（道路与铁道工程专业论文）强夯法加固高路堤的试验与研究.pdf

摘要 强夯法加固地基具有工艺简单、效果明显、施工设备少、费用 低、质量控制容易、适用范围广、施工周期短等优点。 常吉高速公路为红砂岩高路堤，由于土石混填路基在施工中存 在压实度控制困难、施工质量难以保证的特点，这就导致高填土路 基的工后沉降大且持续时问长，不利于甚至威胁到行车安全，故设 计采用强夯法补强加固高填方路基。为取得强夯加固红砂岩路基的 施工参数及加固效果，以优化强夯的施工设计，做了大型的强夯补 强加固高填土路基的现场试验。 基于上述问题开展了试验研究，开展了大型的现场试验，通过 在不同位置处埋设沉降板，得到了不同夯击能下土体周边变形、土 体沉降及不同深度处的沉降关系，建立强夯理论模型，分析了夯沉 量与孔隙率和压实度的关系；通过在土中不同位置埋设土压力盒， 用动态应变仪记录下不同夯击能量下动应力的曲线，分析了动应力 的传播与衰减规律，以及连续夯击时动应力的变化；绘制了动应力 等值线图，从等值线图上分析了压缩波、剪切波和瑞雷波的作用范 围和强夯加固地基的深度和宽度；最后对强夯加固地基的效果用平 板载荷试验和密度探坑试验进行了检验，结果显示强夯法加固高填 土路堤效果明显。 结合该试验和其他工程实例，根据量纲的协调性原则，推导出 了强夯加固地基有效深度的计算公式，并根据泊松比的定义，提出 了强夯加固地基有效范围的经验公式，为今后强夯施工的设计提供 了参考依据。 关键词：强夯，红砂岩，高路堤，土体变形，动应力，有效加固范 围，试验，研究 a b s t r a c t d y n a m i cc o m p a c t i o ni sam e t h o df o rf o u n d a t i o nr e i n f o r c e d , w h i c h h a v et h es i m p l ec r a f t ，t h er e m a r k a b l ee f f e c t , l e s sc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t , l o we x p e n s e ，e a s i l yc o n t r o l l e d q u a l i t y , e x t e n s i v ea p p l i c a t i o n , s h o r t c o n s t r u c t i o nc y c l ea n ds oo nt h em e r i t s 。 c h a n g d e - j i s h o ue x p r e s s w a yi so fr e d - s a n d s t o n el l i g hf o u n d a t i o n b e c a m et h es o i l s t o n ef i l i e df o u n d a t i o ni sh a r dt oc o n t r o lt h e c o m p a c t n e s sa n dt og u a r a n t e et h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t y , w h i c h c a u s e dt h e l a r g es e t t l e m e n to f t h eh i g he m b a n k m e n ta n dt h ed u r a t i o n t ob el o n ga n d d i s a d v a n t a g ef o rt r a f f i cs a f e t y t h e r e f o r ed e s i g n su s et h ed y n a m i c c o m p a c t i o nt om a k eu pt h es t r o n gr e i n f o r c e m e n tt of i l lt h ef o u n d a t i o n i no r d e rt oo b t a i nt h ec o n s t r u c t i o np a r a m e t e ra n dt h er e i n f o r c e m e n t e f f e c to ft h ed y n a m i cc o m p a c t i o nr e i n f o r c e dr e ds a n d s t o n ef o u n d a t i o n , l a r g e - s c a l ef i e l dt e s tt h a ti sc o m p a c t i o nr e i n f o r c i n gt h eh i g he a r t hf i l l e d f o u n d a f m nw a sc a r r i e do u tb yo p t i m i z e dc o m p a c t i o nd e s i g n t h el a r g e s c a l ef i e l dt e s th a sb e e np e r f o r m e di