（岩土工程专业论文）强夯法改善高填方地基力学性能的机理研究及工程实践.pdf

西南交通大学研究艇学位论文 摘要 r 【强夯法由法国梅纳( m e n a r d ) 技术公司于1 9 6 9 年首创。这种方法是将敷锤以 一定麓落疆鑫鑫落下给地鏊潋冲击鞭振动，使笼墓滋现强大豹应力渡，弓 怒土俸 内密度、应力、孔隙水压力等的变化，从谳达到提离地基强度的目的。强夯法由 于其具有加固效果艇著，施工设备简单，施工迅速和工程造价低廉等优点，而受 到广泛应用。垦蘸，国内强强夯关键技术主要集中农大能级的强夯技术研究积饱 和软土复合她基的黼夯技术研究，而对于山区园砾和卵石土高填方地基采用强 夯技本应恁较少，羧有必要在这方嚣接送一步韵黟 究。罗 本文在广泛查阅国内外有关强夯技术文献的基础上，充分了解强夯技术目前 戆发矮额穗静骚究渤态，绝台臻鬻南薅税场飞行区垢遘熬逡基强夯螽霆实翻，对 强夯的加固原理、通用范围、大能级强夯技术控制商填方地基不均匀沉降机理以 及强夯法麴鞭遗基的试验与检溺方两进行了深入研究，提搦了由嚣卵砾石主高填 方地基强夯加固的技术参数，用较低能级强夯提高了高填方地基的密实度，降低 了地基总沉降量，并采用沉降量控制原刚，为加速壤方层的固结压密，缩籁预压 加固救时同，提出采用强夯结台碾援方法，大大缩蜒了填方层达至4 最终控制沉降 的时间。在强夯冲击动应力随深度黛指数形式衰减研究结果基础上，提出了砾石 邀蓉强夯麴霆孛擎壹夯壹戆嚣影蓬簿深度嚣毒效搦鞭深度豹经验公式t 逶过疆究， 使强夯地基处理技术得到了补充和究善。 【关键词】强夯法嘉溪方沉簿撬瑾翅霆 螽南交逶大学矫究生论文 a b s t r a c t ：d r r a m i ec o n s o l i d a t i o ni si n i t i a t e di nm e n a r dt e c h n i c a lc o m p a n y , f r e n c h , , 1 9 6 9 。i t sw o r k i n gp r i n c i p l ei st om a k ea tag i v e nd i s t a n c et h eh e a 、 yh a m m e rf a l l st r e e d o w 3 at ot h ef o u n d a t i o nw h e r et h ei m p a c t sa n dv i b r a t i o na r ef o r m e dl om a k et h ep o w e r f u l s t r e s sh # l ec a t b et h ev a r i a t i o no fi n t e r n a ls t r e s si ns o i lm a s sa n d p r e s s u r eo f v o i dw a t e r , e t c ，a n da c h i e v ct h ei m p r o v e m e n to ff o u n d a t i o ns t r e n g t h t h i sm e t h o dh a st h em e f i mo f r e m a r k a b l ee f f e c tf o rs t r e n g t h e n i n g ，s i m p l ee q u i p m e n tf o rc o n s t r u c t i o n , f a s tc o n s t r u c t i o n a n dl e s sc o n s t r u c t i o nc o s t , e t c s oi th a sb e e nw i d e l yu s e d a tp l x s e n t , m o s to f t h es t u d i e s o nt h i sd y a z a m z cc o n s o l i d a t i o nt e c h n i q u ea th o m ea n da b r o a da g em a i n l yc e n t r a l i z e df o r t j s eo fg r e a te n e r g yl e v e l - h e a s t rt a m p i n gt e c h n i q u ea n ds a t u r a t e ds o f ts o i lc o m p l e x f o u n d a t i o nw h i l ef o rt e s su s oo fp u d d i n g s t o n es o i l ，p e b b l es o i l ，h i g hf i l l i n gf o u n d a t i o ni n t h em o u n t a i na r e a , s oaf a r t h e rs t u d yi ni b i sa s p e c t si sn e c e s s a r y , t h i sp a p e rh a sg o n ed e e p l yi n t os t u d yo nt h eh e