（岩土工程专业论文）低能强夯与真空降水联合法加固地基的分析研究.pdf

山东大学硕士学位论文 捅要 低能强夯与真空降水联合加固技术综合了强夯与真空降水两种施工技术的特点。它 是将强夯法靠动力振动加密和真空降水通过抽真空和降低地下水位使得土体得以固结 的加固机理进行有效的联合，利用真空降水产生的真空负压加速消散强夯过程中产生的 较高的超静孔隙水压力，是一种新的联合加固技术。但现在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，导致其加固机理和固结理论方法还尚不成熟。 本文在前人工作的基础上，以国道2 2 0 线滨州至济南一级公路备土路段路基处理试 验为工程背景，对联合加固技术的机理、土体在夯击后的变形规律、强夯参数的选取、 施工工艺等进行了系统的研究，得到了一些有益的结论，可用于指导工程实践。本文的主 要研究内容如下： 1 在前人理论的基础上，提出了低能强夯与真空降水联合加固饱和土体的机理， 为进行深入研究打下理论基础。 2 通过对联合加固技术在现场应用的监测数据分析，研究了加固前后及加固过程 中水位、超静孔隙水压力的变化规律，并通过对动力触探、静载、标贯等试验结果的分 析验证了联合加固技术的优越性。 3 通过室内试验，对比分析了联合加固技术处理前后土体相关力学指标的变化，同 时验证了该加固技术的可行性和有效性，得到了用于指导施工的工艺参数，提出了控制 施工的指标，为联合加固技术的理论研究和计算分析提供依据。 4 用先进的有限元软件a b a q u s e x p l i c i t 求算夯锤与土层的接触应力。并把此计算结 果应用到夯后固结计算过程中，编制了比奥固结平面有限元程序，对联合加固方法进行 数值实现。通过分析单独强夯与联合加固所引起的不同深度处土体在夯击瞬间、随时间 变化的位移、孔隙水压力的规律，并对两者所形成的夯坑形状进行了绘制。结果显示， 与单独强夯法相比，强夯与真空降水联合加固技术具有明显的优势。 5 提出了联合加固技术施工质量指导原则与控制方法，为以后工程应用推广积累经 验。 关键词：低能强夯真空降水联合加固技术有限元软件 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o m b i n e dc o n s o l i d a t i o nt e c h n o l o g yi n c l u d i n gl o w - e n e r g yd y n a m i cc o n s o l i d a t i o n a n dd e w a t o r i n gh 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 c c o n s o l i d a t i o na n dt h ed e w a t e r i n g i tm a k e st h es o i lc 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 e e f f e c t i v e l yb yu s i n gt h em e t h o d so f d y n a m i cc 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 h d y n a m i cv i b r a t i o na n dd e w a t e r i n gw h i c hm a k ev a c u u ma n dl e tt h eu n d e r g r o u n dw a t e rl e v e l d o w n i tm a k e su s eo f t h ev a c u u mn e g a t i v ep r e s s u r eb ym e a n s o f d e w a t e r i n gt oa c c e l e r a t eo f t h ed i s s i p a t i o no f t h el a r g e re x c e s s i v ep o r e p r e s s u r e si nt h ep r o c e s so f d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n s oi ti san e wc o m b i n e dc o n s o l i d a t i o nt e c h n i q u e ，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 e s t a g eo f j u v e n i l i t y i tl a c k ss y s t e m a t i ca n dw i d e l yr e s e a r c h s oi tr e s u l t si nt h em e c h a n i s m a n dt h e o r yi m m a t u r e b a s e do i lt h ef o r m e r s s t u d i e sa n dt h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do f d y n a m i cc o m p a c t i o n e x p e r i m e n t a t i o nn a t i o n a lh i g h w a y2 2 0f r o mb i n z h o ut oj i n a na r t e r i a lh i g h w a yf o u n d a t i o n ， p e n m a ns