（岩土工程专业论文）强夯置换碎石墩复合地基设计理论及其在工程上的应用与研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：强夯置换碎石墩复合地基是在强夯法和复合地基理论基础之上发展起 来的，具有施工工艺简单、经济方便，并同时具有强夯置换和排水固结加固软弱 地基的特点，因此，强夯置换碎石墩复合地基在加固软弱地基中得到了广泛运用。 本文深入分析了强夯置换碎石墩的加固机理，同时对有效加固深度、夯击能、 夯击次数与遍数、间隔时间、夯点间距等设计计算参数的选择进行了分析研究和 补充完善。 在此基础上，结合自身参与设计的武汉黄鹤路项目以及其它众多强夯置换碎 石墩复合地基工程实例，本文主体内容是对强夯置换碎石墩复合地基的置换率公 式进行了修正，由于是散体结构，受到锤击时，墩体有明显的鼓出效应，因此， 原始的面积比来表示置换率已经不再准确。本文原创性的改为由墩体与土体体积 比来确定，即m = 圪y 。参照大量工程实例，用体积比表示的置换率也可在原始 面积比置换率的公式基础上添加修正系数表示为m = 口彳。a ，口= 1 5 1 9 ，而我们 在工程设计时可适当缩小墩体直径，转换关系式为d = , a d ，p = 0 7 0 - 0 8 5 ，最终 可以达到同样的置换率，得到相同的沉降量，满足设计要求而不造成材料的浪费。 经过大量模型对比和有限元计算验证了该论断的正确性。本文的这一研究对工程 有着直接的经济意义和重要价值，可在很大程度上降低的工程成本与造价。 最后本文在总结目前大量强夯置换碎石墩复合地基工程实践的基础上，并结 合武汉黄鹤路工程实例，对强夯置换碎石墩复合地基在武汉项目上的施工过程与 夯后质量检测方法进行了全面和系统的介绍和说明。 关键词：强夯置换；复合地基；置换率；碎石墩；加固机理；质量检测 分类号：t u 4 7 2 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：d y n a m i c a l l yf o r m e ds t o n ec o l u m nc o m p o u n df o u n d a t i o ni s d e v e l o p e do nt h e o r yb a s i so fd y n a m i cc o m p a c t i o na n dc o m p o s i t ef o u n d a t i o n b o t ht h e a d v a n t a g e so fs t o n ec o l u m n sa n dd y n a m i cc o m p a c t i o nw e r ei n h e r i t e db yd y n a m i c a l l y f o r m e ds t o n ec o l u m nc o m p o u n df o u n d a t i o n i t sc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi ss i m p l ea n d c o n v e n i e n t ，w i t hc h a r a c t e r i s t i c so f b o t hd y n a m i cr e p l a c e m e n ta n dd r a i n a g ec o n s o l i d a t i o n a tt h es a m et i m e s od y n a m i c a l l yf o r m e ds t o n ec o l u m nc o m p o u n df o u n d a t i o ni sw i d e l y u s e di nw e a ks o i lt r e a t m e n t b a s e do n ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n das u m m a r yo ft h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no f d y n a m i cc o m p a c t i o nt e c h n o l o g y , t h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fw e a ks o i l sa n dt h e r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s ma l ea n a l y z e di n d e p t h r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s ma n dt h e s e d e s i g np a r a m e t e r so fe f f e c t i v er e i n f o r c e dd e p t h ，c o m p a c t i o ne n e r g