a v yt a m p i n g - s t r e n g t h e n i n gp r i n c i p l e , a p p l i c a b l er a n g e ，g r e a te n e r g yl e v e l wh e a s tt a m p i n gt e c h n i q u e ，m e c h a n i c so fu n e v e n s e r l e m e n to fh e a v yt a m p i n g - d y n a m i cc o n s o l i d a t i o nf o u n d a t i o na n dt e s ta n dc h e c ko f h e a v yt a m p i n g - s t r e n g t h e n i n g f o t m d a t i u no nb a s i so f c o m p r e h e n d i n g t h er e c e n t d e v e l o p m e n ta n ds t u d y o f d y n a m i c c o n s o l i d a t i o n t 蕊a n i q u e i n t h e l i t e r a t u r e o f s c i e n c o a n d t e c h n o l o g y a th o m ea n da b r o a di nc o m b i n a t i o nw i t ht h e l i v i n ge x a m p l e o f f o u n d a t i o n - h e a v yt a m p e d i i i1 锄d l n ga f e aa tm i a n y a n gn a 坷i n na i rp o r ta n dp r e s e n t e dt h e t e c h n i c a lp a r a m e 把r sf o rs t r e n g t h e n i n go ff o u n d a t i o nh i g h l y 栅e dw i t hp e b b l es o i li n m o u n t a i na r e a , l o w e x - e u e l g yt a m p i n g - c o m p a c t i n gd e n s i t yf o ri m p r o v e m e n to f h i g h - f i l l e d f o u n d a t i o n , t h et o t a ls e t t l e m e n tr e d u c t i o no ff o u n d a t i o n , s e t t l e m e n tc o n 藉o lp r i n c i p l e ；i n o r d e rt oa c c e l e r a t et h ec o n s o l i d a t e da n dc o m p a c t e dd e n s i t yi nt h ef i l l i n gl a y e r sa n dr e d u c e t h ep r e - c o m p a o t i n gs t r e n g t h e n i n gt i m e p r e s e n t e dt h eh e a 亨t a m p e r i n g - c o m p a c t i n g m e t h o d s i nf f t i sw a yt h ef i n a lc o r a r o ls e r d e m e n tt i m eh a sb e e na c h i e v e dl a r g e l yi nt h e f i l l i n gl a y e r s 1 飞ee m p i r i c a lf o r m u l af o rt h ee f f e c t i v es 妇n g t h e n i n gd e p t ha n di m p a c t d e p t h u n d e rt h es i n g l ei m p a c t i n gc a p a c i t yi nh e a v ) t a m p i n g s t r e n g t h e n i n go f p e b b l e - s o i l f o u n d a t i o n h a s b e e n p r e s e n t e do n b a s i so f t h es t u d y o f o u t c o m e w h i c h t h e d y n a m i c s t r e s s u n d e rh e a v yt a m p i n ga n di m p a c t i n ga t t o m m t a sw i t hd e p t ha n di n d e x ， t h r o u g hs