（地质工程专业论文）吹填土浅基处理试验研究.pdf

摘要 摘要 一直以来，由于经济发展的需要，利用吹填土围海造地是十分常见的事。 然而新近吹填土由于含水量高、地震液化、地基承载力低等原因是不能直接使 用的，必须进行吹填土的地基处理。地基处理的方法有很多，然而不同的地基 处理方法所能达到的地基处理效果以及产生的经济效益和所消耗的工期是不同 的，所以选取合适的地基处理方法是尤为重要的。在实际工程中，一般需要采 用现场地基处理试验来判别地基处理工法的加固效果，同时利用试验来为未来 大面积施工选取合理的施工工艺。 江苏大唐吕四港电厂为寻求合适的地基处理工法及施工工艺，采用振冲、 强夯、高真空击密等三种地基处理工法进行现场地基处理试验。本文从该工程 实例出发，结合各地基处理工法的理论，对三种地基处理工法进行对比研究。 具体探讨了振冲、强夯、高真空击密等工法在该场地的应用情况：本文在查阅大 量的参考文献的情况下，对振冲、强夯、高真空击密工法的研究现状、地基加 固机理进行总结和归纳：总结和归纳出三种地基处理工法的施工工艺流程；利 用施工过程中的监测数据，研究了土体各参数的变化规律，如土体沉降、超孔 隙水压力等；对地基处理后标贯、静探、载荷试验原始数据进行处理，分析处 理后地基承载力和抗液化性能；通过超孔压监测数据以及静探数据对各种地基 处理方法的有效加固深度进行了分析；对振冲工法有效影响范围从波动理论的 角度进行探讨，并结合施工过程中的超孔压监测进行验证；对高真空击密工法 地基加固效果不明显的原因进行分析；最后本文对未来大面积地基处理提出建 议。 关键词：吹填土、振冲工法、强夯工法、高真空击密工法、施工工艺 i a b s t r a c t t h el l s 吨o fd r e d g e rf i l ll a n dr e c l a m a t i o nh a sb e e nav e r yc o m m o nt h i n g ，d u e t ot h en e e d so fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t h o w e v e r , d u et ot h eh i g hm o i s t u r ec o n t e n t a n dl o wg r o u n db e a r i n gc a p a c i t y , t h en e w l yd r e d g e rf i l li sn o ta b l et ou s ed i r e c t l y , a n d h a st og e tf o u n d a t i o nt r e a t m e n t t h e r ea r em a n yd i f f e r e n tm e t h o d sf o rf o u n d a t i o n t r e a t m e n t a sw e l la se a c hm e t h o dw i l lg e td i f f e r e n te f f e c t i v e n e s s ，e c o n o m i c e f f i c i e n c y , c h o o s et h ea p p r o p r i a t ef o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o di sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t i np r a c t i c a lp r o j c o t , w es h o u l du s ef i e l de x p e r i m e n tt od i s c r i m i n a t et h e e f f e c t i v e n e s so ff o u n d a t i o nt r e a t m e n ta n df i n dt h ep r o p e rc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yf o r t h el a t t e rp a r to fc o n s t r u c t i o n t of i n das u i t a b l em e t h o do ff o u n d a t i o nt r e a t m e n ta n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , d at a n gg r o u pj i a n g s ul v s ih a r b o rp o w e rp l a n tu s ev i b r o n 比越。