯锤质 量；h ：夯锤落距。根据具体的土质条件规定达到目的所需的盯，。值，即可 求得加固深度z 。 s m i t h ( 1 9 8 9 ) 2 3 1 曾提出过一个有意义的计算塑性带一维模型。他得到的计 算塑性带深度为d 1 ：# 与卜l + ( 墨二堕) 】。加固深度为计算塑性带深度与夯 成。a吼 坑深度之和。由于夯坑深度和其他参数难于获得，应用很困难。 c j p o r a n 和k s h e h ( 1 9 9 1 ) 【2 4 1 通过干砂模型试验，得到一份呈倒转长球面 的干密度等值线图。他们建立了归化形式的经验公式： 舢_ f + m l g 等，6 州州g 等 ( 1 5 ) 。爿6 。 。 。爿6 、 。 式中d 为锤径，b 为加固深度，a 为锤底面积，j 、k 、1 、m 为试验参数，与夯 后相对密度有关。公式中反映的n 、w 、h 对加固深度有相同程度的影响不 令人满意。 c h o w ( 1 9 9 2 ) 2 5 1 将桩基动力学中的一维波动理论引入到强夯分析中，得到 了不同夯击数的夯坑深度、土中不同深度的残余变形和密实度变化。在讨论土体 性质随夯击数变化方面，这是目前唯一的理论分析法。 l u o n g o ( 1 9 9 0 ) 1 2 6 1 提出了如下加固深度公式： h = k l + k 2 胁 ( 1 6 ) 式中 e 、足，为与土类、饱和度及施工有关的系数，k j = 2 0 1 0 0 ， k 2 = o 0 0 9 一o 0 1 6 。 m i k a s a 等( 1 9 8 9 ) 2 7 1 还进行了强夯的离心模型试验及其与现场结果的比较 得出主要结论有：夯坑深度与击数平方根以及锤的动量m 2 砂( m 为锤的 质量) 成正比，与锤的底面积成反比，它主要还是取决于夯击能；地基内的变形 集中于夯坑下呈球形区域，其范围随击数平方根v 呈比例扩展；夯点下的动应 力随深度迅速减小。 g a l e o n a r d 等( 1 9 8 0 ) 2 8 1 提出标准的确定应考虑土类和初始密度，他们针 对所研究的砂土，提出以标准贯入击数增加3 5 击为依据。 b r i a n d ( 1 9 9 0 ) l z 9 1 利用打击静止于夯坑的夯锤时夯锤的反应来分析锤下土的 刚度，以检验是否已达到设计要求。 第一章绪论 p o r a n 等( 1 9 9 2 ) 1 4 1 提出了动力沉降模量( d y n a m i cs e t t l e m e n tm o d u l u sd s m ) 的概念，根据d s m 与口密度和模量e 的关系，可由加速度时程来评价土的击实 情况。 k i m ( 1 9 9 7 ) 【3 0 】提出了一种强夯加固效果检验的s a s w 法，该法是用各种 频率的表面波速法来确定k 剖面和不同孔隙比( e o ) 、侧限下的共振柱试验 确定k 一一c r 0 关系，进而确定夯击前后的孔隙比变化。 l o 等( 1 9 9 2 ) 【3 l 】提出了一种估算加固效果的经验公式( 曲线) 法，他们通 过分析工程实测资料和室内外试验发现在广泛的土质和施工条件下， ，。一b ，只，1 7 一q 有唯一性关系，其中，为饱和夯击能密度，i = (为s n w haa 单点影响面积) ；e 为单点夯击能；为旁压极限压力；印表示土的改良程度 r l 。= 乞( 一) e m ( 口) ，叩。= p 。( a ) p 。( 口) ，= t h ( e 为旁压模量，a 、b 分 别代表夯后、夯前，足为夯沉量，h 为加固深度) ；q 为施工因素q = 邑。 于是，己知毛、只可由，、毛曲线得出，并计算出q ，由孙q 关系即 可确定地基的加固效果。