nt h ee x p e r i m e n t e d r o a ds e c t i o nb a s e do nt h ea b o v e q u e s t i o n 耽e s o i l p e r i p h e r a l d e f o r m a t i o n ，t h es o i ls e t t l e m e n ta n dt h ed i f f e r e n td e p t hs e t t l e m e n th a v e b e e no b t a i n e dw i md i f f e r e n t c o m p a c t i o n s t r i k e s e n e r g yt h r o u g h e m b e d d i n gg r o u n dt h es e t t l e m e n tb o a r di nt h ed i f f e r e n tp o s i t i o mt h e d y n a m i cc o m p a c t i o nt h e o r e t i c a l m o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e df o r a n a l y z i n gt h er e l a t i o n sb e t w e e nc o m p a c t i o ns e t t l e m e n ta n dc o m p a c t i o n d e g r e e t h r o u g he m b e d d i n gg r o u n dt h es o i lp r e s s u r ec e l li nd i f f e r e n t e a r t hp o s i t i o n ，r e c o r d i n gt h ed y n a m i cs t r e s s - t i m ec u r v eu n d e rd i f f e r e n t c o m p a c t i o ns t r i k e sw i t ht h e d y n a m i cs t r a i ng a u g e ，t h ed y n a m i cs t r e s s s p r e a da n da t t e n u a t i o nr u l e ，a sw e l la st h ed y n a m i cs t r e s sc h a n g eu n d e r t h ec o n t i n u o u sc o m p a c t i o ns t r i k e sh a db e e na n a l y z e d c o n t o u r so f d y n a m i cs t r e s sh a db e e nd r a w nu pa n dt h ee f f e c t i v er a n g e ，t h ed e p t ha n d l e n g t ho fd y n a m i cc o m p a c t i o nc a u s e db yp - w a v e ，s - w a v ea n dr - w a v e w e r ea n a l y z e df r o mt h e s ec o n t o u r s f i n a l l yt h er e i n f o r c e m e n te f f e c to f c o m p a c t i o no nt h ef o u n d a t i o nw a sc a r r i e do u to nt h ee x a m i n a t i o nw i t h t h ep l a n el o a d i n gt e s ta n dd e n s i t yt e s t ，t h er e s u l td e m o n s t r a t e dt h a tt h e e f f e c to fr e i n f o r c i n gh i g he m b a n k m e n tb yd y n a m i c c o m p a c t i o n i s o b v i o u s c o m b i n et h e e x p e r i m e n tw i t ho t h e re n g i n e e r i n ge x a m p l e s ，t h e f o r m u l at h a td e t e r m i n e st h ee f f e c t i v e d e p t ho fc o n s o l i d a t i o nw a s d e d u c e dw i t hd i m e n s i o n s a n a l y s i s t h ee x p e r i e n c e f o r m u l ao f r e i n f o r c e m e n tr a n g ew a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ed