y , t i m e sn u m b e r , i n t e r v a l ，p o i n ts p a c i n ga r ea n a l y z e d o nt h e s eb a s i sa n dc o m b i n e dw i t ht h eh u a n h er o a dp r o j e c ti nw u h a na n do t h e r m a n ye x a m p l e s o f d y n a m i c a l l yf o r m e ds t o n ec o l u m nc o m p o u n df o u n d a t i o n ，r e p l a c e m e n t r a t ef o r m u l ao fd y n a m i c a l l yf o r m e ds t o n ec o l u m nc o m p o u n df o u n d a t i o ni sm o d i f i e di n t h i sp a p e r t h ec o l u m nh a sa ne f f e c to f b u l g ew h e nh a m m e r e da sar e s u l to fg r a n u l a r s t r u c t u r e s ot h ep r i m a r yr e p l a c e m e n tr a t ei sn o tp r e c i s e n o ww ec a r le x p r e s si tl i k et h i s ： m = 矿a n di tc a nb eh e t e r m i n e db ya d d e dac o r r e c t i o nf a c t o r ：m = k 么p a w ec a n r e d u c et h ed i a m e t e rw h e nw ed e s i g nl i k e ：d = p d 。p = 0 7 0 0 8 5 i tc a na l s oa t t a i nt h e s a m er e p l a c e m e n tr a t i o ，a n dh a v en ow a s t e t h r o u g ht h ev o l u m er a t i oo fc o l u m na n ds o i l r a t h e rt h a nt h r o u g hm o d e lc o m p a r i s o na n dc a l c u l a t i o n b yf e mo fm i d a s t h er e s e a r c h i n t h i sp a p e ri so fd i r e c te n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c ea n dp r o j e c tc o s tc a l lb er e d u c e dt oa l a r g ee x t e n t a tl a s t , c o m b i n e dw i t ht h eh u a n h er o a dp r o j e c te x a m p l et h ea u t h o rp a r t i c i p a t e di n w u h a na n db a s e do nt h es u m m a r i e so fs om a n y e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ， a c o m p r e h e n s i v e i n t r o d u c t i o na n das y s t e m a t i cd e s c r i p t i o no ft h ec o n s t r u c t i o na n ds u b s e q u e n tq u a l i t y m o n i t o rp r o g r a mo fd y n a m i c a l l yf o r m e ds t o n ec o l u m nc o m p o u n df o u n d a t i o na r e c o n d u c t e d i ti ss h o w e dag r o u n dt r e a t m e n tp r o g r a mo fg o o de f f e c ta n dr a t i o n a l l y e c o n o m yt h r o u g hp r a c t i c e k e y w o r d s ：d y n a m i cr e p l a c e m e n t ；c o m p o s i t e f o u n d a t i o n ；r e p l a c e m e n t r a t i o ；s t o n e 。