（岩土工程专业论文）长江漫滩相饱和软粘土地基强夯加固应用研究.pdf

东南大学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，也不包含为获得东南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论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 厂闷 z 厂日 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，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。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 伶 壕面爸彷 导师签名： 日期：o o 己以 摘要 摘要 强夯技术作为一种资源节约、经济有效和环保的地基加固方法，随着近年的发展已经扩展到饱和度较 高的软粘土地基处理中，但截至目前饱和软粘土强夯加固技术尚存诸多问题，应用研究仍待完善。论文依 托常州市录安洲港区一期工程散货堆场强夯加固地基处理项目，针对饱和软粘士强夯的工程设计，以及与 工程实践密切相关的强夯( 强夯置换) 工艺、动力响应和强夯置换复合地基的同结理论等实用性课题进行 研究。 首先，基于饱和软粘土强夯( 强夯置换) 机理和强夯特点的综合分析，科学评价了长江漫滩相典型软 土特征，提出多元组合强夯技术思想，并对饱和软粘士强夯的参数设计做了系统分析。 其次，针对依托工程长江漫滩相软土地基的工程特点，开展多元组合强夯技术加同饱和软粘土的应用 研究，提出了相应的强夯施工工艺和参数控制标准，并通过现场测试和检测验证了多元组合强夯技术的有 效性和合理性，扩大了强夯技术的应用范围。 再次，针对饱和软粘土强夯动力响应问题，通过现场测试，分析了夯击过程中脉冲动孔压波特征及其 变化规律、动力响应的空间分布规律以及施工工艺的影响。 最后，基于现有散体桩同结理论和现有未打穿砂井地基固结理论简化和改进思想，理论推导得出了强 夯置换复合地基固结的实用计算方法，分析了其适用性，并简要讨论了强夯置换复合地基的同结性状。 关键词：饱和软粘土；强夯：强夯置换；动力响应；固结理论；多元组合强夯 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 n , a sar e s o u r c e - s a v i n g , c o s t - e f f e c t i v ea n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ym e t h o do ft r e a t m e n t o ff o u n d a t i o n , h a sn o wa p p l i e di nh i g h s a t u r a t e ds o f tc l a y b u ts of a r , t h e r ea r ean u m b e ro ft e c l m i c a lp r o b l e m si n t e c h n o l o g yr e s e a r c ho nd y n a m i cc o n s o l i d a t i o ni ns a t u r a t e ds o f tc l a y , a n da p p l i e dr e s e a r c hi su r g e n t l yt ob e i m p r o v e d r e l y i n go np r o j e c to fb u l ky a r d i nc h a n g z h o up o r t , t e c h n o l o g yr e s e a r c ho nd y n a m i cc o n s o l i d a t i o n a p p l i e di ns a t u r a t e ds o f tc l a yi sc a r r i e do u t p r a c t i c a li s s u e s ，s u c ha se n g i n e e r i n gd e s i g no fd y n a m i cc o m p a c t i o n u s i n gi ns a t u r a t e ds o f tc l a y , a sw e l la sc l o s e l yr e l a t e dt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c el i k ed y n a m i cc o m p a c t i o n ( d y n a m i c r e p l a c e m e n t ) p r o