玛d y n a m i c c o m p a c t i o na n dh v d m t oh a v eaf i e l de x p e r i m e n t t h i sp a p e rb a s e da r o u n dt h i s p r o j e c ta n dc o m b i n e se a c ht h e o r yt om s e a r c ht h e s et h r e em e t h o d so ff o u n d a t i o n t r e a t m e n t d i s c u s st h ea p p l i c a t i o no fv i b r o f l o t a t i o n , d y n a m i cc o m p a c ta n dh v d mi n t h i sc o n s t r u c t i o ns i t e ：b a s e do ni n s p e c t i o no fal a r g en u m b e ro fr e f e r e n c e s c i r c u m s t a n c e s ，t h i sa r t i c l ec o n c l u d et h ef o u n d a t i o ns t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo f v i b r o f l o t a t i o n , d y n a m i cc o m p a c t i o na n dh v d m ；c o n c l u d e t h ec o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yo ft h i s t h r e ef o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o d s ；r e s e a r c ht h ev a r i a t i o n r e g u l a r i t yo ft h es o i lp a r a m e t e r , b yu s i n gt h em o n i t o r i n gd a t a , s u c ha st h es e t t l e m e n t o ft h eg r o u n d , t h ee x c e e dp o r ew a t e rp r e s s u r ea n ds oo n ；t h r o u g ht h es t a n d a r d p e n e t r a t i o nt e s ta n ds t a t i cc o n ep e n e t r a t i o na n dp l a t el o a dt e s t , t oa n a l y s i st h eb e a r i n g c a p a c i t yo ft h ef o u n d a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c eo fa n t ie a r t h q u a k el i q u e f a c t i o n ； d i s c u s st h e e f f e c t i v er e i n f o r c e m e n td e p t ho fe a c ht e c h n o l o g y , t h o u g ht h ed a t ao f e x c e e dp o r ew a t e ra n ds t a t i cc o n ep e n e t r a t i o n ；m a k es o m er e s e a r c ho fe f f e c t i v er a n g e o fi n f l u e n c eo fv i b r o f l o t a t i o nf r o mt h ev i e wo fw a v et h e o r y , a n du s et h ee x c e e dp o r e w a t e rp r e s s u r et ov e r i f y ；a n a l y z et h er e a s o n sw h i c hm a k et h ee f f e c t i v e n e s so fh v d m i sn o tv e r yg o o d ；a tl a s tt h ep a p e rg i v e ss a m es u g g e s t so fl a t t e rf o u n d a t i o nt r e a t m e n t i i k e yw o r d ：d r e d g e rf i l l s ，v i b r o f l o t a t i o n , d y n a m i cc o m p a c t i o n , d y n a m i c c o m p a c t i o na n dh i g hv a c u u md r u b b i n g m ) ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y i i i 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；在不以赢利为目的的前 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： 耖舄年只l 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。