p i e r s ； c o n s o l i d a t i o nm e c h a n i c s ；q u a l i t yi n s p e c t i o n v n 北京交通大学硕士学位论文 c l a s s n 0 ：t u 4 7 2 独创性卢明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 一躲舢吵嗍叫儿 7 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名：7 曩 一期：刁年7 月7 日 多 加朋 轹 ，年 姑丫 名 阳 储 吵 文 期 沦 日 位 字 爹 窿 致谢 本论文的工作是在我的导师侯永峰教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、 分析到定稿的整个过程，无不倾注了侯老师的心血和汗水。在学业上，侯老师的 精湛的学术修养、广博的学识、严谨的治学态度为我找到了一个良好的研究方向， 帮助我解决了前进道路上的一个又一个难题。在生活上侯老师同样给予了我莫大 的关心与帮助。导师的谆谆教诲使我在人生道路上受益匪浅。在此，谨向尊敬的 我的导师表达最由衷的感谢和最忠心的祝福! 作为与实习基地联合培养的硕士研究生，北京城建设计研究总院见证了我的 成长和进步，在指导老师刘刚高级工程师的帮助和指导下，我对专业知识的认识 更加系统，更加深入，对于我的论文，刘老师更是倾注了大量心血，论文题目直 接来源于刘老师负责的设计项目，极大的方便了论文的撰写，再次向尊敬的刘老 师献上深深的感谢! 张鸿儒老师、刘建坤老师、曾巧玲老师、陈立宏老师、崔江余老师等几位老 师在专业知识上对我进行谆谆教诲，并在生活上提供热心帮助。在北京城建设计 研究总院实习及撰写论文期间，总院冯爱军副总工程师，市政院刘立院长，道路 所莫仁冬所长等人对我的论文给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情， 祝愿他们前程似锦，好人一生平安! 最后深深地感谢我的家人：时刻关注我的父母，姐姐，哥哥，正是由于他们 的不断支持，才使我可以顺利完成我的学业，衷心祝愿他们永远健康幸福! 绪论 1 绪论 1 1 复合地基概述 复合地基( c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 的概念是在2 0 世纪6 0 年代初期由国外首先提 出的，当时仅仅是指一种砂型地基的数学计算模型。随着软基处理技术和复合地 基理论的不断发展，近年来，复合地基加固地基处理技术在全世界及我国都得到 了广泛的应用。复合地基是指天然地基土在地基加固过程中部分地基土体得到增 强或者被置换，或在天然地基土体中设置加筋材料，加固区由基体( 天然地基或 被改良的天然地基) 和增强体两部分来组成的人工地基【l 】。荷载作用下，基体和增 强体共同来承担荷载作用。根据加固地基中增强体的方向不同可分为：水平向增 强体复合地基和竖向增强体复合地基，如图1 一l 所示。 竖向增强体习惯上称为桩，竖向增强体复合地基通常也被称为桩体复合地基。 桩体复合地基根据竖向增强体的性质又可分为三类：散体材料桩复合地基、柔性桩 复合地基和刚性桩复合地基。水平向增强体复合地基主要包括由各种加筋材料，如 土工聚合物、金属材料格栅等形成的复合地基【2 】【3 1 。 近年来复合地基技术的推广应用产生了良好的社会效益和经济效益。 i 散体桩复合地基( 砂桩、碎石桩、 i 矿渣桩) 厂i i竖向增强体 柔性桩复合地基( 石灰桩、水泥土 l 复合地基 l 桩、低强度混凝土桩) ii 广义复合地基i 刚体桩复合地基( 混凝土疏桩、小 l水平向增强l 桩复合地基、c f g 桩) i体复合地基 ( 图l l复合地基的分类 复合地基中增强体方向不同，则复合地基性状不同。桩体复合地基中，桩体 是由散体材料组成，还是由粘结材料组成，以及粘结材料桩的刚度大小，都将影 响复合地基荷载传递性状。根据复合地基工作机理可作下述分类： 若不考虑水平向增强体复合地基，则竖向增强体复合地基可称为桩体复合地 基或简称为复合地基。 桩体复合地基有两个基本特点： ( 1 ) 加固区是由基体和增强体两部分组成的，是非均质的，各向异性的； 北京交通人学硕士学位论文 ( 2 ) 在荷载作用下，基体和增强体共同直接承担荷载的作用【4 1 。 1 2 复合地基理论的研究现状及发展趋势 当天然地基不能满足建( 构) 筑物对地基的要求时，需要进行地基处理形成 人工地基，以满足建( 构) 筑物对地基的要求，保证建( 构) 筑物的安全与正常 使用。地基处理方法很多，按地基处理的加固原理分类，主要有下述六大类：置 换，排水固结，振密、挤密，灌入固化物，加筋以及冷、热处理等【5 。 虽然复合地基理论到现在有四十多年的历史，各类复合地基加固技术在土木 工程中得到了越来越广泛的应用，复合地基的种类越来越多，施工工艺也越来越 完善。但是无论是学术界，还是工程界对于复合地基的理论及设计原理至今尚无 比较统一的认识，理论和设计研究工作也很不完善。现在图内外主要是针对于复 合地基的承载力计算、沉降计算等等一些方面来开展研究。 