c e s s ，d y n a m i cr e s p o n s ea n dt h e o r yo fc o n s o l i d a t i o nr e s e a r c hi nd y n a m i cr e p l a c e m e n tc o m p o s i t e f o u n d a t i o n , a l er e s e a r c h e d f i r s t l y , b a s e do na n a l y s i so fm e c h a n i s ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i cc o m p a c t i o n ( d y n a m i cr e p l a c e m e n t ) i ns a t u r a t e ds o f tc l a y , 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 yo fy a n g t z er i v e rf l o o d p l a i ni se v a l u a t e d , p r o p o s e d d i v e r s i f i e dp o r t f o l i ot e c h n o l o g y o fd y n a m i cc o m p a c t i o n ，as y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h ed e s i g np a r a m e t e r so f d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n i ns a t u r a t e ds o f tc l a y h a sb e e nd o n e s e c o n d l y , r e l y i n go nt h ee n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fs o f ts o i lo ft h ey a n g t z er i v e rf l o o d p l a i n ，t h e a p p l i c a b i l i t yo fd i v e r s i f i e dp o r t f o l i ot e c h n o l o g y o fd y n a m i cc o m p a c t i o n i sr e s e a r c h e d ，t h ec o r r e s p o n d i n g c o n s t r u c t i o np r o c e s s e sa n dc o n t r o ls t a n d a r d so fd y n a m i cc o m p a c t i o na r ep u tf o r w a r d , a n dt h r o u g ho n - s i t et e s t i n g a n dd e t e c t i o ne f f i c i e n c ya n dr a t i o n a l i t yo ft h et e c h n o l o g ya 他v e r i f i e d ，a n dt h i st e c h n o l o g ye x p a n dt h es c o p eo f a p p l i c a t i o no fd y n a m i cc o m p a c t i o nt e c h n i q u e t h i r d l y , b yd h - 3 8 17t e s ts y s t e m ，p o r ep r e s s u r es e n s o rd a t ac a nb ec o l l e c t e dc o n t i n u o u s l yi nf o u n d a t i o n 晰l t h ep r o c e s so ft a m p i n g ，c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep u l s eo fd y n a m i cs t r e s sw a v ea n di t sl a w , d y n a m i cr e s p o n s eo ft h e s p a t i a ld i s t r i b u t i o na 陀r e s e a r c h e d f i n a l l y ，s u m m a r i z et h eb a c k g r o u n do fr e s e a r c ho nt h et h e