（岩土工程专业论文）动力排水加固饱和软粘土试验研究.pdf

摘要 我国沿海地区建设用地十分紧张，该地区又广泛分布着大量海相沉积的深厚饱和软 粘土。如何有效处理这类土体，使之为我国初会建设服务，已经成为一个具有巨大经济 价值的课题。 饱和软粘土一般都具有高含水量、高压缩性、低强度、低渗透性等特点。动力排水 固结法是近些年来发展起来的一种新的地基处理方法，在处理饱和软粘土的实践中已获 得成功。这种方法的关键是超孔隙水压力的快速消散和对处理效果的评估。由于土层工 程地质条件的复杂性，目前对该方法无论是从理论探讨、室内试验、现场试验以及设计 计算方面尚未有统一的理论和方法。本文试图通过从原子中电子受激获得能量实现跃迁 的现象中得到启示，认为强夯无疑是能量的转换，在强夯的确过程中使得部分弱结合水 获得能量，使其水性得以改变成为自由水。同时强夯也使饱和软粘土的渗透性增大，从 而能够维持一个动态稳定的过水断面，而塑料排水板使得排水更加容易，这些是孔隙水 压力能够快速消散的关键。然后运用灰色系统理论建立了对动力排水加固饱和软粘土的 加固效果的预测模型，编制了相应的m a t l a b 程序。最后运用灰色系统理论中的优势分 析原理对影响强夯加固效果的一些主要因素及其影响程度进行了分析和量化，并运用层 次分析法原理对设计方案进行了筛选，为施工提供了参考。 以上几点工作，对动力排水固结法的加固机理的探讨为理论研究提供了一种新的视 角；灰色系统模型预测的建立，使人们脱离了以往的研究思维，从不充分的信息中去寻 找更多未知信息，从宏观方面去把握加固效果的总体效应；最后优势分析和层次分析法 的运用无疑对强夯设计方案有一个定量的比较。 关键词：饱和软粘土、动力排水固结、灰色理论、m a t l a b 、优势分析、层次分析法 t h et e s tr e s e a r c ho ns a t u r a t e ds o f tc l a y w i t hd y n a m i cd r a i nc o n s o l j d a t i o n m al o n g ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h a ny o n g l i a n g a b s t r a c t l a n df o rc o n s t r u c t i o np u r p o s ei nc o a s t a la r e a si sn e e d e db a d l y m e a n w h i l e ，t h es o i lo fm o s to ft h e s e a r e a si sd e e ps a t u r a t e ds o f tc l a y o b v i o u s l y , i t sas u b j e c tw i t hg r e a te c o n o m i cv a l u et ok n o wh o wt om a k e u s eo f t h i ss o i li nt h e s ea r e a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs a t u r a t e ds o f tc l a ya r eh i g hm o i s t u r ec o n t e n t ，h i g hc o m p r e s s i b i l i t y , l o ws h e a r i n g s t r e n g t ha n dl o wp e r m e a b i l i t y d y n a m i cd r a i nc o n s o l i d a t i o ni s an e wf o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o d d e v e l o p e df o rs e v e r a ly e a r s i ti ss u c c e s s f u li ns o m ep r a c t i c a le x a m p l e s d i s s i p a t i o no fe x c e s sp o r ew a t e r p r e s s u r ea n dh o wt oe v a l u a t et h et r e a m a e n t e f f e c t sa r et h ek e yp o i n t so f t h i sm e t h o d t h e r ea r en o tu n i f o r m t h e o r ya n dc a l c u l a t i o nm o d e la b o u tt h i sm e t h o di nt h e o r yd i s c u s s ，i n d o o re x p e r i m e n t s ，f i e l dt e s t sa n d c a l c u l a t i o nb e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e