1 2 1复合地基承载力计算 桩体复合地基承载力的计算思路通常是先确定桩体的承载力和桩间土的承载 力，然后根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力。复合地基的 极限承载力只可表示为 乞= k l 丑m 乞+ k 2 五( 卜朋) 岛 ( 1 一1 ) 式中，只，为单桩极限承载力，k p a ； 尸，为天然地基极限承载力，k p a ； k l 为反映复合地基中桩体实际极限承载力与单桩极限承载力不 同的修正系数； 反为反映复合地基中桩问土实际极限承载力与天然地基极限承 载力不同的修i f 系数； 丑为复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例，称为桩体极 限强度发挥度； 丑为复合地基破坏时，桩| h j 土发挥其极限强度的比例，称为桩间 土极限强度发挥度； m 为复合地基置换率，m = a e 么，其中彳。为桩体面积，彳为对应 的加固面积。 复合地基的容许承载力n ，计算式为 名= 乞k ( 1 2 ) 绪论 式中，k 为安全系数。 当复合地基加固区下卧层为软弱土层时，按复合地基加固区容许承载力计算基 础的底面尺寸后，尚需对下卧层承载力进行验算6 j 【7 】【8 1 。 式( 1 一1 ) 中，天然地基的极限承载力和桩体极限承载力可通过现场试验确定。 如无试验资料，对刚性桩和柔性桩的桩体极限承载力可采用类似摩擦桩的极限承 载力计算式估算。散体材料桩桩体的极限承载力主要取决于桩侧土体所能提供的 最大侧限力。散体材料桩在荷载作用下，桩体发生鼓胀，桩周土进入塑性状态，可 通过计算桩问土侧向极限应力计算单桩极限承载力。散体材料桩极限承载力一般 表达式可表示为 乞= t r 。, k j p ( 1 _ 3 ) 式中，盯。为桩侧土体所能提供的最大侧限力，k p a ； k 。为桩体材料的被动上压力系数。 计算桩侧土体所能提供的最大侧向极限力常用方法有b r a u n s ( 1 9 7 8 ) 计算式， 圆筒形孑l 扩张理论计算式以及被动土压力法等【9 1 。 1 2 2 复合地基沉降计算 在各类实用计算方法中，通常把复合地基沉降量分为荫部分，复合地基加固区 压缩量和下卧层压缩型10 1 ，如下图l _ 2 所示。 荷裁 加固区下卧层 z 图1 _ 2复合地基沉降不意图 上图中复合地基加固区的压缩量记为墨，地基压缩层厚度内加固区下卧层压 缩量记为s 2 ，h 为复合地基加固区厚度，z 为荷载作用下地基压缩层厚度。于是， 在荷载作用下复合地基的总沉降量s 可表示为这两部分之和，即： s = 墨+ s 2 ( 1 一) 若复合地基设置有垫层，通常认为挚层压缩量很小，且在施工过程中也基本 完成，故可忽略不计。 至今提出的复合地基沉降实用计算方法中，对下卧层压缩量墨大都采用分层 3 l 基 ， 上一区 ， ； 固 上 勖 二1 基卜一地 u 合 丈 u 复 u呲 一 儿 | | r ； 一s ： 一。l s h 北京交通人学硕士学位论文 总和法计算，而对加固区范围内土层的压缩量s 则针对各类复合地基的特点采用 一种或几种计算方法计算。常用的计算方法主要有下述三种：复合模量法( e 法) 、 应力修正法( e 法) 和桩身压缩量法( e 。法) 。三种方法中复合模量法应用较多【i 。 复合地基的沉降计算也可采用有限单元法。在几何模型处理上大致上可以分 为两类：一类在单元划分上把单元分为增强体单元和土体单元两类，增强体单元如 桩体单元、土工织物单元等，并根据需要在增强体单元和土体单元之间设置或不 设置界面单元；另一类是在单元划分上把单元分为加固区复合土体单元和非加固 区土体单元两类，复合土体单元采用复合体材料参数。 1 2 3 复合地基发展趋势 复合地基与浅基础和桩基础己成为土木工程建设中常用的三种基础形式。复 合地基的优势是能够充分利用天然地基和增强体两者的潜能，很大程度上提高了 地基的承载力，具有良好的经济性和可操作性。展望复合地基加固技术的发展，复 合地基计算理论、复合地基加固形式、复合地基的施工工艺以及复合地基的质量 检测等方面都有很多工作需要做。复合地基的发展需要更多的工程经验的积累，需 要理论和工程实际上的不断完善和配合。 未来的复合地基设计理论可以在以下几个方面予以重视：各类复合地基载 荷作用及传递规律；各类复合地基承载力和沉降计算方法及计算参数的研究； 复合地基检测新技术：复合地基施工新工艺新方法等。 1 3 强夯置换加固技术研究现状 1 3 1强夯置换碎石墩复合地基概述 强夯置换碎石墩复合地基是指利用强夯的方法将地基土挤密或排丌，将块石、 碎石、砂砾或其他质地较坚硬的散体材料，采用多次填入和夯击，最终形成密实 的柱状砂石墩，这种墩托状散体复合地基同样具备两个基本特点：加固区是由基 体( 墩问土) 和增强体( 砂石墩) 两部分组成的，是非均质和各向异性的；在荷 载作用下，由基体和增强体共同承担荷载的作用【1 2 1 。 强夯置换碎石墩复合地基是由强夯置换法造就的，强夯置换法是近年来以强 夯加固法发展起来的一种新的地基处理方法，它主要适用于软弱粘性土地基的加 固。按强夯旨换方式的不同，强夯置换法又可分为墩柱式置换和整体式置换两种 不同形式。 