o r ya n di d e a so fe x i s t i n gs a n dw e l l s ，c o m p o s i t e g r o u n dw i t hg r a n u l a rc o l u m n sc o n s o l i d a t i o nt h e o r y t h r o u g ht h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n , p r a c t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o do f c o n s o l i d a t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni m p r o v e db yd y n a m i cr e p l a c e m e n tc o n s o l i d a t i o nt h e o r yi so b t a i n e d t h e a p p l i c a b i l i t yo ft h et h e o r yp r o p o s e di nt h i sp a p e ri sp r o v e dt ob ea c c e p t a b l e ，a n dt h eb e h a v i o ro f t h ec o n s o l i d a t i o n t h e o r yi sa n a l y s i s e d k e y w 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 cc o m p a c t i o n , d y n a m i cr e p l a c e m e n t , d y n a m i cr e s p o n s e ，c o n s o l i d a t i o n t h e o r y , d i v e r s i f i e dp o r t f o l i ot e c h n o l o g y o fd y n a m i cc o m p a c t i o n i i 目录 摘要 目录 i a b s t r a c t 绪论l o 1 概j z f ! 1 0 2研究背景及意义1 o 3国内外研究现状2 o 4研究思路与主要内容1 l 第一章强夯加固机理与设计 1 1强夯加固机理分析：12 1 2 饱和软土的强夯特点1 5 1 3 多元组合强夯技术的提出1 7 1 4 强夯加固技术设计1 8 1 5 本章小结。2 l 第二章饱和软粘土强夯技未2 2 2 1 依托工程概况2 2 2 2地基加固方案选择2 4 2 3饱和软粘土强夯施工工艺2 6 2 4 现场测试与效果分析3 0 2 5 本章小结3 6 第三章饱和软土强夯动力响应分析3 7 3 1概述3 7 3 2强夯动力响应测试3 7 3 3 测试成果及分析3 9 3 4 本章小结4 4 第四章强夯置换地基固结理论研究4 5 4 1强夯置换复合地基特点4 5 4 2 散体材料桩复合地基固结理论4 5 4 - 3 强夯置换固结理论4 8 4 4 强夯置换地基固结理论分析51 4 5 本章小结5 6 第五章结论与展望。5 7 5 1 本文研究的主要结论5 7 5 2 进步研究的建议5 7 参考文i 目c 。5 8 致谢 绪论 绪论 o 1 概述 近年随着我国改革开放的不断深入和经济的高速发展，我国经济特区、开放城市，沿海、沿江和沿湖， 尤其是“长三角”、“珠三角”和“环渤海”等经济区域软土分布广泛的地区建设规模迅速扩大，特别在当前， 为贯彻落实国务院扩大内需l o 项措施的“加快铁路、晗路和机场等重大基础设施建设”要求，中国公路、铁 路、民航等基础设施建设迎来了历史上最大规模的建设高峰期。 强夯法作为一种适用广泛、加同效果显著、节能环保、工程费用低、节省材料、施工周期短、质量容 易控制、施工机具简单的地基处理方式，必将大量应用，这是强夯法发展所面临的机遇。目前强夯法的应 用经过4 0 年的发展强夯法从创始伊始仅用于加固砂十和碎石土地基，逐渐开始应用于低饱和度粉土和粘 土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等，强夯法又扩展到饱和度较高的软粘土地基，尤其是淤泥和淤泥质土 地基。强夯技术在深度和广度上都在进一步迅速发展中，国内外强夯技术发展迅速，研究和工程应用的焦 点已集中至饱和软土强夯技术和高能级强夯技术。 强夯法加固软土地基已有新的技术进展，但是强夯法应用于饱和软黏土地基加固处理的理论支撑和工 程实践，目前尚有争论，同时新的工艺改进方法也有待进一步的更加广泛的工程实例的检验和完善，其设 计计算方法、施工工艺尚不完善，基础理论研究远滞后于工程实践，使得该技术在应用与推广上受到了严 重限制。 