该方法为评价整体加固效果提供了一条很好的途径，不 过所得关系曲线和相应公式的唯一性及具体形式似乎有待进一步完善。 我国从1 9 7 5 年起就在刊物上介绍强夯法。1 9 7 8 年1 2 月中国建筑科学研 究院建筑情报研究所在建筑结构上系统介绍这项新技术，并称之为强力夯实 法，简称强夯法，引起了我国工程界的广泛注意。 1 9 7 8 年1 1 月一1 9 7 9 年6 月，交通部一航局科研所及其协作单位在天津塘沽 新港三号公路软土地层上，首次进行了试验，锤重1 0 0 k n ，落距1 3 m ，采用多种 仪器进行了观测，强夯效果尚好。1 9 7 9 年6 月，在河北省廊坊和山西省阳泉白 羊墅铁路段，对粘土、粉细砂地基和厚层素填土地基进行了强夯加固，取得了良 好的处理效果，从此动力固结法在我国推广开来，被广泛接受。据统计到1 9 8 5 年我国己有百余项工程约5 0 余万平方米面积的地基采用了强夯法加固地基。加 固的主要目的为加速粘性土的固结，提高地基承载力，减少沉降量，增加砂土的 密实度，消除砂土的振动液化，消除黄土湿陷等。 随着工程应用的深入，我国学者对强夯加固地基的理论研究在不断深入。 1 9 8 0 午9 月铁道部基建情报网于南宁召开强夯加固地基交流会，并出版了“强 夯加固地基经验交流会议文件汇编”。中国建筑学会地基基础学术委员会于1 9 8 0 年1 1 月于西安召开地基处理学术会议，会上交流了强夯法经验，在出版的论文 集中收入强夯论文4 篇。太原工业大学土力学地基教研室的论文“基于强夯法加 固地基的几个问题”中提出有效加固深度的要领，认为可以有效加固深度影响系 数乘以梅纳预估影响深度经验公式的值得到，并提出了不同土类的有效加固深度 影响系数。1 9 8 1 年5 月山西建委技术情报中心站出版“山西强夯资料汇编”收 集了2 年来山西省近2 0 项工程总结的1 3 篇文章。1 9 8 3 年在武汉市召开的全国 硕士学位论文 第四届土力学及基础工程会议上，强夯资料达2 3 篇，可见影响之广，传播之快。 钱学德( 1 9 8 3 ) 3 2 1 依据室内无侧限条件下的动力固结试验建立了冲击荷载下 秦皇岛饱和砂土的应力一应变关系、无侧向变形加荷模量和孔隙水压力的经验方 程 尚世佐( 1 9 8 3 ) 1 3 3 考虑到夯后土体的非达西流( v ：k i ) ，提出了计算夯 后孔压消散和沉降的一维公式。 裘以惠等( 1 9 8 4 ) 【3 4 】测定了黄土中强夯时的锤底动应力和深层土中的动应力； 实测并定性总结了粘性土和粗粒土中的孔隙水压力生成和消散的基本规律：并指 出锤底静压力以2 0 3 0 k p a 为宜，锤底面积大应力扩散慢，锤底面积小侧向挤出 大。 钱家欢( 1 9 8 6 ) 【35 在八十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。试验结果表明：在室内动力固结试验下，其应 力一应变关系基本上呈双线性关系，在某一静压力q 。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，并且加荷模量和卸 荷模量趋于相等。与此同时，测得塘沽粘土在冲击荷载作用下，有侧限加荷模量 e ，和卸荷模量e 。的经验公式分别为： 巨：1 5 7 4 0 塑竺望盯等t 一： ( 1 7 ) l 十e e s 。，= 15 2 1 n - 0 2 6 t ( 1 8 ) 式中e 为孔隙比：丁为夯击总历时，l t l s 。 白冰利用自行设计改造的允许试样有侧向变形的动力固结试验装簧，对冲击 荷载作用下饱和软粘土的变形、孔隙水压力的增长和消散，再固结体应变的发生 和强度增长等有关问题进行了大量室内试验研究，得出了一些极有理论价值的成 果，如轴向应变和孔隙水压力发展规律【3 6 】，冲击荷载作用下孔隙水压力增长机理 3 7 1 ，以及孔压升高与再固结体应变间的唯一对应关系【3 引。 