（岩土工程专业论文）轻型井点降水联合强夯法加固吹填土地基研究.pdf

中文摘要 轻型井点降水联合强夯法加固地基技术，综合了轻型井点降水与强夯两种加 固技术的特点。它是将强夯法靠动力压密和井点降水通过降低地下水位馒褥体 得以固结的加固机理进行有效的结合，综合了两种加固技术的优点，大大地提高 了加固效率。目前，对该联合技术的研究和应用还处在探索阶段，缺乏系统和全 面的研究。 本文以东营港大唐电厂酶吹填土地基加固为工程背景，深入探讨强夯法加固 软土地基的设计原则及施工技术和轻型井点降水法的设计计算方法及在工程的实 施技术；通过对轻型井点降水联合强夯法加固地基技术在现场试验的监测数据分 析，研究了加固嚣艨及加固过程中水位、超静孑毛隙永压力及地表沉降和分层沉降 的变化规律，验证了联合加固技术的优越性，并通过对上述规律的总结为以后施 工提供指导；通过室内试验，比较了用轻型井点降水联合强夯法加固技术处理前 后土体物理力学指标的变化，验证了该加固技术的可行性和有效性；针对强夯法 的夯击能、夯击次数、土体所处的应力状态对强夯效果的影响，震动三轴试验仪 对强夯进行了室内试验模拟，并据此对强夯过程的施工参数进行优化。 关键词：强夯，轻型井点降水，吹填土，地基加固 分类号。 a b s t r a c t t h es u b g r a d er e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g yo fl i g h tw e l l - p o i n td e w a t e r i n ga n d d y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o dh a si n t e g r a t e dt w oc o n s t r u c t i o nt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s , t h ed y n a m i cc o n s o l i d a t i o na n dt h el i g h t w e l l p o i nd e w a t e r i n g i tm a k e st h es o i l c o n s o l i d a t i o nm e c h a n i s mc o m b i n ee f f e c t i v e l yb yu s i n gt h em e t h o d so fd y n a m i c c o n s o l i d a t i o nw h i c hc o n s o l i d a t et h es o i lt h r o u g hv i b r a t i o nc o m p a c t i o na n dl i g h t w e l l - p o i n td e w a t e r i n gw h i c hl e tt h eu n d e r g r o u n dw a t e rl e v e ld o w n i tm a k e su s eo ft h e a d v a n t a g eo ft w ok i n d so fc o n s o l i d a t i o nt e c h n o l o g y , a n dr a i s ec o n s o l i d a t i o nl e v e l e f f i c a c i o u s l y , b u ti t sr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni si nt h es t a g eo fj u v e n i l i 够i tl a c k s s y s t e m a t i ca n dw i d e l yr e s e a r c h b a s e do nt h ee n g i n e e r i n go fl i g h tw e l l p o i n td e w a t e r i n ga n dd y n a m i cc o n s o l i d a t i o n r e i n f o r c i n gh y d r a u l i cf l l ls u b g r a d ea td a t a n gp o w e r s t a t i o no nt h eh a r b o ro fd o n g y i n g , g o i n gd e e pi n t ot h ed e s i g nm e t h o da n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo ft r e a t i n gs o i lb y d y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o da n dt h ec a l c u l a t i v em e t h o da n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t