y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c ht h em e c h a n i s mo f c o m b i n e dc o n s o l i d a t i o nt e c h n o l o g y , c h a n g el a wo f t h es o i la f t e rd y n a m i cc o n s o l i d a t i o n , c h o o s i n gd y n a m i cc o m p a c t i o np a r a m e t e r s a n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ye c t a n ds o m eb e n e f i c i a lc o n c l u s i o n sh a v eb e e ng a i n e d t h e s e c o n c l u s i o n sm a yc o n d u c te n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h e f o l l o w i n gs t u d i e sa r cp r e s e n t e di nt h i s p a p e r ： 1 b a s e do nt h ef o r m e r s is t u d i e s ，p u tf o r w a r dt h et r e a t m e n tm e c h a n i s m o f t r e a t i n gs a t u r a t e d s o i lb yl o w - e n e r g yd y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o dc o m b i n e dw i t hd e w a t e r i n g t h e s em a yb e r e g a r d e du st h e o r e t i c a lg r o u n d w o r k o f d e e pr e s e a r c ha f t e r w a r d 2 t h r o u g h t h es p o t m o n i t o r i n gd a t ao fd y n a m i cc o m p a c t i o ne x p e r i m e n t a t i o n , d o r e s e a r c ho nt h ec 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 s t 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 t h ea d v a n t a g e so fc o m b i n e dc o n s o l i d a t i o n t e c h n o l o g yh a v eb e e nv a l i d a t e db yw a y o fa n a l y z i n gt h er e s u l t so fd y n a m i cp e n e t r a t i o nt e s t , s t a t i cl o a dt e s ta n ds t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s t 3 v i al 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 em e c h a n i c si n d e x e so nt h e f o u n d a t i o ns o i lb e f o r ea n da f t e rt h ec o m b i n e dc 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 e f e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo f t h i sk i n do f c 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 n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r su s e df o ri n s t r u c t i n gc o n s t r u c t i o n sh a v eb e e ng a i n e d t h ei n d e x e s f o rc o n t r o l l i n gc o n s t r u c t i o n sh a v eb e e np u tf o r w a r d a n dt h o s ec a l lp r o v i d eg i s tf o rt h et h e o r y s t u d ya n dc a l c u l a t i o na n a l y s i so f t h ec o m b i n e dc o n s o l i d a t i o nt e c h n o l o g y 4 t h ec o n t a c ts t r e s sb e t w e e nt a m ph a m m e ra n ds o i ll a y e r sh a sb e e nc a l c u l a t e db yt h e a d v a n c e df i