（机械设计及理论专业论文）夯锤超声波清孔方法研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 强夯法成为一种经济、高效和环保的地基处理方法。随着人们对强夯法认识的加深 和对强夯机理研究的深入，其应用范围不断扩大。为了减小夯锤下落过程中的空气阻力， 夯锤都设有通气孔。由于强夯施工现场条件复杂、作业连续，一旦通气孔内发生泥土的 初始堆积，在后继的夯击过程中就会有越来越多的泥土进入并被夯实，导致通气孔失效。 目前的清孔方法完全是手工作业，用钎和手锤凿，再从气孔内部将松土掏出。清理一个 孔一般要3 4 个小时，工作效率低，劳动强度大。因此有必要探讨轻便快捷的现代旌工 方法，以改善施工条件，提高工作效率。 超声波有着优良的高能密度特性，尤其是高频振荡产生的超高声压以及由此带来的 空化等一系列特有的效应，在工业破碎和搅拌作业等诸多领域有着广泛的应用。 本文依据超声波独特的性质，设计出了超声波清除夯锤通气孔中堆积泥土的方法， 论述了超声波对泥土作用的机理，讨论了超声波的频率、功率、粘土特性等条件对清孔 速度的影响，并通过实验证实了超声波清孔的赢效性。最后本文拟定了一套施工方案并 设计了套施工设备。 关键词：夯锤；通气孔；超声波 夯锤超声波清孔方法研究 r e s e a r c ho nt h ec l e a r i n gf o rv e n th o l eo f r a m m e rb yu l t r a s o n i c a b s t r a c t d 呦1 j cc o m p a c t i o nh a sb e c o m ea l le c o n o m i c a l , e f f e c t i v ea n de n v i r o n m e n t a lm e t h o do f f o u n d a t i o nu e a t m e u t w i 血p e o p l er e a l i z i n gt h em e t h o do fd y n a m i cc o m p a c t i o nb e t t e ra n d r e s e a r c h i n gt h em e c h a n i s mo fi tf u r t h e r , t h ee x t e n s i o no fa p p l i c a t i o nh a sb e e ne n l a r g i n g c o n t i n u o u s l y i no r d e rt od e c r e a s et h ea i rr e s i s t a n c ed u r i n gt h ep i d c g 爆so f 僦l i i l g ，t h e r ea r e v e n th o l e si nt h er a r f l l n l s a st h ec o n d i t i o no f j o bl o c a t i o ni sc o m p l e xa n dt h eo p e r a t i o ni s i n c e s s a n t , o n c et h ec l a ya c c u m u l a t ei n i t i a l l yi nt h ev e n th o l e ，t h e r ew i l lb em o r ea n dm o r e c l a ye n t e ra n db et a m p e di nt h el a t t e rp r o c e s so fr a m m i n gw h i c hm a k e st h ev e n th o l ei n v a - l i d a t i o n t h em e t h o do fv e n th o l ec l e a r i n ga tp r e s e n ti sw h o l l yh a n d w o r k , u s i n ge r o w b a ra n d h a r f l n l e l t oc h i s e lt h e nh o l l o w i n go u tt h ec l a yf r o mt h ev e n tb o l e g e n e r a l l yi tt a k e sa b o u t t h r e et of o u rh o u r s t oc l e a ro n ev e n th o l e ，w h i c hm a k e sw o r k i n ge f f i c i e n c yl o w ，l a b o r i n g i n t e n s i t yh i g l l ts oi ti sn e c e s s a r yt od i s c u s sap o r t a b l e , s w i 危m o d e mw a y t oo p e r a t ei no r d e r t oi m p r o v et h ec o n d i t i o no f w o r k i n ga n di n c r