（岩土工程专业论文）高能级强夯加固机理及环境影响数值分析.pdf

摘要 摘要 强夯法是一种经济高效的地基处理方法。强夯法具有提高土的强度，降低 土的压缩性、改善砂土的振动液化条件和消除湿陷性黄土的湿陷性等作用。随 着高能级强夯越来越广泛的工程应用，对于高能级强夯的研究其有重要的理论 意义和工程价值。 本文采用拉格朗日元法，建立了用于分析高能级强夯问题的有限差分模型， 该模型将强夯简化为轴对称问题，考虑了大变形效戚，在考虑夯锤自重的基础 土，将锤土接触应力简化为三角形萃峰荷载，作为威力边界条件施加在锤土接 触节点上。 通过计算分析1 0 0 0 0 k n m 高能级强夯作用下土体的变形特点和应力变化规 律，对高能级强夯的加固机理作出了阐释，夯击过程中锤底形成一部分“不可 压缩嚣土层；针对夯击能、夯锤面积及锤重落距组合等花工参数开展了研究， 并根据夯沉量及夯坑体积分析了其对加固效果的影响，发现可以通过改变夯锤 面积来控制加固的水平范围和竖向范围。 文中还建立了用于分析强夯环境振动问题的数值模型，并计算得到了强夯 引起的振动加速度时域结果，进而利用快速傅利叶变换，得到了振动加速度的 频谱曲线，由此对强夯振动幅值和频谱特点进行了剖析。强夯引起的地表径向 振动加速度大于竖向加速度，振动主频在4 - - - 1 5 h z 之间。通过模拟隔振沟的效 果，发现隔振沟能够有效减小振动幅值，但是对振动的频谱特征影响不大。 关键词：高能级强夯；有限差分法；夯沉量；振动；隔振沟 a b s t r a c t a b s t r a c t d y n a m i cc o m p a c t i o ni sag r o u n di m p r o v e m e n tt e c h n i q u ew h i c hi sp a r t i c u l a r l y e f f e c t i v ef o rl o o s eu n s a t u r a t e dg r a n u l a rs o i l s t h eo b j e c t i v ei st od e n s i f yt h es o i l si n t o as t a t eo fl o wv o i dr a t i o ，b yc o m p a c t i n gt h eg r o u n d 。t h et a m p i n ge n e r g yi nh i g h e n e r g yd y n a m i cc o m p a c t i o ni su s u a l l yg r e a t e rt h a n6 , 0 0 0 k n m ，w h i c hm a k e si tv e r y d i f f i c u l tt oc o n d u c ta l la n a l y t i c a ls t u d y h o w e v e r , n u m e r i c a lm e t h o d sa r en o w a v a i l a b l et om o d e lt h ei m p a c t i n g t h eo b j e c t i v eo ft h i ss t u d yw a st os i m u l a t en u m e r i c a l l yt h eh i g he n e r g yd y n a m i c c o m p a c t i o nu s i n gt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d i nt h em o d e l ，t h ea l g o r i t h mo fl a r g e d e f o r m a t i o nw a sa p p l i e d ，w h i c hm a d ei tc a p a b l et os i m u l a t et h eb a d l yd i s t o r t e ds o i l c u r v eo fc r a t e rd e p t hw i t hn u m b e ro fd r o p sw a sp l o t t e d ，a l s ot h ed i s p l a c e m e n ta n d s t r e s si ns o i lw e r eo b t a i n e d t h e nb a s e do nt h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t s ，t h em e c h a n i s m o fh i g he n e r g yd y n a m i cc o m p a c t i o nw a sc o n c l u d e d a n dt h ee f f e c t so ft a m p i n g e n e r g y , b a s ea r e aa n dd r o ph e i g h to ng r o u n di m p r o v e m e n tw e r ei n v e s t i g a t e d 。 