（水利水电工程专业论文）强夯法施工在均质土坝中的应用.pdf

摘要 本文首先回顾了强夯法施工的起源，列举国内外众多的强夯法施工的工程实 例，说明强夯法施工是一种较为先进的，让地基土固结到设计要求的施工方法。 并提出强夯法施工能否应用于土坝填筑施工的问题。 接着对比传统分层碾压法施工和强夯法施工的机械，以及阐述强夯法施工的 理论，为展现强夯法施工的优势做出铺垫。 通过考查大量的强夯施工实例，从强夯夯实的湿陷性黄土能否达到设计要求 的压实度、夯实后的湿陷黄土的渗透性能否达到设计要求、以及强夯法旌工的成 本计算和分层碾压法施工的成本计算等方面分析强夯法应用于坝填筑施工的 可行性。得出强夯法是一种完全可以应用于土坝施工的有效方法，而且在成本方 面略具有优势。 同样通过对大量强夯法旋工的考查、总结、结合强夯法施工的本身特性，得 出强夯法应用于土坝施工具有如下特点： 1 ) 压实功能大： 2 ) 铺土厚度大，便于机械化散料； 3 1 可在较为狭窄的场地里施工； 4 ) 更便于冬季施工； 5 ) 最优含水率要求更宽松： 6 ) 施工的工效更高； 7 ) 更适应较大的土料团料。 8 ) 施工成本较少。 其次对强夯法应用于土坝填筑施工各项设计参数的特点进行了说明，应用于 土坝填筑的强夯法不完全相同于地基处理中的强夯法，它们的施工条件与要求是 不完全相同的。 最后通过强夯法和分层碾压法在高速公路路堤填土压实施工对比的工程实 践，对比了两种方法的旋工效果。证实强夯法在压实填土的施工过程中对分层碾 压法具有上面提到的优势，是一种高效经济的施工方法。 关键词：强夯法土坝填筑 a b s t r a ct f i r s tt h i sa r t i c l eh a sl o o k e db a c kt h eo r i g i n so f t h ed y n a i n i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ， e n u m e r a t e dm a n yd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a le n g i n e e r i n ge x a m p l e so fd y n a m i c c o n s o l i d a t i o nm e t h o d ，t h e s ea l li n d i c a t e dt h a tt h ec o n s t r u c t i o no fd y n a m i c c o n s o l i d a t i o nm e t h o di sam o r ea d v a n c e dm e t h o d ，t h em e t h o dc o u l dc o n s o l i d a t f o u n d a t i o ns o i lt os a r i s f yd e s i g n sr e q u e s t s oaq u e s t i o nh a sb e e nf o r w a r d e dw h e t h e r t h ed y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o dc o u l da p p l yt ob u i l dt h eh o m o g e n e o u se a r t hd a m s e c o n d l yt h ea r t i c l ei m m e d i a t e l yh a sm a d eac o n t r a s tt h a tt h em a c h i n e so ft h e t r a d i t i o n a lm e t h o do fl a y e r i n gr o l lt oo ft h ed y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ，a n dt h e t h e o r i e sh a v eb e e ne x p a t i a t e do ft h ed y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ，p r e p a r et o e x h i b i tt h ea d v a n t a g eo f t h ed y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o d t h ea r c t i c l eh a sm a d el o t so f i n v e s t i g a t e t ot h ea p p l i c a t i o n so fd y n a m i c c o n s o l i d a t em e t h o d ，w h e t h e rt h et a m p e ds o a k i n gd e f o r m a t i o nl o e s sc a na t t a i nt h e r e q