e a s et h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c y u l t r a s o n i ch o l d st h ec h a r a c t e r i s t i co fh i 曲e n e r g yd e n s i t y ，e s p e c i a l l yt h es u p e rh i g l l s o u n dp r e s s u r em a d eb yh i # f r e q u e n c yv i b r a t i o na sw e l la sas e r i e so fs p e c i a le f f e c t sl i k et h e c a v i t a t i o nb r o u g h tb yw h i c ha r ew i d e l yu s e di nal o to ff i e l d sl i k et h ei n d u s t r i a lc r u s h i n ga n d w h i s k i n gf o ri n s t a n c e i nt h i sa r t i c l e ，i tw a sd e s i g n e dt h em e t h o do fc l e a r i n gt h ea c c u m u l a t ec l a yi nt h ev e n t h o i eo fr a l n l n e rb yu l t r a s o n i cb a s e d0 1 1t h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i co fn i t r a s o n i c ，i td i s s e r t a t e d t h em c c h a l l j c so f h o wu l t r a s o n i ca c t i n gc l a y ，d i s e a s e dh o wt h ec o n d i t i o i lo f f t e q u e n c y , p o w e r , c h a r a c t e r i s t i c so fs l i m ea n d o ne f f e c tt h es p e e do fc l e a r i n g ，s i l b s t a n t i a m dt h eh i g he f f i c i e n - c yo f u l t r a s o n i cc l e a r i n gv e n th o l eb ye x p e r i m e n t l a s t l ya c o n s t r u c t i o ns c h e m ew a sm a d ea n d as u i to f c o n s l z 佻e t i o na p p a r a t u sw a sd e s i g n e d k e yw o r d s ：r a m m e r ：v e n th o l e ：u l t r a s o n i c i i 大连理工人学硕七研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： q 导师签名 弛 啐年月卫日 翌 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 强夯工艺概述 强夯法又称动力固结法( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n ) ，即用起重设备反复将重量达 8 0 4 0 0 k n 的夯锤起吊到8 2 5 m 高处，而后利用自动脱钩装置使夯锤自由落下，其动能 在土中形成强大的冲击波和高应力，从而提高地基的强度、降低压缩性、改善其抵抗振 ( 震) 动液化能力、消除湿陷性【i 】。强夯法加固地基有3 种不同的加固机理：动力密实、 动力固结和动力置换。动力密实机理是由于在夯击过程中巨大的夯击能和冲击波作用， 土体因微气泡被压溃而被夯实；动力固结适用于高含水量地质结构，强夯使夯击点周围 出现径向裂缝，加速孔隙水压力消散，土体含水量下降，承载能力增加；动力置换是将 碎石或粗颗粒材料强行夯入软土中，最终形成砂石桩与软土的复合基础。不同机理的作 用取决于地基土的类别和强夯施工工艺【2 j 。 图l1 强夯施工 f i g 1 1t a m p i n go p e r a t i o n 强夯地基处理法由于其节能环保、设备简单、施工便捷、材料节省、质量容易控制、 适用范围广、施工周期短等特点，自1 9 7 8 年在工程中开始试用以来，受到了中国工程界 的高度重视，在世界各地多种类型、多种目的的地基处理工程中也得到了广泛的应用【l 】。 强夯施工法由于利用各种无机固体废料进行地基加固，因此能消耗大量的建筑及工业垃 圾，减少环境污染。强夯技术能明显提高地基的均匀性，充分保证建筑物的安全使用； 同时还能提高土层的均匀性，减少工后差异沉降。我国人口众多，土地资源有限，人均 夯锤超声波清孔方法研究 耕地仅为世界平均水平的十分之一。