de n g i n e e r i n gg e o l o g i cc o n d i t i o no fs o i lh o r i z o n s t h i sp a p e rt r i e st o g e tr e v e l a t i o nf r o mt h ep h y s i c a lp h e n o m e n o nt h a te l e c t r o n sw i l lt r a n s i tw h e nt h e yg e te n e r g y i ti s u n d o u b t e dt h a tt h i sp r o c e s si sa ne n e r g yt r a n s f o r m a t i o np r o c e s sa n ds o m ew e a kb o u n dm o i s t u r eg a i ns o m e e n e r g yf r o md y n a m i cc o m p a c t i o na n dc o n v e r ti n t of r e ew a t e r m e a n w h i l e ，d y n a m i cc o m p a c t i o na l s om a k e s t h ep e r m e a b i l i t yo fs a t u r a t e ds o f tc l a yr a i s e ，a n dp l a s t i cd r a i nm a k e st h ed r a i n a g eo fs a t u r a t e ds o f tc l a y e a s i e r t h e s ea r et h ek e yp o i n t st h a tp o r ew a t e rp r e s s u r ec a nd i s s i p a t eq u i c k l y t h e nt h i sp a p e ru s i n gg r e y t h e o r yc r e a t e sp r e d i c t i o nm o d e lo nt h et r e a t m e n te f f e c t so fs a t u r a t e ds o f tc l a yw i t hd y n a m i ca n dd r a i n c o n s o l i d a t i o na n dw r i t eac o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rp r o g r a mw i t hm a t l a bl a n g u a g ea b o u tt h i sp r o c e s s a tl a s t a n a l y s e ss o m ef a c t o r sa n dd e t e r m i n e st h e i rd i f f e r e n ti n f l u e n c eo nt h et r e a t m e n te f f e c t so fd y n a m i c c o m p a c t i o nb ys t r e n g t ha n a l y s i si ng r e yt h o e r ya n ds e l e c t sc o n s t r u c t i o np l a nb ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s a l lo ft h e s ej o b sp u tf o r w a r d san e wa s p e c to ff u r t h e rr e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo fd y n a m i ca n d d r a i nc o n s o l i d a t i o n t h eg r e yp r e d i c t i n gm o d e lw i l lh e l pp e o p l et of i n dm o r en e wi n f o r m a t i o nf r o ml e s so l d i n f o r m a t i o n a tl a s ti ti su s e f u lf o rd e t e r m i n i n gt h ed e s i g np l a nb ys t r e n g t ha n a l y s i sa n da n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s s k e yw o r d s ：s a t u r a t e ds o f tc l a y , d y n a m i ca n dd r a i nc o n s o l i d a t i o n ，g r e yt