e f m i t i o no fb o s s i o n r a t i o a l lo ft h e s ea f f o r dr e f e r e n c ef o r d e s i g n o fc o m p a c t i o n c o n s t r u c t i o n k e yw o i t d s d y n a m i cc o m p a c t i o n ， r e d s a n d s t o n e ，h i 【g h e m b a n k m e n t ，s o i ld e f o r m a t i o n ，d y n a m i cs t r e s s ，e f f e c t i v er e i n f o r c e d a r e a ，t e s t ，r e s e a r c h i 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储躲蚪剥签弘吼五年堕月上日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 强夯法的发展综述 第一章绪论 强夯法就是利用起重设备将重锤提升到一定的高度，然后使重锤自由下落， 以巨大的冲击能量作用在地基上，使土中产生极大的冲击波( 图1 1 【1 1 ) ，以克 服土颗粒问的各种阻力，使地基压交以达到加固地基的一种地基处理技术。这 种方法的显著特点是夯击能量大，因此影响深度大，同时具有工艺简单、效果 显著、设备简单、费用低廉、质量控制容易、适用土层范围广、施工周期短等 突出优点1 2 - 1 们 一。l 。一 卫9 一一。 迫 且 少 蓁 2步” 卫 一 图i - i 强夯原理示意图( l l 墩，f l 】) 1 1 1 强夯法的起源 强夯法的基本思想源于古代的夯实地基法，远在原始公社时期，我们的祖 先就学会利用重物夯实土层，作为房屋的地基。公元前二十一世纪的夏朝，开 始广泛使用夯实法进行地基处理。春秋战国时期，赵国故都邯郸龙台，是以每 层厚度6 8 c m 的素土，用直径约3 c m 、重约2 5 埏的圆木夯分层夯实，总厚度 达1 9 米，至今仍坚硬异常。万里长城、唐长安大明宫等主要建筑基础均为夯筑， 在国外，古罗马竞技场、古希腊运动场的看台也都是砌筑在经过夯实的土坡上， 但由于夯实工具重量轻，夯实深度有限。在近代，南斯拉夫、丹麦、苏联等国 都试验过较重的锤，从较大的高度落下，以期达到在更大的深度内获得良好的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 加固效果。特别是罗马尼亚，从二十世纪六十年代开始，将夯锤的重量由2 4 吨，落距3 5 米，加固深度仅1 2 米的重锤夯实法，提高到锤重5 7 吨，落 距5 9 米，加固深度可以达到2 4 米的重级落锤夯实法。这也可以认为是强 夯法的起源。 1 1 2 强夯法的兴起 强夯法，是1 9 6 9 年首先由l m e n a r d 在法国发展起来的1 7 1 。该法首次应用 于法国戛纳( c a n n e s ) 附近纳普尔( n a p o u l e ) 海滨采石场废土石围海造成的场地 上，在该场地上建造2 0 幢8 层公寓建筑。该场地表层4 8 m 为采石场弃土， 以下为1 5 2 0 m 含高压缩性淤泥夹层的砂质粉土，再下为泥炭岩。若采用桩基， 则桩承担的新填土引起的负摩擦力将占桩基承载力的6 0 7 0 ，十分不经济。 后用堆载预压，堆土5 m ，在约1 0 0 k p a 压力下，历时3 个月，沉降平均仅下沉 2 0 c m 承载力仅提高3 0 ，加固效果不明显。后由法国工程师l m e n a r d 提出用 锤重8 0 k n ，落距1 0 m ，每击冲击能8 0 0 k n m ，总能量1 2 0 0 k n m m ：夯击一遍， 地面沉降达5 0 e m ，连以前的预压总沉降7 0 c m ，经旁压仪检验，夯实土平均性 能改善2 0 0 。8 层建筑采用基底压力3 0 0 k p a ，竣工后沉降仅1 3 c m ( 图1 - 2 ) ，取 得良好效果，此后该法推广应用于饱和粗颗粒土的固结。 j 女 年 仆| l 箭睦r 躅l - 2 不同g 煅的沉降 到1 9 7 3 年底，已有1 2 个国家在1 5 0 余项地基工程中采用。1 9 7 4 年英国工 程师协会召开深基础会议，m e n a r d 本人对强夯法作了详细介绍，并出了专册， 该法即很快在英国、德国、瑞典、荷兰等欧洲国家推广应用，在第九届以来的 国际土力学及基础工程学会会议以及世界各地区域性土力学会议上，都有大量 论文发表。到1 9 8 5 年底，用强夯法加固处理的面积己超过3 0 0 0 万i n 2 。 在我国，从1 9 7 5 年起就在技术刊物上介绍此法，当时称为重级落锤夯实法。 1 9 7 8 年1 2 月，中国建筑科学研究院建筑情报研究所在建筑结构上系统介 绍该法，并定名为强力夯实法( 强夯法) ，引起工程界的广泛关注，并迅速在全 国推广。