对本论文所涉及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标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 搿 缸，年墼硝珈 第1 章绪论 1 1 论文研究问题的提出 第1 章绪论 随着基础建设的高速发展，土地资源越来越宝贵，利用滩涂或者直接围海 造她的工程越来越多，吹填法形成大面积陆域作为经济、成熟的工艺被广泛采 用。由于形成陆域的吹填砂一般比较疏松，不能满足工程需要，必须进行处理 才能使用，所以吹填砂地基的加固方法显得格外重点。 加固吹壤土地基一般采用振冲碎石桩、强夯、水泥土搅桩、无填料振冲等 方法。水泥搅拌桩法由于造价较高，应用范围较小；无填料振冲法加固砂土地 基具有工艺简单、经济实用和效果显著等优点，但对其适用范围存在一定的争 议：国内外一般认为仅适用于处理粘粒含量小于l o 的粗砂和中砂地基，对于粉 细砂及吹填细砂地基，是否可以采用不加填料的振冲法进行加固是有争议的； 振冲碎石桩适用范围广，但是其也具有一定的局限性，譬如该工法所需填料量 大，工程质量不易控制和检验；强夯工法则施工工艺简单，而且加固效果良好。 既然各种地基处理王法都有其优缺点，则选择适合于本场遣的地基处理王法则 显得尤为重要，选择得好的话，不仅可以取得良好的加固效果，也能缩短工期、 减少工程造价。 本文以大唐集团江苏昌四港电厂大面积吹填土地基处理为实际出发点。为 寻求合理的遗基处理方法，试验初步选定以下三种地基处理方式：无填料振冲 法、强夯法、高真空击密法。主要依据试验过程中的监测数据、试验完毕后的 检测数据以及其余的一些指标，譬如造价和工期来考虑和选择未来厂区大面积 地基处理方法。 1 。2 国内外研究现状 1 2 1 振冲法研究现状 振冲法( 即振冲水冲法，英文常称为v i b r o f l o a t a t i o n ) 加固松散砂类土地基， 第1 章绪论 形成和始用于1 9 3 7 年的德国，通常认为它是通过一鱼雷形振冲器往复插入土体 内部产生强烈振动和挤压并通常辅以压力水或气的方法来振密和挤密砂类土地 基( m o s e l e y & p r i e b e1 9 9 3 ) 。1 9 3 7 年德国凯勒公司( j a h a t mk e l l e r ) s t e u e r m a n 基 于混凝土振捣棒设计制造出具有现代振冲器雏形的机具，并首次用于处理柏林 市郊一幢建筑物的粗，砂地基，没有外加填料，加固后承载力提高了一倍多， 相对密度由4 0 提高到8 0 9 6 ( s t e u e r m a n1 9 3 9 ) 【7 0 】。其后在大量工程实践的基础 上其有效性和经济性越来越被人们所认识。4 0 年代开始传到美国( d a p p o l o n i a 1 9 5 3 ) 7 1 】，5 0 年代被引进来英国和法国，6 0 年代开始在非洲得到应用( w e b b 1 9 6 9 ) ，5 0 年代末和6 0 年代初，英国、德国和美国相继通过回填碎石等粗颗粒 填料形成密实粗颗粒桩的方式又把这一技术拓宽到用来处理粘性土，从而使振 冲法逐渐发展成两大分支：一是不添加碎石等外来填料的无填料振冲法( 国内 又称为振冲密实法) 和添加碎石等外来填料的填料振冲法( 国内又称振冲置换 法或振冲碎石桩法) ，其中前者主要用于加固中、粗砂等粗颗粒土，而后者多用 于粘性土等细粒土加固。日本于1 9 5 7 年引进振冲法，因6 0 年代经泻和十胜冲 地震后振冲处理过砂基的破坏情况远较没有处理过砂基的破坏轻，振冲法开始 作为砂基抗震防止液化的有效措施而进一步推广应用。由于该法具有设备简单、 施工工期短、节约“三材”和效果显著等优点，此后在世界各地得到了广泛的 应用。 我国自7 0 年代中期开始对振冲法的研究，1 9 7 7 年南京水利科学院研究院与 交通部水运规划设计院协同研制出我国最早的振冲器( z o o - - l 型及z c q _ 2 型) 并 首次应用于南京船厂的船体车间工程，取得了成功的经验。随后唐山钱家营矿、 官厅水库、南通天生港电厂和四川铜街子水电站等工程相继采用，该法在国内 得到迅速推广。近二十多年来，中国在码头、机场、大坝、道路、桥涵、大型 厂房及工业与民用建筑地基上广泛应用振冲法进行加固，据不完全统计，截至 2 0 0 0 年我国已有2 1 0 0 多台振冲器投入工程使用，振冲加固地基总进尺已达2 亿 2 千多万延米( 曾昭礼2 0 0 0 ) l 。 目前国内外许多大型地基加固工程，如美国安德斯坝、箱峡水电站、斯本 奈火电站、卡尔隆原子能电站、孟加拉m e g h n a g h a t 电厂、埃及阿斯旺大坝、香 港新机场和澳门机场等均是采用振冲法进行处理的。至2 0 0 2 年。