h e o r y , m a t l a b ，s t r e n g t h a n a l y s i s ，a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其他教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：生叵 日期：如略年s 月2 罗日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：纥丝 ， 、 指导教师签名：j 甚瀚 l t 期：0 8 年 日期：瑚年 xr ) 孓日 s 月j r 日 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 我国沿海地区分布着大量的软土，软土也称软粘土。随着我国建设用地的日益紧张 和我国国民经济的不断发展，要求我们必须对其加以利用。由于软土自身的特点，使其 成为工程实践中最难处理的土体。因此，研究软土的工程特性，对软土地基进行加固处 理就成为工程地质界和岩土工程界要解决的重点也是难点问题。 1 1 1 软土的一般特征【1 , 2 1 1 天然含水量高、孔隙比大。软土多呈软塑或半流塑状态，其天然含水量很大，一 般超过3 0 。山区含水量可高达7 0 ，甚至达2 0 0 。软土的饱和度一般大于9 0 ，液 性指数多大于1 0 。因此，软土地基具有变形大、强度低的特点。 2 透水性低。软土的透水性很低，其渗透系数一般在l o - 9 1 0 - 7c m s 之间，有的甚 至低至1 0 _ 1 0 c m s ；因此软土固结需要相当长的时间。当地基中有机质含量较大时，土 中可能产生气泡，堵塞渗流通道而降低其渗透性。 3 压缩性高。软土的孔隙比大，具有高压缩性的特点。软土的压缩系数a l 一：一般在 0 5 2 o m p a 。1 之间，最大可达4 5 m p a 。如其他条件相同，则软土的液限愈大，压缩 性也愈大。 4 抗剪强度低。软土的抗剪强度很低，并与排水固结程度密切相关，在不排水剪切 时，软土的内摩擦角接近于零，抗剪强度主要由内聚力决定，而内聚力一般小2 0 k p a 。 经排水固结后，软土的抗剪强度便能提高，但由于其透水性差，当应力改变时，孔隙水 渗出过程相当缓慢，因此抗剪强度的增长也很缓慢。 5 具触变性。软土具有絮凝结构，是结构性沉积物，具有触变性。当其结构未被破 坏时，具有一定的结构强度，但一经扰动，土的结构强度便被破坏。软土中含亲水性矿 物多时，结构性强，其触变性较显著。 6 具流变性。软土具有流变性，其中包括蠕变特性、流动特性、应力松弛特性和长 期强度特性。考虑到软土的流变特性，用一般剪切试验方法求得的软土的物理力学性质 指标的统计值见表1 1 。 第一章绪论 表1 - 1 各类软土的物理力学性质指标统计表 t a b l e l - it h ep 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 si n d e xo f e a c ht y p eo f s o f tc l a y 抗剪强度 重度 天然含 内摩灵敏压缩系数 天然孔隙 粘聚力 类型 水量 擦角 度墨 g l - 2 m p a 一1y ( k n m 3 ) 比e c ( k n m 2 ) 。o ) 滨海淤 1 5 o 1 8 04 0 1 0 01 m 乞9l 72 2 02 71 2 0 5 积软土 河滩淤 15 0 一1 9 o 3 m 石0o 8 1 31 05 3 0o 3 0 o 积软土 湖泊淤 1 5 o 1 6 o3 5 7 00 9 1 3 o 1 l 5 2 5和80 8 3 o 积软土 谷地淤 泥( 残1 4 o 1 9 o4 0 - - 1 2 00 5 2 1 505 1 92 1 0 o 5 积) 软土 1 1 2 软土中粘土相的重要影响【1 】 一般来说，土中粘土矿物的含量越多，土的塑性就高，膨胀势就大，渗透性就低， 压缩性就高，其真粘聚力也高，真内摩擦角也小。颗粒的表面力和它们的影响范围相对 于粉质、砂质颗粒的重量和大小来说，其作用是很小的。然而相对于极小的片状粘土颗 粒来说，表面力有极强的影响。 是粘土相还是颗粒相控制土的性状，在一定程度上取决于土中粘土的含量。水被强 烈地吸引到粘粒表面产生塑性。非粘土矿物的亲水性很小，不产生明显的塑性，可以近 似地假设土中水全部与粘土相发生联系。在这个假设的基础上，可以确定在任何含水量 下，填充颗粒相所形成的空隙和阻止粒状颗粒间直接接触所需粘土含量。因此可以得出 下列关系式： = ( 一盖) 去 t ) 水体积+ 粘土体积2 志等+ 盖去 m 2 ) 其中， 颗粒相中空隙体积； 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 二二二二二r = 二二二二一 c 粘士相百分比： 颗粒重量； 粘土相的比重； 颗粒相的比重； 儿水的重度； 颗粒相的孔隙比； 0 9 含水量百分比。 假如粘土和水填满颗粒相的空隙，则有： ( ，一高) 去= 孟凳+ 焉去 整理后最终可以得到： 而co一丽c=(卜c、e阳c00 1 0 0 g1 0 0g 1 一 i 。 