n i t ee l e m e n ts o f i w a r e - a b a q u s e x p l i c i t a n dt h e na p p l yt h er e s u l t si nt h e 2 些奎盔堂堡堂笪堡塞 c a l c u l a t i n gp r o c e s s e sa b o u tt h e c o n s o l i d a t i o na f t e rd y n a m i c c o n s o l i d a t i o n p l a n eb i o t c o n s o l i d a t i o nf i n i t ee l e m e n tp r o g r a mh a sb e e nw o r k e do u tw h i l ed o i n gc o n s o l i d a t i o n c a l c u l a t i o nt oc a l c u l a t et h en u m e r i c a lv a l u eo f c o m b i n e dc o n s o l i d a t i o nt e c h n o l o g y t h e d i s p l a c e m e n t sa n dp o r ep r e s s e sa c c o r d i n g t ot h eg r o u n d w o r k sd e p t hh a v eb e e na n a l y z e d a f t e rd y n a m i cc o m p a c t i o nb yc o n t r a s tw i t ha f t e rc o m b i n e dc o n s o l i d a t i o nt e c h n o l o g y a n d b o t ht a m p e rp i t sh a v eb e e nd r a w n i th a sb e e nc o m p a r e db e t w e e nb o t hc i r c u m s t a n c e st h a tt h e p o r ep r e s s u r e sc h a n g e da c c o r d i n gt ot h et i m e a n d t h o s eh a v ed i s p l a y e dt h ea d v a n t a g e st h a t d y n a m i cc o n s o l i d a t i o na n dd e w a t e r i n gp r o c e s s e dt o g e t h e r 5 p u tf o r w a r dc o n s t r u c t i o nq u a l i t yi n s t r u c t i o n sa n dc o n t r o l l i n gm e t h o d sa b o u tt h ec o m b i n e d c o n s o l i d a t i o nt e c h n o l o g y a n dt h o s ec a l lp r o v i d ee x p e r i e n c e sf o rs u b s e q u e n te n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n sa n de x t e n d i n g k e yw o r d s ：l o w - e n e r g yd y n a m i cc o n s o l i d a t i o n ，d e w a t e r i n g ，c o m b i n e dc o n s o l i d a t i o n t e c h n o l o g y ，f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：翅猛e t 期：论文作者签名： 趁【翌蕴 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 幽驺导师签名：垒丝j日期：塑! ：! ：聋 山东大学硕士学付论文 第一章绪论 1 1 前言 在公路建设中经常遇到的主要工程难题是如何有效地处理好软土地基问题。若对软 土特性认识不足，处理措施不当，技术控制不严，就会出现地基失稳、不均匀沉降、工 后沉降较大等问题，造成各种路基路面病害，影响行车安全，缩短使用寿命。因此，工 程界和广大学者十分关注地基加固技术的开发研究。 近年来，各种地基加固新技术在高速公路软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，起到较好的加固效果，是非 常有工程实际意义的。 国道2 2 0 线滨州至济南一级公路为山东省公路重点工程，由老路宽为1 2 m ，拓宽至 3 3 m ，其中两侧拓宽范围内为老路边沟。当地县政府2 0 0 0 年曾组织沿线百姓回填边沟， 但并没有进行压实。该路段沿线为黄河冲积土，路段填土为低液限粉土，地下水位较高， 老路基压实度不够，拓宽路基边沟上覆2 r 叶5 m 的淤积土，为增加路基承载力，减少 新老路存在的不均匀沉降，需要对拓宽路基进行加固处理。设计单位提出的换填方案， 在实施中由于地下水位高而放弃。经过专家论证，确定了真空降水+ 低能强夯联合处理 方案。该方法是先采用真空降水降低地下水位，再采用强夯法振动致密，提高地基的承 载力，减少沉降变形，加快地基固结。为了分析和研究强夯一真空降水联合加固地基的 机理和效果，积累工程经验，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，有必要立题进行深入的研究。 