e c h n i q u eo ft r e a t i n gs o i lb yl i g h tw e l l p o i n td e w a t e r i n gc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ；t h r o u g h t h ea n a l y s et os p o tm o n i t o r i n gd a t ao ft h ee x p e r i m e n ta b o u tl i g h tw e l l p o i n td e w a t e r i n g a n dd y n a m i cc o n s o l i d a t i o nr e i n f o r c i n gh y d r a u l i cf i l ls u b g r a d e ，d or e s e a r c ho nt h e c h a n g el a wo ft h eu n d e r g r o u n dw a t e rl e v e la n de x c e s s i v ep o r ep r e s s u r e sa n dt h e s e r l e m e n to fg r o u n d s i l lt h r o u g ht h ew h o l ec o n s o l i d a t i n gp r o c e s s , v a l i d a t et h e s u p e r i o r i t yo ft h i sk i n do fc o n s o l i d a t i o nt e c h n o l o g ya n dp r o v i d ei n s t r u c tf o ro t h e r e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n b yl a b o r a t o r yt e s t , i th a sb e e na n a l y z e db yc o n t r a s tt h a tt h e m e c h a n i c sc h a r a c t e ro nt h ef o u n d a t i o ns o i lb e f o r ea n da f t e rt h el i g h tw e l l - p o i n t d e w a t e r i n ga n dd y n a m i cc o n s o l i d a t i o nt e c h n o l o g yt r e a t m e n t , t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t y o fm i sk i n do fc o n s o l i d a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nv a l i d a t e dm e a n w h i l e a i ma tt h e i n f l u e n c eo fe n e r g ya n dt i m eo fd y n a m i cc o n s o l i d a t i o na n dt h es t r e s sc i r c u m s t a n c eo f s o i lt oe f f e c to fd y n a m i cc o n s o l i d a t i o n , c a r r y i n gt h o u g hs i m u l a t e i n gt h ep r o c e s so f i m p a c tw i t ht h et e s t s t a r , o p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e ro fd y n a m i cc o n s o l i d a t i o n c o n s t r u c t i o na c c o r d i n ga st h ee x p e r i m e n ta n a l y s e 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 n ；l i g h tw e l l p o i n td e w a t e r i n g ；h y d r a u l i cf i l l ； s u b g r a d er e i n f o r c e m e n t c l a s s n o ： 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盾适用本授权说明) 学位论文作者签名：磊莲每导师签名- 腓 导师签名：a 七尸下 签字日期：1 0 0 客年s 月工日 签字同期：气圆，粹鸟明、嗣 独创性声明 本入声骧所里交的学位论文是本人在导卿撬导下进行的研究工作和取得的研 究成采，除了文中特纂热戳标淀和致谢之楚外，论文中不包含箕链入已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交道大学或其他教育机构的学位或证书 丽使用过的材料。