o 2 研究背景及意义 一 建设部于2 0 0 6 年9 月下发了关于贯彻“国务院关于加强节能工作的决定”的实施意见，意见指出： “要发展绿色环保的施工方式，推广应用资源节约型和环保型的施工方式，通过资料的综合利用、资源短 缺代用以及二次资源回用，降低对各类资源的消耗，减少建筑废料和污染物的生产和排放”。我国二i 了能技 术政策大纲明确指出有条件的城市应试行建设垃圾利用等1 二程。从我国国情来看：我国冶金、化学和电力 等工业部门排放大量废渣，堆积如山，不仅占用大量士地，而且造成环境污染。因此，由上所述我国不管 从方针政策和实际国情，对地基处理方式都提出了环境保护和资源尤其是能源1 了约的要求。工程实践证明， 强夯法地基处理不使用钢材、水泥等能耗高的工业产品，而且施： 时将质地坚硬、性能稳定和无侵蚀性的 ， 工业废渣作、建筑垃圾等废料作为地基或填料，采用强夯法处理，能取得较好的效果，从而解决了长期存 在的废渣、建筑垃圾占地和环境污染问题，同时还为废渣和建筑垃圾利用开辟了新的途径。强夯法是节约 能源，实现环境保护，促进经济可持续发展的有效之举。强夯法将士作为一种能满足技术要求的： 程材料， 在现场对土层本身作文章，以土治土，充分利用和发挥土层本身的作用，符合岩土工程“要充分利用岩士 体本身作用”的总原则。我国人口众多，土地资源有限，人均耕地仅为世界平均数的十分之一。在进行大 规模建设时，必须：符约和少占耕地，尽量利用各种“不毛”之地，如淤泥、滩涂等软士地基。开展饱和软黏 土地基强夯加同法的应用研究，对于我国土地资源的保护和有效利用也是有很大的贡献的。 鉴于上述，开展饱和软黏土强夯加固地基技术应用研究顺应了我国经济发展、大规模基础设施建设的 要求，也顺应了强夯法地基处理技术的总趋势，符合我国：青能与环保的方针政策与严竣国情。实践证明， l 东南大学硕士学位论文 只要土层条件或预处理后的地质条件适宜，强夯法是性价比最优的地基处理方法。 但是传统的强夯法对软黏土地基一般不具有适用性，尽管强夯法已经在实践中得以证实为一种行之有 效的软粘土地基加固方法，近年发展起来的饱和软粘土强夯技术虽取得了较大进展，但由于其涉及到了饱 和软粘土动力学这一前沿性问题，加固机理远比静力固结复杂，影响因素也相当繁杂，固结机理研究尚未 清楚，其研究与应用仍存在诸多问题，饱和软粘土强夯和强夯置换的适用条件仍有争议，工艺仍待完善。 论文依托于常州市录安洲港区一期工程散货堆场地基处理项目，该工程位于长江江心洲区，浅层一般 为长江河漫滩相天然沉积软弱土层，沉积年代为第四系全新统，以细颗粒为主，多为厚层粘性土夹粉土或 粉细砂与大面积粉土，分布广范，但往往埋藏较浅，甚至直接出露于地表；区域内水系发达，地下水位埋 藏深度浅。基于该工程对承载力、沉降的要求，考虑到工程地质条件及长江漫滩相软土地基的特点，地基 加固处置的目的主要提高浅层软弱土层地基承载力、均质性和可液化土层的抗液化能力。然而，软土地基 常用的水泥搅拌桩、c f g 桩、带帽p t c 管桩等复合地基虽能提高软士的承载力，但费用很高，抗液化性能 较差，场地原有密集水泥搅拌桩处理的地基出现了较严重的地表液化现象，且这些处理方案对地基的均质 性的提高并不理想。由此可见，采用常规的软土地基处理方法，显然针对性不强，也不够科学，更不经济。 强夯和强夯置换法具有深层密实加固、排水降压、预震效应和提高浅层持力层均质性等多重功能，经济易 行，施工周期短，且节能环保( 能量消耗低、填料采用建筑垃圾) ，符合国家推广的应用资源二悔约型和环 保型施工方式的方针政策。据此，本场地采取了饱和软土的强夯处治技术，在此基础上本文开展了长江漫 滩相饱和软土强夯技术的应用研究，对于软土地基强夯的设计、工艺控制及基础理论的研究进行了一些有 益的尝试与探索。 o 3 国内外研究现状 0 3 1 强夯应用发展历史与现状 近3 0 年来，国内外在地基处理技术方面发展十分迅速，老方法得到改进，新方法层出不穷。人们在利 用置换、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方法对地基土进行加固，用以改善地基士的剪切性、压 缩性、渗透性、抗震性和特殊土地基的特性同时，又不断丰富了对土的特性的研究和认识，从而进一步推 动了地基处理技术和方法的改进与创新。 。 在地基处理方法中，强夯法以其在技术经济上的优势，广泛应用于工业与民用建筑、仓库、油罐、仓 储、道路路基、机场跑道及码头等：程中，尤其是大型场坪地基加固工程。经过半个世纪的研究，强夯法 从创始伊始仅用于加同砂土和碎石土地基，逐渐开始应用于低饱和度粉土和粘土、湿陷性黄土、杂填土和 素填土等。但是，对于饱和度较高的粘性十地基，尤其是加固淤泥和淤泥质土地基，处理效果则不尽理想。 s m o l t e z y 在第八届欧洲十力学及基础工程学术会议总结报告中指出，强夯法的使用范围只适用于i p 1 0 的高塑性土，特别是压缩性高的饱和软粘土，强夯法加同效果不理想。 