一 有粗大颗粒组成的粒状材料在最松散状态下的空隙比为0 9 ， 比重为2 6 7 ，粘土相的比重为2 7 5 ，代入上式可得： c = 4 8 4 - 1 4 2 0 9 该式所示关系见图1 1 。 鑫 翻 劓 耀 雌 整 毯 纠 敞 g ( 1 3 ) ( 1 4 ) 大多数土中颗粒相的 ( 1 5 ) 图1 - 1含水量与粘土填满粒状体空隙的关系 f i g 1 _ 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em o i s t u r ec o n t e n ta n dv o i df u l l e dw i t hc l a yc o c c o d 髂 3 第章绪论 从图1 1 中可以看出，在实践中常遇到的含水量下，最多需要土体固体部分1 3 的 粘土便可以使土粒颗粒状不能直接接触，而粘土就得以控制土体的性状。由于在大多数 土中，粘粒颗粒往往包裹在粒状颗粒的表面，因此，粘土就可以对土的性质施加明显的 影响，即使是在较小的粘土含量的情况下也是如此。 1 2 常见的软粘土处理方法 目前对于软粘土的处理，常用的几种方法有【3 ，4 】： 1 换填垫层法：主要加固方法有换填、抛石挤淤、垫层、强夯挤淤几种。垫层法根 据材料的不同可分为砂( 砾石) 垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土( 灰土、 二灰) 垫层。代表方法有砂垫层法及换填法。 2 深层密实法：主要加固方法有动力固结法( 也称强夯法) 、土( 或灰土、粉煤灰加 石灰) 桩法、砂桩法、爆破法、碎石桩法( 振冲置换法) 、石灰桩法、水泥粉煤灰碎石 桩( c f g 桩法) 、粉喷桩法、旋喷桩法等。代表方法是碎石桩法、强夯法、水泥粉煤灰 碎石桩法和粉喷桩法。 3 置换法：由于深层密实法中的几种方法都要加入高抗剪强度的材料，置换部分软 土的加固机理，与原有的土体共同组成复合地基，达到加固地基的目的，因此深层密实 法有时也称为置换法。 4 排水固结法：主要加固方法：堆载预压法、砂井法、袋装砂井、真空预压法、电 渗排水法、降低地下水位法、塑料排水板法。 5 化学加固法：主要有硅化法、粉喷桩、旋喷桩、注浆、水泥土搅拌法。 6 其他加固法：除了上述软土处理方法外，比较常用的还有桩基、沉井、侧向约束 法、反压护道法等。 1 3 动力排水固结法 在强夯法和排水固结法的基础上产生了动力排水固结法，既弥补了强夯法不适合加 固饱和软粘土的不足，又简化了排水固结法中繁杂的加压系统，因而这一方法自产生之 后便具有了强大的生命力和广泛的适用性。一般来说，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 要比传统的强夯法广，但技术要求同时也比其他方法高，而且理论研究还不够，有待于 进一步的研究完善但其加固机理与计算方法【5 1 。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 1 目前存在的问题 强夯法目前存在的问题主要有以下几个方面【6 】： 1 进一步研究强夯的加固不同土类的加固机理，特别是微观机理方面的探讨。 2 发展强夯法的设计理论与方法，改变目前以经验和现场试验为主的状态。 3 深入研究在强夯时的冲击荷载作用下，土的动力性质及其影响因素。 4 建立一套针对不同地基土的有效加固深度评价标准。 5 研究强夯时地基表面的硬壳层或人工垫层的合理厚度。 6 研究强夯法加固效果的预测性评价方法，特别需要研究夯点布置与间距、夯击遍 数与间隙时间等对夯击效果的作用。 7 发展可供信息化施工方法用的强夯效果检测方法，使试验和施工参数得以更快地 调整。 8 g p x ( g e n e r a l i z e dp r o g r a m m i n ge x t e n e d ，扩展的综合程序设计) 和k 波( k 波k w a v e 地核中传播的一种p 波即压缩波) 测试技术在强夯法地基处理测试中应用。 9 发展超高能量强夯法，重点是研究起吊机具。 1 0 发展水下强夯。 1 3 2 研究方向 目前强夯技术的研究方向从理论方面主要有以下几点【刀： 1 开展动力排水固结法的微观机理研究，可以将动力固结前后土体颗粒的微观结构 变化作为一个重要的研究方向，考虑软土的结构特性对动力固结效果的影响。 2 将孔隙水压力、土体变形和应力结合起来考虑( 即渗流场、位移场、应力场三场 耦合) ，进行饱和软粘土的动力排水加固软基的机理及动力特性研究。 3 开展室内小型模型试验的研究，对冲击荷载施加于饱和软粘土瞬问的冲击应力、 孑l 隙水压力和土体变形进行有效的测试，对动态响应特征进行分析，建立室内试验与现 场施工参数选取之问的有机联系，解决模型的尺寸效应影响。 4 建立适合于固、液耦合分析的弹塑性数学模型，并编制基于b i o t 动力固结方程的 波动有限元程序，对冲击荷载下饱和软土的动态响应特征进行数值模拟，以计算结果优 化并指导设计施工。 从工程应用方面讲主要有三个方向【6 】： 1 发展以处理饱和软土为目的的并辅以排水措施的低能级强夯技术。 5 第。章绪论 2 发展以处理欠固结高填土和深厚湿陷性黄土为目的的高能级强夯技术。 