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 了鞠确豹说囊并表示了谢意。 学位论文作卷签名：磊盘巷 签字麓期：z o o g 年5 胃茹萝翼 致谢 本论文的工作是在我的导师自冰教授的悉心指导下完成的，白冰教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大鲍帮助和影响。他有着严谨的治学态度、 渊博的理论知识、孜孜不倦的工作热情、求真务实的科研素养以及默默无闻的奉 献精神。同时，白老师在生活上给予了我极大的关怀，在学习上与科研上倾注了 大量心血，使得我在学习上没有落后，在专业上保持着浓厚的兴趣，在做人上讲 究实事求是，在科研鲎务素质上有了很大提高。在此衷心感谢三年来自老师对我 的关心和指导。 在论文选题的可行性论证中，得到了赵成刚、李涛、陈文化、陈立宏、赵伯 舞等诸德教授的指导与絮助，在此表示感谢。 同时，论文现场工作得到河北省建设勘察研究院有限公司的资助，聂庆科教 授级高工、胡建敏商工、王国辉离工等给予了详细的指导，在此一起表永衷心的 感谢。 在论文撰写期间，纪小彬、李明、吴立、李佩佩、嘏晓勇等同学对我论文中 的室内试验和现场监测工作给予了热情帮助，在此向他们表达感激之情。 另外也感谢家人在物质和精神上付出的心皿与爱，他们的理解和支持使我能 够在学校专心完成我麓学业。 l 。1 引言 1 绪论 软土地基土颗粒细、孔隙比大、含水量大，由于软土孔隙中的含水不易排出， 导致地基强度低，所以在这类地基上修建工糕产生的主要闯题是地基受荷后变形 弓| 起的建筑物下陷造成建筑物失稳。因而对软基进行处理的方法或所采取的措施 不当，不仅加大工程量、花费过高的工程费用、拖长工程建设期限，甚至可能会 造成工程的失败。因此选择合理的软基处理方法， 以达到加固地基强度，保证上 部结构的安全、稳定尤其重要。 近年来，各种地基加固新技术在高速公路软土地基处理中得到了广泛应用， 取得了良好的加固效果。但由于各种技术的加固机理不相同，因此各自的适用条 件和优缺点也不同。如何将几种技术联合应用，互相补充，发挥其各自的特点， 起到较好的加霾效果，是j 常有工程实际意义的。 由大唐发电有限公司投资建设的东营港电厂，该厂址位于规划中的东营市港 城的北侧，东临渤海，位于港城的防波堤内。厂址东南距离东营港码头区约3 0 k m ， 南距东港高速公路约5 0 k m ，西就距桩酉灰场2 0 k m ，嚣南距孤j 艺水痒约9 o k m 。 工程场地由吹填而成，场地上部地层主要为吹填的粉土，灰色，均匀，吹填区域 内积水较多。该层吹填土厚度一般在3 0 m 3 5 m 之间，平均厚度约3 3 m 。平均含 水量达3 0 以上，基本呈流动状态，表面地层摇振反应迅速，稍有振动即严重液 化，因此属子地质非常恶劣的土屡，地基处理难度相当大，而且要求工期短，因 此采用何种地基处理的方式是工程顺利与否的关键。通过深入的研究和探讨以及 初步试验，最后选择了井点降水法与强夯联合地基处理的方案。为了分析和研究 轻型井点降永联合强夯法加固地基的加固机理和效果，获得指导设计和施工的参 数，发展和完善复合加固地基的理论，有必要进行深入的研究。 1 2 研究现状 所谓联合加固地基技术是指参照原已有的较为成熟的地基加固技术，在综合 考虑两种或两种以上加固技术的前提下，从中汲取加固效果显著的方面，同时改 善各自技术的劣势，使得这种联合后的技本能够更好缝发挥原来各毒的优势。轻 型井点降水联合强夯法加固技术便是综合了轻型井点降水技术和强夯技术各自的 优势，发挥各鑫的优点，达到较好的加固效果。 1 2 1 强夯法研究现状 强夯法是将一定重量的重锤提升到某一高度后使其自由落下，将重锤的势能 转化为动能，给地基以冲击和振动能量，使地基士压密和振密，从而提高地基的 强度，改善地基的力学性毙【啦l 。 强夯法是由法困工程师梅纳( l m e n a r d ) 于6 0 年代末首次提出的。在法国的工 程应用成功之后，强夯法很快引起世界各国工程界的注意，特别是英国、德国、 瑞典、荷兰等欧洲囡家应用较早。日本是从1 9 7 3 年开始引入强夯法。 我国是在1 9 7 5 的于| j 物上开始余绍动力固绪法的。在我圈，潘于晕在1 9 7 8 年 的建筑结构上系统介绍了这项新技术，并称之为强力夯实法，简称强夯法， 引起了我国工程界的广泛关注【3 】。目前，应用强夯法处理的工程范围很广泛，一有 各类工业与民用建筑、仓库、油罐、贮仓、公路和铁路路基、飞机场跑道及码头 等。蘸l 于强夯法在工程实践中具有加固效果显著、适用土质广、设备相对比较简 单、施工方便、节省劳动力、施工期短、节约材料和施工费用低等优点，故而它 在工程中得到了广泛的应用，是当前较经济简便的地基加固方法之一。 磊前国内外关于强夯法加固地基的枫理看法还不一致阍。强夯加固理论主要体 现在强夯对地基土的作用机理及动力学特征和孔隙水压力变化规律方面。 ( 1 ) 对地基土的作用机理及动力学特征 在第十届国际土力学和基础工程会议上，英因教授米切尔( m i t c h e l l ) 在1 9 7 8 年 作了关于地基土加固技术的报告，他指出甜当强夯法应用予非饱和土时，压密过 程基本上同试验室中的击实法( 普氏击实法) 相似，在饱和无粘性土的情况下，可能 会产生液化，压密过程同爆破和振动压密的过程相似。他认为：强夯对饱和缨颗 粒土的效果尚不明确，对于此类土，需要破坏主体的结构，产生超孔隙水压力以 及通过裂隙形成排水通道，进而孔隙水压消散后土体才会压倒鄂。 郑颖人等( 1 9 9 8 ) 将其分为四个阶段：能量转换与夯坑受冲剪阶段；土体液 化与破坏阶段；固结压密阶段和触变固化阶段。并在此基础上提出了适用于软粘 土地基的强夯工艺拇】。 现在，一般认为强夯法加固地基机理从加固原理与作用看分动力夯实、动力 固结、动力置换三种形式。关于影响强夯法加固机理的因素，l e o n a r d s ( 1 9 8 0 ) 曾 指出，当地基中有糖性土层存在时，减小有效击实深度，它既有赖于每锤的夯击 能，同时也依赖于备夯点的夯击顺序以及每一夯点的锤击数，而两者的效应用单 2 位加隧面积上的夯击能来衡量是合理的【7 l 。l e o n ( 1 9 8 1 ) 认为，考虑封强夯法热固 地基的方式，加固作用应与土层被处理过程中三种明显不同的机理有关，第一， 加密作用，指土中气体的排出；第二，固结作用，指土中液体的排出；第三，预 加变形作用，指各种颗粒成分在结构上的重新排列，还包括颗粒组构或形态的改 变【瓣。 g a m b i n ( 1 9 8 4 ) 用波的传播理论解释了强夯法对饱和土的作用机理。他认为强 夯是一个冲击波动问题，除了表层土直接受夯锤的冲击作用力外，深层土主要是 受波动熬影响。强夯使体产生纵波、横波和表面波。横波主要使原有土麴骨架 结构破坏，并在土层的表面产生龟裂；纵波主要使深层的土趋于更加密实。强夯 加固的土层上部其透水性有很大的改进，从而使孔隙水较容易地迅速排出。由横 波产生的剪应力变化，使骨架产生新的沉降和压密网。在圜内，左名麒( 1 9 9 0 ) 提出的振动波理论认为夯击所产生的巨大冲击能将以波的形式向介质传播【1 0 1 。 坂口旭( 2 0 0 1 ) 曾提出了一个地基加固模式图，他将夯锤下土层分为四个区， 即松动区、主压实区、次压实区和弹性影响区，这个模式图与弹性波动理论的计 算楣一致雕l 。 梅纳( 1 9 9 1 ) 根据饱和粘性土经受强夯后产生数十厘米蒯变形的现象提出了 的新的动力固结理论，他认为饱和粘性上是可压缩体。其理论解释依据为：饱和 二相实际并非二相，二相上的液体中存在一些封闭气泡，约占体总体积的 1 3 ，在夯击时，这部分气体是可压缩的，因而土体体积也可以压缩。气泡体 积缩小的压力应符合波义尔一马略特定律，这压力增量与孔隙水压力增量一致。 因此冲击使上结构破坏，土体积缩小，液体中气泡被压缩，孔隙水压力增加。孔 隙水渗流撵出，水愿减夸，气泡膨胀，土体又可以进行二次夯击压缩。夯击使土 结构破坏，孔压增加，这时土出现液化及触变现象，孔压消散，土触变恢复，强 度增长。若一遍压密过大，则土结构破坏丧失的强度大，触变恢复增加的强度小， 剃夯簧的承载力反面减小；但若二遍夯击，土进一步压密，则触变恢复增长的强 度大，依次增加遍数可以获得预期效果。不过，梅纳只对上述机理作了宏观的解 释，丽未做进一步的探讨。到目前也未见到有直接由该模型推导出理论解的报导， 故此模型只具有定性描述的意义。 yk 。c h o w 等( 2 0 0 2 ) 也提如了粒状土强夯分析的一维模型，链铜将锤下与锤 径相同的土柱视为无侧限变形体，并将周围土体简化为一系列串连的弹簧和阻尼 器，得到了一维模型方程1 1 2 1 。 国内一些学者也对强夯法的力学模型进行了一些研究。陆薪( 1 9 8 6 ) 对于软 粘土地基在静力固结模型基础上针对强夯特点提出了强夯动力排水固结模型。很 多学者还通过室内试验模拟强夯的作用机理，对其动力学特征进行了丌拓性研究 3 瑟奠。钱家欢等( 1 9 9 9 ) 曾用宣制的动力固结仪模拟强夯，分别提出了饱和砂土及 饱和粘土在冲击荷载作用下压缩模量、卸荷模量以及动孔隙水压力的经验公式f 闻。 韩文喜( 1 9 9 9 ) 等也获得了饱和土在强夯作用下的动应力、动位移、孔隙水压力 的变化规律及强夯的应力一应变关系特征【1 5 】。 ( 2 ) 孔隙水蕊力变化规律研究 强夯后孔隙水压力的消散决定着强夯的夯间间隔时制和有效影响范围，是工 程界和学术晃普遍关注的，研究孔压的产生、增长和消散规律对提高地基土的加 露效采和加快工期，以及研究强夯嬲固视理都十分必要。 韩文喜( 2 0 0 1 ) 用土动三轴仪对强夯加固饱和砂土进行了系统的模拟试验， 认为饱和砂土在强夯作用下，颗粒在向下压缩和向周围挤压的同时颗粒间的孔隙 被压缩，形成超静孔隙水压力，夯击后超静孔压能够迅速消散；没有孔压的叠加 现象【1 6 1 。 臼冰( 2 0 0 3 ) 将强夯荷载看作加荷一卸荷过程，并将其离散为若干等幅均布 荷载，分析了饱和土层在强夯荷载下孔隙水压力的分布特点，并给出了在加、卸 蔫阶段土层态都任一时刻的孔隙水压力表达式瓣7 1 。 相对砂土而言，强夯作用下粘土特别是饱和粘土的孔压的变化规律就显得更 为复杂一些。