1 9 7 8 年1 1 月至1 9 7 9 年6 月，首次由交通部一航局科研所及其协作单 2 引圳钏卜f 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 位在天滓塘沽新港三号公路软土地层上进行了试验。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试验并正式应用。我国最早用于地基加固的工程是 1 9 7 9 年6 月中国建筑科学研究院及其协作单位在河北廊房该院机械化研究所宿 舍工程上，用于粉土、粉细砂可液化地基处理，取得了较好的效果。此后，强 夯法在秦皇岛、天津、北京、太原、长沙、福州、济南、广州等地推广开来并 迅速扩大到全国。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地基交 流会并出版“强夯法加固地基经验交流会议文件汇编”。中国建筑学会地基基础 学术委员会于1 9 8 0 年1 1 月于西安召开地基处理学术会议，会上交流了强夯法 经验，1 9 8 1 年5 月山西建委技术情报中心站出版了“山西强夯资料汇编”，收 集了2 年中山西近2 0 项工程总结的1 3 篇文章。1 9 8 3 年，在武汉召开的全国第 四届土力学及基础工程会议上，强夯资料达2 3 篇，可见影响之广，传播之快。 1 1 3 强夯法的发展 1 应用范围的发展 最初强夯法主要用于处理碎石土、杂填土、砂类土、非饱和粘性土等，但 随着经验的丰富以及施工方法的科学化、现代化，尤其是排水条件的改善，用 强夯法处理的土类不断增加，淤泥和淤泥质土、泥炭土、软塑至流塑的一般粘 土、饱和砂土、膨胀土、黄土及湿陷性黄土、高填土等地基上都尝试和应用【1 叭9 】。 强夯法处理大块石高填方地基也被建设部列为推广使用技术。 当前应用强夯法处理地基的工程范围极广，已付诸实践的有工业与民用建 筑、机场、防洪工程、公路和铁路路基、港口、核电站、石化工程等 2 0 - 2 5 1 。甚 至对海底、水下的软弱土层也尝试通过特殊工艺进行强夯处理。近几年，随着 社会发展，环境问题日益严重，强夯法也用于垃圾和固体废弃物的处理并取得 了成功闭。强夯法的局限是施工时较大的噪声和振动，因而不宣在人口密集的 城市内使用。 2 夯击能的发展 在加固能量上，目前最大的为法国m e n a r d 公司加固法国尼斯机场工程，该 工程由于扩建，向海中填土延伸3 k m ，填土厚8 1 8 m ，原海底为松软的粉土， 厚5 0 8 0 m ，为保证沉降符合要求，要求有效加固深度达3 0 4 0 m ，为此设计 了具有1 8 6 个轮胎，起重量为2 0 0 0 k n ，落距为2 5 m ，自重5 0 0 k n 的专用机架， 实际施工中用了自重为1 7 0 0 k n 的钢板叠合锤，落距2 3 m ，单点夯击能4 0 m j ， 加固后回填土强度提高4 倍，下部粉土提高约1 倍。 我国自引入强夯法以来，在1 9 8 1 年6 月，化工部第二化工建设公司及其协 作单位在山西潞城建设的山西化肥厂场地首次使用能级为6 2 5 0k n m 的强夯， 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 用以加固i i 级自重湿陷性黄土地基，处理面积达2 0 余万平方米。1 9 8 9 年河南 电力设计院及山西机械化施工公司又以8 0 0 0k n m 能级，处理3 0 余万千瓦汽轮 机组电厂湿陷性黄土地基获得成功。2 0 0 4 年，我国首次采用夯击能1 0 0 0 0k n m 对沿海碎石土回填地基进行加固，王铁宏、水伟厚等对该项目的实施进行了全 程的施工监测及加固后的效果检验，表明加固效果显著1 1 艟1 。 3 施工机具的发展 强夯施工机具较简单，主要由夯锤、强夯机及脱钩装置组成。强夯法施工 和强夯机是紧密联系在一起的，随着强夯技术的发展，强夯机具也同步发展。 夯锤一般有填入式、组合拼装式和现浇整体式，其外形主要有方形、梨形 和圆形，方形夯锤由于在连续夯击时对位困难，基本已被淘汰。为减小夯锤底 面的真空吸附力，锤中留有孔道，作为上下面的通气孔；为解决土的飞溅问题， 有把夯锤作成羊角锤；还有为减小多次夯击时夯锤起吊困难，将夯锤底面做成 凹形。 强夯机作业性能的好坏和施工能力的高低，直接影响着强夯工程的进度、 安全、效益以及强夯工艺的发展1 2 s l 。从文献资料分析，国外强夯机主要有三大 类，分别为三角形固定桁架臂架式、三角井字架式和大吨位安装用起重机。1 9 7 5 年，法国梅纳公司为完成法国尼斯机场一条经填海形成的填土厚8 1 8 m ，原海 底为松软的粉j 厚5 0 8 0 m ，要求加固深度达4 0 m ，研究并发了起重量为 2 0 0 0 k n ，提升高度为2 5 m ，自重5 5 0 0 k n ，具有1 8 6 个轮胎的三角形固定桁架 臂强夯机，这是迄今为止世界上最大的强夯施工机械。但由于自重和外形尺寸 过大，1 8 6 个轮胎的均载和转弯协调不易很好实现，加上对施工场地要求过高 等原因，使该设备再未应用于其它强夯工程。 强夯机现在已呈现二极发展趋势：即高能力，大夯击能量和低能量、小能 级；强夯机的多用途发展也将是一种新的趋势。大、中型强夯机的工作级别、 结构设计和使用特性，完全可满足其它施工，配置上也只需要一定的连接装置、 辅助卷扬，即可完成作业工况类似的，诸如地下连续墙和桩基施工；同时以微 电子为重要标志的电子化和信息化互动将应用于强夯施工设备上，从而可实现 远距离控制，提高施工作业的安全性和防患人为误动作。