在进行大规模建设时，需要节约耕地，尽量利用各 种“不毛”之地，如淤泥、滩涂、回填土、沙基、垃圾坑、废料堆场以及深厚湿陷性黄 土等。在利用节能环保的地基处理技术处理一些不良地基，进行人工造陆、围海造田方 面，强夯法被证实是一种理想的方法1 3 1 。 1 2 超声波概念及应用 1 2 1 超声波概念 频率高于l o 七d z 的声波称为超声波，因此超声波具有普通声波的一系列物理性质。 超声波与普通声波的区别在于，超声波具有超高频率因而具有比普通声波高出很多的声 压和能流密度。这些因素使得超声波拥有一系列独特效应，例如机械( 传声媒质的质点 振动位移、速度、加速度、声压等力学量) 效应、热效应( 声波在传播过程中部分能量 被媒质吸收转化成热能) 和空化效应 4 1 。其中，空化效应是最独特的也是在工农业领域 中应用最多的效应。 超声波基本主要作用有以下四种【5 】： ( 1 ) 超声波使得媒质粒子作交变振动，并引起媒质中的应力和声压周期性变化，从 而引起一系列次级效应。 ( 2 ) 当大振幅的波在媒质中传播时，会形成锯齿形波面的周期性激波，此时波面处 有很大的压强梯度，因而能产生局部高温高压等一系列特殊效应。 ( 3 ) 振动的非线性导致相互靠近的柏努利力以及粘度的周期性变化，从而引起直流 平均粘滞力，这些直流力引起定向作用、凝聚作用等一些力学效应。 ( 4 ) 在声场中，液体中附着在杂质以及固体壁面上的微气泡逐步生长、扩大，然后 突然破灭，在这急速的气泡崩溃过程中，气泡内出现瞬时高温高压，其附近液体中形成 局部强烈的激波，因而可能产生一系列物理、化学，生物等效应。 1 2 2 超声波的应用 ( 1 ) 超声波空化效应的应用嘲 超声波在化工方面应用 超声波在化工方面的应用主要体现在对其物理效应和化学效应的应用上。前者主要 表现在非均相反应界面的增大；后者则主要表现在空化作用产生的高温高压使得高分子 分解、化学键断裂、产生自由基等。利用物理效应的过程包括吸附、结晶、电化学、非 均相化学反应、过滤以及超声清洗等，利用化学效应的过程主要包括有机物降解、高分 子化学反应以及其他自由基反应。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 超声波在清洗方面应用 超声波对物件的清洗是通过空化泡被压缩崩溃时产生的高温高压冲击波和高速微 射流冲击物价表面，破坏污垢与被清洗件之间的附着力，使得污垢从清洗件表面脱离。 超声清洗还有一个特性，即波所到之处均能产生空化泡，因此不仅可以清洗物件表面， 同时气泡还可以“钻入”缝隙和裂缝中，清洗物件内部，所以超声清洗法适用于复杂形 状零件。 超声波在催化方面应用 空化所产生的高温高压冲击波以及时速近4 0 0 a n h 的微射流，对液固非均相催化体 系起到了很好的冲击作用，加快了化学反应的进程。首先，冲击波和微射流可不断剥除 催化剂表面吸附的反应物和杂质，强烈时则可侵蚀固体表面；其次，微射流可导致分子 之间强烈地碰撞和聚集，使得催化剂的结构、组成及反应活性产生显著的变化，进而强 化传质过程。 超声波在废水处理方面应用 超声空化产生的冲击波和微射流能将水分予分解为h 和o h 自由基( o h 的氧化能力 仅次于元素f ) ，另外也能使溶解在溶液中的空气( 氮气和氧气) 发生自由基裂解反应。这 些自由基会进一步引发有机分子的断链、自由基的转移和氧化还原反应，从而对废水进 行有效地处理。 超声波在电镀工业中应用 超声波在电镀工业中的应用表现在以下三个方面。首先，空化产生的微射流对电极 表面进行彻底清洗；其次，超声波达到负压区时在介质中产生强大的拉应力使氢气形成 空化泡，从而加快氢气的析出；最后，超声波空化所产生的高速微射流强化了对溶液的 搅拌，加强了离子的运输能力，减小了分散层厚度和浓度梯度，降低了溶液极化，加快 了电解过程，优化了电镀操作条件。实践表明，超声波空化作用不仅提高了镀覆速度和 效率，同时也提高了镀层的质量。 超声波在生物医学方面应用 超声波在生物医学方面应用，首先是利用稳态空化作用产生的微射流去改善细胞膜 的渗透性，促进可逆渗透，加强物质运输，从而增加代谢活性、促迸有益物质的生成。 空化作用形成的微射流可使其周围的酶或细胞颗粒受到强大的切应力作用，这可能导致 细胞的破坏，但是低强度超声波产生的稳态空化作用对细胞的破坏很小。其次，超声波 产生的空化效应还能使细胞膜上出现可逆性小孔，这可能是超声波增强外源基因转染和 表达的主要机制。有文章报道指出，在肿瘤治疗中，超声波空化产生的机械效应可以破 坏肿瘤组织，增加人体对癌症的免疫力。 夯锤超声波清孔方法研究 ( 2 ) 超声波高定向特性的应用【7 】 超声声纳回声探测 超声波发生器发送短的声脉冲束，然后接受反射脉冲，根据接受反射脉冲的滞后时 间测量声源与脉冲反射物体之间的距离。在战争时期，利用超声波的声纳原理可以搜索 海底敌舰；在和平时期，可以研究海底起伏的地势。在海洋资源开发方面还可以探测鱼 群。 超声波探伤 在工农业和医学领域中，利用超声波的声纳原理可以发现非透明物体中的异物，例 如金属铸件中的裂纹或者人体内的肿瘤。当基体材料和缺陷对超声波的吸收与对x 射线 吸收大致一样时，超声波便显示出它的作用。 