孟庆山( 2 0 0 4 ) 通过淤泥质饱和软粘土的试验研究得出在强夯冲击 荷载作用下，饱和软糙土孔压遵循双睦线增长模式，影响孔嚣的主要因素有；孛击 能量、冲击次数、围压以及土体圈结状况。在同一冲击能量下，重锤低落距、高 围压较轻锤高落距、低围压激发的孔压高，孔愿增长速率快【1 8 】。 从工程实践出发，赵抚民( 2 0 0 2 ) 结合一些强夯工程的实测资料，分析了地 基内部孔隙水压的变化规律矗认为：在夯第一击时会产生较大的琵压增量。，僵 随着击数增加，。却逐步减小，最后趋于稳定。并且第一击基本决定了孔压的影 响深度范围1 1 9 1 。 现在，大量的互程实践证甓，对于不同类型土，其孔隙永压力的产生、增长 和消敖规律是不同的。砂性土渗透系数大，孔压消散快，一般可连续夯击，而粘 性土渗透性差，需要较长的夯间间隔时问以避免橡皮土的形成。 1 2 2 强夯数值方法的研究现状 强夯过程的客溅复杂性决定了夯击过程分析难以用常觏的解析方法来推求， 因此需借助各种数值方法来解决。 数值模拟现己广泛应用于强夯法加固地基的研究中，无论在计算方法、计算 4 模型和岩土参数确定方匿都有了较大进展。常雳酌方法有动力有限元法溺、边界 元法【2 1 1 、离散元法辫】等数值计算方法。岩土模型有加卸载双线性强夯模型、弹塑 性模型等本构模型【2 1 2 4 。童小东( 2 0 0 0 ) 提出了采用单位脉冲荷载法来解决动力 接触阀题，编制y - - 维有限元程序进行的动力计算f 2 3 l 。蒋鹏( 2 0 0 0 ) 等以冲击碰撞 的角度建立了强夯有限元数值模拟模型，采用了大交形理论，考虑了侵蚀分析与 夯锤自重，模拟夯锤与地基土的多次接触分离过程【2 5 1 。离散元法使我们能够考虑 到地基松散块石土的不连续性特征，并在计算机上再现块石层的变形过程【2 弼；运 用可靠度方法和神经网络理论可以较好地解决力学参数的随祝健、模糊性瞄珏。 孔令伟、袁建新( 1 9 9 8 ) 针对强夯边界接触应力和沉降特性，利用积分变换 和传递矩阵法对锤底接触应力和沉降特性进行了研究，但限于弹性成层地基，未 曾考虑夯锤可能出现的弹跳及其反复的接触和分离过程【2 s 】。宋修广( 1 9 9 9 ) 等在动态 形遁数的基础上提出了动力计算的动态有限单元法，考虑了加固土质振动特性， 较实际地反映了强夯加固的动力特性【2 9 1 。孟庆山、雷学文( 2 0 0 0 ) 对加固饱和软粘 土地基进行了流、圆耦合分析，编制了近场瞬变波动有限元程序，得出强夯过程 中体动态响应的一般规律瑟弼。陈洁、李尧匿2 0 0 0 ) 等采焉三维问题的变分原理 和有限元法定性地模拟了强夯过秘3 1 1 。丁振洲( 2 0 0 2 ) 建立了在b i o t 真三维固结理 论基础之上的强夯模型，考虑了土体的固结过程、土体非线性特性及孔隙水在高 能量冲击下的紊流特性，实现了体与水体藕合分析f 3 2 l 。宋修广( 2 0 0 3 ) 综合考 虑了地基土的流固、动力耦和地基与夯锤接触表面的动力藕合情况，给出了基于 三维有限单元法的计算方法和迭代格式。所建立的藕合方法可用于强夯加固法求 解【3 孙。谢能刚、宋修广( 2 0 0 3 ) 等考虑了土体的几何非线性，建立了土体非线性动力 平衡方程和整体流豳动力耦合方程，给出体菲线性动力平衡方程的迭代计算格 式和流固动力耦合方程的解耦计葬方法，得到了地基位移廒力等在强夯作用下的 变化规律和在空间上的分布特征，为精确模拟分析强夯加固机理提供了有效途径 0 4 1 。谢能冈l 、宋修广( 2 0 0 3 ) 在应变一位移关系上采用了大变形假设，建立了基于有 限单元法的土体菲线性动力平衡方程，给出了该非线性方程的迭代计算格式【3 5 1 。 陈龙珠( 2 0 0 3 ) 等针对单点单次夯击下地基的振动过程分析了强夯引起地基震动衰 减规律以及相应的减振隔振措施【3 们。宋修广( 2 0 0 4 ) 等在论文中考虑了地基惯性力 及动接触应力，基于三维有限单元法建立了体动力平衡方程，并给出该方程的 迭代计算格式。为精确模拟分析强夯加固机理提供了有效途径1 3 7 】。高广运( 2 0 0 4 ) 采用弹塑性大变形动力有限元方法模拟了弹塑性材料卸荷后塑性变形积累的性 状，并茂节点轴向位移藕合的方法模拟了夯坑的形状鳓。 5 l 。2 3 井点降水法的研究现状 在土木工程施工中，经常会遇到土基开挖、大坝基坑开挖、回填施工、地基 加固等，在此期闯，地下水的存在，特别是丰富的地下水( 或存在努界补给地下 水) 给施工带来较大难度，同时也影响地基的承载能力，排水工作成为影响施工 质量和工程进度的关键工作。在工程施工中，最简单、常用的降低地下水位的方 法有两种：地表径流排水和井点系统排水法。 地表径流捧永法多适用于开挖工程量不大，开挖深度下的施工区域，在施工 前，预先选择较低地域或沿排水方向开挖一条排水沟，排水沟的深度和宽度根据 水量大小控制，地下水沿着排水沟排出开挖区以外或导流至某个集水坑，再由集 水坑摊水至开挖送以外，这种方法简便，捧水时间短，花费小。缺点是，泥沙会 随着流动淤积在集水坑内，需要经常开挖集水坑。集水坑易塌陷，也不利于水泵 抽水，为此需要加固坑壁，费时费力；同时工作面泥水混杂，抽水时泥沙随水排 除，施工现场泥泞，难以操作1 3 9 l 。 井点降永法多适用与开挖深度较大、开挖面积较大的施工区，既适用于不同 几何形状的基坑开挖，也适用于大面积软土地基加固。