实现强夯和打桩自动 下沉量测量、判定，真正体现强夯的信息化施工能力；节能和环保是工程机械 的发展要求和总趋势，因此，新型强夯机也将一改“代用强夯机”老、旧、破、 脏、高消耗、低效率的现有状态，以降低发动机排放，提高液压系统效率，减 少钢丝绳消耗为目标，使强夯机技术发展方向完全达到低排放，低消耗，高效 率作业。 4 复合强夯技术的发展 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 随着强夯处理地基土范围的扩大，单纯依靠强夯作用难以达到最理想的效 果，于是在强夯基础发展起来了强夯置换法，动力排水固结法，强夯+ c f g 桩， 电渗强夯法，爆炸强夯法例，液压高速强夯法，旋转夯锤式强夯 3 0 l ，地基夯实 动力打桩法m 】等。 强夯置换法( d y n a m i cr e p l a c e m e n t ) ：对淤泥类土中强夯时，在形成的夯 坑中回填块石、碎石等粗颗粒材料，然后用夯锤夯击，重复此过程连续施工， 形成一个墩体，称为强夯置换墩( 图1 - 3 ) ，在粉土中形成的强夯置换墩可按与 桩问土形成复合地基考虑 基售 图1 - 3 强夯置换法的加固原理示意图 强夯置换的加固原理相当于强夯( 加密) + 碎石墩+ 特大直径排水井 8 , 3 2 1 。 动力排水固结法：是动力固结法和堆载预压法联合加固的方法，适用于对 饱和软粘土、淤泥质粘土等高含水量、高孔隙比、低强度的土体加固。其原理 是利用强夯冲击产生较高的孔隙水压力并在堆载预压静压力的作用下消散，使 预压时间大大缩短，加固效果提高。 强夯+ c f g 桩法：c f g 桩即水泥粉煤灰碎石桩( c e m e n t 、f l y - a s h 、g r a v e l ) ， 是用水泥、粉煤灰和碎石组成混合科，掺适量的水进行拌和，采用成桩机械形 成半刚性半柔性的桩体 强夯+ c f g 桩联合加固即先用小能量强夯进行大面积超宽处理，以消除欠 固结土，加速地基土固结过程。然后在建筑物范围内进行c f g 桩处理，置换原 土体，挤密桩间土，充分发挥c f g 桩桩身压缩变形小、承载力高、控制沉降效 果好的特点。 1 2 高填土路基的特性 公路是国民经济的重要基础设施，它承担着经济建设繁重的运输任务。随 中南大学硕士学位论文第一章绪论 着我国国民经济的发展，高等级公路的发展也突飞猛进，在国家西部大开发战 略的实施后，西部地区的高速公路也得到迅猛发展，中国3 0 年内将建成“7 9 1 8 ” 高速公路网。 2 0 0 5 年，交通部公布了国家高速公路网规划，根据规划：我国将用3 0 年的时间完成总长8 5 万千米的“7 9 1 8 ”国家高速公路网。国家高速公路网采 用放射线与纵横网格相结合的布局形态，构成由中心城市向外放射以及横连东 西，纵贯南北的公路交通大通道，包括7 条首都放射线，9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线，简称为“7 9 1 8 网”。国家高速公路网规划中规划的8 5 万k m 高速公路，目前已建成2 9 万千米，在建1 6 万千米，待建4 万千米，静态投资 为两万亿人民币，计划用3 0 年的时间完成。以高速公路为代表的大批高等级公 路的建成通车缩短了地区之间的距离，促进了流通，极大地推动了各地区经济 的发展，坚定了我国大力发展高等级公路建设的决心。我国公路交通发展规划 将继续完善以连接全国重要城市、交通枢纽的国道主干线系统。 随着公路设计等级的提高，必然遇到前所未有的一些问题。如过去，当路 线跨越深沟或穿过地面物障时，一般能绕过去则尽可能绕过去，那样虽然延长 了距离，但是路基修筑对地基的扰动小，荷载也小，避免了路基、地基的稳定 性问题。然而对于高等级公路，为了满足线形要求，对上述地段一般都采用高 路堤和深路堑通过，其不仅本身的设计和施工复杂，而且对周围的地质环境带 来的扰动也比过去的“盘山”公路大得多。因此，如何确保高路堤和深路堑下 的地基及路堤本身的稳定则成为山区高等级公路建设急需解决的关键问题之 一o 1 2 1 高路堤的概念和特点 “高”是一个模糊的概念，我国公路规范中对高路堤没有明确、严格的定 义【3 3 1 ，现行的公路路基设计规范瞰1 认为当路堤填筑高度为1 2 m ( 填料为砂、 砾) 或2 0 m ( 填料为砂、砾以外其他土料) 可视为高路堤。 与一般路堤比较而言，高路堤具有以下几个特点：填筑高度大，需要对路 堤边坡进行验证，要求路堤本身具有足够的整体强度和边坡稳定性。由于高 路堤填筑断面面积很大，填筑工程量巨大，路堤的填筑缺陷相对较多，填筑质 量保证较为困难，对压实机具和压实遍数要求较高。路堤自重过大，本身累 积沉降大，路堤工后沉降量也相当大，一般需要几年甚至几十年才能沉降稳定。 由于荷载相对较大，需对地基强度进行验算，要求地基承载力高、稳定性好。 地基沉降大，填筑过程中需对地基进行监测，控制总沉降量和沉降速率，确 保高路堤地基的稳定。因此在公路工程中高路堤一般较受重视，无论是路堤本 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 身的填料、边坡还是地基承载力都需要在测得相应参数后进行设计和验算，在 施工中如果没有相关施工经验还要进行旌工监测。 