4 绪论 强夯置换碎石墩复合地基属墩柱式置换的形式，它是利用强夯过程中夯成的 夯坑作为墩孔，向坑中不断按需要充填各种散体材料并夯实，使夯填料形成一个 直径约2 m ，深度达3 - - 一6 m 的散体材料墩，与周闸土体共同组成复合地基。由于砂 石等散体材料墩的加筋作用，地基中应力向墩体集中，墩体分担了大部分基底传 下来的荷载；同时砂石材料墩的存在也使得土体中由强夯引起的超孔隙水压力得 以迅速消散，使土体得到固结，土体抗剪强度不断提高，造成对墩体的约束不断 增强，从而使复合地基的承载力不断提高。墩柱式置换法既具备散体材料墩的加 筋、挤密、置换、排水特征，又具有强夯加固动力固结效应，因而可大幅度提高 地基承载力，减小地基变形。与强夯相比，能更广泛地适用于塑性指数较高的高 含水量软粘土【1 3 j 【l 引。 1 3 2强夯置换加固技术研究现状 强夯法地基加固处理技术，是在重锤夯实基础上发展起来的一种地基处理方 法。到6 0 年代末期，强夯法由法国工程师路易斯梅纳( l o u i sm e n a r d ) 率先使用。 开始时仅用于处理砂土和碎石土地基，后来由于施工方法的改进和排水条件的改 善，逐步应用到了细粒土地基。强夯法由于具有加固效果好、适用土类广、设备 简单、施工方便、节省劳力、施工期短、节约材料、施工文明和施工费用低等优 点，很快就传播到世界各地。1 9 7 5 年我国丌始介绍和引进强夯技术，1 9 7 8 年底开 始在工程试用，并分别在天津、河北、山西等地进行了试验研究，取得了较好的 效果，后来很快在全国各地推广开来。据不完全统计，迄今全国已有十几个省市在 数百项工程采用了这一加固方法【l 5 。 8 0 年代中期，我国采用强夯法处理填海地基获得成功，并在沿海地区进行了 推广应用，取得了较好的经济效益和社会效益。值得一提的是，近几年来中国民航 机场建设工程公司在机场建设中，包括深圳、福州、海口、浦东和杭州等国际机场 广泛采用此法【l6 1 在最近几届全国性的地基处理学术会议上，强夯法均被列为交流 的重点之一目前，应用强夯法处理地基的范围包括工业与民用建筑、仓库、油罐、 储仓、公路、铁路路基，机场飞机跑道、港口码头及护岸工程等。 我国强夯法工程应用经历了以下几个发展阶段【1 7 】 i s l 1 9 】： 第一阶段，自引进到8 0 年代初，约8 年，本阶段工程应用的强夯能级比较小， 一般仅为10 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，8 0 年代初到9 0 年代初，约l o 年。本阶段，兴建国家重点工程山 西化肥厂，为了消除黄土地基的湿陷性，国家化工部组织开发了6 2 5 0 k n m 能级强 夯，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 5 北京交通人学硕+ 学位论文 夯技术同臻完善。 第三阶段，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 0 k 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 0 k n m 能级强夯，经检测，1 0 0 0 0 k 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。目前强夯工程最高应用能级己经 达到1 0 0 0 0 k n m 。为了更进一步扩大强夯的应用范围，在强夯技术的基础上，还 形成了强夯置换和柱锤冲扩等新技术。 强夯法适用于处理碎石土、砂土、粉土、粘性土、杂填土和素填土等地基。 工程实践证明，用强夯法来加固软土地基效果不明显，有时反而降低强度，虽然 也曾采取过打设砂井或袋装砂井等辅助措施来解决排水，从而迅速消除超孔隙水 压力的问题，但是效果不佳，于是建立和发展了强夯置换法。强夯置换法不是利 用强夯来加密软土，而是利用强夯作为置换软土的手段，即利用强夯排开软土， 夯入石料和砂料，形成石墩和砂墩，墩体与墩间土形成了复合地基【2 0 】【2 。对于饱 和粘性土来说，强夯置换法的主要作用是置换作用，其次是排水作用。它是强夯 法的延续和发展，扩大了强夯法的使用范围和作用影响。经强夯置换法处理的地 基，既提高了地基的强度，又改善了排水条件，有利于软土的固结【2 2 】【2 3 1 。 强夯置换复合地基应用技术的发展过程中，实践应用领先于理论完善，许多 工程问题的最后解决大多都是依赖于现场实验，通过不断分析不断完善来逐步提 高强夯置换复合地基的设计理沦水平。现阶段，强夯置换法还有许多诸如单墩和 群墩承载力和沉降计算以及之间的相互影响关系；不同地质条件下，单体置换和 整体置换设计参数选取及施工方法有什么差异等等未能深入解决的技术问题，这 些都需要我们以后不断研究。 1 4 本文研究的主要内容和意义 本文研究的目的足通过分析和探讨强夯加固机理，了解强夯置换加固地基土 的原理，以强夯置换设计与施工时的各项参数，并结合武汉火车站的工程实际加 以应用与验证，并通过夯后的检测试验来检测强夯置换的工程效果，通过现场数 据对复合地基置换率公式进行了修j f ，并通过有限元计算对各种模型进行了系统 分析，证明新公式及结论的诈确性。