它是在拟建工程的基坑周 围或者待处理软土地基上设置能渗水的井点管网，并配置一定的抽水设备，不间 断地将地表或地下水抽走，使基堍周围或者待处理地基的地下水位降低至设计深 度。它有克服流沙、稳定边坡及加固地基的作用，降水后基坑内土壤干燥，有利 于机械化施工，方便整形，又能缩短工期，充分的保证了工程质量和安全生产【4 0 】。 誉翁我们业内常用的并点降水法有轻型井点、喷射井点、电渗井点等，具体 井点降水方法的选择可以参考表1 1 【4 l 】。并点降水法是新中豳成立后，在大量的实 践中遂步发展起来的，其基木原理是在工程的基坑周围附近或者待加固的地基上 埋设大量的渗水井管，与此同时在地上组装抽水管路系统，通过井群连续不断抽 吸地下水，使基坑( 槽) 周围内的地下水位降低到基境底部以下一定深度，以保持基 坑干燥状态、软弱地基得到加固，我们通常把这一方法叫做井点降水法。 表1 1 各神并点法参考逶用范围 6 并点降水法具有以下优点：施工简便操作技术易于掌握；适应性强，可用 于不同几何图形的基坑或基槽，也可用于地基或路基加固处理，降水后罄坑或地 基内土壤干燥，便于机械化施工和后续工作的整形和操作；井点作用下土层的 强度增加边坡稳定性提高；地下水通过滤水管排走，防止了流沙的危害；节 省了基坑( 槽) 的水平支撑材料减少了土方工程量等，井点降水法在目前已成为处理 地下水位较高的地表和地下水的一种行之有效的方法【4 2 l 。 轻型井点降水法主要是真空作用抽水除排水管路系统外，很大程度取决于抽 水设备。銎翦常用的有真空泵型，隔膜泵型配套抽承装置，轻型并点主要毒井点 管过滤管集水总管、主管、阀门等组成管路系统。并由抽水设备启动，在并点系 统中形成真空，并在井点周围一定范围内形成一个真空区，真空区通过砂井扩展 到一定范围，在真空力的作用下，井点附近的地下水通过砂井，经过滤器被强制 性吸入并点系统肉丽使井点附近的地下水得到降低 4 3 1 。在作业过程中，弗点附近 的 一 | | ，。 乏 多 薹 ，一 图1 。1 轻毅并点降水“降水漏斗”示意圈 霆中：褥一含水层厚瘦；s 地下水簿深；r 睾水影响半径。 真空作用下，真空外的地下水位之间存在一个水头差，在该水头差的作下，真空 嚣外豹地下东是以重力方式流动，所以，我们常把轻型井点降水称为真空降水法， 更确切的说是真空一重力抽水法，只有在这两个力用下，基坑或地基的地下水位 才会降低，并形成一定范围内的降水漏斗抛物线( 如图1 1 ) 4 4 】。井点管与总管的 7 联接可采用钢管和透明塑料管，蠢受真空力的俸震，塑料管内装有弹簧，以加强 抗外部张力，保证地下水流通畅。总管与总管的联接有法兰法和套箍法两种形式。 1 3 研究内容和技术路线 1 3 1 本文的研究内容 本文以实际工程为背景，在现场试验和室内试验的基础上，对轻型并点降水 法加固软土地基和强夯法加固软土地基的工程应用技术，轻型井点降水联合强夯 法加固欧填土地基的现场试验以及强夯法加匿技术的室内试验模拟进行研究。 l 、强夯和轻型井点降水加固法的应用技术研究 研究强夯法加固软土地基的设计原则及其施工技术；探讨轻型井点降水法加 固软土地基的基本设计计算方法及其在工程中的实施技术。 2 、现场试验研究 通过对轻型并点降水联合强夯法加固欧填土地基现场试验的监测数据的分 析，研究降水与强夯过程前后地下水位变化过程、孔隙水压力消散过程、地表沉 降及分层沉降，以分析两种方法联合加固吹填土地基的可行性，对以后互程的开 展提供参考。 3 、加固前后地基土的力学指标比较研究 通过对降水与强夯处理前后的样进行室内常规试验的分析比较，从而研究 井点降水联合强夯法加固吹填土地基的加固效采。 4 、强夯法加固软土地基的室内模拟试验 利用动三轴试验仪对夯击过程进行模拟，得出冲击次数、冲击力及土体所处 应力条件对冲击后土体强度的影嘲，从而研究强夯作用机理，对强夯过程的施工 参数进行优化。 1 3 2 研究方法 本文在上述研究中综合应用了以下研究方法： ( 1 ) 调查研究：通过对已有文献资料及工程数据资料进行分析，掌握强夯与轻 型井点降水加固软土地基法昭设计原则及它们在工程中酶实施技术，为试验的进 行与成果的分析打下良好的基础。 ( 2 ) 理论分析：对强夯法加固软土地基技术和轻型并点降水加固软土地基技术 的基本加固机理及设计方法进行推理和研究。 ( 3 ) 现场量测：能够提供可靠的监测数据，为深入研究地下水位变化过程、孔 隙水压力消散过程、地表沉降及分层沉降的大小提够可靠的数据支持，为优化加 固方案指导工程实践提供可靠的依据。 ( 4 ) 室内试验：通过对工程试验现场处理前后的土体进行室内常规试验的分析 比较，得出轻型井点降水联合强夯法加固吹填土地基技术的加固效果。 ( 5 ) 模拟试验：利用动三轴循环翱载系统来模拟强夯工艺，并通过对数据的整 理和分析来优化强夯方案，使强夯施工更经济更高效。 9 2 1 前言 2 强夯和轻型井点降水加固法的应用技术研究 笔者在第一章中已经分别讨论了强夯加固法和轻型井点降水加固法的研究现 状，在本章中将分别研究探讨这两种地基加固方法的设计原则、计算方法及施工 技术等。 2 2 强夯法的设计原则与施工技术 虽然强夯法已在工程中得到广泛兹应用，僵霉酋还没有一套成熟的理论和设 计计算方法。