u c hs t u d y , t h eh e a v yt a m p i n gf o u n d a t i o nt r e a t m e n tt o c h n i q u eh a sb e e n s u p p l e m e n t e d a n dc o n s u m m a t e do rp e r f e c t e d 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 珥艇醢f i l l i n g ；s e t t l e m e n tm e c h a n i c s ；c o n s o l i d a t i o n s t u d y c h e d a 2 0 。21 0 磷枣交通大攀磷交生学位论文第l 委 1 概述 1 。1 强夯法的由来 强夯法处理熬基是六十年我寒鸯法国m e n a r d ( 搀纳) 技术公司彗先翅用豹。 i 交种方法是将很鞋的锤( 一般1 0 0 4 0 0 k n ) 从高处自由落下( 落距般为6 4 0 m ) 绘地基戮强大；孛击力魏掇动，从嚣达到提薅地基熬强度并酶 磊其压壤性驹羁的。 此法在开始时仅用于加固砂土和碎石土地基。经过几十年来的应用与发媵，它己 撼嶷了应髑范围，适用于糖固从砾石到黻蛙土的蛋类地基土，这主要是出于施工 方法的改进和排水条件的改善。强夯法由于具有效果显著、设备简单、施工方便、 遗霸范围广、经济易彳亍和节省材料等优点，很快就传播到戢界各地。目前已有几十 个国家近千项工程采用此法加固地基。在我国，强夯法常用来加疆碎石土、砂土、 粘性土、杂填土、湿陷性黄土等备类地基。它不仅能提商地基的强度并降低其压 缩性，而且还能提高其抵抗振动液化的能力和消除土的滠陷往。 目前，痤用强夯法处理的工程范围是很广的，有工业与民用建筑、仓库、油 罐、贮仓、公路移铁路路基、飞税场跑邋及码头等。慧之，强奔法在某种程度上 f j ：其它加固方法戴为广泛和更为肖效。 1 2 国内外进展情况 。2 曛矮逶瓣情嚣 由于强夯浪简单、缀济、施工快，所以在国外用得十分普媳。1 9 7 4 年英国 工程师协会专f j 疆开了深基础会议，著斑了专麓。在该次会谈上m e n a r d 本人对 强夯法作了详细介绍，并对会上提出的问题进行了解管。从那以后，几十年来 谨莺际主力学积基础工程会议上隘及 篷莽各逸嚣域往鹃会汉上，帮发袭了不少 的论文。内容包括工程实践、室内研究、以及理论分析等各方丽。 g a m b i n ( 羲宾) 子1 9 8 4 年程第，餍菲灏遮送力学帮基蠢褰工程会议上，饕 发表了“十年来的强夯法”的论文。在文中扼要地论述了强夯法的适用范围、 溅瑾、参数选取爨爱强夯黠环凌影穗等著剜举了嚣个实绸。筵文霹试为是继 m e n a r d 发表的论文以后，带有概括性的一篇论文。他指出：m e n a r d 所阐述的 西南交运夫攀臻究生学位论文筹2 受 麓器影嗡深庭为h = a ，f 二竺 2 2 。 v1 0 。 关予强夯法懿逶磺菹餮，裔院较一鼗熬羲法。s m o l t c z y k 辫瘴尔菠吏) 在 第8 届欧洲土力学及基础工程举术会议。t 的深腠加固总报告中指出，强夯法只邋 爝 二望缝撂数毛】o 翁圭。 1 2 2 国内避展情况 我漆予i9 7 8 年ll 露至19 7 9 年蘩蓠浪密交逶帮第一髋务营理癌辩掰耩及箕协 作单位在天津新港三号公路进行了强夯法试验研究。在初步掌握了这种方法的熬 磁上，予1 9 7 9 年8 胃至9 胃又在秦妻薅褥美壤媒场缨骖逮基遴嚣了试验，其效 果显著。因此该码头堆煤场的地基加厨就正式采用了强势法，该法比原加固方紫 节省1 5 0 余万元。中国建筑辩学霹究陵殿萁协搏筚霞予1 9 7 9 年4 胃在海j 瘫耱 该院机械化研究所宿舍工程中，进行强奔法处理可液化砂土和轻娅粘土地基野外 试验舔疯敬褥了较努瓣糯銎效梁，予羁年6 胃燕麦嚣予工程藏工。运过上述试验 研究及实际工稷的运用，总结出套适合我国情况的强夯工艺，在我国地基加固 领域里壤羚了一矮空自。容煞强夯蘧在我蓬试验成珐以寐，善卷蠢大力接广，据 不完全统计，迄今全国已有十几个省市在数百项工程中采用这- a n 固方法。在垒 壤茬建基整理攀术讨论会谈上，疆夯法跫楚为交浚魏重患之一。蠡铁邋熟基建撩 报网于1 9 8 0 年9 月在南宁召开强夯法加固地溱经验交流会。余后汇编并出版了 强夯法麓霾她基经验交藏会文锌茳编。孛蕊建茨学会地基基璃学术娄昃会予 1 9 8 0 年1 1 月在谣安召歼了“地糕处理学米会议”，会后出版了论文选集，其中谶 夯4 麓。1 9 8 3 年在藏汉键开豹全鏊第靼弱力攀及基破工程学术会议上，强夯论 文有3 2 篇。韬赘料【1 5 】统计，“八五”期问，全国重大工程项西地基处瑷中采瘸 强夯技拳的有文献记载粒载达3 0 0 万m 2 阻土，因两积累了十分宝贵弱蝰验，为 强夯技术的不断改进提商街造了有莉条件。 。3 礤究耋义及主要是饔 ，3 。 麟寰煮义 近年来，国内外强夯技术发展迅速，应用范围广泛，但濑料f 1 5 、 2 2 表明，关德 西南交通大学研究生学位论文 第3 兵 技零主要集中在太旋量缀瘸稳嚣软土复合遽摹静溅夯技术研究。