3 发展强夯与其他地基处理技术优势互补而开发形成的组合式地基处理技术。 1 4 本课题的研究内容与研究方法 1 4 1 研究内容 根据已有的研究成果，按照前文的论述，本课题做了如以下工作： 1 通过现场监测，揭示动力排水法加固饱和软粘土地基( 淤泥) 的动力排水固结过 程中孔隙水压力的增长、消散规律，并进行消散率和土层固结度的计算。 2 从微观上对动力排水加固饱和软粘土的加固机理进行探讨，详细分析强夯、竖向 排水体系( 塑料排水板或者袋装砂井) 的作用，对填土垫层的合理厚度、强夯产生的硬 壳层的影响进行阐述，以揭示在强夯作用下渗透性极差的饱和软粘土中产生的超孔隙水 压力快速消散的原因。 3 运用灰色理论模型( 灰预测) 对孔隙水压力的变化进行预测，进而确定动力排水 固结法的加固效果，编制相关的m a t l a b 程序，最后通过工程实例检验其合理性。 4 基于灰色系统理论中的优势分析和层次分析法原理考虑影响动力排水固结法加固 饱和软粘性土层( 淤泥) 的加固效果的一些主要因素及其影响程度，从而确定各种施工 参数，为设计施工方案选择提供依据。 1 4 2 研究方法 本课题先通过现场试验进行数据监测并进行分析整理其结果，然后总结孔隙水压力 消散规律和土层固结程度；再从微观方面对其加固机理进行探讨；然后通过灰色系统理 论预测孔隙水压力的变化以确定加固效果，并进行相关编程；最后根据前人的室内试验， 运用优势分析原理和层次分析法对影响强夯的一些主要因素及其影响程度进行评估并 进行方案筛选。在这一过程中主要用到了灰色系统理论【8 】、层次分析法1 9 , 1 0 和m a t l a b 语 言 1 1 , 1 2 , 13 “。下面对其进行简单介绍： 1 灰色系统理论 灰色系统理论是邓聚龙教授于19 8 2 年创立的。在客观体系中，那些既有已知信息， 又有未知信息的系统称为灰色系统。灰色系统理论以其全新的思想、全新的方法、全新 的模型去研究系统发展、演化的规律，使对复杂系统探索和描述简化。由于土体的复杂 性、影响动力排水固结法加固效果的各种因素内涵的不明确性以及各种因素之间的关系 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 等都是灰色的，因而构成夯锤、饱和软粘土和测量活动的系统是一个部分信息已知，部 分信息未知的灰色系统。因此灰色系统理论特别适用于强夯法加固饱和软粘土地基这类 数据有限、复杂而且具有不确定性问题的分析和评价。 通过灰色系统理论对试验数据的处理，并运用模型处理将无规律序列转变成有规律 序列，然后对饱和软粘土在动力排水固结作用下的加固效果进行评估，与相应的工程实 例作比较，可以验证其合理性。 2 层次分析法 层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，简称a h p ) 是美国运筹学家匹茨堡大学教 授萨蒂于上世纪7 0 年代初应用网络系统理论和多目标综合评价方法，提出的一种层次 权重决策分析方法。该方法是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次， 在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。这种方法的特点是在对复杂的决策问题 的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策 的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决 策方法。尤其适合于对决策结果难于直接准确计量的场合。 3 m a t l a b 语言 m a t l a b 是2 0 世纪7 0 年代后期时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的c l e v e m o l e r 教授设计的。经过几年的努力，在l i t t l e 的推动下，由l i t t l e 、m o l e r 、s t e v eb a n g e r t 合作于1 9 8 4 年成立了m a t h w o r k s 公司，并把m a t l a b 正式推向市场。m a t l a b 具有语言简 洁灵活、运算和图形功能强大且具有开放性，很受广大编程爱好者欢迎。 1 5 预期成果及意义 1 5 1 预期成果 本课题通过现场试验，运用实测数据、理论分析和程序模拟预测等方法，得到以下 成果： 1 对现场试验结果进行了详细的分析，得到了饱和软粘土在动力排水加固下的孔隙 水消散规律，并计算了土层固结程度； 2 从微观方面对动力排水固结法加固饱和软粘土地基的加固机理进行了详细的分析 和探讨，提出了强夯能活化弱结合水从而改变其水性，使之成为自由水，同时使软粘土 的渗透性增加，形成动态稳定的过水断面加快孔隙水的排出； 3 运用灰色系统理论，建立了灰色预测模型，并编制了相应的m a t l a b 程序，对加固 7 第一章绪论 效果进行了评估，通过与实测数据比较，证明其是可行的； 4 运用灰色系统理论中的优势分析对影响强夯加固效果的各因素进行了分析，并编 制了相应的m a t l a b 程序，并通过层次分析法进行了设计方案的优选。 