u e s t e dd e g r e eo fc o m p a c t i o nb yt h ed y n a m i cc o n s o l i d a t em e t h o d ，w h e t h e rt h e t a m p e ds o a k i n gd e f o r m a t i o nl o e s sh a st h ed e s i g nr e q u e s tc o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t y ， a n dt h ec o m p a r i s o nh a sb e e nm a d et h a tt h ec o s to f t h ed y n 脚i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o d t ot h er o l lw i t ht h el a y e r i n gm e t h o & s oa n a l y s et h ep o s s i b i l i t yo ft h ed y r k a m i c c o n s o l i d a t i o nm e t h o dw h e t h e rc o u l da p p l yt ob u i l dt h eh o m o g e n e o u se a r t hd a m a n d g o tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ed y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o di sa k i n do fc o m p l e t e l y v a l i dm e t h o dt oc o n s t r u c th o m o g e n e o u se a r t hd a m ，a n dh a v et h es l i g h ta d v a n t a g ea t t h ec o s t i nt h es a m ew a y ，t h ea u t h o rh a sm a d el o t so fi n v e s t i g a t i o n sa n ds u m m a r i e s a n d t a k ec h a r a c t e r i s t i ci n t oa c c o u n to ft h ec o n s t r u c t i o nb yt h ed y n a m i cc o n s o l i d a t i o n m e t h o d w eg o tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h em e t h o da p p l yt ot h eh o m o g e n e o u se a r t hd a m c o n s t r u c t i o nh a sf o l l o w i n ga d v a n t a g e ： 1 ) t h ep o w e ro f t h em e t h o di sg r e a t e r ； 2 1e v e r ye a r t hl a y e rh a sb e e ns p r e a di sm o r et h i c k e r t h a ti sc o n v i e n tt o a p p l i c a t i o no f t h em a c h i n e s ； 3 ) t h em e t h o dc a na p p l yt on a r r o wf i e l d ； 4 ) i ti sm o r ee a s yt oc o n s t r u c ti nw i n t e r ； 5 ) t h er e q u e s to f t h eo p t i m u mm o i s t u r ec o n t e n ti sm o r el o o s e r ； 6 1t h ee f f i c i e n c yo f c o n s t r u c t i o ni sm o r ee f f i c i e n t ； 7 ) t h eb i g g e rr e g i m e n to f e a r t hi sn o tb er e q u e s t e dt od e a l ； i i 8 ) c o r r e s p o n d i n g l yt h ec o s to f t h em e t h o d i sl e s s ； s u b s e q u e n t l y t h ea r c t i c l e x p a t i a t e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h em a c h i n e sa n d p a r a