1 2 2 高路堤的试验研究现状 高路堤由于自重应力大，应力水平高且填土自身压缩产生的沉降也较大， 所以预测或控制路堤的变形是高路堤研究的重点。然而由于问题本身的复杂性 和土力学理论不够成熟，目前对非饱和土高路堤的沉降变形规律尚缺乏合理的 理论计算方法，尤其是对于高速公路等变形要求高的地基，国内外可供应用的 观测资料尤其缺少。这不仅仅在于填土体累积变形量难以确定，还在于施工过 程中堤身，堤基已发生的变形量占总的累计变形量的比例也不得而知阁。 高填方路基的工后沉降是个不容忽视的问题，对填土路堤而畜，工后沉降 就是土体的次固结沉降，可以根据土体的蠕变理论去推算，对土石混填路基， 路堤的工后沉降主要是填料颗粒之间不断的挤压使其棱角破碎而导致变形的结 果，目前这方面的研究不多。 目前对高路堤的沉降研究还多基于土体的线弹性理论，然而经过深入的分 析可知：传统的d u n c a n - c y 啮m g 非线性弹性模型计算误差较大，其参数来源也较 难确定。研究表明，高填方路堤的应力应变关系更趋于弹塑性模型，应用弹塑 性模型韵计算结果也较接近。 1 3 常吉高速公路工程概况及红砂岩的工程性质 1 3 1 常吉高速公路工程概况 常( 德) 吉( 首) 高速公路湘西段位于湖南省西北部，公路沿途的地形地貌为 山岭重丘区。该路跨越山区，地形起伏大，山岭陡唆，沟谷幽深。路基的形式 主要为高填方路基，半填半挖路基和切方路基。路基回填的高度一般在4 - 2 0 m 之间，最高的可达4 8 m 。路基填土主要为红砂岩、石灰岩以及呈现软到可塑再 到硬塑的亚粘土等。考虑到山岭重丘区高速公路的特殊性，利用强夯机械对路 基进行补强加固，以便减少路基的工后沉降量和提高路基填料的压实度。为了 能够在强夯施工中有据可依，做到用数据说话，用数据办事，用数据指导施工， 特此选做个用强夯法来补强加固的试验段进行现场试验，同时再以理论分析 为辅助来确定红砂岩高填方路基的强夯效果和强夯方法。 本次试验的试验场地位于常吉高速第2 6 合同段的服务区中，它位于吉首市 泸溪县洗溪镇境内，线路走向大致呈东西走向，地貌类型主要为丘陵地貌，山 坡较陡，坡度一般呈2 5 0 。，线路穿行于山岭和沟谷之中，地形起伏较大， 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 地面黄海高程在1 6 0 3 0 0 m 。区域内地质构造简单，该试验段的地质构造处于 新华夏系一级构造第三复式隆起带东缘，中生代沅麻凹陷盆地中部，岩层产状 为1 5 5 1 6 5 。么2 4 。，岩层走向与公路的线路走向呈小角度相交，为顺坡方 向。岩层为单斜构造，没有发现其它大的地质构造现象，沿线地下水类型主要 为第四纪覆盖层卵石、块石的孔隙水和基岩裂隙水。孔隙水主要赋存于卵石、 块石中，但卵石、块石仅局部存在，且厚度不大，故含水量较小；基岩裂隙水 赋存于红砂岩节理裂隙中，主要受到冲沟中的溪流和大气降水的影响，季节性 变化明显，水位埋深大。一般处于路基设计线以下。 试验段的岩层特性为：种植土、亚粘土、块石、卵石、红砂岩等。种植土 为褐色，稀软或松软，含植物根茎，系水田、菜地及坡地表土，厚度约0 2 0 5 m 左右，分布较广；亚粘土为灰褐色、褐黄色、褐红色，一般呈现可塑、硬塑状， 部分呈软塑状，分布于冲沟中；块石以褐红色为主，结构松散，直径在2 0 5 0 c m 之间，并充填粘性土，厚度在0 4 0 m 之间，主要分布于山坡的坡脚处；卵石为 杂色、灰色，里松散至中密状，颗粒直径一般在6 8 c m 之间，次圆次棱角状， 含砂和漂石：红砂岩为紫红色夹杂灰白色，钙质夹硅钙质胶结，中厚层夹薄层 状构造，以弱风化为主，钙泥质胶结砂岩为紫红色，岩质稍硬，岩芯以柱状为 主，易干裂，局部见少量斑状溶孔，硅钙质胶结砂岩为灰白色至青灰色，岩性 较硬，以薄层为主，岩芯呈饼状和短柱状。 1 3 2 红砂岩路基的工程性质 1 红砂岩的成因 常吉高速公路在湘西境内的岩石呈暗红、褐红或红褐色，光泽暗淡或土状 光泽，人们把它称之为“红砂岩”。这类岩石大多数强度低( 大多数岩石的强度在 5 2 0 m p a 之间) 、软化系数小、干湿循环极易风化、工程性质不稳定，不能按一 般填石路堤材料处理。日。 红砂岩属于沉积岩类，地质上属于第三系( n ) 至白垩系( k ) 的碎屑岩类口7 1 ， 董泽福等对湘耒高速公路沿线的红砂岩进行了岩矿鉴定，结果显示：红砂岩 主要包括碎屑岩和粘土岩两类，碎屑岩石中含有5 1 5 粘土矿物、云母及以 泥质方解石，粘土岩中又都含有3 0 5 0 的碎屑物。几乎每一个岩样中都含有 5 1 0 0 , o 的铁质物，铁质物与粘土矿物混合在一起，把碎屑岩的胶结物和粘土 岩的基质浸染成红色，使岩石呈褐红、赤红或红褐色，这就是人们把它们称之 为“红砂岩”的原因。 2 红砂岩的崩解特性 红砂岩的崩解特性是指红砂岩爆破开挖后，由于大气、阳光特别是雨水的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 作用而迅速风化崩解成碎块状、粒状或渣泥状土的特性。