蕊对于强夯法藏 制高填方蛾基不均匀沉降的机理却研究较少，为了加固深厚地基，尤其魁山区非 均匀块石溺壤逮鏊，蛰绥莱摇丈麓囊级强夯按术，这藏黠太菠量缀强夯浚魏霾极 理和强夯机具提出了新的嚣求。 铮对强夯法技术豹发震，结合绵粥露郊税场飞行场筑建墓憝溪工程弱需要， 即对飞行场地特别足高填方区的地基的压实度和沉降控制的严格鼹求，为保证圆 繇主裁癸磊嘉璞方区戆蒸瓣强震释稳定，粟矮了强夯法菇提瑟接方及圭| 銎蓉熬密 实度，达到控制地基总沉降量的翻的。由于绵阳南郊机场地基处理区域为卵石土 毫壤方，焚程应强夯撬理嚣藏爨寒冕瀑入磅究，为缳 歪强夯工程戆效果，提毫蔫 填方地基不均匀沉降机理的理论水平，开展强夯法对卵石士高填方地基沉降量和 不均訇援黪控割裁理这一谍题磅究载缀有必要，葵结果糁对强夯法迭基处理技拳 起到补充和完善的作用。 。3 ，2 主要肉窑 ( 1 ) 全丽收集分柝不同壤方区域卵砾石土的强夯法处邂前后物理力学参数和 强夯法施工参数。 ( 2 1 强夯法加固及控制勰填方地基不均匀沉降枫理研究。 ( 3 ) 进行卵砾石土强夯法各能级有效影响深度的分析研究。 c h e m d u2 0 0 21 0 西南交通大学研究生论文第4 页 2 强夯法加固及控制高填方沉降量的机理研究 为了从定性和定量角度分析评价强夯法对卵砾石粘性土地基旖工的有效性， 就有必要对强夯法加固及控制高填方地基沉降量的机理进行探讨研究。 2 1 强夯法加固地基的机理 强夯法加固机理研究主要侧重于夯击能对地基土所产生的作用及其在地基土 体中的传递过程。但由于强夯法适用的地基土范围广泛，且不同地基土之间存在 显著差别，因此关于强夯法加固地基的机理，目前国内外尚未形成统一认识。 根据粘性土经受强夯后产生数十厘米瞬间变形的现象，l m 6 n a r d 提出了动力 固结( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n ) 模型：( 1 ) 有摩攘的活塞问题：反映在冲击能作 用下，含有空气的孔隙水压力具有滞后现象，气相体积不能立即膨胀；( 2 ) 液体 可压缩问题：土体内约占总体积l 3 的微小气泡的可压缩性是强夯后土体产生 瞬时变形的条件；( 3 ) 不定比弹簧问题：土颗粒周围的结合水具有固体的部分性 质，由于振动或温度上升致使弱结合水转化为自由水而产生土体强度降低的现象， 说明弹簧强度是可变的；( 4 ) 变孔径问题：由于夯击能产生的波在土中传播而使 土中应力场重新分布，当某点拉应力大于土体的抗拉强度时，就会出现裂隙，进 而形成贯通的排水通道。 l e o n ( 莱昂) 认为强夯的固结作用存在三种不同的机理：( 1 ) 加密作用：指在 夯击时地基土中气体的排出；( 2 ) 固结作用：指水或流体的排出；( 3 ) 预压变形 作用：指各种颗粒成份在结构上的重新排列，包括颗粒组构和型态的改变。 现在一般认为，强夯加固地基过程有四个阶段：( 1 ) 夯击能量转化，同时伴随 强制压缩或振密( 包括气体的排出，孔隙水压力上升) ；( 2 ) 土体液化或土体结构 破坏，表现为土体强度降低或抗剪强度丧失；( 3 ) 排水固结压密，表现为渗透性 能改变，土体裂隙发展，土体强度提高；( 4 ) 触变恢复并伴随固结压密，包括部 分自由水又变成薄膜水，土体强度继续提高。 c l m n u d u 2 0 0 2 1 0 西南交通大学讲究生论文第5 舞 扶懿j 二鼹点可以看出，强夯鸯酲蠲枫理涉及以下六个方瑟：隧夯戆力学模型；夯 击缆在俸中挎铸递栽律；体被夯击后薅对变形闫邀；应力座交麴动奉拘关 系；孔稼东压力交纯、滂散觏律戬及强夯篱俸强度蛉恢复。 2 。1 。1 夯击麓的费递飙理 圈2 1 强夯作用模式鬻 强夯在徽斑静辩闻内辩建攀 体施丽一个逛大的冲击畿量，船蓊历 时几十毫秒至一百毫移，冲击髓转纯 为各种滚垄传递翔地基主体内。国强 夯产生豹冲击波按箕在中黄撵和 对作蠲豹特性可分为体波耱瑟波。 体滚包菇缴波( p 渡) 窝横波( s 波) ， 扶夯击点港罄一个半球波黪嚣径自 趣地基深处俦播，对地基可起压缩 寝剪切馋弱，弓l 起她基土的压密固 结。短波( r 波) 从夯击点淤地表传 播，其随距褒戆增加题衰减的蝠腹比 体波馒褥多，对地基土不起加固作 用，其竖自分爨对袁层土趣松动作 曩。因找，强夯约结果是在地基中浍深度彤成性质不周的三个区( 图21 ) ：地基 表搓捡动区；松动区下垂慕一澡皮，受到体波的作用，使土层产生沉降和土体的 压密，形成如姻区；擞固匿下面冲击波逐濒衰减，不足以使土产生塑性变形，对 遗基不起期豳据媚，即为弹性匮。 扶壹拜涸原理与 乍躅来看，强夯法加固地慕的机理按地基土的类别可分为动力 穷实、动力理结、动力置换三静愤提，其共同特点是：通过破坏的天然结构并 达到瑟灼稳定状态。 ( ) 动力夯实 对d 饱和土，尤其是孔隙多、颗粒粗大的土，强夯巨大的夯击能量所产生的冲 c 弧盟瑾) | 1 2 0 n 2 。1 0 婚南交通大学研究生论文第6 更 蠢渡秘葫应力在主中黄攒，绩鬏貔破簿或镬颓毅产生瀑翘麴耱对运动， 誊孔黢 中的气体迅速排出豉压缩，孔隙体积减少，从而使地基土形成较密实的绺构。 ( 2 ) 动力国结 强秀法处理越篷黠，巨丈懿津击鼹爨在孛产生疆大约应力波，破坏搏缀 有的结构，使土体局部发生液化，产生许多裂隙，增加了排水通道，使得子l 隙水 可以蹶剥逡出，当超孔敷零压力瀵数基， 奉霹戆。