表0 1 主要地基处理方法单位面积造价工期比 2 绪论 尽管强夯法应用于饱和软粘土地基加固的理论支撑和工程实践，目前尚有争论，实践总是不断向前发 展的。据不完全统计，国内迄今已有十几个省市在数百项t 程中采用此方法。上海、广东、福州、浙江和 江苏等沿海发达区域的大型场坪饱和软粘土地基加固处理施工中，均有成功应用该技术的实例，显著缩短 了施工工期，节省了可观的工程投资，取得了良好的经济与社会效益。随着工程实践的增加，强夯法应用 于饱和软粘土地基( 如高饱和度的细粒士，特别是在淤泥、淤泥质土和泥炭土等) 新的工艺和改进方法已 有新的进展，并取得良好效果，被称为“动力固结法”。许多学者在这一领域研究也取得了的有价值的成果， 为强夯法加同处理饱和软粘土地基提供了一定的理论支撑和实践指导。 l 饱和软粘土强夯 饱和度较高的粘性土地基，尤其是用以加固淤泥和淤泥质土地基，由于土层含水量高，粘粒含量多、 渗透性差，强夯冲击荷载不易产生裂隙，超静孔隙水压力集聚后不易消散，处理效果尚无定论。一些学者 认为，强夯应用于某些饱和细粒土中取得一定的效果，主要归因于瞬时排水的存在，并认为这种效果随增 设竖向排水体而提高。更加全面的观点认为，排水措施与施工工艺控制是否得当，成为包括淤泥质土在内 的饱和软粘土强夯法加固的关键【l l 。总体而言，高饱和细粒土的强夯效果不如粗粒土明显。 随着工程实践的不断发展，强夯法应用于饱和软土地基加固方面也取得了一定的技术进展，主要有两 方面：一是施工工艺的改善，二是以排水措施的改善为特征的强夯与其它加同方法( 如堆载预压、真空井 点降水和置换法等) 的联合加同技术。 ( 1 ) 施工工艺的改善 传统的强夯工艺加同软粘土地基失败的主要原因包括：软粘士具有含水量高，渗透性差、强度低的 特性；强夯作用下由于软粘土的结构破坏，不仅降低了强度，还大幅度降低了渗透性；当前的强夯工 艺不适应软粘土地基强夯特点，导致地基中孔隙水压力居高不下而形成橡皮土。针对饱和软粘土的强夯技 术，试验研究表明( 郑颖人，1 9 9 8 ，2 0 0 0 ) ，采用“先轻后重，逐级加能、少击多遍、逐层加同”的夯击方 式较为有效；且应以不破坏土体宏观结构的原则为收锤标准：夯周不出现明显的隆起：不能有过大的 侧向位移；后一击夯沉量应小于前一击夯沉量1 1 2 1 。 ( 2 ) 排水措施的改善 软土具有高含水量、高孔隙比，低强度和易流动等特点，所以其性质的改善取决于孔隙水压力能否迅 速消散、孔隙水能否迅速排出，以及软士不被过份扰动，以保持软土本身的微结构不被破坏。因此，在土 中形成人：r = 排水体对强夯的加同效果有显著的效果。将饱和软士改良以适宜强夯的思想源于岗结理论，其 出发点是：通过缩短排水路径和提高土体透水性来改善排水条件，这有三种途径：增大粗颗粒含鼍形成 自然排水通道，改善软土组成，提高夯击效果；打入塑料排水板、挤密碎石桩、砂桩、振冲砂桩、袋 装砂井等使其成为人工竖向排水通道，地表铺设一定厚度的粗颗粒，使土中排出的地下水有横向排水通道； 采用主动降水的方法，即井点降水技术，在土体中形成新的水头梯度降低地下水位，并加速地下水渗流 排出和孔压消散。 综上所述，黏性土或淤泥采f ! 强夯法加固在技术上是可行的，大量的工程实践表明一般可采用：寅接 强夯、主动降水+ 强夯、设置被动排水通道+ 强夯和强夯置换等4 种加固j 艺，其使用条件、特点和实施要 求如下表。 3 东南大学硕i ：学位论文 直接强夯法 黏土含水率不高 ( 6 0 8 0 k p a ) ，地下水位至 少i m 以下 工艺最简便 不需其他辅助手段 强夯间歇期较长 夯前需设挚层，强夯能量不 宜过大，避免产生“橡皮士”， 强夯工艺有“先重后轻”和“先 轻后重”两种 主动黼蝴龇同鼍翥等虾水篡= 篆纛未艏骄鬻矣酗艟 预先打j 水通道，直接强夯视实际情况确定是否设垫层 设置被动排水通道+ 强夯适合各种饱和黏性土和淤泥或等土体预压捧水后强夯，注意控制强夯能量，不得破 间歇长坏土体宏观结构 通过置换软淤形成块石墩，强夯与夯坑回填粗颗粒料需 强夯置换适合超软淤泥地基不需要其他辅助手段，间歇同步交错进行，夯击数较多 期较短直至形成复合地基 2降捧水强夯法 降排水+ 强夯法就是基于饱和粘性土的动力特性和动力固结机理将强夯技术和降排水措施结合起来的 一种新的复合式地基处理措施，该法能充分发挥强夯和降排水的技术优势，利用降排水来加速强夯产生的 超静孔压消散和孔隙水排出，从而可以迅速提高软粘土地固结速率，有效避免强夯过程中出现“橡皮土”现 象。降排水强夯法是强夯法加固地基的一种衍生方法，包括被动排水强夯法和主动降水强夯法。 ( 1 ) 被动排水强夯法 被动排水强夯法，即增设水平排水体( 即碎石垫层) 和竖向排水通道，增设竖向排水通道的思想源于 地基的单元井预压固结理论，通过预先设置的竖向排水井( 塑料排水板或砂井、砂桩、碎石挤密桩等排水 体，p v d ) 缩短路径改善排水条件，以加速夯击时冲击产生的超静孔压的消散速率，防止土体的液化。