1 3 土力学发展及展望 土力学成为一门独立学科的过程，大致可分为两个阶段：即1 9 2 5 年至6 0 年代的古典 土力学阶段和6 0 年代至今的现代土力学阶段。在前一阶段，土力学基本上是在太沙基理 论范围内活动，在此理论基础上发展相应的试验和测试技术，同时在岩土工程实践中运 用、验证和丰富了这些理论。在这期间，虽然没有很多突破性的进展，但还是有不少重 大的成就和出现，如伏斯列夫的关于粘性土抗剪强度的理论、斯肯普顿提出的孔隙压力 系数的理论、贝伦在软粘土性状研究方面所作的杰出成就以及毕肖普和亨开尔对三轴试 验技术的发展等等，这些对土的性状的研究起了十分重要的作用。而6 0 年代以来的后一 阶段，计算机技术的迅速发展对众多领域起到了巨大的推动作用，也为整个土力科学的 进步提供了强有力的工具。许多在理论上已经解决而限于计算工具无法获得解答的课题 获得了明确的结论；许多在学术上已经发现或察觉的而由于计算工具限制尚未得出结论 的科学难点得到了有力的解答。计算机技术与数值分析方法的结合使土力学这门学科很 快从这个新的科学成就中获得了动力，并在岩土工程的实践中被迅速地推广应用嗍。 现今，土力学所要回答的基本问题仍然是两点：土体的变形和稳定。不过，复杂的 工程问题需要回答的，不再当当是一维竖向变形以及沿给定面上的抗剪强度，还要考虑 各种因素对变形和稳定的影响，譬如荷载的多维性、重复性、振动性、随时间的变化性， 地层条件和边界形状的复杂性，土体类型和结构的复杂性，饱和程度的变化，物理状态 的变化，渗流和孔隙压力的存在，土体结构的相互作用，时间温度的作用等等。这些引 出了土力学学科许多专门的领域，如土体本构理论、强度理论、固结理论、流变理论、 非饱和土力学理论、土压力理论、边坡稳定和地基承载力理论、土动力学、环境土力学、 地基加固的方法与理论等。 大连理工大学硕士学位论文 土力学一直是一门实验性很强的学科，离开了实验和测试就无法发展。 土力学试验可分为室内和现场试验，又可分为样品试验和模型试验。样品试验，无 论试样大小，都只能代表土体中的单个点的状态。一般，试验测出单个点在各种状态下 的性能，再用数学方法推导出土体中各点处状态( 受力、变形、渗流) 的总体规律。模型 试验是一个缩小了的真实土体，仍然要通过某种方法推广回原型，现场观测是对原型土 体作直接研究，也是一种1 ：l 的模型试验。 当前，土工测试的各方面也有了很大的发展。对土体的物理力学性质、微观结构等 测试的仪器和方法逐步成熟。三轴仪作为土力学特性测试的一种很重要而且常用的仪器 也获得了发展，除了普通三轴仪外还增加了应力路径三轴仪、固结三轴仪、非饱和土三 轴仪、真三轴仪、高压三轴仪、大型三轴仪、动三轴仪、共振柱三轴仪等。目前，模型 试验已发展了静力模型、动力模型、渗透力模型、离心模型等，现场试验和观测的设备 和方法也已多样化，但是当前的测试技术只适应当前的学科水平，在新世纪，土力学学 科要发展，还必须发展实验技术【9 】。 未来，土力学将朝着反映土的本来面目的大方向发展，在研究中尽可能地体现土的 “个性”。研究的三大任务和过程可分为：认识土、利用土和改良土。具体说来，土力 学的未来发展趋势主要有如下几个方面i s 】： ( 1 ) 土的微观和细观研究 迄今为止，人们对土的认识仍有很多不全面之处，都觉得土体很复杂，而且不能够 确切地描述其性质。要认识土，除了从它受力以后所表现出的性状进行观察外，还必须 采用微观和细观研究手段。细观力学的方法是一种新的研究方法，它涉及3 - 3 3 - 1 0 历量 级的问题。细观研究手段的应用将揭示出许多岩土特性的本质、解释许多力学现象、认 清诸如岩土屈服和破坏的条件、土的剪切带和变形局部化等问题。 ( 2 ) 非饱和土的研究 在自然界，土绝大多数处于非饱和状态，尤其是在干旱和半干旱地区。有些土即使 长期处于水下，其内也含有一定数量的气体，很难处于完全固液二相状态。非饱和土内 部状态比较复杂性，为简化计算模型只好把它当作饱和土来研究，这样就歪曲了它的本 来面目，不能够正确反映实际情况。目前，在非饱和土的强度方面已有不少研究，在变 形问题上也己初步建立了理论框架，其本构关系的研究也有若干报道，但都处于初步研 究阶段。非饱和土的研究将是下世纪土力学研究的重要内容之一。 ( 3 ) 非线性科学在岩土工程中的研究及应用 众所周知，土是一种高度非线性、非均质的材料，因此岩土工程以及岩土工程的平 衡方程或动力方程也是非线性的。岩土往往出现大变形、大位移的问题，其失稳与破坏 夯锤超声波清孔方法研究 是一个复杂的行为过程，当荷载或控制变量的组合达到某一临界点时，将发生从安全运 行到破坏的突变，而且在一定的条件下，稳定或破坏状态可能不唯一，出现分岔或混沌 现象。为此就有必要引进非线性科学的原理和方法，例如分维理论、分叉理论、突变理 论等。非线性原理对岩土工程破坏问题研究有很大意义，它可以深刻地解释和准确地预 测岩土工程的失稳和破坏，如突变理论应用在土体滑坡的研究中以及应用于土的本构关 系研究中。非线性特性是岩土材料和岩土工程的基本属性，因此非线性科学的理论和分 析方法将在未来土力学发展中发挥巨大的作用。 ( 4 ) 新本构理论的研究 土的本构关系是作用的外力或外界因素与土体由此表现出来的行为性状之间的定量 关系，例如应力一应变一时间关系、温度一应变关系等，它是土力学研究的中心问题之 一。