世界上振冲法 的最大加固深度已达5 9 m ，振冲施工已从陆地操作拓展到水上平台或驳船操作， 应用范围也从中、粗砂拓展到粉砂、粉土、粉质粘土、粘土、淤泥质土甚至淤 2 第1 章绪论 泥、杂填土、湿陷性黄土、尾矿、垃圾土等，不过除中、糨砂外其他土类多采 用的是填料振冲法( d e g e n1 9 9 7 ，b r o m s1 9 8 7 ，曾昭礼2 0 0 0 ) 【1 1 。 。2 2 强夯研究现状 强夯法最早是由法国工程师梅纳( l i m e n a r d ) r 硼于1 9 6 9 年应用于加固法国 嘎纳( c a n n e s ) 附近纳普尔( n a p o u l e ) 海湾采石厂废土石厂地上，拟在此场地上 建造2 0 幢8 层建筑。该场地盼王稷堍质情况是：表层4 8 毽为采石场弃主，以 下1 5 - 2 0 m 为含高压缩性淤泥夹层的粉质粘土，再下面为泥灰岩。若采用桩基， 则桩所承担的新填土引起的负摩擦将占桩基承载力的6 0 0 , - - 7 0 ，十分不经济。 螽用堆载预压，堆5 m ，在1 0 0 k p a 压力下，历盼3 个胃，沉降平均仅下沉2 0 a m ， 承载力仅提高3 0 ，加固效果不显著。之后l m e n a r d 提出了用锤重8 t ，落距1 0 m 的强夯法进行夯击，在1 2 0 0k n m 的能量下，地基下沉5 0 c m ，加上原来堆载预 压的2 0 c m ，总沉降7 0 a m 。在工程竣工后经检测，建筑物仅沉降i c m ，取得了良 好的效果。强夯法就这样在被发明厝的第一次应用中取得了成功。 1 9 7 0 年，l m e n a r d 在法国波尔姆一米莫萨( b o n n e s l e s m i m o s a s ) 港船工地 上，用每击8 0 0k n m 的能量夯击曲7 m 厚的由云母页岩组成的回填土获得成功。 1 9 7 1 年，l 。m e n a r d 又发现用这种重夯法加霾透水性较差的饱和和冲积土 也很有效。在随后的1 9 j 年间，一共有近百项工程采用了重夯法加固地基，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 ( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n ) 。 到1 9 7 3 年底已有1 2 个国家在1 5 0 余顼地基工程中采用强夯，处理面积达 1 4 0 多万m 2 。到七十年代末，全世界已有2 0 多个国家，在将近4 0 0 项工程中使 用了这种方法，加固面积达8 0 0 万舻。截至1 9 8 5 年底，用强夯法加固的地基面 积已超过3 0 0 0 万0 。 日本从1 9 7 3 年开始引入强夯法，用于处理海滨回填土、冲积砂土、之后新 加坡、多米尼加共和国、孟加拉国、加蓬、卢旺达等国家也都使用动力固结法 加固地基取得成功。 我国从1 9 7 5 年起就开始在刊物上介绍动力固结法；1 9 7 8 年l l 胃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 ，采用多种试验一起观测，强夯效果海 3 第1 章绪论 好，又于1 9 7 9 年8 月至9 月在秦皇岛煤码头细砂地基进行了试验并应用取得了 成功。1 9 7 9 年4 月，在河北廊坊机械化研究所宿舍和山西阳泉白羊墅铁路段， 对轻亚粘土、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，从此强夯法在我国推广开来，被广泛接受。据统计到1 9 8 5 年我国已有 百余项工程约5 0 多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 的是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，消除黄土的湿陷性等。 随着工程的应用，国内外学者对强夯加固地基的理论研究在不断深入，在 1 9 7 4 年英国工程师学会召开的深基础会议上，m e n a r d 对强夯作了介绍，并出了 专册。1 9 7 5 年他发表了“动力固结法的理论与实践 。此后十年，在第九届、十 届、十一届国际土力学和基础工程会议上以及世界各地区域性会议上和有 关杂志上都发表了不少关于强夯方面的论文，内容包括工程实践、室内研究、 理论分析。g a m b i n 在1 9 8 4 年第八届非洲地区土力学与基础工程会议上，发表了 “十年来的强夯法的论文，在文中扼要的论述了强夯法的适用范围、原理、 参数选取以及强夯对环境的影响等。此文被认为是继l m e n a r d 在1 9 7 5 年论文之 后带有概括性的一篇文献。 我国学者也在近二十年对强夯的理论、技术等方面作了全面的研究，1 9 8 0 年9 月铁道部基建情报网在南宁召开强夯法加固的地基交流会，并出版了强 夯法加固地基经验交流会文件汇编；中国建筑学会地基基础学术委员会于1 9 8 0 年1 1 月在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 集中收入强夯法论文4 篇，论文内容已经涉及软土的加固与应力应变问题的计 算机分析；1 9 8 0 年5 月，山西建筑技术情报站出版的山西强夯资料汇编收 集了2 年间山西近2 0 项工程总结的1 3 篇论文；1 9 8 3 年在武汉召开的第四届全 国土力学与基础工程会议上有关强夯的论文就达2 3 篇，此次论文涉及内容更广 泛，包括湿陷性黄土、土体微观结构和新填土地基等。 