m e t e ro ft h ed e s i g na n de x e c u t i o no ft h em e t h o da p p l i e dt ot h eh o m o g e n e o u s e a r t hd a m t h e r ea r es o m ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h em e t h o da p p l yt ot h ef o u n d a t i o nt o a p p l yt ot h ep l a c e m e n to ft h eh o m o g e n e o u se a l t hd a m ，t h ec o n d i t i o na n dr e q u e s to f t h em e t h o da p p l i e dt ot h eh o m o g e n e o u se a n l ld a mi sn o tc o m p l e t e l ys a m e a tt h el a s t ，t h ec o m p a r i s o nh a sb e e nm a d ei nt h ee x e c u t i o no fae x p r e s sh i g h w a y r o a de m b a n k m e n tp l a c e m e n tp r a c t i c eb e t w e e nt h er o l lw i t ht h el a y e r i n ga n dt h e d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n m e t h o d t h ec o m p a r i s o ni n d i c a t e dt h a tt h ed y n a m i c c o n s o l i d a t i o nm e t h o di sag o o d ，e c o n o m i c a l ，a p p r o p r i a t em e t h o da p p l yt ot h e p l a c e m e n to f t h eh o m o g e n e o u se a r t hd a m k e y w o r d ：t h ed y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ；t h ep l a c e m e n to f t h eh o m o g e n e o u s e a r t hd a m ； i 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及取得的 研究成果。据我所知，除了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，也不包含为获得专名上荸或其他教育机 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谢意。 一繇龠叩一期： 色r 事二月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解壶签苤壁 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权 盎星苤壁 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月日 电话： 邮编： 像l 日厶骨月 一 一 文 期 位 字 学 签 南昌大学建工学院水利水电工程 硕士论文 第1 章引言 强夯法在地基处理方面已经是一种比较成熟的方法，强夯法又称为动力固 结法( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ) 或动力压实法( d y n a m i cc o m p a c t i o n m e t h o d ) ，根据建筑地基处理技术规范( j g j7 9 2 0 0 2 ) 中定义为：反复将夯 锤提到高处使其自由落下，给地基以冲击和振动能量，将地基土夯实的地基处理 方法。在上世纪6 0 年代末( 1 9 6 9 ) ，这种施工方法首先由法国工程师路易斯梅 纳( l o u i s - m e n a r d ) 提倡推广。这种方法一般是利用改装的起重机将一个重锤( 一 般为1 0 4 0 t ，最重可达2 0 0 t ) 提高到一定的高度( 一般为1 0 4 0 m ) ，由脱钩 装置自动脱钩，让重锤自由落下，重复给地基以强力而瞬时的冲击和振动，从 而提高地基土的强度并降低土的压缩性。并初步提出强夯法的影响深度可以通 过下面公式进行估算： hm 西磊 式中：w 一重锤锤重( t ) h 一重锤落距( m ) 这个公式只是大概估算，后来经各方面的实践检验存在着较大的误差。不过 公式的提出也就确定了强夯法施工的影响深度估算的基本内容，建立起了强夯法 的理论基础。