本构模型在预测工程的性状、验证某些原理的合理性等方面发挥了积极的作用，但 是它在描述土真实特性的准确性和完整性方面是远远不够的，其计算结果与实际工程的 数值有一定的甚至是很大的差距。因此，简单实用且概念明确的本构关系仍将是本构研 究领域中的一个重要方面。 ( 5 ) 非确定性方法的研究应用 岩土材料具有很大的时空变异性。对岩土工程来说，从勘测、设计、试验研究到旌 工、运营的各个阶段不确定性无处不在，宜作为随机问题来对待。在未来的土力学发展 中，土性的随机性将会受到重视，岩土工程的设计方法将由定值设计方法逐步向可靠性 设计方法转化，概率理论和优化决策理论将有用武之地，岩土工程规划中风险分析的概 念( 如防洪工程的风险分析) 将作为重要的理论基础越来越起主导地位。概率论、模糊 分析、灰色理论等不确定性数学理论也将越来越在其中显示威力。 ( 6 ) 环境方面问题的研究 环境问题不仅仅是废料、废土的处理利用、地下工程对地面建筑物的影响等小环境 问题，而且包括土壤荒漠化、洪水、区域性滑坡、泥石流、地震灾害和火山喷发等大环 境问题。处理岩土工程与环境的关系的研究将是未来土力学发展的另一个重要方向，其 特点是强调环境对工程的制约，同时考虑工程对环境的反馈作用。 ( 7 ) 土的加固与改良技术 随着岩土工程的大型化、精细化和复杂化，天然状态下的土有时不能满足工程的需 要，这时需要处理土，改良土。可以预见这方面的课题将有很大的研究价值，同时也会 给土力学和岩土工程的发展提供巨大的空间。 ( g ) 经验提升和观测方法的运用 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 土力学是一门实践性很强的科学，因此工程实践经验必然有着十分重要的意义。观 测方法之重要性是由土和岩土工程的复杂性所决定的，工程知识和经验的积累在相当程 度上来自对观测资料的系统分析，它也是验证一切理论和计算成果的重要手段。可见， “观测法”在未来的土力学和岩土工程中将占有更重要的地位。 1 4 课题任务 1 4 1 课题背景 强夯法作为一种经济、高效和环保的地基处理方法，随着人们对强夯法处理地基的 认识的加深和对强夯机理研究的深入，应用范围不断扩大。 夯锤都设有通气孔，这是因为夯锤的形状大致为圆柱体底面平整，在下落的过程中， 底面会产生凝滞空气从而形成正压阻力，当夯锤从3 0 几米的高空落下时空气与夯锤的相 对速度很高、正压阻力很大，如果不能及时地将夯锤底部的空气排出那么将会使夯锤损 失大量的动能。在夯锤上设鹭通气孔的目的是使空气能顺利地排除从而减少能量损失。 通气孔如果被泥土堵塞就会失去其作用，而在实际施工时，却时而发现整个孔被夯 实的泥土全部填满。这是因为，施工现场的地基土质常常为松散粗粒土并且其中常常掺 杂有大小不一的石块、瓦砾等建筑废物。当夯锤撞击地基时，偶尔会有石块特别是大的 石块将通气孔卡住。一旦气孔被卡住，由于锤巨大的能积导致泥土以很大的压力从下方 塞入石块与石块或者石块与孔内壁的缝隙中无法自动脱落，因泥土具有粘性，每次撞击 时后续的泥土会与先前的粘住，这样孔的气隙逐渐变小，很快孔的底面就会被完全封住。 当夯锤新的夯点夯击时( 地基松散) ，夯锤会深陷地基中，周围的泥土就会从导气孔的 上端灌入，由于孔的下方已被封住，泥土无法排除，这样，在与地基撞击时，通气孔里 的泥土随同夯锤一起受到巨大的瞬间冲击加速度。土体自身的惯性使得土粒之间层层挤 压、相互嵌入，如此反复，导致土颗粒之间排列极其紧密( 几乎没有缝隙) ，从而达到 饱和状态。由于工程时间的限制，施工人员常常来不及检查通气孔，连续作业，当发现 堵塞现象时，一般孔已几乎全部被填满。 对此问题现行的排除方法完全是手工作业，人工用钎或者铁撬凿，再将松土从气孔 内掏出，最后将卡住的石块剔除。此方法有很多缺点。首先，由于通气孔口径比较小一 般为3 0 0 r a m 到4 0 0 删而深度却很大一般为1 5 0 0 m m ，随着凿入深度的增加不仅手工操作 很不方便，而且将泥土掏出的难度也越来越大；其次，更主要的原因是泥土密实、僵硬， 人工凿不仅耗费大量的体力而且速度很慢，一般要3 4 个小时才能将泥土清除干净。这 对于工程人员来说是一个很大烦恼，费时费力而且影响工程进度。因此，寻找一种省时 省力的方法来清除夯锤通气孔内的堵塞泥土，已经成为一个需要研究解决的课题。 夯锤超声波清孔方法研究 1 4 2 课题任务 基于上述工程需要，本课题旨在用一种新方法超声波法取代现行的方法，使得 清孔速度更快，工作强度更低。 首先，从理论上研究超声波法清孔的机理并阐述其可行性、高效性，讨论超声波的 频率、功率、泥土的特性等条件对清孔速度的影响规律；其次，通过实验去验证理论； 最后，根据实验数据、实际效果拟订一套工程实际的清孔方案。 本课题研究内容跨越了声学、土力学以及机械设计三大领域。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 泥土的工程性质 地球表面的整体岩石在大气中经受长期的风化、剥蚀后，形成形状不同、大小不一 的颗粒，这些颗粒在不同的自然环境下进行堆积、搬运和沉积而形成沉积物，即形成了 土。由此可见，土是各类岩石经过长期地质营力作用风化后的产物。 