1 9 8 9 年冶金工业部建筑研究总院编写了地基处理技术一强力夯实法与振 动水冲法，对强夯法加固地基的原理、强夯法加固地基的施工设计、施工管理、 地基加固效果检验作了详细的介绍。 1 9 9 1 年王成华【2 】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 4 第1 章绪论 入探讨，加固效果的本质有待正确评价。1 9 9 3 年张孔修、陈友翻文对强夯机理 进行了初探，从马鞍山钢铁公司原料场强夯取得的成果推导出了一些理论公式， 从能流原理得出夯击下有效加固深度与能流强度的相关曲线，对夯击下的中 应力和位移、夯统大予夯锤、夯统周藿隆塌、夯点下方出现径向放射性裂隙、 夯点最佳中心距等机理作了分析，但分析以定性分析为主。汤磊、陈正汉【4 】( 1 9 9 8 ) 运用b p 网络分析研究了强夯加固的有效深度，并以湿陷性黄土为例介绍了它的 建模方法和应用实例。史光金【5 】等( 1 9 9 8 ) 分析了软弱地基强夯加固效果评价的 研究现状，认为“围绕着强夯加固效果的计算和检测这一重要课题，己经开展 了多途径的广泛研究，但该课题尤其是预测性评价( 加固效果计算) 研究还远未 获得令人满意的解答 。 王弓 生翻( 1 9 9 6 ) 介绍了水射泵井点降水瓣强夯加嚣地基的辅助作用，认为 强夯加圆软粘土地基的机理还不十分清楚，但并点降水对强夯加固吹填土有一 定的辅助作用。曹永琅、李勇谦【7 】( 1 9 9 8 ) 用排水板自载预压联合强夯加固对软 土回填地基进行了试验研究，通过在福建首次威用的某工程现场试验，褥出采 用塑料排水板分级堆填不同材料压载并联合强夯的静态一动力预压法加周含水 量达7 0 以上的软土地基，只要合理确定施工参数和掌握施工工艺，是可以达到 理想的加墨效果的。 1 9 9 3 年王铁儒翻和张忠苗对杭州南星桥水厂承池杂填土进行了强夯加露试 验研究，论述了强夯设计思想、施工技术及检测效果，并对强夯机理和适用性 作了探讨，取得了较好的效果。1 9 9 9 年9 月浙江大学岩土工程研究所博士生罗 麓海翻完成了软弱地基强夯与强夯置换翔固效果计算的博士论文，论文利用 前人的工程实例和室内试验成果建立了强夯的地面变形和加固效果与夯击能之 间的相关关系，提出并定义了相对加固深度的概念，从经验统计、拟静力和一 维波动的角度对置换深度进行了研究，建立了置换深度与单点夯击毙、锤径和 土的承载力之闻的经验关系。 一般认为强夯特别适合于粗颗粒非饱和土，含水量不大的杂填土与湿陷性 黄土，低饱和度粘性土与粉土也可采用，对于饱和粘性土，如有工程经验或试 验证明加固有效方可采用。然蔼，对于软粘，一般工程标准中都有明确规定 不适宣采用或不能采用，许多学者在早期都认为强夯不能使完全饱和细粒土尤 其是淤泥质粘土产生良好的加固效果。然而由于强夯法的简便经济性，国内外 学者还是对强夯应用予饱和软粘土地基豹研究产生了浓厚的兴趣。l m e n d a r d 等 5 第1 章绪论 根据自己提出的动力固结和工程实践，认为强夯可应用于饱和软粘土和冲洪积 土中。m p g a m h i n 认为一些带有砂夹层的粘性土中也可用强夯法加固，但效果 不是很好。郑颖人l l u j ( 2 0 0 0 ) 等通过工程实践认为强夯法加固软粘土地基，只 要方法适合，也能达到预期的加固效果，比如改善地基土体的排水条件、能量 由d , n 大施加、少击多遍等施工工艺。李彰明等在深圳市宝安区一道路路基的 地基处理中，采用强夯法对厚4 - - 6 m 的淤泥质粘土地基进行处理，先设置水平与 竖向排水体，后填土1 5 1 8 m 进行两遍低能级点夯，再填土0 4 1 2 m 进行两遍 高能级的点夯，同时指出，低夯击能作用下，一般需要8 天或更长的时间消散 强夯引起的超孔隙水压力，而高能级作用下至少需要1 0 天以上的消散时间。丘 建金、王发国等在成功地用动力排水固结法处理饱和软粘土地基工程后，也认 为在饱和软粘土中将强夯与堆载预压法结合使用，只要适当地使用夯能、表面 铺设一定厚度的填土以及设置良好的排水体，则可取得预期的效果。尽管如此， 更多学者还是倾向于认为饱和软粘土特别是淤泥质土中，强夯不宜使用。第十 届国际土力学与基础工程学会会议中m i t e h i l l 在地基处理发展水平报告中认为饱 和粘性土中的强夯效果并不确定，能够成功取决于土的结构破坏、土中裂隙的 形成和孔隙水能否排出，当土体中土颗粒粒径d 0 0 3 5m l i l 占2 5 以上时不宜采 用。u s m o l t e z 业在第八届欧洲土力学及基础工程学术讨论会上的深层加固报告 中指出强夯只适用于塑性指数i 口 8 的土体属于不透水土，不透水土处 于高饱和度时强夯法不宜使用。 这些资料和经验的取得为强夯技术的不断改进和理论研究提供了宝贵资 料。