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术能够更好地发挥原来各自的优势。低能强夯与真空降水联 合加固技术便是综合了真空降水技术和强夯技术各自的优势，发挥各自的优点，达到较 好的加固效果。 1 2 1 强夯法处理地基研究现状 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，使地基土压密和振密，从而提高地基的强度，改善地 基的力学性能。 山东大学硕士学位论文 强夯法是由法国工程师梅纳( 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 等欧洲国家应用较早。日本是从1 9 7 3 年开始引入强夯法。 我国是在1 9 7 5 的刊物上开始介绍动力固结法的。在我国，潘千里在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。目前，应用强夯法处理的工程范围很广泛，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。由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l l 捌。 目前国内外关于强夯法加固地基的机理看法还不一致f 3 一。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 2 1 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，英国教授米切尔( m i t c h e l l ) i s 作了关于地 基土加固技术的报告，他指出“当强夯法应用于非饱和土时，压密过程基本上同实验室 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：强夯对饱和细颗粒土的效果尚不明确，对于此 类土，需要破坏土体的结构，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密。 郑颖人等1 6 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。 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 l 7 1 指出，当地基中有 粘性土层存在时，减小有效击实深度，它既有赖于每锤的夯击能，同时也依赖于各夯点 的夯击顺序以及每一夯点的锤击数，而两者的效应用单位加固面积上的夯击能来衡量是 合理的。l e o l li s 认为，考虑到强夯法加固地基的方式，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。 g a m b i n l 9 ( 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的 影响。强夯使土体产生纵波、横波和表面波。横波主要使原有土的骨架结构破坏，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，使土骨 山东大学硕士学位论文 架产生新的沉降和压密。在国内，左名麒提出的振动波理论l lo l 认为夯击所产生的巨大 冲击能将以波的形式向士介质传播。 坂口旭1 1 1 l 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相一致。 梅纳i l2 】根据饱和粘性土经受强夯后产生数十厘米间变形的现象提出了的新的动力 固结理论，他认为饱和粘性土是可压缩体。其理论解释依据为：饱和二相土实际并非二 相土，二相上的液体中存在一些封闭气泡，约占土体总体积的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，这一压力增量与孔隙水压力增量一致。因此冲击使土结构破坏，土体积缩 小，液体中气泡被压缩，孔隙水压力增加。孔隙水渗流排出，水压减小，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，则夯后的承载力反而减小；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。据此机理，梅纳还提出如图 1 1 所示的动力固结模型。不过，梅纳只对上述机理作了宏观的解释，而未做进一步的 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，放此模型只具有定性描述 的意义。 含少量气泡的可压缩液体 固结时液体排出所通过的孔径可变化的小孔 弹簧刚度为变数 活塞有摩阻力 图1 1 梅纳提出的动力固结模型 y k c h o w i ”j 等也提出了粒状土强夯分析的一维模型，他们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。 国内一些学者也对强夯法的力学模型进行了一些研究。陆新1 1 4 j 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 实验模拟强夯的作用机理，对其动力学特征进行了开拓性研究。钱家欢掣”j 曾用自制 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。韩文喜【l6 j 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。 3 山东大学硕士学位论文 1 2 1 - 2 孔隙水压力变化规律研究 强夯后孔隙水压力的消散决定着强夯的夯间间隔时间和有效影响范围，是工程界和 学术界普遍关注的，研究孔压的产生、增长和消敞规律对提高地基土的加固效果和加快 工期，以及研究强夯加固机理都十分必要。 