该 法加固工程中，软土层顶面需要足够的垫层作为荷载传递介质和超载，使得强夯冲击波作用下，超静孔隙 水压迅速上升，迫使士体中的孔隙水排出，逐步增加土粒间的有效应力，加快软弱土层的同结；强夯荷载 通过垫层产生应力扩散，使软弱土顶面不会产生过大的应力集中，并能给可能挤出的软弱十产生一个反向 约束力。同时，设置在软弱土层顶面的垫层材料，既是促使软弱- 十固结的外力，同时也起到强夯垫层的作 用。采用塑料排水板作为p v d s 的联合强夯技术的应用研究相对较多，且在施工工艺、加同效果等方面进行 了较系统探讨1 3 , 4 1 。有代表性的方法有动力排水固结法等。 ( 2 ) 主动降水强夯法 近年来，强调“由轻到重，少击多遍”夯击工艺控制原则的主动降水强夯法，即井点降水联合强夯法， 开始应用于加固淤泥等饱和软粘土地基的工程实践。采用主动降水强夯法时，应先根据场地条件和处理目 标确定降水和强夯的设计参数，前者包括降水深度，井点间距和排距；后者包括，夯击能量，夯击遍数等。 国内，周健等1 5 , 6 1 结合上海地区工程地质条件，提出了真空降水联合低能量强夯的软基处理方法，并在上海 高桥四期双层地基( 砂性土和粘性土) 加围及上海海港新城一期市政： 程道路软弱枯土地基加同等：【：程中 进行了试验研究，取得了成功且积累了经验。钟辉虹等1 7 l 、钟建敏等【8 1 、黄晓波等1 9 1 等分别在一些港i 二i - e 程、 道路：l ：程和建筑工程的地基处理中，采用主动降水联合强夯施工工艺，取得了很好的效果。 4 绪论 絮誊糕秘粼器8 谶簪粼 兹擀 糍攥南燃溅辫夯后黧f 上海某粮库及冲填_ 十，淤泥，水为辅，地下水位降至 ：_ ? 1 ：舅：刀”：二：罢? 譬开” 码头项目两土层厚度不均 地表1 5 m 以下，管深j ：羔= 二? ?篓，篡：? 二 j m ，z 4 n 件刁k 。面疡匠某丽诨两茅。 某大型冶键筑吹弛訾龇细始井富饶撇间焉腔5 0 0 1 0 氛, 黝别黼徽力 某集装箱堆场 吹填细砂 淤泥质粘土 砂质粉十 燃夯黼8 0 0 - 1 3 5 0 u 徽粼囊 工程实践表明，强夯- 降水联合法对浅层饱和软粘土地基的加固效果很好。强夯法加固饱和软粘- 十地基， 关键是解决好超静孔隙水压力的消散和孔隙水的排出问题，采用降水技术可以很好的加速夯后超静孔隙水 压力的消散和软土固结。实践亦表明，强夯加固的影响范围随单击夯能的增加而增加，饱和软粘土强夯加 固后具有时间效应。 3强夯置换法 强夯置换法是强夯法加同地基的另一种衍生方法，从上世纪8 0 年代初期开始，针对强夯法加固饱和细 粒土的局限性，国内外专家学者研究在强夯形成的深坑内填入块石、碎石、砂、钢渣、矿渣、建筑垃圾等 硬质粗颗粒材料，在土中通过强夯形成相对独立、完整和连续的置换体，使置换体成为地基的一个增强体， 通过密集置换和群点置换分别可以构成垫层( 整式置换) 或复合地基( 桩式置换) ，即强夯置换法( d y n a m i c r e p l a c e m e n tm e t h o d ) 。其中，整式置换是采用强夯将碎石整体挤入淤泥中，置换以强度高、级配好、透 水而不透淤泥的块石或石渣，形成密实度高、压缩性低、应力扩散性好、承载力高的垫层，其作用机理类 似于换土垫层。桩式置换是通过强夯将碎石填筑土体中，部分碎石桩( 或墩) 间隔地夯入软土中，形成桩 式( 或墩式) 的碎石桩( 或墩) ，其作用机理类似于振冲法等形成的碎石桩，它主要是靠碎石内磨擦角和 墩问士的侧限约束维持桩体平衡，并与墩间士体共同作用形成复合地基。 近二十年来，强夯置换法在国内外工程中得到越来越多的应用。在国外，强夯置换法最早见于k r u g e r ( 1 9 8 0 ) 用于加固4 m 深的淤泥质土；在中东用此法加固粉质粘土：沙特曾用此法加同盐渍十：南非( 1 9 8 6 ) 用来加固6 m 深的软十和泥炭；新加坡用来加固有机士等。在国内，强夯置换起步稍晚，太原二 业大学在1 9 8 5 年最先采用在夯坑中填砂石的办法处理了汾河冲积士。此后，1 9 8 7 年在武汉钢铁公司的龙角湖沼则地：1 9 8 9 年在山东胜利油田可液化轻弧粘士；在三门峡电厂湿陷性黄七；1 9 9 1 年在深圳国际机场淤泥士；北仑港2 0 万吨矿石中转码头工程【l 们、宝钢马迹山港矿石堆场等诸多饱和软土工程中均得到成功的应用。 5 1 东南火学硕七学位论文 嘿磕l 图0 - 1 强夯置换类型 ( a ) 整式置换：( b ) 桩式置换 工程实践表明，强夯置换是一种处理饱和细粒土地基，尤其是饱和软粘土地基的很好方法，其作用主 要是置换作用，但其混合、挤密和排水作用也不可忽略。目前，对其适用条件仍缺乏统一的认识。就建 筑地基基础处理规程j g j 7 9 2 0 0 2 规定，强夯置换法适用于“高饱和度的粉土与软塑一流塑的粘性土等地基 上对变形控制要求不严的工程”，并且规定，在设计前必须通过试验确定其适用性和处理效果。就强夯置 换适用的土性而言，规范的规定的土性有一定的模糊性。