g r o u n dv i b r a t i o ng e n e r a t e dd u r i n gd y n a m i cc o m p a c t i o nw a ss t u d i e d t h e a m p l i t u d eo fg r o u n da c c e l e r a t i o nr e d u c e dr a p i d l yw i md i s t a n c e a n dt h ef o u r i e r f r e q u e n c ys p e c t r u mo fd y n a m i cc o m p a c t i o nw a so b t a i n e d f i n a l l y , t h ee f f e c to f i s o l a t i o nt r e n c hw a sa n a l y s e di nd e t a i l k e y w o r d s ：h i g he n e r g yd y n a m i cc o m p a c t i o n ；f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ；c r a t e r d e p t h ；v i b r a t i o n ；i s o l a t i o nt r e n c h 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；在不以营利为目 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：荔乒辱决 醒年多月1 2 日 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。对本论文所设计的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式表明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名：前擎庚 硼年) 月1 1 日 第一章绻论 1 1 强夯法概述 第一章绪论 强夯法是一种经济高效、应用广泛的地基处理方法。强夯法加固地基的原 理即反复将8 0 , - 一5 0 0 k n 的锤( 最重的达2 0 0 0 k n ) 起吊到8 - - - 3 0 m 高处( 最高的 达4 0 m ) ，而后自由落下，其动能在土体中转化成很大的冲击波和高应力，具有 提高土的强度，降低土的压缩性、改善砂土的振动液化条俘和消除湿陷性黄土 的漫陷性等作用。同时，夯击能还能提高土层的均匀程度，减少将来可能出现 的差异沉降【l j 邯j 。 强夯法，应用于粗颗粒土和低 饱和度的细粒土时称动力压密法； 应用于高饱和度的细粒土，特别是 在夹砂层的淤泥、淤泥质土和泥炭 土等软秸土地基时称动力固结法。 对非饱和土，强夯的效果一般都比 较好。因为在这种土体上用强夯法 主要是起压密作用，而强夯产生的 击实能量又相当大，所以加固效采 相对比较明显1 4 j 。 强夯法是2 0 世纪6 0 年代末由 法国m e n a r d 技术公司首先创用， 障o f i m 兰p 一卜 。，、一事涂 形二 口 飞 鱼 y 图1 1 强夯法示意图 并在世界各地得到了广泛应用。我国于1 9 7 5 年开始介绍帮弓l 进强夯技术，1 9 7 8 年底在天津酋先试用。由于强夯技术效果显 著、经济易行、设备简单、施工便捷、节省材料、施工周期短、适用范围广等 优点，在我国得到迅速推广和应用，特别是在“七五 、“八五期间，多项重 大工程项目由于采用强夯技术而大大缩短了施工周期，节省了大量工程投资， 取褥了良好的经济和社会效益。据不完全统计，“八五、“九五、“十五 期间， 全国重大工程项目地基处理中采用强夯技术的有文献记载的就达1 5 0 0 万平方米 以上，积累了十分宝贵的经验，为强夯技术的不断改进提高创造了有利条件。 第一章绪谂 强夯法经过了三十多年的发展，已经在工业与民用建筑、仓库、潼罐、贮仓、 水利、港航、公路、铁路、飞机场跑道及码麸的地基处理中得到了广泛应用【5 j 。 爨翦我国的强夯能级主要在8 0 0 0 k n m 以下，加固处理深度有限，对深厚填 土层、沿海淤泥质层耱要求加固深度超过1 0 - - - 1 2 m 的地基无髓为力。对大厚 度的填土区，即便可以采用功效很低的分层强夯方法，但是如果存在软弱下卧 层，实践证明其加固效果并不理想。近年来，国内外强夯技术发展迅速，研究 和癍用鳇焦点已集中在大厚度非饱和麓嵩麓级强夯技术。针对高麓级强夯， 特别是10 0 0 0 k n m - - - 16 0 0 0 k n m 能级的强夯加固机理、工法和试验研究等方面 具有很强的现实意义。 