韩文喜【1 7 悃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问的孔隙被压缩，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。 白冰【1 8 】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、卸荷阶段土层内部任 一时刻的孔隙水压力表达式。 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1 1 9 1 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 软粘土孔压遵循双曲线增长模式，影响孔压的主要因素有冲击能量、冲击次数、围压以 及土体固结状况。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，孔压增长速率快。 从工程实践出发，赵抚民f 2 0 】结合一些强夯工程的实测资料，分析了地基内部孔隙 水压的变化规律后认为：在夯第一击时会产生较大的孔压增量血，但随着击数增加，” 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。 现在，大量的工程实践证明，对于不同类型土，其孔隙水压力的产生、增长和消散 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间以避免橡皮土的形成。 1 2 2 强夯法数值模拟研究现状 强夯过程的客观复杂性决定了夯击过程分析难以用常规的解析方法来推求，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、计算模型和 岩土参数确定方面都有了较大进展。常用的方法有动力有限元法1 2 、边界元法1 2 2 1 、离 散元法1 2 3 l 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 2 2 4 1 。童小东1 2 3 】提出了采用单位脉冲荷载法来解决动力接触问题，编制了三维有限元 程序进行的动力计算。蒋鹏【2 5 】( 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，采用了大变形理论，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。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l2 6 】；运用可靠度方法和神经网络理论可以较好地解决力学 参数的随机性、模糊性1 2 2 ，2 7 1 。 孔令伟、袁建新【2 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 山东大学硕士学位论文 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。宋修广【驯( 1 9 9 9 ) 等在动态形函数的基础上提出了 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。孟庆山、雷学文i3 0 l ( 2 0 0 0 ) 对加固饱和软粘土地基进行了流、固耦合分析，编 制了近场瞬变波动有限元程序，得出强夯过程中土体动态响应的一般规律。陈洁、李尧 臣【3 1 1 ( 2 0 0 0 ) 等采用三维问题的变分原理和有限元法定性地模拟了强夯过程。丁振洲2 l ( 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，实现了土体与水体耦合分析。宋 修广【郅1 ( 2 0 0 3 ) 综合考虑了地基土的流、固、动力耦合和地基与夯锤接触表面的动力 耦合情况，给出了基于三维有限单元法的计算方法和迭代格式。所建立的耦合方法可用 于强夯加固法求解。谢能刚、宋修广l3 4 1 ( 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固动力耦合方程，给出土体非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算方法，得到了地基位移应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。谢能 刚、宋修广习( 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 的土体非线性动力平衡方程，给出了该非线性方程的迭代计算格式。的高飞、陈龙珠【3 6 】 ( 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。宋修广【3 7 1 ( 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土体动力平衡方程，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。高广运i3 s l ( 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，并用节点竖向位移耦合的方法 模拟了夯坑的形状。 1 2 3 真空降水研究现状 真空降水是通过抽真空形成的真空度和降水后的水力梯度作用下，孔隙水由排水通 道流向地表水平排水层，最后被抽走，土体因而固结沉降并得到加固的一种地基处理方 法。该方法最早是1 9 5 2 年瑞典皇家地质学院杰尔曼教授在美国麻省理工大学召开的加固 土会议上提出来的l3 9 1 随后立即引起了学术界和工程界的关注。 