1 5 2 意义 1 对现场试验的结果分析，指出这种方法处理地基时孔隙水压力的变化情况，并计 算了土层的固结程度； 2 通过对动力排水加固饱和软粘土的加固机理的探讨，提出了新的观点，对进一步 研讨有一定的参考价值： 3 编制的灰色预测模型m a t l a b 程序能够比较好的反映孔隙水的消散规律，从而能够 比较可靠地反映处理效果，为以后的设计施工提供一种预测手段； 4 通过优势分析，从量上反映了影响强夯的各种因素的影响程度，并借助层次分析 法筛选最佳方案，为实际工程施工方案提供了一种定量比较的手段。 本章小结 在这一章里，主要做了以下几点工作： 1 对软土的一般特征、物理特性及其一般的研究方法进行了概述； 2 对软土的一般处理方法进行了总结； 3 总结了强夯目前存在的问题和研究方向； 4 简单介绍了本课题的研究内容、研究思想和研究方法； 5 对课题的预期结果及其意义进行了简介。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 1 强夯法的发展 第2 章强夯法处理地基 强夯法是利用重锤( 一般8 - 4 0 t ) 从一定高度( 一般1 0 - - - 4 0 m ) 自由下落冲击地面过 程中产生的强大应力波，使土中的孔隙体积压缩，孔隙水压力急剧上升。这一过程中， 砂土会局部液化，粘性土在夯点周围产生辐射状的铅直裂缝，使孑l 隙水顺利逸出，从而 提高土体的承载力，降低压缩性，改善砂土的液化条件，消除湿陷性黄土的湿陷性等。 强夯法是上世纪6 0 年代末由法国梅纳公司首先创造使用的。对强夯法的使用范围， 国外有比较一致的看法。s m o l t c z y k 删在第八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，强夯法只适用于塑性指数，。1 0 的土。经过几十年来的应用和 发展，随着施工方法的改进和排水条件的改善，它已适用于加固从砾石到粘性土的各类 地基土，加固深度亦有很大程度提高，不仅能提高地基的强度并降低其压缩性，而且还 能改善其抵抗液化的能力和消除土的湿陷性。该方法加固地基较其他方法有适用范围 广、施工方便、设备简单、工期短、费用低、加固效果好等优点而被广泛地应用于世界 各地的机场跑道、高速公路、铁路路基、港口码头、低层建筑等地基的加固工程中【1 4 1 。 我国自19 7 8 年首次由交通部一航局科研所及其协作单位在天津新港进行了强夯法 的试验和试用研究以来，强夯技术在我国经历了以下几个重要发展阶段 7 1 ： 第一阶段：自引进到8 0 年代初。本阶段工程应用的强夯能级比较小，一般仅为 1 0 0 0 k n m ，处理深度5 m 左右，以处理浅层人工填土为主。 第二阶段：上世纪8 0 年代初到9 0 年代初。本阶段我国在山西潞城兴建国家重点工 程山西化肥厂，为了消除该场地黄土地基的湿陷性并提高地基承载力，国家化工部适时 组织有关单位开发了6 2 5 0 k n m 能级强夯并用于本场地地基处理，使强夯的有效处理深 度提高到了1 0 m 左右，强夯的应用范围也得到扩展，强夯技术日臻完善。 第三阶段：上世纪9 0 年代初到2 0 0 2 年。本阶段以兴建国家重点工程三门峡火力发 电厂为契机，成功开发了8 0 0 0k n m 能级强夯，使强夯消除黄土湿陷性的深度达到1 5 m 。 此后，高能级强夯技术发展迅速，应用范围进一步扩大。 第四阶段：为2 0 0 2 年底至今。为了处理高填方地基，试验开发了1 0 0 0 0k n m 能级 强夯，经检测，1 0 0 0 0k n m 能级强夯有效处理深度超过了1 2 m ，强夯技术取得了较大 突破，缩小了与国外先进技术的差距。在强夯技术的基础上，还形成了强夯置换和柱锤 9 第一二章强夯法处理软土 冲扩等新技术。 近些年来，通过将强夯法与其他一些地基加固方法相结合，产生了一些新的地基处 理方法，使其应用范围更加广泛。对饱和度较高的粘性土，尤其是淤泥和淤泥质土，将 强夯联合袋装砂井( 塑料排水板) 和堆载预压法相结合进行综合处理已有成功实例。虽 然其加固效果有时并不理想，但随着人们对其加固机理和施工方法的进一步研究，其发 展前景十分广剐1 4 1 。 2 2 强夯法的研究现状 2 2 。1 强夯法加固地基机理 强夯技术的应用只有几十年的时间，关于其加固机理目前国内外看法还不一致。经 典的强夯加固理论包括以下几个方面【1 5 】： 1 动力密实：强夯法用于非饱和土时，在冲击动力荷载作用下，土体颗粒发生相对 位移，土体孔隙中的气体被挤出，孔隙率减小，密度增大，土体得到密实，即动力密实。 2 动力固结：强夯法应用于饱和细颗粒土时，冲击能量在土体中产生强大的应力波， 破坏了土体的原有结构，使土颗粒表面的吸附水变成自由水，土体局部发生液化并产生 许多裂隙，在孔隙水压力的作用下迅速排水，孔隙水压力逐渐消散，裂隙重新闭合，形 成新的土颗粒间紧密接触、自由水及外层吸附水减少的结构，使土颗粒间吸引力得到较 大提高，土体得到固结，即动力固结。 3 动力置换：强夯法应用于饱和土地基加固时，如果土体过分软弱，经强夯试验证 明不能形成动力固结时，还应考虑采用动力置换法加固软土地基。