1 2 强夯法的研究现状 按照强夯法夯蠢能量的高低可以将其分为常规强夯和商能级强夯，一般认 为主夯击能低子6 0 0 0 k n m 煞麓常撬强夯，其有效蠡重深度小于1 0 m ，而主夯击 髓太子6 0 0 0 k n m 的称为高能级强夯，其有效加固深度在1 0 m 以上。警所需有 效加固深度大于1 0 m 时，常规的强夯方法及设备难以满足地基加固的辫求，故 需发展应用嘉能级强夯方法与设备。与常规强夯法相比，采用高能级强夯翔霾 处理大厚度菲瓷和土，可进一步提高地基土强度和均匀性，降低压缩性，消除 液化和湿陷性等，使强夯法的经济高效性得以充分施j 畏 6 1 。 目前针对强夯法的研究主要集中在三个方面：加固机理、设计施工参数和 振动传撵。研究方法主要有室内试验法、现场试验法、解析法和数值分析方法 盎篷 弋r 1 - 2 强夯加固枫理 l e o n a n 耐飞人为，考虑强夯法加固地基的方式，加固作用与土层在被处理过 程中三种明显不同的机理有关，即：加密作用空气或气体的排出；固结作 用水或流体的摊塞：预热变形作用各释颗粒成分在结构上重新排列和 颥粒组构与型态豹改变。 m i t c h e l l 8 】认为强夯加固非饱和土时，其作用与室内击实试验相似；当用于 饱和粗粒土时，可熊存在液化，其过程与振动密实或爆破相似；当用于饱和细 2 第一章绪论 粒士时，取决土的结构破坏、士中裂隙酶形成和孔隙求的摊出。 针对饱和粘性土动力排水固结法的加固机理，不少学者进行了研究与探讨， 其中l m e n a r d 和郑颖入对此作了较全面的阐释。 。 为解释饱和鳃粒土中强夯静成功，l m e m a r d 等 9 t 提出了一个薪的动力匿结 理论，其核心是饱和土是可压缩的和土中的水可较迅速地排出；其原因是：饱 和土中仍有少量的气体( 1 3 左右) ，因此饱和土在冲击荷载下仍可产生瞬间压 缩；反复冲击佟鞠鹾土中超静孔隙承压力不叛增大导致土的液纯、土中产生放 射状裂隙、结合水向自由水转化，使土的渗透性能明显改善，水迅速排出。 郑颖人等 o l b l 则认 妻t十 为饱和软糙土孛豹强夯 霉匕互二写l 举车罩 需通过设置天王坚离与 鋈l | l| | 森要是瓣麓茎翼ii _ i i i j u l ；l ；o 跻t 千i 排水过程；强夯的施工应 蒌 p f 寸r r 一 篇裟蓑篓萋率# 隘圭 鼍 、l11 嘎 、1 后水的排出更为困难，液签f t r 弋叫f t 广r 峄 竺燃苎矍雪篓萋区盈豳匿卫乙 复；并把软糙土强夯枕理( a ) ：亲笔茂险糕 受冲剪、土体液化与破 图1 _ 2 强夯加固梳理的不同 坏、阑结压密与触变固化 四个阶段。蓬1 2 表示穗和无粘性土、藉性土与款藕土在加鼹狙理上的不同。 盏庆山等【往1 1 3 1 通过室内动力固结试验和蠛场试验研究，认为相同冲击能量 下存在一个最佳的锤重和落距的组合，土体中孔隙水压力随冲击击数符合双曲 线的增长模式，嚣轴向变形与冲击击数之翔剡遵循对数一双曲线发展模式，在处 理撼和软速基过程孛，孔隙水压力酶消散是评价建基处理效果的重要因素。 并将动力固结的机理概述如下：动力排水固结法利用冲击能量促使饱和软土上 堆填的表层土形成“硬壳层，硬壳层作为载体将重锤自豳落体形成的冲击能量 黄递到深部键和软土孛。森置予地基中蓖空间排承霹络将冲击痘力激发的孔隙 水及时外排，从而有效地提高软土地基的承载力，增强稳定性，达到加固的目 的。 强鸯终耀下，地基麓热溺范疆是一令缀重要夔参数。熊嚣芳等b 4 认凳在 3 第一章绪论 强鸯作用下，加圈区地基土的最终表现为孔隙体积减夺、密实度增加。假设坑 外地袭隆起完全e l j 坑外浅部土变疏松所致，那么夯坑的形成，土中必有与之相 同体积的空隙消失( 因为土骨架及水被认为是不可压缩的) ，也就是夯坑的体积 等于夯坑下方土的孔陈减少静体积。 强夯的加固模式如图1 3 所示，巨大的冲击 力远超过土的强度，使土体产生冲击破坏，土体 产生较大豹瞬时沉降，锤瘾主形成土塞囱下运动。 因锤底下的土中压力超过土的强度，土结构破坏， 使土软化，侧压力系数增大，侧压力增大，土不 仅被竖囱压密，嚣显被侧囱挤密，形成的破塥 莲实区，露主匿实区a 。这一隧的土应力矿超过 土的极限强度盯，土被破坏后压实。由于土被 破坏，侧挤作用加大，因此水平向加固区宽度也 图1 3 强夯加固模式图 大，教魏露区不丽于静载土中液力糕霾形分布燕变先永平宽度大的苹果形。在 该区之外为次压实区，即b 区。该区土应力小于土的极限强度疹，两大于土 的弹性极限口j 。因此，该区土可能被破坏，但未被充分压实，或仅被破坏而未 被压实，数又称破坏削弱区。豳予动应力远大于原来土的爨重应力，坑底在 向侧翔挤出时，坑侧土在侧两分力作溺下将隆起，形戎被动破坏区，鼯e 区。 夯坑越深，土固化内聚力越大，则土被动土压力越大，土不易破坏隆起，反之 易隆起。d 区表舔地基土未有明显变化。 强夯是一个缀复杂鲢冲击碰撞过程，碉确锤土接皴瘦力随时阕豹变化煮分 布形式是进行强夯分析的基础。针对此问题，国内外不少学者利用不同方法进 行了推导。 m a y n e 等湖麸动量定理出发，推导出了夯击过程中麴最大接触应力和相互 俸用时闻，著给出夯点下z 深度处的最大动应力表达式如下： 篇掣等 ( 1 1 ) 吒一篇商 【l 1 ) 式中b 秀夯锤的等效宽度穗妇，z 为深度，v s 秀剪切波速，h 蔫落距，w 为镳煎。 