在开始阶段，由于当时对负压条件下的加固机理并不是很清楚，所以在相当长的时 期内无法推广应用此方法。由于真空降水作为一项旌工工艺本身并不能独自处理工程问 题，在后来的发展中都是与相关的施工技术( 比如预压、堆载等) 一起来发挥作用的。 首先在工程上获得成功的是美国费城国际机场跑道扩建工程，该机场使用了真空、 深井降水联合预压法。此外日本大阪南港的填筑工程也采用了该方法并取得较好的加固 效果。法国某油灌采用真空预压也取得了较好的效果。后来苏联也开展了这方面的研究。 引用拉普拉斯方程计算真空作用下的沉降量，并用真空预压法提高滑动体液化土的稳定 5 山东大学硕士学位论文 性l , s o l 。 ， 我国于5 0 年代末6 0 年代初在天津，上海及哈尔滨等地也曾进行过室内外试验，并推 向工程应用。交通部第一航务工程局科研所自1 9 8 0 年在天津新港进行了一系列的真空预 压试验，后经专家鉴定意见认为本工艺技术在真空度和大面积加固方面处于国际领先地 位，并列为国家“七五”期问重点推广项目之一，在天津、连云港、宁波、温州等地推 广加固软土地基1 1 4 万m 2 【4 ”。1 9 9 6 年。首次运用真空降水预压法加固基坑内土体，提高 土体的强度与变形模量达2 0 3 5 ，使开挖6 m 深的基坑重力式挡墙在无支撑条件下位移 d 、t s m m l 4 2 1 ；1 9 9 7 年运用真空降水预压法加固龙东大道g 匝道桥坡的地基获得成功，通 车至今未发生跳车。工后的沉降为s = 1 2 m m 。 国内8 0 年代后，南京水利科学研究院、天津大学、河海大学及交通部第一、三、四 航局等单位对此展开研究，在理论和实践上取得了突破进展。主要研究成果【4 3 】有： ( 1 ) 有效应力路径方面 在不改变总应力的情况下，降低土中孔隙水压力，使土的有效应力增加，从而提高 土体强度和承载力，达到加固目的。 ( 2 ) 渗流路径和真空度传递方面 抽真空形成的真空度通过打设在地基中的竖向排水通道向下延伸，又向四周土体扩 散，在真空度和水力梯度作用下，孔隙水由竖向排水通道流向地表水平排水层，最后被 抽走，土体因而固结沉降并得到加固。 ( 3 ) 真空降水加固方面 在加固机理方面，杰尔曼教授只提出抽真空使土体孔隙水压力降低、有效应力增加 的正确观念。1 9 7 3 年，美国的威廉等人提出二维渗流网的概念来解释真空预压加固效果， 但其由于没有对真空预压条件下孔隙水压力一土体有效应力相互关系进一步研究，也未 考虑加固土体本身的固结过程，因而无法预估地基固结度即有效应力随时问的变化规 律，也难于解决工程实践。 1 2 4 真空降水固结理论计算研究现状 固结理论计算目前有多种计算方法，但归纳起来有以下三类：一种是以轴对称固结 理论为基础的解析解法，如巴隆( b a n d n ) 解、汉斯波解和曾国熙解等i4 4 1 。另一种是半解 析解法，孔隙水压力由解析解求出，而位移则用数值解法计算。还有一种是以太沙基 ( t e r z a g h i ) 固结理论或比奥( b i o t ) 固结理论作为基础的数值解法，如有限元法、边界元法 和差分法等1 4 5 1 。 对于解析解法，最大的优点是计算简单，比较适合计算加固区比较大，地基情况和 边界条件、初始条件比较简单的加固区中心的固结沉降。巴隆最早于1 9 4 8 年提出的，采 用与太沙基理论中相同的假设条件，但假设只在径向( 水平向) 发生孔隙水的渗流，后又 借助纽曼一卡里罗( n c w m a n c a r r i l o ) 定理进一步考虑竖向渗流的影响i4 们。1 9 7 8 年 6 山东大学硕士学位论文 y o s h i k u m i 提出了较严密的自由应变条件考虑井阻的砂井固结理论。谢康和”在前人研 究非理想井固结理论的基础上，提出了概念清楚、易于计算、便于应用的解答，但由于 解析解一般假设固结过程中总应力不变，所以无法考虑固结过程中孔压与变形的藕合关 系；此外，它还无法对整个地基特别是加固区边界的固结变形进行计算；因此解析解法的 应用受到了很大的限制。 塑料排水板或砂井地基中变形往往不是单向的，存在水平位移。解析理论只能求得 沉降，赵维炳 4 s l 在考虑土体流变的基础上提出了砂井地基固结分析的半解析解方法， 这种方法计算比较方便，可以考虑比较复杂情况，如土体的粘弹性、固结的三向性、砂 井井阻和涂抹及砂井群的共同影响等；但将孔压与位移分开考虑显然不合适，而且孔压 由解析解求出，与实际的变化规律不吻合。 数值解法可以弥补解析解的不足，适应于土体的非线性、弹塑性和各向异性等特点。 土的固结与流变问题的基础偏微分方程，对于稍复杂一点的边界条件就无法获得其解析 解。数值解法己成为现代岩土工作技术人员必须具备的基本技能之一。日前三维数值解 法比较流行，陈环i 删在计算时把砂井作为砂墙，将空间问题转化为平面问题，他们都 把砂井和砂垫层作为已知水头边界进行计算。对于粘性比较大的土体，为了能更好的模 拟土体固结变形情况，有必要考虑土体的次固结作用。由于袋装沙井或塑料排水板的施 工对有一定结构性的正常固结土体的扰动，造成土体强度降低，因此计算时必须考虑土 的损伤。余志顽、赵维炳1 5 0 等提出粘弹一粘塑性三维有限元分析方法，该法可以考虑 土的剪胀、剪缩和粘滞性，理论和实测结果吻合较好，但砂井地基的三维有限元分析工 作量巨大，难以在实际工作中推广应用。 强夯法与真空降水的加固机理不同。强夯法是通过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土压密和振密来提高地基加固区的强度，改善地基的力学性 能。真空降水是通过抽真空后形成的真空度与降水后的水力梯度的共同作用下，孔隙水 由所形成的排水通道向地表水平排水层流出，最后被抽走，土体因而固结沉降并得到加 固。