强夯法已被纳入国家建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) ，成为我国地 基处理的重要方法之一。 1 2 3 高真空击密研究现状 该种地基处理方法是近期才出现的一种软基处理新技术，是由上海港湾软 地基处理有限公司在1 9 9 9 年至2 0 0 3 年间，通过多项工程的试验研究，发明而 成。该项技术从科研到工程应用，在上海、广东、浙江、江苏、山东、辽宁、 湖北等地的诸多重大工程的软土地基处理中得到成功应用，迄今施工面积已经 超过3 0 0 0 万2 。其中的实例如譬如2 0 0 3 年上海浦东国际机场二跑道，施工量 6 第1 章绪论 为1 1 0 万m 2 ；2 0 0 3 年宁波港三期集装箱堆场，施工量为4 6 万m 2 ；上海临港新城 道路，施工量为4 0 0 万m 2 ；2 0 0 5 年江苏启东滨海工业园区道路，施工量为8 0 万 m 2 ；2 0 0 5 年青岛大炼油厂区道路及装量区，施工量为6 0 万叠：天津塘沽开发区 道路，施工量为王0 万毽2 等等。 高真空击密法，其实质就是降水与强夯相结合的一种地基处理工法。先对 需要处理的土层进行抽真空降水，并与之结合施加数遍相应的变能量击密，达 到降低土体含水量，提高土体密实度和承载力，减少地基的王后沉降与差异沉 降量的地基处理工法。其加固原理为快速动力排水固结。高真空排水一击密的多 遍循环，两道工序的有机结合和相互作用是该法的独特机理。 吴价城【l l 】于2 0 0 5 年在地球与环境中对高真空击密有一个比较详细的阐 述与分析，其认为离真空击密的圈结作用分为第一遍高真空排水霹结和压力差 排水固结两个方面；高真空排水与高夯能击密的互相配合与共同循环作用，使 饱和软土体在短时间内迅速形成低含水量、高密实度的硬壳层，能够满足建筑 物对地基土的荷载与沉降要求；褥且其认为高真空击密熊够很好的控制王后沉 降，因为可以根据计算出的总沉降作为高真空击密施工的控制指标，通过多遍 高真空排水一不同夯能击密的反复循环，使总沉降逐步接近控制指标，也就是 说地基的总沉降麓够在施工过程中完成。代韶华【1 2 1 ( 2 0 0 5 ) 以常熟兴华港二 裳工程的软基加匿为实例分析该工法的加固效采，在该工程中地基处理效果达 到设计要求的1 5 0 k p a ，且计算所得工后沉降( 6 0 - - 8 0 c m ) 基本通过地基处理在 施工中大部分消除。徐士龙、楼晓明【1 3 】( 2 0 0 4 ) 以工程实例分析了高真空击密 王法加黧吹填粉煤灰地基的可行性与效采，根据处理后的效果检验其发现地基 承载力提高十分显著，达到设计要求，且在场地粉煤灰的初始强度相差很大的 情况下，处理后的地基各测点的测试结果比较接近。 1 3 本文的研究内容与意义 研究内容： 羔、检验处理后的地基承载力能否达銎；设计要求，且验证麓否消除地震液化； 2 、检验对比振冲法、高真空击密法、强夯法三种处理方法的效果，工期， 选择最佳处理方案； 3 、根据本次试验的工程经验为大面积造基处理选取合逶的旄工工艺。 7 第1 章绪论 4 、研究该地基处理工法机理中的几个关键问题，譬如振冲中的有效振冲范 围；高真空击密工法为什么在本场地加固效果并没有明显的优势甚至比强夯工 法要差。 意义：本文以工地现场试验为基础，对三种地基处理方法进行比较，选择 最为适合本工地的地基处理方法，为后期大面积地基处理作准备。且本文分析 了几种地基处理机理的几个关键问题，为其提供理论上的支持，而且为更为深 化的理论研究提供依据与基础。 8 第2 章几种地基处理工法在吹填土中加固机理的研究 第2 章地基处理工法加固机理综述 2 1 振冲法加固机理综述 与工程实践的广泛应用和巨大成功形成鲜明对比，振冲法，特别是无填料 振冲法的理论研究目前还尚处于肤浅、零星和不成熟的初级阶段，对于振冲过 程中砂土颗粒的变化规律以及加固效果的控制因素还不清楚，振冲法的设计还 处于主要靠经验和现场试验的阶段。 振冲法加固砂性土地基是靠借助于振冲器产生的重复强烈振动和侧向挤 压，有时还附以压力水和压力气，使一定范围内的土体发生液化和结构破坏， 土颗粒重新排列，由不稳定位置移到稳定位置，孔隙减小而得以加固。李君纯【1 4 】 等( 1 9 8 2 ) 认为振冲工法加固砂性土的机理为振挤作用、浮振作用和固结作用。 造孔时主要为振挤作用，留振时主要为浮振作用，停振后主要为固结作用。叶 书麟【1 5 】等( 1 9 9 8 ) 认为砂性土的振冲加固机理为挤密过程，而上拔时主要为振 密过程。对于这些加固作用是如何进行和实现的，却未见详细分析。 研究表明，当振动加速度为o 5 9 时，土的结构开始破坏；1 0 - 1 5 9 时土体 进入流态；超过3 0 9 时土体发生剪胀区( 土体处于剪胀状态) 、流态区( 土体处 于流体状态，土粒有时联接，有时不联接) 、过渡区和挤密区( 土粒保持联接， 能够通过土骨架传递振动应力) 以及弹性区( 土粒受振动小，无挤密效果) ，并 认为只有过渡区和挤密区才有明显的挤密作用，过度区和挤密区的大小取决于 砂土的性质和振冲器的性能( g r e e n w o o d & k i t s c h1 9 8 3 ) 7 3 】。