红砂岩的浸水崩解特 性直接影响其膨胀性能、强度( 易崩解者强度低) 、施工碾压难易程度( 易崩解者 容易碾压) 以及路堤的水稳定性( 易崩解者水稳定性差) ，因此，以红砂岩的崩解 指标作为评价红砂岩工程性质的重要依据m 一。 3 红砂岩的物理力学性质 我们知道，红砂岩主要矿物成分的比重分别为石英2 6 3 ，斜长石2 6 l 2 7 6 ，钙质胶结物2 6 2 8 ，泥质杂基和胶结物2 6 0 2 6 3 ，均稍大于2 6 ，再加 少量铁质( 3 6 4 0 ) 及云母( 2 7 3 o ) ，则红砂岩比重2 6 8 是可信的。这个数值在 一般砂岩中不算低，但是，红砂岩的天然密度却相当低，这主要是由于它的孔 隙率高( 达1 3 8 呦。饱和吸水率是因为不仅水能大量进入孔隙，而且被粘土杂基 ( 含大量亲水性粘士矿物) 所吸收，这也是红砂岩自由膨胀率较高、饱和状态比 干燥状态的工程性质指标( 软化系数) 有较大幅度下降的原因。红砂岩的抗压强 度比一般砂岩低得多，这主要是由于红砂岩的强度主要取决于杂基成分和胶结 物成分的强度，而大量的粘土杂基和钙质胶结物是强度较低和易被溶蚀或软化 的成分，这是红砂岩工程性质较差的物质基础。红砂岩爆破开挖后，迅速风化 崩解成土状，从其土性能指标可知，红砂岩颗粒成分以细颗粒为主，含一定粗 颗粒，液限低，塑性指数小，c b r 值较高，是一种较好的工程材料。但其最佳 含水量较天然含水量大，因此，旄工中须将红砂岩填料的含水量控制在规范嘶1 要求的范围之内。 4 红砂岩路堤的填筑方法 由于红砂岩遇水极易崩解，颗粒越大，其空隙就越大，崩解后产生的影响 也越大，因此，红砂岩路基施工的主要问题在于如何保证路基的稳定性1 。因 此，红砂岩路堤填筑关键技术主要包括如下几个方面： 1 、红砂岩的预处理。通过对红砂岩的预崩解，消除红砂岩的水活性，保证 红砂岩路堤不出现因为水作用而产生的病害。 2 、控制松铺厚度。红砂岩预崩解后形成红砂土，严格控制每层的松铺厚度， 经过一定的填筑工艺保证红砂土满足高速公路填料要求。 3 、红砂岩碾压。通过耙压、碾压等工艺，阻止外界水分侵入，防止红砂岩 残余水活性的激化，确保路基稳定。 4 、通过掺料改良路用性能，提高路基稳定性。如对路堤边坡处用1 2 m 低 液限粘土保边；并严格控制含水量和路拱横坡，使横排水顺畅。 1 3 3 土石混填路基 我国西部地区多为山岭重丘，其地形、地貌和地质水文条件复杂，路基修 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 筑时常常需要用山体开挖得到的碎石和隧道弃方作为路基填料。由于这种填方 料颗粒粒度变化大。且难以控制，加之其含水量极不均匀，在实际工程中，致 使路基施工困难，施工质量得不到可靠的保证，进而导致修筑的土石混填路基 出现大量的沉陷或坍塌，使路面结构过早破坏，影响公路运输及公路使用效率 的发挥。因此，解决土石混填路基修筑技术，成为西部山区公路筑路技术亟待 解决的关键问题之一。 路基的压实工艺是土石混填路堤施工工艺中最重要的一部分，目前的施工 方法主要有振动压实、冲击压实和强力夯实法( 简称强夯法) ，三种压实方法各有 优缺点，振动压实法和冲击压实法是填石路堤中常用的施工方法，强夯法在填 石路堤中最不常用，相关的资料也比较少”。 1 。4 本文的主要研究内容 1 4 1 现场试验 为了对湘西段红砂岩高填土路基的强夯补强加固效果进行检测以及对强夯 的施工设计参数进行验证，以便进一步优化强夯施工设计和提出更加合理的施 工设计参数，特在施工现场进行强夯原位试验。本次试验的试验内容主要包括： 土体变形试验：包括加固土体及夯坑周围土体的变形规律 路基承载力试验：强夯前后承载力的对比 密度试验：推算强夯前后路基压实度和孔隙比的变化量 强夯动应力试验：测试路基在不同夯击能量作用下的动应力扩散范围、动 应力的有效影响深度以及冲击波的传播规律 1 4 2 本文的主要研究内容 l 、通过大型的强夯现场试验，以及在不同夯击能( 1 2 0 0 、1 0 8 0 、9 6 0 、 8 4 0 k n m ) 的作用下，对山区高速公路红砂岩高填方路基的土体变形规律及夯 坑用国土体的隆起情况进行了试验研究，通过在夯锤下不同深度处埋设沉降板， 得到强夯作用下不同深度处土体压密变形的特征，通过分析变形情况得出了强 夯加固土体的有效深度；结合现场试验，从土体变形的理论推导出了夯沉量、 强夯前后孔隙率变化和压实度三者之间的关系。为强夯加固地基的设计提供理 论依据。 2 、在试验路段做了强夯动应力的现场试验，在试验路段布置4 3 个土压力 盒，运用动态应变仪完整记录下强夯作用下动应力的传播和衰减过程。试验得 到强夯作用下冲击波的波形及作用时问，强夯动应力随深度衰减的特征；连续 l o 中南大学硕士学位论文第一章绪论 夯击下动应力增长的特性研究，夯锤周边动应力的分布特征及其在连续夯击作 用下的变化情况，绘制动应力等值线图，并尝试用动应力的传播与衰减曲线说 明冲击波在土体中的传播，从动应力等值线图上分析出强夯作用时压缩波、剪 切波、瑞雷波的作用范围。通过土体动应力的现场试验，掌握了强夯加固常吉 高速公路高填土路基的施工参数，为常吉高速公路的路基施工以及同类工程的 施工提供了宝贵的数据。 3 、通过总结前入对强夯加固地基有效深度的研究，根据量纲的协调性原则， 推导出强夯加固地基有效深度的计算公式，并根据泊松比的定义，建立强夯加 固地基有效范围的计算公式，为今后强夯的设计、施工提供了参考依据。 