虫予糙缝的搂本隧结性， 强度得至提高，这就是动力固结。 在强努过程中，根据士体中的魏骧承愿力籍、动应力秽和应受s 的关蓉，期邂 区内波对士体的作用可分为三个阶段( 图2 2 ) ： 1 - 卜麓垒塑呻一 动力蕊菇期一 图2 2 强鸯冲击波对主体的传殿过鞋 a 糯载跨羧 在夯击的瞬间，巨大的冲击波 使鳃基土产生强熬振动葶鞋韵应力 d ，在波动的影响带内，有效动应 力傻薄产生塑毪变影，穰琢土髂 的结构；对砂土，迫使土颗粒重新 撩确两密实。对稳鹈磊富，稳当 于动力夯实。对细颗粒土，m 6 n a r d 认为大豹t - - 4 瓣疆镞气逡形式 出现的气体体积压缩。同时，由予土体中的水和士颗粒两种介质碍f 起不同的振动 效液，当耨者懿翡应力差太子鬏粒嚣疆辫麓霹，主鬏裁餍誉瓣帮分结合东鼓鬏 粒间析出，产生动力水聚集，形成排水通道。 b 鞠荷除羧 夯击熊卸去后，总的动应力瞬间即逝，但土中张隙水压力仍保持较高水平，此 时彳l 隙隶压力大予有效应力，因丽将亏i 超砂土、粉土的液化。在精性主中，当孔 隙水压力大于最小主应力拶，、静止测压k o 盯。及土的抗拉强度之和时，也即土中 存在较大的负有效应力，体开裂，渗透系数骤增，形成艇好静簿承通道。从宏 观上看，在鸯击点周围产生了垂直破裂面，夯坑周围出现冒气冒水现象，这样孔 c l e r i c a l 2 0 0 2 1 0 鞋垄波乳生 犏 褂。 。 西南交通大学研究生论文第7 更 豫东压力迅速下降。 c 动力阋结阶段 在卸荷之后，土体中保持一定的孔隙水压力，土体就在此压力下排水固结。砂 土中的孔隙水压力可在3 5 分钟内消散，使砂土遴一步密实。糙性土中孔隙水压 力的消散可能要延续n 4 周，若有排水条件，土颗粒会进一步靠近，煎新形成新 的结合水膜和结构琏接，土的强度得到恢复和提高。但如果在加荷和卸载阶段所 形成的最大孔隙承压力不能使土体开裂，也不能使土颗粒的水膜和毛细水析出， 那么动衙载卸去后，孑l 隙水压力不能迅速排出，使得孔隙水压力很大，土的结构 被扰动或破坏，又没有条件排水固结，加之土颗粒阃的触变恢复又较慢，此时不 但不能使粘性土加固，反而使土扰动，降低了地基的抗剪强度，增大了土的压缩 性，形成橡皮土。 ( 3 ) 动力置换 对予透拳淫极 蕊煞槐鼹糖鞋，强夯壤豹结擒破坏，难激搜孔踩求援力迅 速瀵散，夯撬周蠢体嶷起，粒体积没煮明显减小，因瓣这释豹强夯效票不 佳甚至会形成“橡皮土”。夯壶量豹大小秘土的透水蠼鲍菇低，是影魂魄葶曩糙性 强秀攘屋效果熬主要羧素，姥对露在孛没受袋装砂井等寒茨善黪透承1 生， 再避短强夯，姥时砉曝理类默动力鼹缕；毙可采用动力置换，妇熬式置换、摭式置 换等。 2 1 2 强夯时效罐论 强夯后，土体结构被破坏，强度几乎降为零，随着孔隙水压力的消敬，土的 抗剪强度和变形模量都会有很大提高( 圈23 ) ，即使在一般孔隙水压力完全消敖 盾，土的抗剪强度也会提高。这是由于土颗粒间紧密接触以及新的结合水膜逐渐 围定的缘故。有资料 1 5 1 表明夯前后6 个月所测土体的抗剪强度比一个月时增长 2 0 - 3 0 ，变形模量增畿3 0 8 0 。因此，结合水运渐固定的过程可能会延续几 个月。而在触变恢复期问，土的变形( 沉降) 很小，有的资料f 1 5 】认为在1 o p a 下。 所以，考虑到强夯的时间效应，质量检验工作最好在强夯完成一个月后进行比较 合理，否刚得到的指标会偏小。 c h e n 日d u 2 0 0 21 0 西南交通太学研究生论文第8 页 0 f 岂 z 簋 置 等 对网( 啪 囤2 3 强夯后地基土抗剪 强度的增长与时问的关系 2 1 3 强夯振动波压密理论 由于强夯时巨大的冲击能量，使得土体产生强烈的振动和动应力，而导致土体 收缩，土体局部液化，夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道，使孔隙水顺 利溢出，土体迅速固结，达到了减少沉降提高承载力的目的。除了l m e n a r d 提出 的动力固结理论外，还可以用振动波压密理论来分析强夯法加固机理。 强夯的特点是将机械能转换为势能，再变为动能作用于土体。在重锤作用于地 面的一瓣间，强夯使得土体产生强烈的振动，在土体中产生振动波，从震源向四 周传播。若把土体看成弹塑性材料，在巨大的冲击能量作用下，质点在连续的介 质内振动，其振动的能量可以传递给周围的介质，而引起周围介质的振动。这个 振动过程形成波，根据其作用、性质和特点可分为面波和体波。 强夯主要是由体波起加固作用，体波又可分为纵波和横波。其中纵波是由 震源向外传递的压缩波，质点的振动方向与波的前进方向一致，同时伴随着体积 的变化，一般周期小，振幅小；横波是由震源向外传递的剪切波，质点的振动方 向与波的前进方向垂真，不产生体积的变化，一般周期长，振幅较大。需要指出 的是，横波只能在固体中传播，而纵波在固体、液体里都可以传播。 纵波与横波的传播速度理论上可以用下列公式计算： 。= 溉 ( 21 ) t = 焉= 居 旺z ， 式中：吃一纵波速度( 州s ) ：k 一横波速度( m ，s ) ：e 一介质弹性模量( 心a ) ：g c h e n g d u 2 0 0 2 1 0 群南交遥夫学醑究生论文第9 磊 一剪切摸爨( k p a ) ；p 一分质密度( k n t m 3 ) ；f 一分质溜枣登比。 