2 1 泥土的工程分类】 孔中的土来自地基，因此从建筑地基基础设计规范角度分类，可分为以下几类儿l ： ( 1 ) 岩石 岩石是颗粒间牢固联结，呈整体或具有结理、裂隙的岩体。根据成因条件可分为岩 浆岩、沉积岩、变质岩：根据坚硬程度可分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。 ( 2 ) 碎石土 碎石土是指土的粒径大于2 r a m 的颗粒含量超过总土重的5 0 的土，可分为漂石、块 石、卵石、碎石、圆砾、角砾。常见的碎石土强度大、压缩性小，渗透性大。 ( 3 ) 砂类土 砂类土是指粒径大于2 r a m 的颗粒含量不超过全重的5 0 ，粒径大于o 0 7 5 r a m 的颗粒 含量超过全重的5 0 的土。砂类土可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、和粉砂。 ( 4 ) 粉土 粒径大于o 0 7 5 r a m 的颗粒含量不超过全重的5 0 ，且塑性指数，。小于1 0 的土称为 粉土。粉土的性质介于砂土和粘性土之间。 ( 5 ) 粘性土 土的塑性指数j 。大于1 0 的土，称为粘性土。根据塑性指数可分为粘土和粉质粘土。 ( 6 ) 人工填土 人工填土是指由于人类活动而形成的各类土，其成分复杂，均匀性差。通常人工填 土的工程性质差、强度低、压缩性大且不均匀。 ( 7 ) 特殊土 自然界中还分布着许多具有特殊性质的土，如淤泥、淤泥质土、红土、黄土、膨胀 土、冻土等。这些均称作特殊土。 夯锤超声波清孔方法研究 2 2 土的结构特性 2 2 1 土的集合特性 散粒体土是具有流动性，仅在一定的范围内保持形状，不能或不大能抵抗拉力的离 散颗粒的集合体【”。土是具有散粒体特征的集合体。这样的集合体不是气体、不是液体、 也不是固体( 土颗粒本身是固体) ，而是称之为“粒状体”的集合体。土具有称之为“压 硬”的特性，即土所受的周围约束压力越大，其本身越密实、模量越大、抗剪强度也越 高，土表现出越硬的性状【1 1 】。 2 2 2 土的三相组成【l l 】 土通常是由固体矿物颗粒( 土粒) 、水和空气组成的三相混合体。只含有土颗粒和 水而没有空气的土称为饱和土；含有土颗粒和空气而没有水的土称为干燥土；位于两者 之间，由土颗粒、水和空气三者共同组成的土称为非饱和土。 ( 1 ) 固体矿物颗粒 土中的固体矿物颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成份。 矿物颗粒的成分、大小、形状和组成情况是决定土的物理性质的主要因素。土粒的矿物 成分可分为原生矿物和次生矿物。一般粗颗粒的砾石、砂等都是由原生矿物构成；高岭 石、伊利石等粘土矿物属于次生矿物。土的矿物颗粒的大小一般由粒径来表示。土颗粒 的粒径变化时，土的性质也相应地发生变化。土的各粒组的相对含量称为土的颗粒级配。 ( 2 ) 土中水 土中水分为自由水和结合水两种。自由水包括重力水和毛细水。重力水位于地下水 位以下，是在自重或压力差作用下运动的自由水，对土颗粒有浮力作用；毛细水存在于 地下水位以上，是受水与空气交界面处的表面张力作用而存在于细颗粒的孔隙中的自由 水。结合水又分为强结合水和弱结合水。前者是受颗粒电场作用力吸引，紧紧包围在颗 粒表面的水分子，它的性质接近固体，不传递静水压力：弱结合水是指紧靠于强结合水 外围的一层水膜，其厚度小于o 5 u r n 。这层水膜的水分子和水化离子仍在土颗粒电场作 用范围以内。弱结合水也不传递静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向邻近的较薄的水 膜缓慢转移。 ( 3 ) 土中气体 土中气体可分为自由气体和封闭气泡。自由气体与大气相通，不封闭。封闭气泡与 大气隔绝，不易逸出，因此增大了土的弹性和压缩性、减小了透水性。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 3 土颗粒的联结方式 ( 1 ) 接触联结 接触联结是指颗粒之间的直接接触，接触处基本上没有粘粒和无定形物质，接触点 上的连接强度主要来源于外加压力所带来的有效接触应力。接触联结主要存在于沙土、 粉土或者近代沉积土中。 ( 2 ) 胶结联结 胶结联结是指颗粒之间存在着许多胶结物质，将颗粒联结在一起，一般比较牢固。 胶结物质一般有粘土质、可溶盐和无定形铁、铝、硅质等。可溶盐胶结的强度是暂时的， 被水溶解后联结强度将大大减弱，土的强度也随之降低，而无定形胶结的强度比较稳定。 ( 3 ) 结合水联结 结合水联结是通过结合水膜将相邻土粒联结起来，又叫水胶联结。当相邻两土粒靠 得很近时，各自的水化膜部分重叠，形成公共水化膜。这种连接的强度取决于吸附结合 水膜厚度的变化。土越干燥则结合水膜越薄，强度越高；反之水量增加，结合水膜增厚， 粒间距离增大，强度越低。 ( 4 ) 冰联结 冰联结存在于冰土中，是指冰与泥土之间的暂时性联结，融化后即失去。 2 2 4 土颗粒的联结形态1 1 1 】 ( 1 ) 单粒结构 粗颗粒在重力作用下独立下沉并与其它稳定的颗粒相接触，稳定下来，而形成单粒 结构。单粒结构可以是疏松的也可以是密实的。 ( 2 ) 蜂窝结构 较细的颗粒在水中单独下沉时，碰到已沉积的土粒，因土粒间的分子引力大于土粒 自重，则下沉的土粒被吸引不再下沉，一粒一粒地依次聚集，最终形成很大孔隙的蜂窝 状结构。 ( 3 ) 絮状结构 粒径极细的粘土颗粒在水中长期悬浮，并在水中运动，相互碰撞而吸引，逐渐形成 小链环状的土集粒，土集粒作为一个单元随着质量增大而下沉，当一个土集粒单元碰到 另一个单元的时候二者相互吸引，不断扩大而形成大链环状的絮状结构。 夯锤超声波清孔方法研究 2 3 影响土体粘聚力因素 如果散粒体的孔隙被某种胶结物质所填充，则颗粒之间将有粘聚力产生，它阻碍散 粒体的一部分离开另一部分和互相移动。土是散粒体，因此土中胶结物质会使土具有粘 聚力。宏观粘聚力与微观特性紧密相连。实践证明，化学胶结是土粘聚力的主因【1 2 1 。 粘聚力是土中颗粒间的诸多吸附力之总贡献，不仅胶结物质而且水介质也可以使土 体产生粘聚力。当土体的孔隙一部分被水填充时，在呈凹形弯曲的水膜表面上将产生表 面张力，从而使颗粒相互吸附。一般而言，孔隙尺寸越小则表面张力和由它引起的粘聚 力越大。 在土体孔隙被空气充满的情况下，颗粒之间也会有一些粘聚力。这种被称为咬合的 粘聚力是由于颗粒本身粗糙而造成相互咬合和互相嵌入而产生的。咬合程度随着散粒体 密度的增大而增大【1 0 1 。 由此可见，土体粘聚力与下列因素有关： ( 1 ) 土的种类 土的种类决定了土颗粒粒径的大小从而决定了其咬合和相互嵌入的难易程度，也影 响土颗粒之间的紧密程度，从而影响土整体吸附力的大小。 ( 2 ) 胶结物质种类 胶结物质的分子种类决定化学键的种类从而影响其与土颗粒之间的吸附力的大小。 ( 3 ) 含水量的多少 粘聚力随含水量的增加先增大后减小。当含水量较小时，水处于强结合水状态，水 分子与土颗粒形成很强的化学键，随着水量增多这种化学键也越多，粘聚力逐渐增强； 当水量增大到一定程度时，水膜变厚，强结合水变成弱结合水，吸附力随之减弱，当水 量继续加大时，基质吸力和毛细吸附力随着水膜的加厚继续减小f 。 ( 4 ) 土体的密实程度 土体越密实，则颗粒之间距离越小，水膜越薄，土颗粒之间的直接吸附力和由水膜 引力和张力形成的吸附力也自然增大，而且随着单位体积内的土颗粒含量的增多，咬合 和相互嵌入也越紧密，因而粘聚力也越大。 大连理工大学硕士学位论文 3 波的能量和强度 机械波在弹性介质中传播时，除了因介质质点振动而具有动能外，同时还因为介质 发生弹性变形而伴随着弹性势能的变化。波在传播过程中，振动状态由近及远地向前推 进，因而能量也必然不断地向前推进。传递能量是波动的重要特征。 3 1 波的能量 机械波的总能量是介质质点振动时的动能和弹性势能的总和。 q b 卜一一卜一一_ 一一一i x j + 卜_ ! 垫兰j 图3 1 纵波在细长棒中的传播 f i g 3 1t r a n s m i s s i o no f v e r t i c a l - w a v ei nt h i na n dl o n gs t i c k 如图3 1 所示，在距原点x 处取体积为a v ，质量为a m ( a m = 皿矿，p 为棒的体 密度) 的体积元。当波传播到这个体积元时，该体积元将具有动能和弹性势能睨。 如果棒中平面简谐波的波动方程为： y ( x ，t ) = a c o s c o ( t - ) ( 3 1 ) 式中，t 时间 彳拔源振幅 角频率 扰声速 则该体积元的振动速度v 为： v = 譬= 一砌s i n r o ( t 一兰) 】 ( 3 2 ) 优甜 故该体积元的振动动能为： 夯锤超声波清孔方法研究 4 = 三( 锄) v 2 = 云i p ( 矿) a 2 2s i n 2 【嘶一言) 】 ( 3 3 ) 下面再计算弹性势能既。体积元左端位移为y ，右端位移为( y + a y ) ，因此体积元的长 度变化为吵，体积元的原长为x ，故谐变为吵a x ，根据杨氏模量的定义和胡克定律， 该体积元所受的弹性力，为： f ：y sa _ z _ y ：k a j ， ( 3 4 ) 式中，y 杨氏模量 s 棒横截面积 k 弹性系数 而体积元的弹性势能为； = 互1k ( a y ) 2 = j 1 石y sl 缈j 2 = 三珞似象) 2 ( 3 5 ) 因甜：厍，：s ac ，学：彳竺s i n o d ( t - 卸 vp o x“ 所以得弹性势能为： = 三膨2 ( 功彳2 等2s j l l 2 o 一丢) 】= 三1 p ( a i o a 2 0 = s 访2 【嘶一丢) 】( 3 6 ) 显然 2 2 壶p 彳2 国2 ( y ) s i n 2 【( f 一言) 】 ( 3 7 ) 体积元的总机械能w 为： 形= + = p a 2 2 ( y ) s i n 2 【o 一言) 】 ( 3 8 ) 由式3 7 可见，在波的传播过程中，该体积元的动能和势能始终是相等的。动能达 到最大值时，势能也达到最大值；动能为零时，势能也为零。在波动中，任何一个介质 元都受到相邻介质弹性力的作用，而且这些弹性力要做功，所以介质体元的机械能要发 生变化。介质间弹性力的相互作用和做功，造成了机械能的传播。 从式3 8 也可看出，波动过程中介质体积元的机械能总和是随时间而变化的，它在 零和最大值之间变化着。