置换率公式修正后可大大降低j i = 程材料用量， 并最大限度的实现材料的价值，降低工程的造价，这一修正具有很大的理沦与工 程实际意义。 6 绪论 本文研究的主要内容有： ( 1 ) 结合国内外已有研究成果，对强夯置换加固地基土的作用机理进行进一步 的研究，详细分析强夯设计的方法和步骤，系统研究强夯加固设计的各项参数， 其中包含：有效加固深度、夯击能、夯击次数与遍数、间隔时间、夯点间距等等， 补充和完善了各项参数的设计方法，并将较完善的设计理论和设计方法在实际工 程中加以应用。 ( 2 ) 由于置换率在复合地基承载力、沉降等诸多计算中的重要作用，结合自身 参与的武汉火车站站区黄鹤路项目和参考大量工程实例，本文对置换率公式进行 修正，提出用体积比来表示置换率，并且给出此公式与现行的面积比置换率公式 的转换关系，以及对保证相同的体积置换率情况下的设计墩径进行对比计算，通 过大量模型对比以及有限元计算验证了本公式及论断的j 下确性。 ( 3 ) 分析己有强夯质量检测方法，对武汉火车站黄鹤路强夯置换加固地基运用 多种检测方法来分析与评价强夯后的效果。 7 北京交通人学硕十学位论文 2 强夯置换碎石墩复合地基加固机理及设计参数选择 2 1 引言 强夯置换法具有强夯法的各种优点，又具有自身的特点，例如用强夯法来加 固饱和软粘土起不到加固作用甚至有相反的效果，而强夯置换法却能达到很好的 加固作用，因此强夯置换复合地基应用更为广泛，效果更佳。现在，强夯置换复 合地基已经有目的地运用在各种地基处理工程中，积累了丰富的经验，配备了各 种用于强夯的机械没备，并且巧妙的利用强夯置换法解决了难度较大的工程问题。 但是，强夯置换法至今还没有一套成熟的设计理论和计算方法，在具体工作 中主要通过现场试验取得设计参数，并且在实际工作中视具体情况进行修正和补 充，因此这种工法还需要在今后实践中总结和提高。 2 2 强夯置换碎石墩复合地基的加固机理 2 2 1 作用原理 强夯置换碎石墩复合地基是采用强夯置换法实施的。但是强夯置换法和普通 的强夯法的作用原理是不尽相同的。强夯法主要通过巨火的夯击能直接来改造地 基土的性质，使其满足上部建筑对地基的要求。而强夯置换法主要是通过高夯击 能将铺于地表的块石、碎石、粗砂、矿渣等质地较好的散体材料，以点夯的方式 不断夯入土中，在夯坑中采用多次填入和重复夯击，直到砂石穿过软土层到达下 部持力层，使其成为密实的砂石墩柱体，而后在墩体顶部设置一层由强夯夯实的 砂石挚层，使上部荷载通过砂石墩作用传到持力层上。( 有时软士层较厚也可不穿 透软土层，成为悬浮式) 由砂石垫层、砂石墩体和下部持力层组成了空间受力系 统。强夯置换法的主要作用足置换作用，其次是排水冈结和振动挤密作用。根据 地基土性质的不同，作用也不相同。对于饱和粘性土来说主要是置换加筋作用和 排水固结作用。对于非饱和土，有时由于承载力、变形或抗液化能力不足也可用 强夯置换法，除了由较好的散体材料置换较差的地基土形成墩柱体外，在强夯过 程中同样起到对坑内外土体的振密挤压作用。 不论是采用强夯法还是强夯置换法来加固地基时都必须使用强力夯实。当夯 锤提升到一定高度自由落下时，夯击地面会产生一种冲击波，这种由冲击引起的 振动在土壤中以波的形式向地下传播。这种振动波可分为体波和面波两大类。体 8 强夯置换碎彳i 墩复合地基加同机理及设计参数选择 波包括压缩波和剪切波，面波有瑞利波和乐夫波等。在夯击过程中首先到达的是 压缩波，它使土体受压或受拉，能使孔隙水压力骤增，地基土的抗剪强度降低。 紧随其后的是剪切波，它会导致土体结构遭到破坏，形成夯坑，并对周围土体进 行挤压。此外，还有瑞利波，使夯点附近地面隆起。强夯理论认为：压缩波大部 分通过液相运动，使孔隙水压力增大，同时使土颗粒错位，土体骨架解体，而随 后到的剪切波使土颗粒处于更密实的状态。瑞利波其竖向分量起到松动土的作用， 但其水平分量可使土得到密实【2 4 】【2 5 】。 经强夯及强夯置换后，地基土的强度得到了显著的提高，其主要作用可归纳为 以下几方面： 1 振实压密作用 在强夯过程中，这种突然释放的巨大能量转化为波的形式传到土体内，对土 体造成强制压缩和振密，土体积被压缩，土中气体被排出。随着强夯置换的进行， 置换体( 夯墩) 也对周围土体产生挤密的作用。 2 排水圃结作用 主要表现在两方面：其一，就地基土本身来说，在巨大夯击能作用下，夯坑 内外的平面上和垂直深度上，产生土体裂隙，并且随夯击能的增加使裂隙有所发 展，这种错综的裂隙改变土壤的渗透性，使地基中的水通过这些通道排出地表。 其二，强夯置换形成的砂石墩，由于组成材料为碎石、砂砾等渗水性非常好的散 体材料，本身就是极好的排水通道，在上部荷载作用下促进地基土的排水固结。 3 置换增强作用 在地基土中，尤其在饱和的软粘土地基 中，用边夯边填的方式形成了密实的碎石 墩，它的强度要比原地基土高得多，由这样 一些在垂直方向上有一定深度、在平面上有 一定置换率，众多的碎石墩组成复合地基。 碎石墩在其中起着承担荷载、协调变形的作 用。 例如强夯置换后，在被夯击置换的地基 土上，自上而下出现三个区域，如图2 1 所 示。第一个区域为墩柱置换区，这个区域由 散体墩与土体共同组成复合地基，由于散体 材料墩的直径一般比较大，置换率较高，因 此，它能大幅度提高地基承载力，这是墩柱 置换的主要加同区域。