强夯法的缺点是在强夯过程中易形成很高的超孔隙水压力使得土体易液化，真空降 水法缺点是受真空负压限制( 不超过9 0 k p a ) ，两种加固技术相联合，可以充分发挥强夯和 真空降水的技术优势，使其共同发挥作用，利用真空降水来加速强夯产生的超静孔压消 散和孔隙水排出，从而可以迅速提高软土的固结率，有效避免强夯过程中出现的“橡皮 土”现象，使得加固作用合理有效。 目前，有关低能强夯与真空降水联合加固技术的应用研究还很少，因此有必要进行 相关的研究。 7 山东大学硕士学位论文 1 3 研究内容与技术路线 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，对强夯一真空降水联合 加固技术的加固效果，加固机理，固结计算方法等进行了深入研究。 l 、联合加固技术加固效果研究 通过现场试验，对比分析了处理前后地基土相关力学指标，验证了处理方案的可 行性，得到了用于指导施工的工艺参数，提出了控制施工的指标，为联合加固技术的理 论研究和计算分析提供依据。 2 、联合加固技术加固机理研究 强夯法与真空降水加固技术各有优缺点，两种技术联合应用，可有效发挥各自的 作用。虽然对各自技术的加固机理已有一定的认识，但二者联合应用加固机理有何不同， 尚需认真分析探讨，以建立相关计算公式，用于理论分析。 3 、固结沉降计算分析 国内外研究现状表明，强夯法加固处理地基的固结沉降计算理论不成熟，而对于联 合加固技术的理论更是新的课题，固结沉降计算方法的理论研究对联合加固技术应用研 究具有十分重要的理论意义和现实意义，本文采用先进的数值分析软件，结合相互作用 特点，提出和建立适宜的计算模型和计算方法，以期对设计和施工提出指导性建议。 4 、施工组织及质量控制方法 科学的施工组织和有效的质量控制措施是保证施工质量的关键。在现场试验和理 论分析的技术上，结合工程特点，制定施工质量控制标准，提出控制施工质量措施，以 指导施工，保证工程质量。 1 3 2 本文研究的技术路线 山东大学硕士学位论文 技术路线见图1 2 。 1 4 本文的创新性 图1 2 技术路线框图 本文对联合加固新技术进行了深入研究，主要创新点为： 1 通过实际工程中的现场监测资料分析，揭示了加固区的固结变形规律，为联合 加固技术的理论研究和计算分析提供依据；对联合加固效果进行了分析评价，针对设计 与施工提出了合理的建议。 2 用有限元软件求算夯锤与土层的接触应力，并编制了比奥固结平面有限元程序， 对联合加固方法进行数值模拟。 3 将现场试验结果与理论分析结果相对比，提出了联合加固技术旌工质量指导与 控制方法，为以后工程应用推广提供经验和依据。 9 山东大学硕士学位论文 第二章联合加固技术的现场试验研究 2 1 工程概况 近几年强夯一真空降水联合加固法作为一种地基加固新技术，逐渐被应用于大面积 的地基加固中。国道2 2 0 线滨州至济南一级公路第八合同段起讫k 1 0 5 + 0 3 0 k 1 2 1 + 5 9 9 0 l ，该路段全长1 6 5 6 9k m ，该合同段工程均为沿旧线扩建施工。地形较平 坦，地貌单元为黄河冲积平原。其中k 1 0 5 + 0 3 0 k 1 1 8 + 2 5 0 老路的两侧有备土，且高 出老路面约8 0 1 2 0 c m 不等，未经压实。经钻探揭示，备土段地层主要由素填土( 松散、 场地遍布) 、粉土( 饱和、抵抗剪强度、高压缩性、高孔隙比、场地遍布) 、粘土( 软 可塑、局部分布) 、亚粘土( 饱和，软可塑、局部分布) 、淤泥质土( 流塑状、局域分 布) 组成。备土段下部土层较为软弱、含水量高( 平均超过3 4 ) 、孔隙比大( 平均超 过0 9 5 ) 、饱和度大( 平均接近9 5 ) 、压缩性高( 属中高压缩性土) 、抗剪强度低( 如 粉土快剪粘聚力未超过1 1 k p a ) 。地下水随降水变化较大，近期地下水埋深1 0 7 3 2 6 米。 该工程工期紧，质量要求高，为保证工程质量，减少新老地基的不均匀沉降，增强 路基的稳定性，从地基处理可行性、工期要求、工程造价等方面进行了多方案的比较后， 采用了强夯一真空降水联合加固处理。为研究联合加固处理效果，积累工程经验并指导 设计与施工，在工程现场选取了试验区，埋设相关仪器进行现场跟踪观测。 2 2 现场试验方案 2 2 1 监测方案 2 2 1 1 监测内容 试验区在k 1 1 7 + 8 1 5 k 1 1 7 + 9 1 5 区间，路的两侧同时进行。在加固过程中，为及 时反映试验过程信息，对以下几方面进行监测：地下水位的监测，孔隙水压力的监测， 地表位移的监测，地表的沉降的监测。 为及时监测在施工过程中地下水位、孔隙水压力、地表位移以及地表的沉降，在试 验区选取了相应的观测断面，布置了相应测点。埋设水位观测孔、孔隙水压力计及标桩 分别进行水位、孔隙水压力和水平位移监测。共埋设水位观测孔9 个，孔隙水压力计 1 0 个以及标桩9 个，地表沉降监测点1 4 个。 本次监测所用仪器见下表2 1 所示： l o 山东大学硕士学位论文 表2 1监测内容及仪器设备表 一次仪器 序号监测内容二次仪表 名称 型号 i 地下水位水位管+ 5 0 p v c 管水位观测仪 2 地摹土孔隙水压力钢弦孔压计0 2 m p a钢弦频率测定仪 3地表水平位移标桩全站仪 4 地表沉降监测水准仪 2 2 1 2 测点的布置和监测频率 合理的布置监测点在监测工作中是非常重要的。在该试验中，为了得出强夯对周围 环境的整体影响效果，把测点布置在几个集中的点上：为了更加直观的反映强夯效果， 测点大部分都布置在试验区内，在施工过程中要特别注意加强对测点的保护：为了便于 分析各监测数据之间的关系，得出更合理的试验结论，在同一地方应进行多种监测。为 了得到完整的强夯试验的数据，便于分析其加固效果，确定最佳施工参数，施工监测 工作应伴随强夯试验的整个过程，即夯击第一锤开始到夯完后变形基本结束，孔压基本 消散的整个过程