动力置换又分为整式 置换和桩式置换。 整式置换是用强夯法将碎石、山皮土或石碴夯入软弱土层中，形成整体置换( 类似 于换填法) ，使置换层中的土与石碴形成复合地基；桩式置换是在碎石、山皮土和石碴 垫层上，间隔布点进行强夯，边夯击边填碎石或者石碴料，使软弱土层中形成碎石桩群 ( 类似于振冲碎石桩) ，碎石桩与桩间土形成复合地基。 m e n a r d 【5 刀早年所提出的动力固结模型从力学上对动力固结机理进行了解释，主要考 虑了以下几个方而【1 4 】：有摩阻力的活塞，即含有空气的孔隙水体积变化具有滞后现象； 含有气体的液体体积可压缩；非定比弹簧，即土颗粒周围的弱结合水可转化为自由 水排出：固结时，液体排出所通过的孔径是变化的，即强夯后土体中会形成辐射状的 排水网络。见图2 1 所示。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 1m e n a r d 动力固结模型 f i g 2 - 1m e n a r d sd y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm o d e l 对强夯加固机理，m i t c h e l l 5 8 】认为强夯加固非饱和土时，其压密过程相当于普通的 击实过程；强夯法加固饱和无粘土时，其压密过程相当于爆破或振动压密；而当强夯法 加固饱和细颗粒土则需要破坏土体的微观结构，产生超孔隙水压力，孔压消散后土体压 密。h a n s b o 5 6 1 从其所做的粘土试验中发现孔隙水中存在可活动粒子，如果对软粘土施以 适当的动能将会激活这些可活动粒子，从而使土体中的一些结合水变成自由水；强夯法 正是通过大面积、大深度的“激活”淤泥土层，使孔压全面增长，进而加速排水固结的。 o s i p o v 5 9 等通过试验研究分析了饱和软粘土在强夯作用下的触变现象和触变恢复的微 观机理，发现土体在动荷载作用( 即触变) 时抗剪强度急剧下降，土体结构破坏，强度 降至最低点；动荷载停止后，抗剪强度从最低点不断增加( 触变恢复) ，并伴随着微观 结构的重新组合。a n d e r s o n k h 【5 2 】等人对德勒f q ( d r a m m e n ) 粘土在循环荷载作用下的变 形和强度进行了系统的研究。m a t s u i 5 5 】等的研究则较多地关注了孔隙水压力的发展变 化，分析了残余孔压与剪应变之间的相互关系以及循环荷载作用历史对剪切特性的影 响。f u j i n w a r a h 【5 4 j 等在试验基础上，针对一油罐地基在反复加卸荷条件下的沉降量进行 了计算，并认为影响地基沉降量的因素主要包括荷载的大小、荷载周期、荷载增量、土 的初始结构、加荷方式、胶结程度和循环次数等。 也有学者利用振动波理论的观点来解释动力固结的加固机理。研究认为，强夯过程 中在地基土体内产生一个波场，在土体中传播的波可分为体波和面波两大类。一般认为 体波压密土体，对土体起到加固作用，面波作用很小甚至起到破坏作用，但也有学者认 为占波能量大部分的面波也能起到一定的加固作用。此外，还有人将土体看作是两相( 或 三相) 饱和土体，深入研究了波在饱和土体中的传播过程，给出了较为严密的理论解答， 为强夯法加固饱和土地基的进一步研究提供了理论基础，但目前还很难在工程中应用。 强夯试验是目前进行强夯加固机理研究和室内研究的主要分析方法。对强夯进行系 第：二章强夯法处理软土 统的室内试验是1 9 7 0 年由w e t g e l 等人首先展开的。在我国，1 9 8 0 年钱家欢【】5 j 教授和他 的学生们利用自行设计的一维动力固结仪对软粘土动力固结机理进行了室内试验研究， 结果发现在动力固结试验中，秦皇岛码头地基的细砂和塘沽粘土的应力一应变关系基本 上是双线性关系；在某一静固结压力下，土体的加荷模量随夯击次数的增加而增大，卸 荷模量则逐次减小，并获得了加、卸荷模量和动孔隙水压力的经验公式，为进行理论计 算和数值分析提供了宝贵的参数。其后，杨帆在中科院武汉岩土所通过改进的动力固结 仪研究了饱和砂与淤泥在强夯冲击作用下的动力固结特征，利用室内试验结果探讨了强 夯法处理饱和软粘土地基的有效性和m e n a r d 动力国结理论，并利用剪切力引起土颗粒 间相对滑移的概念解释了土体的变形机制。韩文喜【l7 】博士则利用改进的m t s 8 1 0 t e s t a r 程控伺服土动三轴试验机对饱和土进行了强夯模拟试验，得出强夯荷载形式是冲击荷 载，变形主要以塑性变形为主，强夯的应力一应变关系是双线性的，并导出了强夯动本 构关系以及孔隙水压力模型。此外，在刘祖德教授指导下，白冰 1 8 , 1 唧，2 1 5 3 1 博士也利用 自行设计改造的允许试样有侧向变形的动力排水固结装置，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、再固结应变的发生和强度增长等有关问题进行了 大量室内试验，得到了很多极有价值的结论。 