杨光煦认为强夯挤淤特别适合于天然含水量大于 液限、孔隙比大于1 5 的流塑状饱和淤泥，这类淤泥易受外力流动，具有明显的触变性，一旦受扰动强度大 大降低，有利于减少挤淤阻力，当淤泥厚度小于2 3 m 时，可采用抛石压载挤淤及振动挤淤，对深度超过1 0 m ， 含水量在5 0 1 0 0 的常见淤泥，由于所需强夯能量过大，则使用强夯置换不经济。刘惠珊【l l 】认为对于加固 深度在7 8 m 内的极软土或泥炭土层，最适合应用强夯置换，其次也适合于松厚的粉土层地基。程展林【1 2 1 发现在不排水强度为7 k p a 的软粘土中进行强夯置换时，周边土体的隆起体积与填入块石的体积近乎相等， 即桩间土不发生挤密压缩，处理后与处理前的原状土差别不大，因而在不排水强度c u 1 0 k p a 的软粘士中， 采用强夯置换应慎重从事。 o 3 2 强夯动力响应的研究现状 地基土体的强夯动力响应主要指的是土体应力、应变、孔压等的变化规律，属高度非线性及与孔隙水 的强耦合问题( 特别是饱和软粘土更应考虑土体与水体耦合) ，其性状是极其复杂的数学力学问题，动力 响应是阐明强夯法加固地基的机理和研究加固效果的基础。因此，开展对强夯动力响应的研究很有必要性。 国内外许多学者从两个方面对强夯冲击产生的地基动力反应进行了研究。一是在大量j i = 程实践中通过 实测和室内模型试验总结了一些经验规律；二是一些学者通过建立计算模式，从理论上对强夯产生的地基 动力反应进行了研究，对强夯的加固机理和加固效果作了一些探讨。 l 实测研究 h b r a n d l 和w s a d g o r s k l 在奥地利连接东西欧的一条公路路基强夯试验测出了土中动虑力的分布图， 见图o 一2 。该路基地表下十层由泥炭、泥炭似的砂质粉士、砂土组成，总厚度6 - - 1 8 m ，强夯时地表填了1 5 m 的砂砾石，由图可以看到动应力比较小，这是因为测点距离夯锤较远，己不在强夯加同的有效区域； 从动应力等值线图还可以看到动应力在水平向扩散宽而竖向衰减快，似苹果形1 1 3 1 。 6 绪论 1 9 8 4 年太原工业大学裘以惠等1 1 4 】 在山西潞城山西化肥厂n 级自重湿陷性 黄土场地进行了强夯动应力的现场试 1 ，5 l l i 验，得到了强夯夯击时土体动应力的分 布规律及锤底动应力值。研究表明动应 力在竖向衰减很快，且在干硬、含水量 低的土中，锤底接触面动应力波为一尖 峰，并且作用时间极短，仅o 0 4 s ，在含 水量较大的土层中，应力波也为一尖峰， 但衰减速度相对慢，甚至持续0 1 s ，但 均无明显第二应力波。 图0 - 2 土中动应力的空间分布 何长明掣1 5 l 结合常吉高速公路强夯补强加同路基工程( 路基填土主要为红砂岩、石灰岩以及呈现软塑 到可塑再到硬塑的粘土等) 做了大型的现场试验。在试验路段布置了4 3 个土压力盒，运用动态应变仪 记录了强夯动应力的传播和衰减过程。试验结果表明，强夯动应力在水平方向的衰减速度比竖直方向快； 影响深度远大于有效深度；随着夯击次数的增加，有效加固范围内的动应力增加明显，但在3 5 击后基本 稳定。 国内外亦有大量学者在室内试验的基 础上对强夯的动力响应展开了研究，1 9 9 3饕r 一一 年1 1 h i l a i 哪i r i 对夯击时产生的界面接触动 1 5l 厂! 应力随时间的变化进行了室内试验研究 i； 1 1 6 】，结果表明界面接触动应力为一脉冲应 善；_ i 】，结果表明界面接触动应力为一脉冲应 喜lf、l 力，如图o 3 所示。c j p o 咖1 在对砂土模型 喜5i r f，l 试验中测定了加速度时程，亦对锤土接触 o1 ! 1 面应力进行了研究7 1 h b r a n d i 删t d l !：! h 。t i 强夯时士层中的动应力波形，拟合了不同 t 吐饥“ ：。- 埔 乳碍o 5。国 深度处的动应力峰值在水平方向的变化规 图o 3 界面接触动应力的室内试验实测结果 律。白冰【1 8 l 等在改装的三轴仪研究了冲击 荷载作用下饱和软粘土的变形、孔隙水压力的增长和消散、再同结体应变的发生和强度增长等有关问题。 此外，国内外还有一些学者对强夯时士体动应力、锤底接触面应力的波形、持续时间和空间分布做了实测 研究，但都存在测点较少，很少考虑连续夯击时土体动孔压变化规律。 2 理论研究 r a s c o t t 纠1 9 1 根据结构动力学理论，提出了弹性介质的锤土接触面应力公式，并用一维模型探讨了 弹塑性非饱和士中锤士的相互作用，给出了表面应力及表面运动停止时土中击实区的深度计算表达式。 p w m a y n e 等根据动量守恒定理，推导了接触面的最大应力公式，假设附加应力沿深度早梯形分布得出夯 点下任一深度处的峰值应力公式1 2 0 1 。h l j e s s b e r g e r 等根据牛顿第二定律和室内动力同结试验成果提出接触 7 东南大学硕二i ：学位论文 面应力公式。