后来为了更准确地表达实际情况，又将公式修改为如下形式： 日；以陛 vl o 式中：a 经验系数。 对于“夯”这种方法来说，中国人在更早时期就已经使用过，考古发现秦始 皇陵中就大量地存在着使用过“夯”的痕迹。如果说中国人传统使用的“夯”法 为夯实法的话，那么夯实法和本文所讨论的强夯法还是存在着不同的，理论上界 定夯实法和强夯法主要是从能级上划分的，规定了强夯法必须有一个最低 艮度的 锤重w 和一个最低限度的落高h ，一般认为i - 1 8 0 m ，w 8 0 t ，即单击夯击能量 必须达到或超过6 4 0 k n m ，只满足这个限制条件的“夯”才能算得上是本文所 讨论的经典意义的强夯法施工。本文后面所讨论的“夯”除特别说明外，均是满 足这个限制条件的强夯。 作为强夯法施工的创世纪的第一个工程实例，强夯法旋工最早使用于法国的 南昌大学建工学院水利水电工程 硕士论文 r i v i e r a 夯实滨海的填土，该施工场地是新近填筑的，约9 m 厚的碎石填土，其下 是1 2 m 厚的疏松砂质粉土。场地要求建造2 0 幢8 层的居住建筑。当时选用锤重 约1 0 t ，落距1 3 m ，强夯的单击夯击能量达到1 3 0 0 k n m ，并采用改装后的1 0 0 t 履带式起重机起吊夯锤。夯后现场测量整个场地的平均夯沉量约5 0 0 m m ，夯后 的土工勘探试验表明整个场地的土工指标得到明显的改善，旁压仪的资料证明地 基土的强度提高了2 3 倍，能保证地基土的地基承载力特征值达到3 0 0 k p a 。居 住建筑施工完成后，现场测得平均沉降为1 3 m m ，而差异沉降则可以忽略不计。 这是公认的强夯法第一次成功的应用于地基处理施工当中，为后来强夯法的发展 翻开了历史的第一页。强夯法在这个工程的使用相对于其它的处理方法显现出较 明显的设备简单，施工方便，效果显著等优点，为后来强夯法全面发展提供了非 常有说服力的例证。 此后强夯法施工在英、美、日本、加拿大等国家的众多工程中获得广泛应用， 主要应用于大型填土方、填海、工业与民用建筑、公路和铁路路基等的地基加固 工程。在这些工程实践中，积累了丰富经验，同时在国际土力学和基础工程会议 上以及世界各地区域性会议和杂志都发表了相当多的论文，内容包括工程实践， 室内模拟试验，及相关的理论分析等各方面。在国外有l o u i s m e n a r d 、 j e s s b e r g e r 、b r o i s e 、g a m b i n 、坂口旭、鸣海通信、福称纪元和土谷尚等， 在国内则有顾晓鲁、钱鸿缙、范维垣等人为强夯施工法作了大量的实践研究工 作，推动强夯施工法成为一种效果显著、经济易行的地基处理方法，在我国的许 多工程建设当中发挥了巨大的作用，为经济建设作出应有的贡献。 1 9 8 4 年g a m b i n 在第八届非洲地区土力学和基础工程会议上，曾发表了“十 年来的强夯法”的论文，被认为是继l o u i s m e n a r d 本人发表的论文之后带有概 括性的一篇论文，他在论文中指出：l o u i s m e n a r d 所阐述的强夯加固影响深度 c i 估算公式日：q 娑中的经验系数口的取值应在0 5 1 0 之间。g a m b i n 的论文 yl u 是强夯法施工史上的又一个里程碑，让l o u i s m e n a r d 所阐述的强夯加固影响深 c i 度估算公式h ：吼婴更具有实践意义，也让这个公式成为许多文献和规范里 y1 0 面的基本公式，只是在不同的地区和工程中经验系数的取值不同而已。 强夯法施工一开始被认为仅能用于处理砂土地基和碎石土地基，后来经过 南昌大学建工学院水利水电工程硕士论文 几十年的探索、实践与发展，它的适用范围已经扩大到砂土、碎石土、粉土、碎 石、粘性土、杂填土及素填土。强夯法不仅能提高地基土的强度、降低其压缩性、 还能改善地基土的抗振液化能力和消除湿陷性黄土的湿陷性。在这40 多年的应 用当中，强夯法展现出旋工方便、设备简单的优点，成为在许多地基处理方案中 首选的施工方法，如处理湿陷性黄土，深厚的新近杂填土等。对于强夯法加固无 粘性土的成功例子非常多，如： 1 9 7 5 年l o u i s m e n a r d 和b r o i s e 在某个地基为水力吹填的砂质粉土的工程中 成功使用强夯，该工程中水力吹填的砂质粉土厚2 1 0 m ，下面为厚1 0 2 0 m 的 粉土和砂土。工程中用的平均夯击能为2 4 0 t r f l m 2 ，工程处理前后的旁压仪测 定，认为在深度7 m 以上的地基土的刚度增加了5 0 0 ，在深度1 5 m 处的地基土 被认为刚度增加了2 0 0 。地基处理前的s c p t 检验p s 值为1 6 1 0 3k p a ，处 理后在6 m 深处检测的p s 值为1 5 1 0 4k p a ，在1 0 m 深处检测到p s 值大于5 1 0 3 k p a 。 1 9 7 6 年j k m i t c h e l l 提供了一张各种加固方法的可行性表，表明强夯法施 工对于砂性大的水下填土的压密加固是相当合适的。它对土类的适用范围最为 宽广，从租至块石到细至粉土和一般粘性土都可因地制宜地采用。只要采用适 当的设计施工参数和针对情况采用辅助措施，处理后的各种软弱地基都能很好 地满足设计要求。 