吴铭炳( 1 9 9 0 ) 3 9 以三角形脉冲荷载源为基础，采用d r a c k e r p r a g e r 本构方 程进行了轴对称强夯弹塑性数值计算。许见东1 4 0 】采用多重人工透射边界分析了冲 击荷载作用下地基中弹塑性波的传播特征。 李本平( 1 9 9 3 ) 基于m o h r c o u l o m b 准则和双线性模型，以三角形脉冲为 荷载源，探讨了锤底面积、落高及地基分层的影响。 王盛源( 1 9 8 5 ) 4 2 1 假设深度z 处附加应力n = j 笺妥( s ：锤底面积) ， s l i 十二j 并令附加应力与自重应力比值叩= n ( r z ) = 0 2 处的深度为压缩层下限，由此 推求加固深度的数值。 王钟琦等( 1 9 8 3 ) 1 4 3 1 对强夯引起地面下x = y = z 2 的相关球体作简谐振动推 第一章绪论 求加固深度。这一方法考虑了土体振动特性，但没有分开弹性变形能与塑性变形 能，以简谐振动代替实际振动也过于理想化 左铭麒( 1 9 8 6 ) 【4 4 1 根据强夯冲击波在地基中的传播和土对能量的吸收能力， 给出加固深度为 h ：= k 4 w h 1 o 口 ( 1 9 ) 式中以：纵波波速( m s ) ，k ：大于1 的系数，一般为3 5 ，口：土体能量吸 收系数。但仍有一些重要因素未能反映，k 、口的取值人为性太大。 王成华( 1 9 9 1 ) 4 5 1 评述了强夯加固地基深度估算方法，对加固深度的定义进 行了较为有益的探讨，对各种强夯加固深度的估算方法进行了详细的对比分析， 认为强夯地基加固深度估算的研究尚处于初步探索阶段：强夯加固机理有待深入 探讨加固效果的本质有待正确评价。 郭志恭( 1 9 9 2 ) 4 6 1 通过分析国内外文献及资料，提出对一般粘性土及砂土， 加固深度计算式为： h = 5 i l o 0 0 0 9 ( w h + e )( 1 1 0 ) 刘海冲( 1 9 9 3 ) 【47 】根据3 8 项工程实测资料，在半对数坐标系上绘制了关系 曲线h = f ( w ，h ) ，发现对于三种不同类型地基士( 即i 类为块石、碎石、煤矸 石、冶金渣；i i 类为填土、杂填土、吹填土；i i i 类为粘性土、砂性土、黄土) 中 存在着直线关系，得出了加固深度的经验公式： i 类地基土：h = 1 3 5 l t g w h 一3 8 5( 1 1 1 ) i i 类地基土：h = 1 6 9 l g w h 一4 7 4 ( 1 1 2 ) i i i 类地基土：h = 1 9 - 8 l l g w h 一5 3 0 ( 1 1 3 ) 陈孟英( 1 9 9 8 ) 4 8 】曾采用土的加载线弹塑性和刚性卸载假设，运用一维应力 波理论得到一个确定加固深度的公式。与传统的波动理论机理分析一致，关键在 于确定塑性区范围。同时他还给出了接触应力历时。 张平仓，汪稳( 2 0 0 0 ) 4 9 1 基于量纲统一的原则，得到加固深度公式 h = 阡偏【4 乃( 1 一c o ) ，计算时各土性指标采用加权平均值。 宋修广( 1 9 9 7 ) 【5 0 嚏用动态影响函数的概念，提出了动态有限元法。他认为， 对于基频较大的较硬的土层宜采用动态有限元法。 周良忠等( 1 9 9 8 ) 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。 孔令伟、袁建新( 1 9 9 8 ) 忙2 j 直接对动力方程进行l a p l a c e 变换和h a n k e l 变 换，将动力方程化为常微分方程组，并采用传递矩阵法，将接触位移和接触应力、 内部边界位移联系起来，获得了这个接触问题的位移、应力的变换域解。 