孔令伟和袁建新 2 4 h 2 6 在考虑夯锤自重的基础上，结合夯锤的刚体运动方程 4 第一章绪论 和成层弹性地基空闻轴对称动力阗题的传递矩阵法，导国了强夯的边界接触应 力与沉降在变换域中的解析式，通过l a p l a c e - h a n k e l 联合反变换求得了边界接触 应力与沉降的时程关系，确定了接触应力时间；并对强夯时地基土的应力场分 布特征进幸亍了数馕分析。 ， 落锤冲击地面后，其能量是以应力波的溅式向地基内传播的。因此，另有 一些研究者从波动的角度探讨了强夯的机理和有效波型。不管是何种土中，冲 击霸地基中簧播着纵波、横波鞠蟊波，均匀各淘弱性半无限弹性固体介矮表垂 冲击时，三种波传播的能量分潮占7 2 6 和6 7 。在强夯加固孛，各种不同 波分别起何种作用，尚无一致的认识。一般认为体波起主要加固作用，面波无 加固甚至只有破坏作用：据此，强夯中豹有效能量只能是7 或是3 3 中用于产 生鎏性变形酶部分。陈云敏等珏9 1 扶研究夯锤酶振动特性和瑞利波的波长与影穗 深度出发，认为瑞利波的作用没有理由忽略，它们当属强夯的有效波型。冯遗 兴1 2 0 l 则认为，夯击能以塑性波和弹性波传播，其中塑性波对地基加固起重要作 用，每一夯点随时夯击击数增加，塑性波所占豹毖倒逐渐藏小。 强夯涉及捌锤土的接触分析、土的动力力学特性和土中波的传播等瓣题， 很难用常规解析方法进行全面地分析，因此众多学者借助数值分析手段对强夯 翊题进行了细致地研究。 谢能剐等婆1 1 1 2 2 1 在土体痤交健移关系上采焉大变形假设；在动接触力的计算 中，基于碰撞分析理论，提出碰撞系数和地基等效碰撞质量的概念，建立动力 形式的接触条件；在整体求解上，根据能量守恒原则，建立能量形式的补充方 程，采用怃纯模型求解，荠在优纯算法上采粥基子霹络并行计算技术的复形法， 失分析强夯加固枫理提供了有效途径。 高广运等【2 3 l 采用弹塑性大变形动力有限光方法模拟强鸯加固，能够较好地 反映弹塑性材料卸蘅后塑性交彤积累的性状，并指出将节点竖向位移耦合起来 瑟较好模撅夯坑的形状。 牛志荣等1 2 1 7 l 建立了冲击荷载作用下土体动力压密有限元方程及其数值计算 方法，并认为冲击荷载作用下土体位移的影响范围为一椭球体，侧向加固半径 距蓊载律焉孛心接近2 d ( d 力夯锤直径) ，蓠载律用中心下翔固深凄能达到2 d 甚 至更大。 蒋鹏等【2 8 】将强夯考虑为夯锤与地基的冲击碰撞问题，并采用动力接触有限 元法对强夯进行了数值分析。该计算模型可以较好地处理强夯麴大变形阕题， 5 第一章绪论 并且锤土接触应力在碰撞过程中国动生成，较为接近强夯实际。 孙雨明等【2 9 】利用“帽子模型对强夯时地基中的动应力进行了较好的模拟， 并指出强夯法加固非饱和湿陷性黄土具有成层性，加固的范围大体上呈钟形， 且随夯击次数的增加，加固深度增大。 宋修广等【3 0 】【3 1 】在强夯问题的分析中，同时考虑流固动力耦合和接触耦合， 在力学分析上将趸为精细，在模趔上更为符合强夯加固的实际特征。对地基土 位移及表面接触应力等在强夯作用时间内的变化规律进行了精确模拟分析。但 该方法中采用的单位脉冲法计算接触应力只适合线弹性计算模型。 白冰【3 3 】在分析了强夯冲击荷载作用下饱和土层内部动应力和孔隙水压力分 布特点的基础上，建立了相应的渗透固结方程，并给出一个简化的求解方法。 蔡袁强等渊利用大变形理论研究强夯加固过程，并弓l 入p 波阻尼和s 波阻 尼的概念，提出了轴对称几何非线性有限元和人工边界的藕合体系。分析指出， 地基土在不同深度的夯击沉降量，并不是当冲击荷载达到峰值时发生的，而是 沿着深度依次达到最大值，其闻存在滞后现象。 朱建凯等1 3 5 】根据动力有限元计算公式所反映的物理意义，提出了将夯锤与 土体作为一个体系来研究的方法，分析指出位移相对于应力有一定的滞后。 yk c h o w 等【1 6 】利用简化的一维波动方程来求解强夯闯题，方法中考虑了 锤土之间的碰撞接触，应力波的传播和阻尼效应，但其只缝在一定程度上反映 土体的竖向变形规律，对于侧向挤压效果无能为力。 强夯的加固宏观上表现为地基的夯沉量，而微观上表现为土颗粒性态的变 化，从微鼹结构龄发对强夯加固桃理进行研究是一种薪途径。l 。h u 等疆习珏霹 将数字图像技术对强夯作用下土体的微观结构进行了观察分析，主要从土颗粒 的数量、大小和形状变化，以及孔隙的变化等方面来阐明强夯的作用机理，并 将的夯沉量分为三个阶段：快速沉降、慢速派降和再次快速沉降。王立朝等p 2 】 将微结构定量分析技术应用于壤土地基土的动力固结分析中，并将填土地基夯 沉变形分为加速压密、减速压密和结构破坏3 个阶段。最佳的夯击次数应当是 第2 阶段的右界夯击数。控制地基土阶段性变形的最重要影响因子是土的孔隙 比变化。 6 第一章绪论 1 2 2 强夯设计施工参数 强夯设计的主要参数包括：锤重、落距、夯击能量、夯锤形状及尺寸、击 数、夯击遍数、阕歇时闻、夯点布置、填料控制等，众多参数孛爨夯击能量帮 夯点布置最为重臻，这两个参数对加固效果有着显著的影响。 