振冲工法影响范围 示意图见图( 2 1 ) 9 第2 章几种地基处理工法在吹填土中加固机理的研究 重 度 图2 1 振冲影响范围示意图 距离 d o b r y & p e t r a k i s 7 4 ( 1 9 9 0 ) 基于试样中孔隙的统计空间分布建立了一微观 力学统计模型，以解释干颗粒土受应变控制循环单剪作用引起的密室现象及其 孔隙发展。该模型假设土体的密实主要受孔隙的统计空间分布控制。 s a w i c l d & s l i w i n s k i e 7 4 ( 1 9 8 9 ) 基于砂土在循环荷载作用下的密实理论建立 了用循环应力幅和应变幅表示的密实模型及数值计算方法，并分析了砂土因振 冲作用而引起的密实和沉降。但该模型是建立在土体响应是完全弹性的假设上。 h o l e y m a n l 7 6 1 ( 1 9 9 7 ) 基于能量传播和地震液化的概念，通过引起等效应力 比，提出了一种地震工程发来预测垂向振动法对砂基的加固效果。g r e e n 7 7 】 ( 2 0 0 1 ) 基于土体破坏主要是由垂向剪切波( s v 波) 引起的假设，建立了预测 垂向振冲器周围土体内能量消散的一阶模型。 m a s s a r s c h 7 9 】( 1 9 9 9 ，2 0 0 2 ) 从加固过程中的能量传递和应力应变关系入手 简要分析了共振密实( m r c 法) 的基本原理，并指出加固后土体的侧向有效应力 将会明显增大，土体处于超固结状态。 此外，国内外也有人采用有限元方法，从复合地基角度来分析加固后土体 性状，我国的研究人员多采用此种方法。但由于该方法考虑桩间土的扰动和挤 密作用较困难，桩土界面不规则且界面特性模拟未解决好而有很大的局限性。 2 2 强夯加固机理综述 国内外许多学者对强夯加固地基的机理作了研究，l m e n a r d 、 s c o t t 、 g o d e c k e 、l e o n 、l e o n a r d s 、钱家欢、高宏兴、张永钧、潘千里、阪口旭等从不 1 0 第2 章几种地基处理工法在吹填土中加固机理的研究 同角度进行了大量的研究。一方面由于强夯加固的机理非常复杂，而目前强夯 的实践发展又很快，强夯机理和设计理论仍有许多含混不清的地方，理论远远 落后于实践：另一方面由于土体有饱和土、非饱和土、砂性土、粘性土之分， 土体的结构也千变万化，因而各位学者对强夯加固机理的认识也存在许多分歧。 但是归结起来主要是从宏观上和微观上对强夯加固机理进行解释，主要包括动 力固结理论、动力置换理论、震动波压密理论、固体微观学理论四种。 2 2 1 强夯动力固结理论 对于饱和的粘性土，在传统的太沙基静力固结理论中，认为它在瞬时荷载 的作用下，由于渗透性低，孔隙水无法在瞬间排出，因而被看作是不可压缩体。 强夯法加固地基的创始人l m c n a r d 根据饱和粘性土经强夯后瞬时产生数十厘米 的沉降这一事实，认为饱和土是可以压缩的，并提出了一个新的动力固结模型， 与传统的太沙基静力固结模型比较其不同点如下表所示： 1 、饱和土的压缩性 由于土中有机物的分解，土中总存在一些微小气泡，土颗粒之间的孔隙水 也有孔隙可压缩，其体积占整个体积的1 3 。实行强夯时，气体体积压缩，孔 隙水压力增大，产生超孔隙水压力，随后气体有所膨胀，孔隙水排出，孔隙水 压力减少，固相体积始终不变。这样，每夯击一次，液相体积就有所减少，气 相体积也有所减少，这是与太沙基静力固结理论的不同之处，见表2 1 。 表2 1 太沙基静力固结模型与m e n a r d 动力固结模型异同比较 太沙基静力固结模型 m e n a r d 动力固结模型 a 、不可压缩的液体a 、有少量气泡的可压缩液体 b 、弹簧为定刚度 b 、弹簧为不定刚度，土体的压缩模量在各阶 c 、固结时排出液体的孔径不变 段不断变化 d 、无摩擦活塞c 、固结时排出液体的孔径是变化的，土体在 排气、液化阶段的渗透性与夯前大不相同 d 、有摩擦活塞，孔隙水压力的消散及气相体 积的膨胀均滞后于冲击力 第2 章几种地基处理工法在吹填土中加固机理的研究 2 、土体液化 土体沉降与夯击能成正比，当夯击能达到一定程度时，即当气体的体积百 分比接近于零时，土质具有不可压缩性，此界限称为饱和能。夯击能达到饱和 能时，土体产生液化，吸附水变成了自由水，土的强度降到最小值。一旦达到 饱和能的瞬间，就不能再强夯，否则对于土体固结不利，因为夯击能过大，土 体固结条件遭到破坏，孔隙水反而不易排出，土体强度降低后难以恢复。 3 、可变的渗透系数 当夯击能达到饱和能时，孔隙水压力上升到与竖向应力相等，夯击停止后， 孔隙水压力迅速消散。如果仍使用夯击前上的渗透系数，就无法解释孔隙水压 力何以能如此迅速消散。所以m e n a r d 认为，在很大夯击能作用下，土中出现很 大的应力和冲击波，致使地基内部出现裂隙，形成树枝状排水网络。强夯时土 体局部液化，即这一瞬间的孔隙水压等于总压力产生的超孔隙水压力，使土颗 粒之间出现裂隙，形成排水通道，土的渗透性陡增。当孔隙水压力消散，达到 小于土颗粒之间的横向压力时，裂隙闭合，土中的水运动又恢复常态。 4 、触变恢复 从试验中可知，在夯实进行中的土的抗剪强度明显降低，当土体液化或接 近液化时，抗剪强度为零或最小，吸附水变成自由水。