在对强夯加固机理进行分析的基础上，孟庆山、雷学文【2 2 ，2 3 2 4 1 针对动力排水固结法 的基本特点，基于b i o t 固结理论和有效应力原理，建立了轴对称动力固结问题的流、固 耦合分析有限元基本方程，并编制了流、固耦合近场瞬态波动轴对称有限元时域模拟程 序，对饱和软粘土地基动力排水固结进行了数值模拟分析，得出了动力排水固结过程中 土体动态响应基本规律和加固深度与影响因素之间的关系。同时还研究了强夯作用下地 基的振动特性，提出了最小安全距离的确定方法和减振措施，并通过现场试验，实测分 析和数值模拟分析，揭示了动力排水固结中孔隙水压力的长消规律，研究了动力排水固 结法的加固效应，进而证实了信息化施工的可行性。孟庆山【2 5 j 等研究了淤泥质类软土的 结构性和触变性对加固效果的影响，以及冲击荷载作用下的软土动态响应特征，得出了 冲击荷载引起土体变形和激发的孑l 压具有不同的发展模式，土体变形与冲击击数是对数 双曲线关系，而孔压与冲击击数之间是双曲线关系等有意义的结论。 李彰明、冯遗兴【2 6 】在工程实践中对动力排水固结法处理软粘土地基作了大量的尝 试，揭示出软基处理中孔隙水压力变化的规律： ( 1 ) 施工前，因地基深度的不同，孔隙水压力存在相应的差别，随着施工的进展， 这种差异越来越小。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) 较低夯击能作用后孔压消散比较快；高夯击能作用后孔压消散慢、历时长。 ( 3 ) 夯击动荷载作用一定时间后，孔压值会低于夯前填土压力下的孔隙水压值。 ( 4 ) 一定深度淤泥内，在不同夯击能作用下，不同深度处的孑l 压增量大致相同； 超过一定深度后，孔压增量则随深度的增加而有所减少。 丘建金，张旷成等【27 】指出动力排水固结法适用于大面积鱼塘改造和围海造地等道路 和低层建筑的地基加固过程，该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，要有3 m 以上厚填土作为预压静载，尤 其在夯击能的使用、单点的夯数、夯击遍数等问题上有很大差别。就夯击能而言，单点 夯击能应由d , n 大，因为软土含水量高、易流动、只能以较小的能量使浅层软土率先排 水固结，强度增加，然后伴随分级堆载的施加再加大能量，使动能向深层传播，促使深 层淤泥排水固结。单点击数的控制则是关系到加固效果好坏的关键，其击数由使孔隙水 压力小于土的动力强度、软土产生较小的侧向位移来进行监控。对于夯击遍数和间隔时 间，动力排水固结法宜采用少击多遍的方法。 徐金明等【2 8 】就采用不同的强夯参数用动力排水固结法处理软土地基的现场试验结 果经过对比分析得出：夯点间距和夯击能是影响加固效果的重要因素，夯点间距不宜过 大或过小，以6 9 m 为好。另外从孔隙水压力消散、土体位移、载荷试验等方面对强夯 法加固软土地基的效果进行了对比试验，得到了满意的结果。 2 2 2 有效加固深度的确定 “有效加固深度”是指在正常施工条件下，地基土的控制指标满足设计要求的深度。 对强夯法加固机理的分析必须同时考虑如何消散孔压和增加加固深度两点。m e n a r d 最早提出的公式是用来初步设计锤重与落距的，由于它表明了有效加固深度与锤重和落 距( 即夯击能) 的关系，而且形式简单，因而为其他有效加固深度的口系数公式奠定了 基础。很多学者根据现场试验和工程实践，提出采用m e n a r d 公式的修正形式来计算强 夯有效加固深度，口为小于1 的修正系数，其取用范围随土性的不同而变化很大。由于 强夯法的加固效果是土体本身性质和强夯法的施工工艺参数两方面的因素相互促进、相 互制约共同作用的结果，一些学者基于此采用能量守恒法( 包括简化的动力法和拟静力 法、理论分析法、模型试验法和计算模型法等) 建立了很多其他形式的经验公式，汤磊、 陈正汉还提出了一种基于人工神经网络的强夯有效加固深度预估方法，给岩土工程的研 究提供了一个方向，也大大减小了由解析表达式带来的误差1 2 9 , 3 0 。表2 1 1 1 4 1 罗列了的计 1 3 第二章强夯法处理软上 算强夯加固深度的经验公式。 表2 - l 强夯法加固深度经验公式 t a b l e 2 - 1t h er e i n f o r c e m e n td e e p t he m p i r i c a lf o r m u l ao fd y n a m i cc o m p a c t i o n 序号研究者经验公式符号含义及注释 l 徐志飞等 d n m h 0 7 5 a 加固影响面积；u 0 、u 夯击前 a u u o 后加固深度内平均干密度对应的室内击 实能 2 张平仓 州埘屠 a 夯锤面积；彪加固土体干重度； w 含水量；一系数 3王钟琦 。= 鼯 彳振幅；p 土的密度；国振动频 蛊 4 左名麒d ：型亘 一纵波波速：口一土体能量吸收系 口咋 数；k 大于1 的系数，一般为3 5 5 王成华 ：0 1 3 5 p , , h 一加固深度；以等效拟静附加应 0 2 v + 0 0 2 4 p , , d 力；y 一土泊松比：d 夯锤直径 6 张永均d = 厂( ) m h 一综合修正系数；n 击数 7 张峰d = 0 5 0 9 ( 删) 0 。为n n 2考虑了击数的影响 h 一加固深度：h 夯锤落距；n 一夯 8 费香泽等h = w 2 7 3 h n 击次数；d 夯锤底面直径；儿加