另外，评价强夯加固效果的标准主要是加固深度和加固后地基强度。其中 如图深度是工程雾器最为关心麓参数，强夯设计熬墨标之一就是要达到要求的燕 固深度，以满足在上部荷载作用下的交形要求。 关于夯击能量的研究，钱家欢等【3 6 】【3 7 】根据室内试验的参数，用几种数值方 法求解强夯后地基中豹应力、张隙水压力和变形，并在边界元计算的基础上， 分柝了弹性模量随击数的增长模式，表面接触魔力静交纯，锤底平均夯壶能与 夯坑瞬时沉降量的关系等问题。m a y n e 等f 3 引综合分析了1 2 0 个强夯工程的实测 数据，为强夯的设计施工提供了参考依据，并总结出强夯能级越高，夯坑深度、 建表振动强度和影晦深度也越大，夯螽建基熬强度也越高。j m 。r o e s s e t 等撙l 利用质量一弹簧。阻尼器系统对冬由下落的重物作用在弹性半空闻的阊题进行了 模拟，研究表明落距只影响夯锤的撞击速度和冲击荷载的峰值，并不影响接触 对阕，丽增加锤重可以减小阻尼，从丽增加能量的利用率。周健等1 4 2 j 指出，井 点降水联合羝栽爨强夯法处理软弱地基技术的关键是要控制单击夯麓，单击夯 能不能过大也不能过小，过大易破坏土的结构，过小则无法有效加固软土地基。 高广运等【5 7 1 ，陈伟军【5 8 1 ，扬建阑等【5 9 1 ，吕秀杰等【删认为在保持单位面积夯击能 耦弱豹翦提下，重锤低落距眈轻锤高落距获褥的夯岳主体强度更高、夯流量更 大。轻锤高落距对地基表面土体的加密效采大于重锤低落距，比较适合于后期 对地袭振松层的加固处理。 夯点豹毒置、夯击遍数的选择及遍夯闻歇时间是大面积强夯燕工串嚣常关 穗的闯蘧。夯熹闻距鹩合理选择是青效燕露地基戆保证，闻距过大会造成夯闻 土的强度太低而产生差异沉降，间距过小造成夯击能量的浪费和效率的降低， 甚至可能会破坏土体的结构，达不到预期的加固效果夯齿多遍可以保证加固 后地基的均匀性，减小工蜃韵差异流降。遍夯的闯歇露瓣主要考虑孔压豹消教 快慢。国内外众多学者对以上问题提出了各自的观点。 yk c h o w 等【3 9 1 【4 0 】利用标贯试验和一维波动方程对强夯问题进行了分析， 并发现相邻夯点豹孛闻位置掬露效果最差，剩用内摩擦角之眈可以反映夯锤周 7 第一章绪论 围土体的加固效果，以此可戬确定夯点闻距。 蛰志全等【4 3 j 通过现场试验分析，认为动力排水固结法的影响深度约为夯击 点以下6 - - 8 m 。夯击遍数宣采用3 - 5 遍，夯点间距可采用4 - 6m ，最佳夯击数 秀4 - - 5 击，两逮夯击之闻的闻隔时闻鞋7 d 为宣。 周红波等豳键议采取“先轻后重、逐级加能、少击多避、逐层加固 的强 夯施工工艺，并辅以合理的排水体系的方法来加固处理饱和促淤软粘土地基， 可以用吹填粉细砂代替中粗砂作势强夯垫屡，当魏压消教达8 5 后方可进行下 一遍夯击。 祝介旺等1 4 7 j 认为，对于黄河冲洪积土，粉质粘土孔隙水压力增长和消散要 慢于粉土和粉砂，粉璜粘土的孔疆消数8 0 需要2d 左右，可采用强夯法进行 处理。2 0 0 0 k n m 夯击毙最娃夯击数为1 0 - - - - 1 1 击：3 0 0 0 k n m 夯击麓为7 击左 右。2 0 0 0 k n m 的夯击能水平影响范围为6 m 左右，1 5 0 0 k n m 夯击能的水平 影响距离为5m 左右，1 0 0 0 k n m 的水平影响距离为3m 。 燕秀杰等嘲认为在遗基串采用夯点搭接方法进行强夯往茳造成较大鳇浪 费，盈夯击效果不好。夯点闰鼷一般秀2 倍夯锤壹径。 雷学文等【4 5 】建议土石混合料根据填料实际含水量控制加水量，使实测平均 含水赞在8 左右，镶层厚度不超过9 0 c m 。振动碾压遍数为l o 遍，对边缘地带 振动碾压1 2 遍。 有效加固深度是强夯设计施工中最为关键的参数之一，针对有效加固深度 的计算，国内外众多学者进行了探讨。 m e n a r d 强夯有效加圈深度公式为：舞：厮，掰嘲锤质量国，卜 夯锤落距( n 1 ) 。由于该式考虑因素很少，m e n a x d 本人也未给畿其理论解释，用该 式计算所得结果普遍偏大，但由予该式形式简单，工程初步设计中仍广溅采用， 其特点是将上式乘以一薪藏系数，从蓊得到了修正的m e n a r d 公式：h ：跖厕。 对予系数球鳇取毽也是极不统一，凡乎每一篇涉及麓固深度的工程实录都会给 出一个针对具体王程的口值，( a l l l b i n 4 8 | 、f a n g 4 9 1 、和范维垣【5 叫对此作了大量统 计工作，其中m a y n e 3 s 】根据世界范围内的1 2 0 个早期强夯工程得出口【0 3 ，o 羽， 且搿基本主药0 5 左右，这与l e o n a r d s ，l l 在糨颗粒中得到虢结票一致。 为提高加固深度估计式的精度，必须增加方程中独立变量的个数，如太原 工业大学得出的有效加固深度的复相关方程：h = 5 1 0 2 2 + 0 0 0 8 9 5 m h + 0 0 0 9 3 6 1 e 。 其中默錾趣为单位蕊积夯击能。 s 第一章绪论 张永钧等刚从夯击次数对有效加固深度的叠加效应出发，提出有效加固深 度计算式： 蟊= e a h , = 2 删 ( 1 。