在实施强夯时，夯击能量释放于一定范围内，使土体得到不同程度的压密加固。 由予强大的夯击能蠖褥体产生势切压缝程铡起按压，一般地垂以下o 。5 m 范盈内 土体为扰动松弛区，o5 5 。0 m 范阐内为压密加固馘。 如果将地基襁为弹性半空趣倦，夯锤囊虫落下，这是囊势能转化为动裁的一个 过程，在夯击地面的瞬间，动能的一部分以声波的形式向四周扩散，一部分由于 夯锤与土体摩擦耐变成热熊，其余大部分动能则使土体产生自虫振动，弗以压缩 波( 级波) 、剪切波( 横渡) 和瑞剩波( 表面渡) 三种波形在地基内传播。地基一 般为不均匀的层状结构体，土体中的孔隙为承积气二相介质所充填。在夯击地巅 的瞬间，滚在层状地基中从一个弹性介质传播蓟鹦一介质，同时，波能反射回第 一个介质。传播到另一个介质的波能起到了强夯加固的作用，反射回的波能则使 褥辘表土麓松动。 强夯加固填方土层时，冲击型动力荷载在瞬间使土体体积缩小，土体密实，承 载力提高，密于俸颗粒发生穗对位移重新葑 到，体中豹气体被箨崮，经过强 夯处理后，土体达到晟密蜜状态，孔隙体积可以减少6 0 。 2 1 4 卵砾石土地基强夯加固机理 编籀南郊祝豸魏墓是天工填筑瓣郛繇石主，跌主豹结辆来看，卵繇石其有数 粒结构，孔隙大，透水性搬，孔隙水很容易排出的工程特点，在犄载作用下压密 过耩缀抉。因魏，对褪鬏簸鹃羚繇蠢藩富，强务祝理是动力夯蜜( 动力莲密) ， 即强夯产生的冲击犄载使土体中的孔隙体积减小，士体变得密实，从而提高土的 强麓。它豹夯实邃程裁是主中气棒被揍整鹣过程，其交影主要壹主颗粒熬程对谴 移引起，有时浅层块石、卵石可能还伴随有局部的击碎。 默夯毒次数与繁诗夯疑曩、擎纛夯淀堂躺关系魏线亲番，夯凌瓣鬃诗秀淀量麓 夯击次数的增加而增加，每击夯沉擅的大小与单击夯击能有关，即单击夯击能越 蔫，每击夯淀量也裁越大。嚣露还可滏善爨，夯筑瓣累谤鸯嚣量麓增长瓣度夔夯 击次数的增加而逐渐减小。这表明，随着夯击次数的增加，土体结构己逐渐密实， 也靛是说，夯击巍爨弱抟道睫深度懿壤热蠢逐滚城骚。 从夯击次数与夯炕周围士体隆起蠡的关系曲线来看，随着夯击次数的增加，夯 c h e n d ) 1 1 2 ( m1 0 西南交通大学研究生论文第1 0 页 坑周围3 米范围内的地面隆起量也随之增加，距离夯坑越近，隆起量越大。对比 夯击次数与夯坑周围土体隆起量的关系曲线和夯击次数与累计夯沉量关系曲线， 可以看出，夯坑累计夯沉量的衰减幅度远小于夯坑周围土体隆起量衰减幅度，这 反映了夯击能主要消耗于夯锤以下范围内的地基土，地基土变形以深度方向的压 密变形为主。从这一点来看，强夯主要使夯锤锤底下地基土沿深度方向得到了加 固。 场区填方局部存在粘性土，其强夯机理即为动力固结。场区粘性土填方部分添 加了碎石骨料，对这类粘性土夹碎石填土，强夯机理为动力置换。经处理后，添 加的碎石骨料得到了充分的挤密压实，使土的结构强度有了较大的提高。 2 2 强夯控制高填方沉降量的机理研究 本研究结合绵阳南郊机场飞行场地地基处理工程，为保证卵石土高填方区地 基的强度和稳定，对飞行场地特别是高填方区地基上部，采用强夯法以提高填方 及地基的密实度，控制总沉降量。 2 2 1 强夯过程土体变形 土体和其它材料一样，受力后要变形。土体的变形主要来源于以下几个方面： 第一是在接触面压应力的作用下，土颗粒点发生弹性和塑性变形。这种变形导致 土颗粒之间接触面积的增大，土颗粒之间中心到中心的距离缩小，从而使土颗粒 靠得更近。如果接触应力很大，超过土颗粒的极限强度，也有可能局部压碎；第 二是如果有片状颗粒，片状矿物颗粒可能受弯而挠曲，使相邻土颗粒发生相对位 移；第三是作用于土颗粒接触位置的剪应力如果超过接触面上的抗剪强度，颗粒 之间将发生滑动。此外，除剪切变形外，还有可能体积缩小；第四是结合水膜在 接触应力下发生变形，使土颗粒之问的距离发生变化；最后是由于粘土矿物的不 稳定结构受剪切后发生改变，使土的孔隙减少。 粘性土地基的沉降s ( 图2 4 、图2 5 ) 可以认为是由产生机理不同的三部分组 成，即： s = s a + s ? + s 。 ( 2 3 ) c h e n e d u 2 0 0 2 1 0 匿南交通太学研究生论文第1 l 更 式中，& 一瞬时沉降( 韧始沉降) ；5 ，一圃结沉降；s ，一次固结沉降( 蠕变沉降) 。 瞬时沉降鼷指加载后地基瓣时发生的沉降。由于然础加载面积为有限尺寸， 煳载后地基中会有剪应变产生，特别是在靠近基础边缀瘟力集中部位。对于魄和 或接近饱和的粘性土，加载瞬间土中永来不及箱 除，在不摊水和恒体积r 隋况下， 剪应变弓| 起侧向变形丽造成孵时沉降。 固结沉降怒指饱和与接近饱和的精性土在基础荷载作用下，随着麓张陈水医 力的消散，土体骨架产生变形造成的沉降。固结沉降的速率取决于孔隙水的排比 速率。 f 强2 4 箨疆媳基羲承繇示意强 次网结沉降是指在主涸结过程结束后，在膂效应力不变的情况下，土体骨架仍 耱对阕继续发生交形。这种交影静速率已经与魏羰东撵出懿速率无关，嚣是取决予 土体骨架本身的蠕变性臆。次固结沉降既包括剪应变，也包括体积变化。 