通常施工前针对工程情况，根据经验初步选定设计参数，在现场选 取试验区进行试夯或试验性施工验证结果，并经必要的修改后，最终确定出适合 于现场土质条件的设计参数。强夯法的主要设计参数包括：有效加固深度、夯击 能、夯击次数、夯击遍数、闻隔时闻、夯击点布置和处理范围等。 2 2 。1 强夯法加固机理 目前普遍认同的观点有动力阉结理论和波动法理论，动力固结理论认为强夯 法加固地基有三种明显不同的阶段。第一，加密作用，指空气或气体的排感；第 二，露结作用，反映了水或流体的排出；第三，预加变形作用，指各釉颗粒成份 在结构上的重新排列，还包括颗粒组构或形态的变化。波动理论假设地基为弹性 半空间连续介质，在表面荷载巨大冲击力的作用下，质点在连续介质内振动，其 振动能量又弓| 起周露介质的振动。振动在介质内的传播过程形成波。震源( 夯锤) 处释放的巨大能量，以波的形式从震源向四周传播。夯锤夯击土体时能产生三种 能量波，一种为压缩波，它穿行于水相体并不断地以增减孔隙水压力的方式来摇 撼土体骨架，直到使骨架错位；其它两种波为剪切波和瑞利波，它们以较低速 度穿行，使错了位的土颗粒重新排列成较为紧密的状态，加之上覆土柱重量使土 体得到压密而加固。从这一分析原理可知，压缩波是起主要加固作用的能量波， 面压缩波是以球面波状态进行传递，并与球半径成反比而衰减【4 5 】。 2 2 2 有效加固深度 1 0 强夯法的有效加固深度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。强夯法创始入梅纳提出了用下式来估算影响深度日： ：撕蕊( 2 一1 ) 式中：m 一夯锤重( 专 h 一落距( m ) 地基变形值( c 掘) o 2 0 4 06 0 8 0l o o1 2 0 u 一， ，一 + z 。 。 2 _ * f 4 篷 v 越 辨 6 8 1 8 地基变形值( c m ) 0 2 0 4 0 印8 0 1 0 0 u 1 |1 一 。 7 。_ _ 2 u_- 一_ ，、 ? 毫 、一， t 谜 7 嚣 善， 3 4 l | c 图2 1 某粘土地基夯后变形分布曲线图2 2 某填土地基夯后变形分布曲线 近十年来国内外大量的试验研究和工程实测资料表明，采用梅纳公式估算有 效加固深度将会得出偏大的值 4 6 1 。例如1 9 8 5 年陕西省水电设计院地勘总队曾进行 的工糕实测，在华县亚粘土地基巾埋设了一组标点，经采用1 0 2 l 夯锤、9 5 m 落距 夯击詹，测得各深度的地基变形值如图2 ，l 所示，若将地基变形值为地表夯沉量的 5 视作有效加固深度的下部界限，则其有效加固深度约为7 5 m ：又如在洛川填土 地基巾埋设的标点，经1 0 t 夯锤、8 m 落距夯击嚣，测 | 导地基变形值如图2 。2 所示， 其有效加固深度约4 2 m ：再又一实例是安康砂土地基上的工程实测。上述三种地 基土中实测结果与梅纳公式估算值进行对比，见表2 1 。 表2 。l 强夯考效栩霞深度实测德与 鑫算值的比较 豳表2 1 对比值可见，有效加固深度实测值均比梅纳公式估算值为小。 从梅纳公式中可以看出，其影响深度仅与夯锤重和落躐有关。而实际上影响 有效加固深度的因素很多，除了夯锤重和落距以外，地基土性质，不同土层的厚 度和埋藏顺序，地下水位、夯击次数、锤底单位压力等都与加固深度有着密切的 关系。 表2 2 强夯法的有效热圈深度( m ) 近凡年，近凡年国内外相继发表了一些文章，建议霹梅纳公式进行修币。如 美国莱那兹( l e o n a r d s ) 建议对砂土地基乘以0 5 的修正系数，法国嘎朋( g a m b i n ) 则认为修正系数的值为0 5 - 1 0 ，太原工业大学提出对于不同土类采用不同修j 下系 数，范曝为0 。3 4 - - - 0 8 0 。显然经过修正的梅那公式与未修最的梅那公式相比较有 了改进，其估算值更接近实测值。但是大量工程实践表明，对于同一类土，采用 不同能量夯击时，修正系数并不相同。单击夯击能越大时，修币系数越小。因此， | 2 对于圊一类，采用一个修正系数，并不能得到满意的结果。 我国建筑地基处理技术规范( t g j 7 9 9 1 ) 中规定，强夯法的有效加固深度 应根据现场试夯或当地经验确定。在缺少试验资料或经验时可按表2 2 预估。 表2 2 中将土类分成碎石土、砂土和粉土、鞑性土、湿陷性黄土两类。单击夯 击能藏圈为1 0 0 0 - - 6 0 0 0 k n n l ，满足了当翦绝大多数工程的需要。表中的数值系 根据大量工程实测资料的归纳和正程经验的总结而制定，并作了调整。 2 2 3 夯击麓 夯击能分为单击夯击能和单位夯击能。 ( 一) 单击夯击能 单击夯击能( 即夯锤重和落距的乘积) 一般根据工程要求的加固深度来确定，但 有时也取决于现有起重机的起重能力和臂杆的长度。我国初期采用的单击夯击能 大多为1 0 0 0 k n m ，睫着起重机械工业的发展，薯前采用的最大单击夯击能为 1 0 0 0 0 k n m 。国际上曾经采用过的最大单击夯击能为5 0 0 0 0 k n m ，设计加固深 度达4 0 m 。 。 有效夯实系数表示地基土在某种夯击能作用下的夯实效率。有效夯实系数高， 说明夯实效果好，反之，有效夯实系数低，说明夯实效果差。