2 ) 一一 、， l 蕊。j = lp j 为与土性有关的系数，冲击力p ，根据单击夯沉量与击数的回归关系式计 算确定。 徐恚飞等嘲通过室内击实试验与强夯现场夯击能的对比，同时假设每个夯 点强夯加固土体为圆柱体，推得夯后土停总夯击能为。= z t r 2 办( q - u o ) ，根 据夯击能量效率系数，7 = 。( n m h ) 可得有效加固深度 h = 努撑磊掇【万震2 ( 鲮- u o ) 。 式中，u o 分别为夯后、夯前土体加权平均容重，i ，r o 为单位体积击实能， r 为被加固圆柱形土体半径，m 和日分别为夯击次数、锤重和落距。 费香泽等5 4 1 利用读数显微镜对黄土强夯进行了半模试验，并得到加固深度 的计算公式： h = ( 1 3 ) 式中形为夯锤质量，h 为落距，为夯击次数，w 为的含水率，儿为土 的干重度，d 为土的相对密实度。 eh l e e 等 6 4 1 认为计算强夯有效加固深度的传统公式有很多的局限性，它 仅考虑了锤重和落距两个因素，作者利用有限元程序对强夯问题进行了二维分 析，提出了一种确定有效加固深度的新方法，该方法可以考虑锤的半径、冲击 动量、夯击能量和土体的初始密实度等因素。 祝介旺等【4 7 】认为，对于黄河冲洪积，2 0 0 0 k n m 或3 0 0 0 k n m 强夯的影 响深度为7 m 左右。 孔位学等【5 5 】用简单信息分配法对强夯有效加固深度进行了预估，得出了有 效加固深度系数随单击夯击能量变化的蓝线，但是要将该馥线用于工程实践， 需要积累大量的原始数据。 夯后地基模量和承载力的预测方面，孔令伟等 4 4 1 通过建立反分析模型，提 出了强夯后地基土变形模量的确定方法，运用单值反分析法，按相对沉降法来 9 第一章绪论 预测夯后地基土的容许承载力。 强夯设计施工的其它方面，主要有以下学者做了一些研究，包括能量吸收、 强夯在路堤筑填中的应用、强夯处理火山灰地基以及含水量对加固效聚的影响 等同题。 王四根等f 5 6 l 对强夯的能量吸收问题进行了探讨，砂健土的能量吸收效率接 近予1 0 0 ，而黏性土的能量吸收效率较低，在较小的能级下( 单击夯能小于3 5 0 0 k n 哟，黏性土能量吸收效率在5 0 - - - 6 0 左右。黏牲的能量吸收效率上限 为6 9 。并认为用于加固土体的体波能量占主要部分；同时认为带气孔锤比平 底锤对土体吸收能蹙更为有利。 w e i - l i ez o u 等1 6 q 在高达4 1 m 豹路堤填筑中使用强夯法进行分层夯实，证明 强夯法比分层碾愿的效率更高，适用性更强。 c r a n 等【6 2 l 在利用强夯法对火山灰地基加固前，先用盐水对地基进行浸润 处理，可以获得憩低的孔隙率，更低的最优含水量，更高的最大干密度和更低 的渗透性。 k m r o l l i n s 等 6 3 1 通过对含水量在6 2 0 之间变化酌6 块场遣进行强夯 试验研究，认为强夯加固存在一个最优含水量，并且随深度的增加，最优含水 量在增大；含水量越大，夯坑深度越大。 1 2 ，3 强夯振动传播 针对强夯弓l 起地面振动衰减规律蘸研究主要集中在现场试验研究和数嬗模 拱方面。雷学文等 6 5 1 ，翟租锋等t 6 6 1 ，夏瑞良等嘲，谭捍华等1 6 8 1 ，零箨厚等f 6 9 j 霾 何少林等 7 0 1 通过现场试验研究表明，强夯引起的地面振动的振幅值随着水平距 离增大按负幂函数曲线的形式急剧衰减，地顽振动幅值随夯击数的增加丽逐渐 增大f n 。癸进惠等1 7 露利用强夯振动监测资料，逶过频域分析，求得场逸介质谗 用谱和强夯激励谱，进一步褥到介质作用函数和强夯激励函数，从丽可以根据 强夯监测资料研究场地岩土介质的性质。李建华等【7 3 】和刘圜振等【7 4 】研究表明重 锤触地激发地震波的振动频率在7 3 0 i - i z ，主频在1 5 - 2 0 h z 范围肉，主频离手一 般建筑物酶固有频率，并建议采用减小夯击熊增加夯击次数盼方法达刘减振匿 的。j h h w a n g 等6 j 指出强夯弓i 起的振动中，竖向振动持续时间比径向振动短， 竖向振动主频在l 0 h z ，而径向振动有两个主频，分别为3 , - - 4 h z 和1 3 1 4 h z ， 1 0 第一章绪论 强夯能级越高，振动幅值越大，但衰减速率越快。 数值模拟方面，蒋鹏【7 5 】等( 2 0 0 1 ) 通过建立考虑大变形的强夯冲击碰撞有 限元模型，对夯击能量为2 4 0 0 k n m 强夯振动特性及其对建筑物的影响、隔振 沟效果进行了定量分析。j 。l p a n 等【7 琵建立了两种数值计算摸型，一种是按照公 式计算出锤土接触应力，将其作为荷载输入，另一种是将强夯考虑成冲击碰撞 问题。在强夯能级为1 1 5 0 k n m 时，以地表振动速度幅值 1 0 m m s 的范围作为强 夯的水平影响距离，前者计算结果为3 2 。5 m ，震者计算结果为2 6 m 。 1 2 4 高能级强夯的专题研究 近年来随着高熊级强夯越来越多的应用，针对高能级强夯加固机理、麓工 工艺、适用范围等问题的研究开始成为热点。