y k c h o w 等【2 1 】提出了粒状土中强夯分析的一维模型，他们在锤下取一个足够深的、直径与 锤径相同的柱体，将其视为无侧向变形的柱体，用有限元求出了各次夯击后夯坑深度、土中不同深度的残 余变形和密实度变化，进而根据经验相关关系可得出变形模量和内摩擦角增长，由此可明确地刻划出各次 夯击后土性沿深度的分布。 孟庆山、汪稔田l 引入双屈服面弹塑性本构模型，将土骨架的变位和孔隙水作为变量进行流、同耦合分 析，通过瞬态波动有限元程序模拟冲击荷载作用下层状地基土体的动态响应特征，并得出了土体中应力、 变形、孔压的动态响应特征，其中应力波是以竖向的椭球面形状在土体中传播的，而且衰减很快。王成华 幽j 认为冲击能中使土产生加固的是使土产生塑性变形的那部分能量，利用功能转换推出了表面等效拟静压 力的公式。郭见杨【2 4 1 、刘惠珊【2 5 1 、坂田旭【2 6 1 分别从动鼍定理和功能原理推导了接触面应力峰值的计算公式。 孔令伟等视地基土为半无限的完全弹性固体，从夯锤的刚体运动方程和成层地基的轴对称动力平衡方程出 发，利用传递矩阵法和l a p l a c e h a n k e l 变换，导出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 i l 联合反变换，可求得边界接触应力与沉降的时程关系1 2 7 1 。 3 数值分析研究 强夯涉及的是地基土在冲击作用下的动态响应问题，其复杂性决定了夯击过程分析难以用常用的解析 方法推证，而必须借助各种数值方法，并由此对强夯机理进行探讨。 李本平等采用相关联的广义m i s e s 模型或加卸载双线性模型，利用动力有限元法对强夯问题进行了研 究；钱家欢等 2 s 】应用边界单元法求得土体的动力反应，并按照某种标准来确定强夯加固深度和相应的土性 变化程度。童小东利用弹性本构方程和接触面上的位移条件，用总应力法对锤一土作用进行了三维问题求 解，得出了接触面应力分布和夯坑形状规律。c j p o r a n 等1 2 9 】利用考虑体积屈服和剪切屈服的多屈服面本构 模型，考虑大应变，对干砂单点强夯进行了轴对称有限元分析，他们将计算成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。孔令伟【3 0 】针对强夯边界接触应力和沉降特性，利用积分变换 和传递矩阵法对其进行了专门研究。周良斛3 1 l 在b i o t 理论的基础上进行了强夯的数值分析，文中应用压缩 模量跟踪式构造土的非线性应力应变关系，用逐渐逼近迭代法，由试夯中的观测数据反演计算压缩模量和 渗透系数。近似地认为饱和度小于1 0 0 不产生冲击孔压，对土的饱和程度的影响作了初步考虑，根据模 拟结果，对软粘土中的强夯机理和施工工艺作了多方面的探讨。韩文喜【3 2 j 也用有限元法对强夯地基的夯沉 量、动应力、孔压等进行了模拟。 但上述方法都是基于小变形问题假定而发展出来的，对夯击过程中夯坑附近产生很大地基十破坏区域 的情况，上述方法都不很适合。蒋鹏将强夯本构关系引入到大变形问题，建立了大变形物理方程，编制了 大变形强夯动力有限元程序，对考虑大变形条件下强夯加固过程进行了定量分析，但采用的是加卸载双线 性模型，其本构关系在确定的时步上是线弹性的。l s d y n a 程序是一种采用l a g r a n g e 数值方法的显式动 力学有限元计算软件，适用于大变形动力响应分析。它通过引入沙漏控制和人工体积黏性来克服网格畸变 引起的计算困难，使得这种程序可以解决碰撞火变形问题。 牛志荣给出了山西化肥厂场地动力压密的数值解，得出了应力场、位移场、加速度场等动力特性；并 采用a n s y s l s d y n a 软件包对强夯的动力响应，夯后土体的应力场，位移场和加速度场进行了分析研 究。王桂尧等采用显示动力有限元程序l s d y n a 建立强夯三维模型，对强夯的动力响应进行了数值模拟， 8 绪论 研究了强夯作用下红砂岩碎石土路堤的应力应变变化规律，得到了强夯后土体的应力场、位移场，并与现 场试验结果进行了对比，由此分析了强夯加固红砂岩路基的作用机制及有关夯击参数的取值方法，为红砂 岩碎石土路堤强夯加固工艺和参数选择提供了可靠的依据。 综上所述，饱和软土强夯的动力响应研究，现场实测和室内模拟试验还较少，在冲击荷载施加瞬间孔 压和变形的动力特性研究尚不深入。 0 3 3 强夯置换地基固结理论研究现状 强夯置换复合地基，墩体采用碎石组成，置换深度相 对较小，下卧层同结排水，因此，强夯置换复合地基的固 结包括置换柱区和下卧压缩层，见图0 _ 4 ，从强夯置换复 合地基的特点来看，强夯置换复合地基属于一种散体材料 桩复合地基，并且置换桩底一般有一定的透水性，因此是 一种具有自身特点的未打穿散体材料桩复合地基。在分析 强夯置换复合地基沉降和固结性状时需要建立相应的固 结理论。因此，强夯置换复合地基的固结理论应借助现有 的砂井固结理论和散体材料桩同结理论，尤其是未打穿砂 井固结理论。 1 砂井固结理论 图o 4 强夯置换桩复合地基因结计算 由于竖井地基固结理论研究起步时间较早，其理论研究成果非常丰硕