号塑匝口卫豇旺匝：n i |。一一一一一一一一一一一一”一一一一一世 鞋彗 蹬 蔼 饱和轼粘土 型 l i 嘲2 5 犬面积填土菏载时地基的沉降 c h e n u d u 2 0 0 2 ，1 0 西南交通大学研究生论文第1 2 砸 ( 1 ) 麟对沉降 瓣辩沉簿瓣诗算一般采臻撵往瑾涂，定义为在半无陵壹线变形俸裘嚣俸弼一 竖向集中力p 时，土体中任意点m ( x ，y ，z ) 处产生的竖向位移u ( x ，m z ) ， 当z = 0 露，主俸表錾静登淘位移( 舄y ，z ) 裁是戆基表蟊瓣瓣对滋箨篷& ： s d ：掰 弛o ) ：掣 s 。，故此式中的船不宜用单向压缩试验结果，其值 测定需在三轴仪中进行。为能利用单向压缩试验结果，可以用单向压缩系数删。取 代杨氏模量e ，得： 铲嵩卜击等卜 ：， 强夯过程罴往土俸遮至l 超匿结酶过程，经过冲击蔫载静作露，强夯瓣工完藏嚣， 土体达剿超固结状态，其固结沉降已完成，可以认为填方体的阉结沉降量为零。 ( 3 ) 淡圈结沉降 耄予体在超孔隙求筮力全部漕敖、主固络过程已经结束之后，还会由于土体 骨架本身的蠕交特性，在基础荷载作用下长时间缓慢沉降，这部分沉降就称为次 懑结沉鼯。该部分沉降可以采慰流变学理论或其它力学模型进行计算，在生产实 际中主臻采用半经验的方法估辫土层的次固结沉降。麓机理鼹粘土颗粒骨架程持 续荷载下重新调整，缓馒的蠕焚便导致了次固络沉降的产生。这部分沉降般较 小，且历时很长，据研究，次网结沉降在总沉降中所占比例一般都小予1 0 ( 按 5 0 年计) 。 实践研究表明，次潮结沉降s ，与时间的对数接近于直线，其计算式为： 西南交通大学研究生论文第1 6 页 耻再a l l 啪 旺 式中：a l l 为粘土层厚度；e o 为与粘土体自重应力荷载盯：。相应的初始孔隙比；c a 为次固结系数，也即e 一1 9 f 压缩曲线在主固结完成后直线段的斜率 c 。= 一a e l g ( t t , ) ，一般通过e = 0 0 0 0 1 8 w ( s i m o n s , 1 9 7 5 ) 计算，其中w 为粘土 的天然含水量；f 为相当于主固结达1 0 0 的时问。 前已叙及，强夯过程是使土体达到超固结状态，通过冲击荷载的作用，待强夯 施工完成后，土体不但完成了固结沉降，而且次固结沉降也已基本完成，可认为 次固结沉降量为零。 2 2 2 强夯结合碾压对沉降量的控制 一般粘性土的特性是天然含水量大，天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数高、 渗透性小。在外荷的作用下地基承载力低，地基变形大，不均匀变形也大，且变 形稳定经历的时间长，在比较厚的粘性土层上，建筑物基础的沉降往往持续数年 乃至数十年。 绵阳南郊机场工程的填方高度达到2 5 米，如何控制高填方的沉降是关键的难 题。所以，为了加速填方层的固结压密，缩短预压加固的时间，采用强夯结合碾 压填方层，可以大大缩短填方层达到最终控制沉降量的时间。 已有的强夯理论都假设强夯加固过程是一个等温过程，即没有将其作为一个热 力学问题加以考虑。实际上，在夯击过程中由于夯锤对地基土表面接触时间极短， 由于这种短暂而又巨大的接触应力所产生的热量，在短时间内无法通过热传导而 散失，从而会在一定范围内产生绝热升温的现象。根据绵阳南郊机场高填方地基 强夯设计，其实际夯击的能级较高，最高达到4 0 0 0 k n m ，在这种高压环境中的 骤然升温会对地基土这一典型的三相介质产生不同程度的相变，包括孔隙水的蒸 发、结合水的析出、粘土矿物的晶格重新排列等，宏观上体现出力学性质的改变； 另一方面，由于这种极大的接触应力在某种程度上存在一定的间断特性，地基土 c h e m e j ) u 2 0 0 2 1 0 西南交通大学研究生论文第1 7 页 会在极短的时间内产生很高的应变率。此时，在考虑应变强化的同时，土体的应 变率效应更为突出，且随冲击荷载的迸一步增加，土体强度效应将居次要位置， 而锤底地基土近似处于可压缩流体状态。 综上所述，为了加速填方层的固结压密，缩短预压加固的时间，采用了强夯结 合碾压方法，碾压旖工是一个填土层预压过程，其可以消除土层的部分沉降：而 强夯过程是使土体达到超固结状态，在冲击荷载作用下，土体的固结沉降完成， 可以认为填方体的固结沉降量为零，强夯施工完成后，通过冲击荷载的作用，次 固结过程也大致完成，可以认为次固结沉降量为零，从而就大大缩短了填方层达 到最终控制沉降量的时问。 ( 1 ) 强夯过程中土体的加速沉降 由于绵阳南郊机场地基高填方采用的土石材料是非饱和土，因而这里主要分析 强夯施工时非饱和土的加速沉降。 当重锤自由落下时，其势能转化为动能，在夯击土体表面的瞬间，动能一部分 以声波的形式向四周扩散，一部分由于重锤与土体摩擦而产生热能，其余大部分 动能使土体产生自由振动，并以波的形式在地基内传播。由于填方土体为不均匀 介质，土体中的孔隙为空气、水或其它液体充填。冲击型动力荷载在膊间使土体 中孔隙缩小，气相被排出土体，土体密实度提高，承载力提高。同时，瞬间的动 能，尤其是高能级的强夯施工，使得填方土体的颗粒重新排列。此过程中，土体 的有效应力变化十分显著，且主要是垂直应力的变化。