如图2 3 所示为唐山、 廊坊和沈阳等地砂土、粉土和粘土地基上夯击次数与压缩量、隆起量的关系。由 图中可见，随着夯击次数的增加，夯坑体积y 也随之增加，丽隆起体积剡随土 性而异。唐山砂土地基随着夯击次数的增加隆起体积y 7 值很小，而且保持不变； 廊坊粉土地基的隆起体积y 值开始时有所增加，随后保持不变；而沈阳粘土地基 的隆起体积值，随着夯击次数的增加焉增大。由此可以看獭，砂和粉地基 的夯实效果要比粘土地基为好。 图2 4 为上述各工程的有效夯实系数与夯击次数的关系，从图中可见，唐山砂 的有效夯实系数很高，丽量随着夯击次数的增加，不仅没有降低，反嚣略有提 高，因此对于这种地基可以采用增加夯击次数的方法来提高夯实效果，傻沈阳粘 土的有效夯实系数并不高，而且当夯击次数超过7 次后，有效夯实系数基本保持 不变，此时如继续增加夯击次数，夯实效果就不再提高。 目前，在工程实践中，除了按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系鼗线确 定夯击次数外，同时要满足最后两击的平均夯沉量不大于5 0 m m ；当单击夯击能量 较大时，不大于l o o m m 的规定。此外，还要考虑施工方便，不能因夯坑过深而发 生起锤困难的情况。 2 2 5 夯击遍数 夯击遍数应根据地基土的性质确定。一般来说，由粗颗粒土组成的渗透性强 的地基，夯击遍数可少些。反之，由细颗粒土组成的渗透性弱的地基，夯击遍数 要求多些。 檄据日本资料报道，对于碎石、砂砾、砂质主和垃圾，夯击遍数为2 - - 3 遍， 粘性土为3 - - 8 遍，泥炭为3 - - 5 遍。最后再对全部场地进行低能量夯击( 俗称满夯) ， 使表层l 2 m 范围内的土层得以夯实。 鬏据我国工程实践，对于大多数工程，采耀夯击遍数2 遍，最后再以低麓量 满夯一遍，一般均能取得较好的夯击效果。对予渗透性弱的细颗粒土地基，必要 时夯击遍数可适当增加。 2 2 6 间隔时问 两遍夯击之闻癍有一定的时阅阆隔，以剥予中超静旄隙水压力的消散。 所以间隔时间取决于超静孔隙水压力的消散时间。但土中超静孔隙水压力的 消散速率与土的类别、夯点间距等因素有关。对于渗透性好的砂土地基等，一般 在数分钟至数小时内即可消散完，但对渗透性差的粘性土地基，一般需要数周才 能消散完。夯点闻距对孔压消散速率也有很大的影晌，夯点闻距小，孔压消散慢。 反之，夯点问距大，孔压消散快。太原工业大学曾在同一场地上对单点夯和群夯( 5 点夯) 条件下分别进行孔隙水压力的实测，其实测结果分别如图2 5 和图2 6 所示。 从蚕2 5 串可觅，单点夯的情况，夯后1 4 h 孔鹾就消散完。西图2 6 中群夯的情况， 夯后8 天孔压尚未消散完。所以进行孔压实测时，必须考虑夯点的布置情况。 e， 嘎0 4 0 3 鑫 3 0 瓮2 s 乱 _ 3 q2 0 、 1 5 、 l o j 、 。 5 v ol234567891 0 t ( d ) 豳2 5 单点夯孔压消散与时间关系图图2 6 群夯孔压消散与时间荚系 当缺少实测孑l 压资料时，可根据地基土的渗透性确定间隔时间，对予渗透性 较差的糕性土地基的间隔时间，般应不少予3 - - , 4 周；对予渗透性好的地基，则 可连续夯击。 1 6 2 。2 7 夯点布置 夯击点布置是否合理与夯实效果和施工费用有直接关系。夯击点位置可根据 建筑结构类型进行布置，一般采粥等边三兔形、等凄三焦形或正方形摩点。对于 某些基础面积较大的建筑物或构筑物( 如油罐、筒仓等) ，为便于施工，可按等边三 角形或正方形布置夯点；对于办公楼和住宅建筑来说，则根据承重墙的位置布置 夯点曼合适些，夯击点的每置应褫建筑结构类型、荷载大小、地基条件等具体情 况，区别对待。 夯击点间距的确定，一般根据地基土的性质和要求加固的深度而定。对于细 颗粒土，为便于超静孔隙水压力的消敖，夯点间距不宜过小。当要求加固深度较 大时，第遍的夯点闻距更不宣避小，戬免夯击时在浅层形成密实层焉影响夯击 能往深层传递。此外，还必须强调，若各夯点之间的距离太小，在夯击时上部土 体易向侧向已夯成的夯坑中挤出，从而造成坑壁坍塌，夯锤歪斜或倾倒，而影响 夯实效果。有些工程采用连夯的方法，即一个夯坑紧接另一个夯坑的夯击方法， 已被实践所证实，其夯击效采较差；当然，夯点间距过大，也会影响夯实效果。 根据国内经验，第一遍夯击点间距一般为5 9 m ，以后各遍夯击点间距可与第一 遍相同，也可适当减小。对要求加固深度较深，或单击夯击能较大的工稷，第一 遍夯击点闻距宜适当增大或进行分层填夯。 2 2 8 处理范围 由于基础的应力扩散作用，强夯处理的范围应大于建筑物基础范围，具体放 大范围可根据建筑结构类型和重要性等因素考虑确定。根据囡内经验，对于一般 建筑物，每边超出基础外缘的宽度宣为设计处理深度的1 2 - - 2 3 ，荠不宜小于3 m 。 2 2 9 强夯施工 ( 1 ) 施工机具 a 、起重机械 隧着强夯技术的广泛应焉，超重机械己发展为大能量的专蔫设备。如法国己 经开发出用液压驱动的专用三角架，能将4 0 t 垂夯锤提升到4 0 m 的高度。又如法 国尼斯机场扩建跑道，要求加固深度达4 0 m ，为此特制了一台起重量为2 0 0 t ，提 1 7 升高度2 5 m ，具有1 8 6 拿轮胎的超级起重吊车，这是迄今力止世界上最大的强夯