第二个区域为强夯压 9 图争l 墩柱式置换地层示意图 绵墩柱置换的深度；s 。前密区深度；日t 有效 加固深度；巩堪柱式置换的直径；d 。前。效加固 的直径 北京交通人学硕十学位论文 密区，由于强夯作用，上部土体被挤压入该区域形成冠形挤压区，如图中虚线范 围。该区域内土体孔隙被显著压缩，密度大为提高，成为置换体的峰实持力层。 这一区域内的土体主要足压密。与普通强夯相似，由于部分散体材料的挤入和散 体材料形成的排水通道加速了土体的排水固结，其加固效果比普通强夯效果要好， 这一区域的加固深度可用一般强夯加固理论来估算。第三个区域内的土体受强夯 振密的影响，随着时间的推移，孔隙水压力消散，土体强度将不断提高。 4 预加变形作用：在强夯作用下，地基土的各种颗粒组分在结构上重新排 列，还包括颗粒组分构成或形态的改变，饱和的粘土发生触变，饱和的砂土发生 液化，但是随着超孔隙水压力的消散，有效应力的增加，土颗粒重新排列并趋于 稳定，地基土的强度得到提高。但是这种过程随土性质的不同而异，有的甚至过 了很长时间仍得不到这种效应，这也是实践中存在的【2 6 儿2 7 j 。 2 2 2 加固非饱和土地基的机理 用强夯置换法加固非饱和土地基时，包含着一般强夯的作用，同时也有置换 的作用。一些非饱和的粘土或粉砂土，仅用强夯法处理已经不能满足设计要求， 可采用强夯置换法。众所周知，土体是由固相、液相和气相三部分组成。固相主 要包括砂粒、粉粒和粘粒。砂粒粒径为0 0 7 4 - - - - 2 m m ，主要成分为石英、长石、云 母等。纯净颗粒无糕结性，透水性好，压缩性较小，摩擦力大。形状可能是浑圆 的，也可能是棱角的，视搬运过程中磨圆度而异。粉粒粒径为0 0 0 5 - - 0 0 7 4 m m ， 主要成分为石英，并有难溶的碳酸盐矿物，外形近似圆形，浸湿具一定粘性。粘 粒粒径小于0 0 0 5 m m ，含量大于2 0 ，粘土矿物最常见的为高岭石、水云母、蒙 脱石等，颗粒呈鳞片状或针状【3 0 】【3 。在土体形成的漫长过程中，由于复杂的风化 作用，各种土颗粒的表面通常包裹着一层矿物和有机质的多种新化合物或胶体物 质的凝胶，使土颗粒形成一定大小的团粒，这种团粒具有相对的水稳性和一定的 强度。液相主要是存在于土中的各种水，包括结合水和非结合水等。气相主要是 空气或其他气体，包括连通大气的和密闭的。 在强夯的过程中，在压缩波巨大能量的作用下，土颗粒互相靠拢，因为气相 的压缩性比固相和液相的压缩性要大得多，所以气体部分首先被排出，颗粒进行 重新排列，由天然的紊乱状态进入稳定状态，孔隙大为减小。就是这种体积变化 和塑性变化使土体在外荷作用下达到新的稳定状态。当然，在波动能鼍作用下， 土颗粒和其间的液体也受到力的作用而可能变形，但这些变形相对士颗粒问的移 动，孔隙减少来说要小，这样我们可以认为对非饱和土的夯实变形主要是由于土 颗粒的相对位移而引起的。非饱和土的夯实过程，就是土中气体被排出的过程。 1 0 强夯置换碎i i 墩复合地基加尉机理及设计参数选择 所以，采用强夯法加固非饱和土是基于动力压密的概念、用冲击型动力荷载，使 土体中的孔隙体积减小6 0 左右，土体接近两相状态，土体变得更为密实，从而 提高土的强度。但是，这种强度的提高并不是随心所欲的，到达某一程度时，土 颗粒移动达到最佳状态，单纯依靠夯击能来改变土的结构特性己不可能，此时要 想提高地基土的强度只有利用夯击能进行强力置换，形成复合地基，借以提高土 的强度和减小变形。此时置换作用是主要的，同时根据非饱和土的性质，随着砂 石墩的形成，对周围土体的挤密、振密作用也不可低估。 2 2 3 加固饱和土地基的机理 利用夯击时的冲击力，强行将砂、碎石、块石等挤填到饱和软土层中，置换 原饱和软土，形成墩柱状砂石体或密实的砂石层。这些墩柱状的砂石体经强力夯 击，一般结构紧密，承载力高，变形量小，并插入饱和软土中一定深度，众多的 墩柱体与周围的原地基土形成了碎石( 砂) 墩复合地基。与此同时，未被置换的 下卧层及周围的饱和软土，在动力作用下进行排水固结，变得更加密实。从而使 整个地基的承载力提高，沉降减小。工程实践证明用强夯法改变饱和软土的性质 是困难的，但是利用强夯进行强力置换所形成的复合地基，其加固效果却是非常 明显的，是强夯法在地基处理技术中的新发展，也扩大了强夯技术的应用领域。 目前强夯置换有三种形式： ( 1 ) 当地基表层为适当厚度的砂覆盖层，下卧高压缩性淤泥质粘土时，采用低 夯能、将表层砂夯挤填入软土层中，形成一根根强夯置换砂桩( 墩) 。这种砂柱体 也是排水的良好通道，软土层受“动力固结”作用，更加密实。 ( 2 ) 当地基土为高压缩性软土时，在其表面堆铺一层一定厚度的碎石料，利用 夯锤冲击成孔，不断回填碎石料，夯实成碎石墩，如图2 2 ，碎石墩与墩问土形成 碎石墩复合地基。 ( 3 ) 在厚3 5 m 的淤泥质软土地基上抛填石块( 或挖掘一定深度后抛填石块) ， 利用抛石自重和夯锤巨大的冲击力使块石逐渐沉降至下部硬土层上，淤泥大部分 被挤走，少量留于石缝中，形成强夯置换块石层。由于在基础范围内淤泥几乎全 部被置换，块石之间又经夯实接触紧密，而且坐落在硬持力层上，此时块石地基 承载力很高，沉降很小。