对于某一体积元来说，总能量随时间t 在作周期性变化，这说 大连理工大学硕士学位论文 明波动中介质的体积元在不断地接收和传出能量，但接收的能量和同时传递给其他相等 体积元的能量并不相等，从而造成该体积元能量的周期变化。波动过程中介质体元的能 量是不断地被接受和放出，随着波的传播，能量也不断地沿波的传播方向传播。 介质中单位体积的波动能量，称为波的能量密度w ，即 w ：娑：p a 2 国2s i n 2 一三) ( 3 9 ) yu 波的能量密度是随时间而周期性的变化的，通常取其在一个周期内的平均值，所以 能量密度w 在一个周期内的平均值w 为： ；= 圭p 彳2 2 3 2 波的强度 ( 3 1 0 ) 单位时间内通过介质某面积的能量，称为通过该面积上的能流。设在介质中垂直于波 速u 取面积s ，则在单位时间内通过s 面的能量等于体积z d 中的能量。这体积中的能 量随时间周期性变化，通常取一个周期的时间平均值，称为平均能流，用p 表示： p = w u s ( 3 1 1 ) 通过与波动传播方向垂直的单位面积上的平均能流，称为平均能流密度或波的强度， 用j 来表示，即 ，：i p ：诜：i 1p a 2 2 “ ( 3 1 2 ) s2 式3 1 2 表明，弹性介质中简谐波的强度正比于振幅的平方和角频率的平方。 3 3 波的吸收 平面简谐波在均匀介质中传播时，其能量总是要被介质吸收一部分，因此强度和振 幅都将逐渐减小。介质所吸收的波的能量将转化成其它形式的能量( 如介质的内能) ， 这种象限称为波的吸收又叫做波的衰减。平面波振幅的衰减可用下述方法确定。 如图3 2 所示，设波在波线上距原点z 处的振幅为彳，波通过一极薄的介质厚度凼 后，振幅的衰减( 为一c 翻) 应正比于此处的振幅彳，同时也正比于厚度c ，即 一姒= 口a d r( 3 1 3 ) 经过积分，得到 夯锤超声波清孔方法研究 a = a o e 一4 5 式中，么距离原点x 处的振幅 4 原点处的振幅 a 介质的衰减系数 ( 3 1 4 ) 图3 2 波在波线上的衰减 f i g 3 2t h ea t t e n u a t i o no f w a v eo nt h ew a v el i n e 由于波的强度与振幅的平方成正比，所以平面吸收波强度衰减规律为： ，= i o e 。2 ” ( 3 1 5 ) 式中，距离原点x 处的波强 厶原点处的波强 大连理工大学硕士学位论文 4 超声波清孔方案理论分析 4 1 总体方案介绍 4 1 1 方案原理 超声波清孔方法是指在含有夯实泥土的通气孔内注入水，再用超声波变幅杆在水中 高频振动产生超声波将夯实泥土打散。 超声波冲击泥土的原理大致可以分为两个方面，首先，超声波在水介质中产生超高 声压，当泥土表面的声压达到负压区时，声波产生强大的拉应力作用将表层泥土剥离土 体或者使其与土体的附着力减小；其次，声波在负压区产生无数个微小空化泡，当声压 到达正压区时，这些空化泡爆破产生无数超高速微射流，对表层泥土产生强烈冲击，将 表层泥土冲走。 由于声波具有周期性，因此上述两个过程反复循环，于是达到使泥土层层脱离的目 的。泥土脱离后与水混合形成泥浆，由于泥浆几乎不具有僵硬板实的特性，因而很容易 从通气孔中取出。本课题应用了超声波两方面作用：其一是超声波声压所形成的强大拉 应力；其二是超声波产生的空化射流的冲击能力。 4 1 2 方案对比 清孔的侯选方法还有以下两种：机械钻法和水射流法。机械钻法是指用气动钻或者 机械钻将泥土钻松再从中扒出来；水射流法是指用一种特定的水流运动方式将能量高度 集中的一股水流从一定形状的喷嘴中喷出。水射流法是使用高速水流喷射去冲击泥土。” 机械钻法最大的问题，在于施工现场的地基泥土并不均一而是掺杂了大量的大小不 图4 1 机械钻法与水射流法 f i g 4 1m e t h o do f m e c h a n i c a ld r i l la n dm e t h o do f w a t e rj e t 夯锤超声波清孔方法研究 一的石块、瓦砾等硬质建筑废物，钻头在往泥土中钻入时会与之激烈碰撞引起强烈的震 动甚至钻头会直接被卡住，对钻头以及动力部件造成极大的磨损和破坏，对工作人员的 人身安全也有影响。 水射流法有其缺陷，首先，所需的附带设施多携带不方便而且要有专门的增压设备 其成本高昂；其次，水射流法由于其设备的要求，水源不可以循环利用，而孔中的土量 大所需的水量大，施工现场一般不可能携带如此多的水。 超声波法的优势在于： ( 1 ) 整套超声器件结构简单，主要由两部分组成：超声电信号发生器和变幅杆( 产 生波源的部件) 。发生器结构小巧，便于携带；变幅杆可以制作成各种各样的形状，例 如用于清洗的可以制成扁平状，实验室用于生物研究的可以制成棒状。 图4 2 超声器件 f i g 4 2u l t r a s o n i cl n s t r u m e r d ( 2 ) 用超声波高频振荡法清孔，变幅杆通过水介质冲击泥土不像用普通钻头那样会 与石块发生激烈碰撞；超声波探棒深入泥土中可以视周围情况随时做出路径上的调整， 绕开建筑废物，不仅不损伤仪器而且也大幅度减轻施工人员的疲劳程度。 ( 3 ) 超声波工作需要水源也需要电源。在施工工地上，强夯机本身自带电源，而工 地上没有水源，要到距离比较远的地方取水，因此水源远比电源来得困难。超声波法利 用水介质去和泥土作用、混合，因此对水的品