当孔隙水压力消散，土 的抗剪强度和变形模量大幅度地增长，土体颗粒之间的接触更加紧密，新的吸 附水层逐渐固定，这就是具有触变性的土的特性，触变性与土质种类有很大的 关系，有的恢复很快，有的恢复得非常缓慢。土体在触变恢复过程中，对振动 是十分敏感的，所以强夯效果的检测工作宜在夯后4 5 周进行。 以上即是m e n a r d 提出的新的固结理论，大量的试验实例数据表明他的理论 是正确的。m e n a r d 固结理论中提到的饱和土夯击过程中土应力的变化及土体渗 透系数的变化可由g o d e c k e 7 9 】的试验结果证实，g o d e c k e 曾在室内模拟饱和粘性 土的强夯试验，通过试验他认为强夯后粘性土产生贯穿性裂隙，这时土的渗透 非层流，渗透速度呈y 抛物线形： v = 肪辨 ( 2 1 ) 式中：k 一渗透系数； m 一指数值，粘性土取4 ，粉土取2 ，细砂土取1 ； f - 一水力梯度。 尚世佐【1 6 】( 1 9 8 3 ) 通过实测数据分析，认为强夯后饱和软粘土的渗透性符 1 2 第2 章几种地基处理工法在吹填土巾加固机理的研究 合上述公式。 钱学德等【1 7 1 ( 1 9 8 6 ) 通过秦皇岛细砂地基的研究认为，强夯孔压消散计算 中的渗透系数不是常量，对该细砂地基 七= r 2 一 f ( 2 2 ) 式中；蕺一孔压剐开始消散时的渗透系数；t 一对闻( s ) 。 对于非饱和土，日本的阪口旭曾对夯实土作出一地基固结模式图，他认为 地基土可分为四层：第一层，在夯坑底以上，是受扰动的松弛隆胀区；第二层， 中应力超过地基中的极限强度，圊结程度最高；第三层，主中应力在土的极 限强度和屈服值之间，是固结效果迅速下降的区域；第四层，土中应力在土的 屈服界限内，基本没有固结。 上述强夯地基加固理论也可以从有效应力原理来解释。 对予菲饱和土： 燃o r + + z ( u 一) ( 2 3 ) 矿嚣巧手蟛手哆( 2 - 4 ) 其中，o r 、o r 、蚝、z 分别是总应力、有效应力、空气压力、孔隙水医力、 饱和度系数；v 、屹、分别为土体体积、土体中空气体积、土体中水体积、 土粒体积。 当0 0 0 7 5 o 0 5 0 0 0 5司0 0 0 5k n m 3 。粉细砂 0 77 0 61 4 81 1 82 22 8 61 9 2 2粉砂o 1 3 3 8 2 0 53 9 26 43 0 31 9 1 粉质粘土 3 4 61 8 6 夹粉土 粉砂 1 14 6 11 3 13 2 27 43 01 8 8 淤泥质粉 质粘土夹 3 7 8 1 8 1 粉土 粉细砂3 95 9 68 12 1 26 92 7 31 9 4 粉细砂 1 1 16 9 42 61 3 32 92 3 31 9 7 粉质粘土 2 3 9 1 9 9 夹粉土 粉细砂5 93 4 56 51 9 51 9 8 2 1 第3 章工程概况及试验的实施 表3 2 试验区地基土物理力学性质( - - ) 静力触探试验 土层编号土层名称 天然孔隙比 侧壁摩阻力锥尖阻力 干重度h饱和度s ， p ls吼 k n m 3k p am p a ，粉细砂 1 59 6 30 7 9 41 9 92 7 7 ：粉砂 1 4 7 9 6 80 8 4 2 4 6 44 0 2 粉质粘土夹 1 3 99 6 70 9 7 13 2 41 5 7 粉土 粉砂 1 4 59 3 20 8 6 76 3 83 8 9 淤泥质粉质 1 3 2 9 5 41 0 7 93 6 3 1 5 5 粘土夹粉土 粉细砂 1 5 39 50 7 7 18 96 5 3 粉细砂 1 69 1 30 6 8 11 2 41 3 9 7 粉质粘土夹 1 6 19 3 30 6 9 49 5 63 9 8 粉土 粉细砂 1 6 68 4 60 6 1 7 试验区土层分布及试验前原位试验指标平均值见表3 5 ： 表3 3 试验前原位测试指标值 静探平均 静探平均 土层 平均层平均标贯试验 锥尖阻力 侧壁摩阻 地基承载 编号 土层名称底埋深层厚平均击数 力 力特征值 l 虫( k p a ) ( m )( m )n q 。( k p a ) f 。( m p a ) 粉砂( 吹填 ， 3 43 43 71 6 3 1 5 46 5 土) ，粉细砂 6 73 31 2 43 9 7 4 5 71 3 0 2 粉砂 1 1 4 4 7 1 2 24 4 7 5 8 11 3 0 粉质粘土 1 6 85 41 0 62 3 8 3 7 3l o o 夹粉土 粉砂 1 6 54 7 06 1 91 5 0 3 2 3 场区土的评价 第3 章工程概况及试验的实施 根据上面的初勘数据，可以得到 。吹填砂以下的部分地基承载力基本上都 能达到1 3 0 k p a ，而吹填砂部分则不能达到设计要求的1 3 0 k p a 。而且根据标贯和 静探数据和建筑抗震设计规范推荐的1 5 m 深度内计算饱和粉土或粉砂液化 临界标准贯入击数的公式为： n 以 时判为液化 虬= n o 0 9 + 0 1 ( d s d w ) l j 篪 3 - 1 ) 式中：一标准贯入锤击数实测值； 以一液化判别标准贯