目前，这方面的研究主要以现场 试验为主。 王铁宏和水伟厚等1 7 3 】【8 2 1 通过高能级强夯系列试验研究，得到以下有益的结 论：( 势对碎石回填地基，1 0 0 0 0 k n m 主夯点闻距宣为1 2 1 3 。5 m ；一遍夯、 二遍主夯的最佳夯击数为1 4 - - - 1 6 击；( d 一、二遍夯间歇时间为4 d ，二、三遍 夯间歇时间为7 d ；1 0 0 0 0 k n 咖能级主夯夯坑的累计夯沉量在2 4 4 3 3 7 m 之 闻，夯壹过程中寒发生隆起，夯垸深度是低熊级( 3 0 0 0 k n m ) 的2 倍，夯坑体 积是低能级的3 倍；( d1 0 0 0 0 k n m 强夯的有效加固深度可达1 5 m 。 此外，国内众多学者【8 3 】 【8 9 】对高能级强夯的应用进行了探索，研究表明高能 级强夯可以有效地处理湿陷性黄土、碎石回壤土、薪堆松教素填土、已筑坝体 以及抛石填海夹杂淤泥质土地基，夯后地基承载力可达2 5 0 k p a ，地基的压缩性 大大降低。 李英涛等认为已筑坝体在高能级强夯处理后，均匀性、密实度均有大幅度 改善，渗透性很小；8 0 0 0 k no m 能级强夯处理回填土的加固深度可以达到1 2 3 m ， 影响深度可以达到1 7 0 m ；强夯处理地基时，必须保证场地土的含水量适宜。 丰晓东等在某工程中采用6 0 0 0 k n m 高能级强夯处理湿陷性黄土地基，取 得了较好的效果。检测结果表明，深度1 4 0 m 以内的地基湿陷性消除。 陈春胜等利溺高能级强夯置换法成功处理了某淤泥质地基，并指出 8 0 0 0 k n m 能级强夯的有效处理深度可以达到1 5 m ，强夯法处理淤泥质土时，单 击夯击能应由低到高逐渐加大，并应考虑充分的间歇时间，否则，夯坑周围隆 第一苹绪论 起量过大，隆起部分还需挖除。 邓维刚等通过某工程实践证明，在抛石填海夹杂淤泥质土且下伏很厚淤泥 层的复杂地基条件下，采用深层强夯置换结合上部高能级强夯加固，能有效地 改善地基的密实度和压缩性，采用异形锤进行深层加固，其技术经济效果优于 高能级普通锤强夯。 苏冰介绍了采用高能级强夯法处理湿陷性黄土地基的个成功实例，并揭 示了夯后地基土沿深度的强度变他规律。 1 3 本文的主要工作 尽管众多学者辽经对强夯问题进行了全方面地细致研究，但是关予强夯加 固机理尚没有清晰统一的认识，众多研究只是停留于定性方面，针对强夯施工， 参数的设计尚没有较好的确定依据和确定方法。与高能级强夯的广泛应用相比， 针对高能缀强夯豹研究显褥j 常不足，包括离能级强夯作用下地基的交形场与 应力场特点、高能级强夯振动传播及振害防治等问题的认识还远远不够。 本文在前人研究的基础上，主要完成以下具体工作： ( 1 ) 建立了用予分析高能级强夯的有限差分数值模型，模型较好地解决了 网格畸变问题，并能够有效地模拟高能级强夯的动力效应； ( 2 ) 对不同的土性条件进行了数值模拟，分析了土体不同物理力学参数对 强夯加固效果的影响，得到了各参数的敏感度； ( 3 ) 以1 0 0 0 0 k n o m 高能级强夯为例，对碎石回填土地基上高能级强夯进行 了数值模拟，通过分析地基的变形规律和土体的应力变化规律，对高能级强夯 的加固机理作出了解释； ( 4 ) 针对强夯零| 起的振动传播问题，建立了相应的数值分析模型，研究了 强夯芍| 起的振动沿地表的传播衰减规律及振动频谱特征，并分析了隔振沟的隔 振效果，为强夯的设计施工提供了一定的依据。 1 2 第二章商能级强夯分析模型的建立 第二章高能级强夯分析模型的建立 不少学者利用数值方法对强夯问题进行研究，取得了较好的效果，但基本 上是针对中低能级强夯的研究，对于高能级强夯的数值分析较少。本章利用有 限差分法对高能级强夯进行数值建模，不仅可以较好地求解动力问题，瓶且能 够解决夯击产生的大变形所带来的蹰格畸变。 2 1 拉格朗日元法 2 1 1 方法简介 挝格耪日元法源子流体力学。在流体力学中有两种主要熬研究方法，一静 是定点观察法，亦称欧拉法；另种是随机观察法，称为拉格朗日法。屠者是 研究每个流体质点随时间而变化的状态，即研究某一流体质点在任一段时间内 的运动轨迹、速度、压力等特征。把拉格朗网法移值到固体力学中，把所研究 的区域划分成舞格，其结点就相当子流体质点，然后按时步用拉格朗匮法来研 究网格结点的运动，这种方法就是拉格朗日元法。它的优点是占用内存少，求 解速度快，便于用微机求解较大规模的工程问题。 拉格朗日元法是一种利用拖带坐标系分析大变形闯题的数值方法，并和用 差分格式按时步积分求解。随着构形的不断变化，不断更新坐标，允许介质有 较大的变形。模型经过网格划分，物理网格映射成数学网格，数学网格上的某 个结点就与物理网格上相应的结点坐标相对应。对于某一个结点而言，在每一 时刻它受到来自其周围区域的合力的影响。如果合力不等于零，结点就具有了 失稳力，就要产生运动。假定结点上集中有临接该结点的质量，于是，在失稳 力的作用下，根据牛顿定律，结点就要产生加速度，进而可以在一个时步中求 得速度和位移的增量。对于每一今区域丽言，可以根据其周围结点的运动速度 求得它的应变率，然后根据材料的本构关系求得应力的增量。