如果块石只形成墩柱状，只是部分置换原淤泥质土，则 形成块石墩复合地基。这种做法也只是强夯结合抛填块石才有可能。由于下卧软 土层消除，工后沉降很小。 北京交通人学硕十学位论文 图2 2 强夯置换碎石墩 2 3 强夯置换碎石墩复合地基设计参数选择 强夯置换碎石墩复合地基的设计包括强夯的设计和复合地基的设计两部分。 强夯设计合理与否将直接影响夯击能的有效利用和夯击效果。强夯法虽然已在工 程中得到广泛的应用，但至今还没有一套成熟的理论和设计计算方法。所谓强夯 设计实际上是对强夯参数的确定，通过在现场试验区的试夯或试验性施工总结得 到，试夯点数及规模应根据建筑场地的复杂程度、建设规模及建筑类型确定。复 合地基的设计按一般规定和步骤进行，只是增强体由碎石、块石或砂颗粒所组成 的圆墩柱体，直径比一般的砂桩、碎石桩的直径要大，但垂直深度要短一些，直 接坐落在下部持力层上为支承式，否则为悬浮式【3 2 1 【3 3 】。复合地基的承载力和沉降 量可按复合地基的理论进行计算，但是真正的可靠值还是要通过现场各种测试和 试验来求得。凶此，对强夯置换碎石墩复合地基，现场试验显得尤为重要。 2 3 1有效加固深度 强夯法的有效加固深度是指在强夯作用下，造成对地笨土物理力学性质有所 改变，并能体现出有效加固作用，达到或超过设计值的深度。它和影响深度不同， 实测结果表明，足够精度的量测装置能测到很深部位的变化影响，但不能造成地 基土性质的变化，并无工程意义。它和加固深度也不尽相同，加固深度有不确定 性。所以有效加固深度较能确切反映这个深度的内涵，它既是选择地基处理方法 的重要依据，又是反映处理效果的重要参数。 强夯法的创始人梅那( m e n a r d ) 提出用下列公式来估算影响深度h 【3 4 】【3 5 l 3 6 1 ： 1 2 强夯置换碎石墩复合地基加l 司机理及没计参数选择 h 如湎 ( 2 一1 ) 式中：m 一夯锤重( t ) h 一落距( m ) 国内外大量试验研究和工程实测资料表明，采用梅那公式估算有效加固深度 将得出偏大结果。1 9 8 0 年中国建筑科学研究院曾将唐山和北京一些工程现场实侧 值与梅那公式估算值进行对比，见表2 - 1 。 表2 1强夯有效加i 州深度实测值与估算值的比较 地基+ 类别夯锤重落距梅那估算值实测值 m ( t )h ( m )( m )( m ) 砂土 8 2 51 31 0 46 0 粉十 1 01 0l o5 5 填士 8 5 8 8 24 2 由表2 1 对比值可见，有效加固深度实测值比梅那估算值要小得多。从梅那 式中可以看出，影响加固深度的仅是锤重和落距。而实际上影响有效加固深度的 因素很多，除了锤重和落距以外，还有地基土的性质、不同土层的厚度和埋藏顺 序、地下水位以及强夯参数如夯击次数、锤底单位压力等因素。鉴于有效加固深 度问题的复杂性，以及目前尚无适用的计算公式，所以规定有效加固深度应根据 现场试夯或当地经验确定。 表2 2 强夯法的有效加州深度( m ) 单击夯击能碎石土、砂土等粉七、粘性十、湿陷性黄十等 ( 1 洲m ) 1 0 0 0 5 0 6 04 0 - 5 0 2 0 0 06 0 - - 7 05 0 - - - - 6 0 3 0 0 0 7 0 8 06 0 - 一7 0 4 0 0 08 0 - - - - 9 07 0 8 0 5 0 0 09 0 - - 9 58 0 8 5 6 0 0 09 5 l o 08 5 7 - - 9 0 虽然人们对梅那公式进行了修正，提出了梅那公式估算值乘以0 3 4 - 1 0 的系 数，但面对如此复杂的情况，正确适用系数还比较困难，在缺少试验资料或经验 时可按表2 2 预估。 有人根据土力学中圆形均布荷载作用下深处的应力关系提出强夯法的有效加 1 3 北京交通人学硕十学位论文 固深度提高的途径： ( 1 ) 在锤径与收锤标准不变时，提高落距与提高静压力同样有效，二者的影响 几乎是等量的。 ( 2 ) 在锤重与落距不变的情况下，减少锤径增大锤底静压力。 ( 3 ) 在强夯能级不变的条件下，采用重锤低落距较采用轻锤高落距好。 有效加固深度的概念对于强夯置换法来说显得没有强夯法重要了，因为强夯 置换法主要是利用夯击能将石块、砂子强行挤压到底部持力层，形成墩柱体，或 者通过不断夯击和填石使墩柱体延伸到要求的深度，所以加固深度主要受软弱层 的厚度或要求加固的深度而定。 2 3 2夯击能 夯击能以其作用和性质可分为单击夯击能、单位夯击r j 跻t l 最佳夯击能。 单击夯击能 单击夯击能是表征每击能量大小的参数，其值等于锤重和落距的乘积( 式 2 2 ) ，单击夯击能一般根据工程要求的加固深度、地基状况和土质成分来确定( 式 2 - 3 ) ，但有时也取决于现有的起重设备。 e = m g h( 2 - 2 ) e = ( h d ) 2g ( 2 3 ) 式中：e 一单击夯击能( k n m ) ； m 一夯锤重( t ) ； g 一重力加速度，g = 9 8 m s 2 ； h 一落距( m ) ； h 一加固深度( m ) ； d 一修正系数，变动范匝l 在0 3 5 - - 0 7 0 ，一般粘性 土、粉土，取0 5 ；砂土取0 7 ；黄土取0 3 5 - - o 5 0 。 2 单位夯