4 、展望：对强夯法加固山区地基及强夯法的发展提出自己的看法和研究思 路 中南大学硕士学位论文第二章强夯法加固非饱和土的机理分析 第二章强夯法加固非饱和土的机理分析 目前强夯法加固地基应用范围很广，加固效果也很明显，人们围绕这一技 术开展了较为广泛的研究，7 ，s 州，但对强夯加固地基的机理仍然存在不同的解 释，如对瑞雷波在强夯加固地基中的作用就有截然不同的看法，一种观点认为 瑞雷波在强夯过程中不但起不到加密作用，反而使地基表面松动，为无用波或 有害波 5 】，另一种观点则认为，瑞雷波对地基加固起了不可忽视的作用【4 5 问。 目前根据强夯法处理的土类大致可以分为多孔隙、粗颗粒、非饱和土和细颗粒、 饱和土两类，而加固这两类土的机理和施工工艺均不相同。加固饱和土主要是 动力固结( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n ) ，加固非饱和土主要是动力压密( d y n a m i c c o m p a c t i o n ) ，但均属于破坏性加固。常吉高速公路为土石混填高路堤，加固理 论主要是动力压密。下面重点对强夯法加固非饱和土进行理论分析。 2 1 冲击波理论 强夯法处理地基时，将重锤提升到很大高度，然后让重锤自由落下，以很 大的冲击能量作用于地基上，对土层施加巨大的冲击能量，使地基土体受到很 大的冲击并以波的形式传播开来，为了克服土颗粒间的各种阻力，随着夯击能 量的转化，地基发生强制压缩和振密，从而提高强度，减少沉降，或消除湿陷 性、膨胀性、或提高抗液化能力等。因此，冲击波在土中的传播过程是强夯法 处理地基的基础。 2 1 1 弹性半空间中的波体系 由强夯冲击引起的振动，在土中是以振动波的形式向下传播的。重锤自由 下落的过程，也就是势能转换成动能的过程，即随着重锤下落，势能越来越小， 在落到地面的瞬间，势能的极大部分都转换成动能，夯锤夯击地面时，这部分 动能一部分以声波形式向四周传播，一部分由于夯锤和土体摩擦而变成热能， 其余大部分冲击动能使土体产生自由振动，并以压缩波( p 波) 、剪切波( s 波) 和瑞雷波( r 波) 的波体系在地基内传播，在地基中产生一个波场( 图2 1 ) 。 根据m i l l e r 等人( 1 9 5 5 ) 的研究，以上三种波占输入能量的百分比分别为： p 波占6 9 ，s 波占2 5 8 ，r 波占6 7 3 。压缩波系由震源向外传播的纵向波， 质点振动方向和波的前进方向一致，属一种推拉运动，振动破坏力小。剪切波 系由震源向外传播的横向波，质点运动方向和波的前进方向垂直，作横向位移， 振动破坏力较大。瑞雷波系限于半空间边界附近一个区域内运动的波，向外传 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章强夯法加固非饱和七的机理分析 播时，质点在波的前进方向和地表法向组成的平面内作椭圆运动，转动方向与 波的前进方向相反，在地面上呈滚动形式，速度随深度的增加而减小。 璺向夯击 图2 一l 强夯法在地基中产生的波场 2 1 2 波的传播 在强夯加固的地基上。通常是由数层性质不同的土层组成，土层中的孔隙 又为空气、水或其它液体所充填。对分层压实的高速公路路基，成层性更是明 显。当波在成层地基的一个弹性介质中传播而又遇到另一个弹性介质的分界面 时，入射波能量的一部分将反射回第一个介质，另一部分能量则传递到第二个 介质，如图2 - 2 所示。 渡舞 图2 - 2 成层土中冲击波的反射和折射 当反射波回到地表面又被重锤挡住再次被反射进土体，遇到分层面对又一 次反射回地面，因此在一个很短的时间内，波被多次上下反射，这就意味着夯 中南大学硕士学位论文第二章强夯法加固非饱和士的机理分析 击能的损失，因此，在相同夯击能的作用下，单一均质土层的加固效果要比多 层非均质土的加固效果好。另外，多次反射波会使地表面某一深度内己被夯实 的土层重新破坏而变松。这就是在强夯过程中，地表会有一层土反而变松的原 因之一。另外，地基在重锤夯击作用下，地面产生大量的瞬时沉降，其中包括 塑性变形和弹性交形，塑性交形是一种永久变形，不可恢复，而弹性变形当冲 击能量消散后或重锤被提起后即迅速恢复，使地面发生回弹。如此反复不断的 夯实回弹也会使地表形成一层松动层。 2 1 3 冲击波的基本状态方程 理论上，纵波和横波的传播速度可按下式计算： 矿： g 2 ( 1 - v ) ：垤 ! 二! 9 1 p ( 1 2 v ) 1 p ( 1 2 v ) ( 1 + y ) ( 2 一1 ) 圪= 仔后赤 ， 其中；圪一纵波波速( m s ) n 一横波波速( m s ) e 一弹性模量( k p a ) g 一剪切模量( k p a ) p 介质密度( k n m 3 ) y 介质泊松比 当v = o 2 0 时( 相当于碎石土) ，e h a 式计算可得= 1 6 3 1 , 。 1 9 0 4 年，h l a m b 在半无限弹性体表面上加冲击力试验时，证明了离波源 远处介质表面的质点运动形成瑞雷波的条件，证明了瑞雷波的存在是由于p 波 和s 波在界面产生干涉引起( 如图2 - 3 ) 。 t i 图2 - 3 由l a m b 理论绘制