由应力增量求出t 和r + 加时刻各个结点的不平衡力和各个结点在f + 址时的加速度。对加速度进 行积分，即可得结点的新的位移值，由此可以求褥各结点新的坐标值。 第二章菇能级强夯分析模型的建立 同时，由于物体的变形，单元要发生局部的平均整旋，只要计算相应的应 力改正值，最后通过应力叠加就可得到新的应力值，到此，计算为一个循环， 然后按时步进行下一轮的计算，如此一直进行到问题收敛。 拉格耪目元法采用差分方法求解，因此，首先要将求解的区域划分成瑟边 形的网格，在边界和巷道周围等不规划处也可用三角形网络拟合。拉格朗臼元 法的计算循环如图2 1 所示，假定某一时刻备个节点的速度为已知，则根据高 斯定理可求 ! 导单元的应变率，进丽根据材料酶本构关系求各单元的新应力，进 入下一个计算循环。 2 2 计算原理 对每个单元 高斯定律lif 产毒口难 蓬度 a 。物理鼷格酱擞学网格c 计算循环 图2 1 拉格朗日元法原理简图 专哆抖轰为 对每个节点 口 l c ) ( 1 ) 运动平衡方程 从最筒单的质点弹簧体系出发，根据牛顿第二定律可以得到运动平键方程： 删坐：f ( 2 1 ) 西 上式中，嬲为质点质量；豁为质点位移；t 为时闻；f 为外力；当f 为零时， 代表了静力计算时的情况。 在连续固体介质中，式2 1 可以写成下式： 1 4 第二章鑫能级强夯分拼模型的建立 p 詈= 誓+ 腮 亿2 ， 其中：t 9 为物质密度；t 为时闻；x i 为x 坐标分量；g j 为重力加速度分量； 口打为应力张量。 ( 2 ) 本构关系 从单元的速度分量推出单元的应变速率，如下式： 西= 三降普f 旺3 ) 其中：毛茺应交率；噻为速度分量。 ( 3 ) 边界条件 位移边界被转换为节点的速度施加在边界节点上，而在应力边界上，力用 下式来计算。曩= 捍，如( 2 。4 ) 其e o - 氇为边界外法向的单位矢量；筮为边界增量的长度；露为施加在越 上的应力；互为如上的力，将舅相加并施加在相应的节点上。 ( 4 ) 单元划分 首先将计算区域划分成四边形的有限差分网格，力提嵩求解豹精度，一个 四边形以左右两条对角线将其分为四个三角形( 图2 2 ) 中的a ，b ，c 和d ，每个三 角形假定为常应变，于是四边形的应变为此四个三角形应变的平均值。 a l ： 户j ( a ) 三角形单元( ”三角形单元的速度矢量( c ) 节点力矢量 图2 。2 显式拉格朗日差分法的常应变三角形单元 1 5 句勺 第二章巍能级强夯分析模毽的建立 ( 5 ) 有限爱分乃程 根据高斯定理，可以得n - - 角形的有限差分方程，如下： 薹臻弦= 瑶旌 ( 2 5 ) 其中：是封闭曲面上沿边界的积分；是曲面s 的单位法向矢量；是 坐标淘量；罨是位置向量；蠡是弧长的增量；是在面么上的积分。 定义梯度_ o f 的平均值为： o 览 - _ 1f ：翱 ( 2 6 ) 苏；彳知菇 一 其中， 表示平均值。将式2 6 代入式2 5 可以得到： = 去吩舾 眩7 ) 对于一个三角形子单元，则有： - 1 s 一 巧缸 ( 2 8 ) 融：一一 一7 ( 6 ) 应变与应力 用每一边的速度矢量均值壤代替式2 8 中的乒囊取务条边的两端点豹节点 ( 即差分网格的角点) a 和b 的速度平均值，则： 的值，然后由式2 3 可以求出应变率。 幽材料豹本构方程和相应的边界条件，就可_ 以求褥应力增量。对各向同性 的材料，有： 嘭，= 3 , 8 t 9 + 3 1 6 ( 2 1 0 ) 1 6 第二章离能级强夯分拆模型的建立 其q b ：名，为拉梅常数；护为体积应变，当坷时i 嗡= l ，否则，磊= o 。 ( 7 ) 节点力 由上面求出的单元应力，就可以 ! 寻到节点的不平衡力，节点的不平衡力可 由下式表达： 群= i 1 ( 巧1 s 1 + ，n j ( 2 ) s 2 ) ( 2 1 1 ) ( 8 ) 节点位移 如果节点所受的合力秀零，则表明计算区域处于稳定状态；如果节点所受 的合力不为零，根据牛顿定律，节点将产生加速度，于是： 妒他，2 ) = 妒棚，2 ) + 互等 ( 2 地) 从而，相应的节点薪坐标为： 霹鲫= 。十驯2 ( 2 1 3 ) 至此，计算的一个循环已经完成，然后按时步么f 进行下一轮的循环，计算 一直到问题收敛。 2 。2 体本构模型 下面分析本文所采用的m o h r - c o u l o m b 模型。m o h r - c o u l o m b 模型的破坏包 络线由m o h r - c o m o n l b 准则确定。塑性增量理论假定土体的应变增量可分解为 弹性应变增量翻塑性应变增量够，霹： 乞= 茚十矿 ( i = 1 , 2 ，3 ) ( 2 1 4 ) ( 1 ) 弹性应变增量 蠹h o o k e 法则可知，弹性应变增量表达式必： 厶q = f + ，( + ) ( 2 1 5 ) 吒= e a e ；+ y ( + ) ( 2 1 6 ) 吒= e + 7 ( 厶+ 厶) ( 2 1 7 ) ( 2 ) 塑性应变增量 m o h r - c o u l o m b 酶条