硕士学位论文 蒋鹏( 2 0 0 0 ) 【5 叫考虑到夯坑周围局部大变形现象，认为小变形假设已不适宜 在考虑大变形的基础上对强夯过程进行数值模拟，并与小变形情况下的数值模拟 进行对比，得出了需要应用大变形进行强夯分析的工程情况。 刘松玉、王立权等( 2 0 0 0 ) 5 4 , 5 5 1 实测并总结了液化土与软土交互地基中深层 水平位移及孔隙水压力生成和消散的基本规律。 董耀( 1 9 9 5 ) 【5 6 】根据某工程试验结果建立了夯后土的承载力与单击夯击能的 关系。虽然具体公式尚无广泛代表性，但这种研究很有意义。 孔令伟( 1 9 9 8 ) 【57 通过建立反分析模型，利用强夯时停止夯击的标准来反演 强夯后地基土的变形模量，定量地预测强夯后地基土的容许承载力大小该项研 究尽管是基于土的弹性材料模型所做的工作，但无疑是一项具有j 丌创性的工作。 前人的大量工作和研究成果，为本次工作提供了丰富的文献资料和经验，有 了这些经验和资料，结合本次工程实践，本文试图对动力固结法加固软土地基的 性状进行较为详细的研究。 1 3 动力排水固结法简介 动力排水固结法的基本特点( 1 9 9 7 ) 【5 即是以强夯法为基础并依据工程她质条 件与施工技术要求进行排水系统的设计，视需要设计水平排水体与竖向排水体， 然后按设计要求填土到预定标高。再进行动力夯击利用动力荷载及填土静荷促 使软土加速排水固结，排出的孔隙水经由空间网状排水体系汇集于集水井，用水 泵外排。出于动载的多次反复作用及排水条件的较好改善，再加上软土之上的水 平排水体及上覆的土层又能使动载作用产生的附加压力保持一定的时间，从而促 使软土地基中的i l 隙水快速消散且不断地排出土体，地基强度不断得到提高，它 的处理效果远远优于强夯法。 据此特点，刘祖德( 1 9 9 5 ) 1 5 9 】建议将其称为“动静结合排水固结法”。一般 而言，动力排水固结法在工期上要比堆载预压法、真空预压法短，在工程造价上 要比块石强夯法、粉喷桩法低，在使用范围上要比传统的强夯法宽。 正因为如此，该法具有广阔的应用前景。国内岩土工程界已将其成功用于多 项软基加固工程j 。 丘建金等( 1 9 9 5 ) 6 i j 通过初步探讨动力排水固结法的机理，提出了相应的 施工工艺和现场临控措施，将该法用于珠海市红旗区观湖小区和深圳市皇岗口岸 商业服务区的软基加固工程，通过合理使用夯击能和进行严密的现场监控，不仅 达到了满意的加固效果，而且大大加快了工程进度。 徐金明等( 1 9 9 6 ) ( 62 】结合某地基加固场地，选取两个试验区，从孔隙水压力 消散、土体位移、静力触探、标准贯入试验、荷载试验及室内土工试验等方面对 第一章绪论 动力排水固结法加固软基的效果进行了现场对比试验研究，试验表明：动力排水 固结法可以较好地改善地基土的工程性质。 郑颖人等( 1 9 9 8 ，2 0 0 0 ) 6 3 , 5 7 1 在分析软粘土强夯机理特点的基础上，提出了 适用于软粘土地基的强夯工艺。并通过某工程试验，结果证明所选工艺的正确合 理性。 叶为民等( 1 9 9 8 ) 1 6 4 1 结合上海某工程，对饱和软粘土地基在不同排水条件下 的强夯加固效果进行了对比研究，研究结果表明，动力排水固结法对于改善软粘 土地基的加固效果是非常明显的。 朱爱农等( 1 9 9 9 ) 65 】成功地进行了动力排水固结法加固某机场工程的现场试 验，取得了令人满意的结果，并提出了最佳夯击次数的确定标准和合理收锤标准。 工程实践表明，动力排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、工期短且经济等优点，应用前景广阔。 动力排