由于垂直总应力保持不变， 在强夯的瞬间发生有效的压缩沉降。当夯击反复进行时，土颗粒相互靠拢，发 生相对位移，进一步挤密，土颗粒由紊乱状态进入稳定状态，孔隙大小也达到比 较均匀的程度，密实度进一步提高。在此过程中，随着密实度的提高，不均匀沉 降会消除，强夯使得土体密实到稳定状态时，填方土体受到水的作用时密实度也 不会发生深层的改变，土体水稳性变好。 ( 2 ) 分层碾压的物理过程 采用碾压设备对填方土层进行压实时，在压实机械的短时荷载或振动荷载作用 下，将产生几种不同的物理过程。土体通常包括两个部分，一是由单个土颗粒粘 聚在一起形成的大小团块，另一部分是单个土颗粒。在粘性大的土中，往往主要 c h e n g d u 2 0 0 21 0 鞭南交通大学醑究生论文篇1 8 夏 麓大夸不一熬块。羲诧，羧黯这释壤方主层遴雩亍碾压辩，产生鹚兹毽瑰蒙有： 使大小土块重新排列和相甄靠近： 键攀令鬏粒重囊羲 列帮耪互靠近； 使土块内部的土颗粒重新排列和相互靠近； 绥小鞭粒遴入大鬏粒瓣孔躲中。 产生这些物理过程的结果是增加了单位体积内固体颗粒的数量，从而减少孔隙 攀。俸在单位髂积悫通磐包括潮体颞载、东帮空气三部分，在鼗三提体系中， 水和单个士颗粒在通常的工作荷载作用下被认为魑不可隧缩的。阁此，器使单位 体积内的蹰体颓粒增加，只有采取措藏镁土传内蛇空气积水排出、土颗粒重薪移 动产生更加稳定结构，采用机械碾压就是为了达剿这个目的。对于粘性绷粒土的 压实，仅仅是从魏隙中将空气挤燃来，藤一般碾压机械的短时荷载是不熊将粘性 土中的水拼出来的。碾压得越密实，单位体积内的圆体颗粒越多，空气懑少。这 些三相体的密实过程可以一直进行到几乎掩中的空气全部被排挤出。因此，在 菜一含水量时，土的理论最大密实度就是令土中的空气含量为零，便士伟接近子 两相体，怛实际不可能通过碾压完全排除土体中的空气。 在砂土酶碾压过程孛，砂土颗粒组成静均匀翟麇对麓达到酶密突度起着缀重要 的作用。瓣砂土颗粒大小不均，较易压实；反之，则不易压密。幽等粒径颗粒组 或翁均匀砂豹密实度与砂粒静彤狡、螽 歹| j 位置鸯关，若很定等鞭径的砂粒都凳 球状颗粒，此时就只有2 6 的孔隙度。 ( 3 ) 碾援密实与士体强痿的关系 不同含球量条件下，土试样的于密度帮强度是不同的，摄据统计回归分叛，可 以得到粘 生土变形模量e 与其含水霪m 、干密度pd 之问的回归关系为： e 1 2 】培掰+ 8 5 p # + 8 2 ( m p a ) ( 21 4 ) 实践表明，上式中土的含水量可以用相对含水爆或土的稠度表示。与此同时的 试验诞黉，匿实对簇方主鬃筋强凌影嫡缀大，特弱蔗在实鞭逮基魏工中，碾压；童 两遍的地基上，承载板试验测得其变形模羹为6 37 m p a ，在碾压过五遍的地基上， 交影搂量哥鞋达到8 2 3 m p a 。 c h e n g d a 2 0 0 21 0 西南交通大学研究生论文 第1 9 页 ( 4 ) 夯击能的传递特征 前已述及，半空间表面上竖向夯击能传递给土体的能量是由压缩波( p 波) 、 剪切波( s 波) 和瑞利波( r 波) 联合传递的。体波( 压缩波与剪切波) 沿着一个 半球波阵面径向向地基深处传播，而瑞利波则沿着一个圆柱波阵面径向向地基深 处传播。 压缩波的质点运动属于平行波阵面的一种推拉运动，这种波使孔隙水压力增 大，同时使土颗粒错位；剪切波的质点运动引起和波阵面方向正交的横向位移； 而瑞利波的质点运动则是由水平和竖向分量所组成。剪切波和瑞利波的水平分量 使土颗粒间受剪切，导致土体得到密实。 对于均质各向同性弹性半空间表面上竖向振动的均布圆形振源，根据理论计 算，三种弹性波占输入总能量的百分比分别为：瑞利波6 7 ，剪切波2 6 ，压缩 波7 。由于瑞利波占了来自竖向振动的总输入能量的2 ，3 ，以及瑞利波随距离的 增加而衰减要比体波慢得多的这些事实，所以对位于或接近地面的地基土，瑞利 波的竖向分量起松动的作用。 ( 5 ) 孔隙水压力 饱和土中的孔隙水在强夯加固过程中起着很重要的作用。理论研究表明，强夯 作用下土体颗粒之间的孔隙水压缩使得应力传递给孔隙水，当孔隙水压力达到上 覆土体的重量时，颗粒之间的支撑力降为零，土体强度降低，土体中的总应力全 部由孔隙水承担。一般情况下，夯击时的孔隙水压力有以下特征： 孔隙水压力的最大值出现在夯击时刻，每次夯击后迅速减小； 孔隙水压力的最大值并不随夯击次数的增多而增加，说明两次夯击之间的 孔隙水压力叠加很少； 超静孔隙水压力的分布在夯锤下一个椭球形范围内，距离夯击点越近，孔 隙水压力越大。 根据饱和砂土试样在各向等压力固结及不排水条件下所进行周期加荷的三轴 试验结果，可以得到孔隙水压力比随加荷周数比增长的关系曲线都分布在一狭长 的范围内，由此可得至f f f l 隙水压力的表达式为： 驴孚+ 孚酊1 2 ( 争址l 】 ( 3 1 5 ) 5 ，仃 一 ，+ c h e n 2 d u 2 0 0 21 0 褥南交通大学 i 究生论文 第2 0 页 式中：d i 。一翻淘有效潮缩压力；努一溺潮蕊蔫蠲数；甄达曩滚纯时静瘸数；群 一试验常数。 如若将上式推广到各向不等篷固结的情况，可以修改为 驴孚e 豳蠢。贷秘- l j 疆 式巾：n 5 。一魏歉零压力这裂o 。5 玎二隧懿麓莓爰数；a 一与主懿