日本铁道建设公司东京支社在填砂地基上建造铁路时，路堤的处理采用了 强夯法，利用强夯法来消除地基中占主要成份的细砂层的液化可能性，细砂层 厚一般为6 8m ，标准贯入试验的n 值仅为2 6 击，为了防止铁路建成后 的液化，要求将标准贯入试验的指标n 提高到大于1 0 击。强夯施工后，地面下 沉了6 0 7 0e l 1 ，电子震测锥贯入试验( s c p t ) 的端阻提高了2 1 0 倍，加固的 效果相当明显，达到设计要求。并且从施工过程中了解到，即使对于细粒土含 量较多的夹层，也可以取得良好的效果。 日本某县在碎石含量较多的填土地基上建造巨型油罐，油罐直径7 4 5 m ， 采用强夯法处理地基，施工后地表面下沉3 0 c m 。强夯之后的地基地的变形模量 e p 提高了2 1 0 倍。油罐建成后充水试验，油罐的四周沉降量仅只有3 4 c m ， 最大不均匀沉降约2 5 m m ，只有油罐直径的1 3 0 0 0 ，效果良好。 9 0 年代初的珠海机场采用强夯法处理地基，该机场地处临海丘陵和季节性 南昌大学建工学院水利水电工程硕士论文 沼泽地，地质勘探表明，其地基属海陆交互沉积层，主要为粉细砂，夹有淤泥质 土、粉质粘土和中粗砂等层，且以粉细砂和淤泥质土的工程性质最差，粉细砂在 7 度地震作用下有可能液化。在施工之后的标准贯入、动力触探和静力触探检测， 夯后的地基强度比夯前的均提高了l 2 倍，在7 度地震作用下的粉细砂的液化 得到消除。且证明在粉细砂层中如夹有较薄的粘性土，强夯作用也能使其密实。 此项工程中使用的单击夯击能量为2 2 4 0 k n m ，有效影响深度达到1 0 5 m 。则该 项工程的有效影响深度公式的经验系数a 应该取0 7 。 根据众多资料总结，经过强夯处理过的砂性土地基，地基的承载力一般可提 高2 0 0 5 0 0 ，压缩性则可降低2 0 0 1 0 0 0 。 对于强夯法施工处理粘性土地基的成功例子也很多，如： 1 9 7 9 年r a m a s w a m y 等人报导了一个沉积层厚为4 6 m 的软到中等的粘质 粉土，其下为厚4 5 m 的泥炭质粘土的地基处理工程实例。设计采用强夯法，经 处理后，地基承载力从原有的4 0 k p a 增加到1 2 0 k p a ，并在施工现场观测到夯击 之后的夯坑当中有裂隙发展，裂隙加快了孔隙水压力的消散，有利于粘性土的 脱水固结。工程中采用的夯锤的直径为1 8 3 m ，夯锤重1 5 7 t ，夯锤落距为 3 0 5 m ，夯点布置为3 6 5 m 方形网格。并在强夯施工之前，在粘质粉土的表面铺 设了一层薄砂层，既增加排水通道，也防止夯锤被粘质粉土粘住而起锤困难和 方便起吊机组的行走。 东风汽车公司襄樊轻型车厂的总装协作配件库位于高填方区，所填土为弱偏 中膨胀粘土，填厚度一般在6 8 m 之间，最厚处为9 1 4 m ，填土的承载力为 8 0 1 2 0 k p a 。设计要求地基承载力达到2 0 0 k p a ，因为厂房内装有吊车，所以还 要求不出现危险沉降。因为工期紧采用强夯法处理，夯锤锤重采用1 0 0 k n 和 2 0 0 k n 两种，底面积为2 0 x 2 0 m 。施工现场采用了多种方法在强夯之前和之后 进行测试，分别为载荷试验、标准贯入试验、重型动力触探、静力触探和旁压试 验。得到强夯后的地基承载力在1 6 0 2 2 5 k p a 之间，满足设计要求。但在填土 最厚处由于对强夯影响深度估算不重视( 按a = 0 5 ，影响深度为8 6 5 访) ，未能 处理全深度的填土，造成局部的不均匀沉降，最大沉降处到6 2 m m 后稳定，未造 成太大的损失。不过该工程中强夯法表现出施工进度快，节约材料，较同类厂房 节约投资5 0 以上。如果在工程施工前对强夯影响深度有足够重视的话，那处 理的结果应该是相当满意的。 4 南昌大学建工学院水利水电工程硕士论文 改革开放之初，特区深圳蛇口地区开始大规模的建设，在大范围围海造地上 建立港口和仓库。因此大量地使用强夯法来加固层次复杂的软弱地基，因此也是 一次大规模地对强夯法施工的试验和实践，除有少数失败的例子外，在大多数工 程中取得了良好的效果。深圳蛇口围海范围当中用强夯法加固的地基中，饱和软 粘土层分布多且往往层厚，一般在2 m 8 m ，最厚者达1 2 m 。施工前首先在饱和 粘性土地基中加设排水通道，然后强夯，夯后一般均能达到或大大超过承载力的 要求。但像在深圳液化气总公司液化气站工程中，由于在整个场地下，复盖淤泥 的土层仅2 m 3 m ，而淤泥层的厚度有6 m 8 m ，结果在强夯的作用下，淤泥层 随之发生流动，甚至夯锤沉入淤泥层中，最后不得不重新清淤。深圳蛇口特区建 设是一次大规模的强夯实践与试验，为强夯法施工在复杂软弱地基上的加固，积 累了宝贵的经验。 以上的工程实例可以看出，强夯法施工不仅适用于无粘性土，对于粘性土处 理时，只要选择好适当的参数，也能获得很好的效果。强夯法由于具有效果显著、 设备简单、施工方便、适用范围广、经济易行和节省材料等优点。在我国得到 了大面积推广，从工业到民用的各种建筑地基都有使用强夯法处理的例子，而且 在这些工程实例中强夯法施工表现出相对于其它处理方法在效率和成本方面有 很大的优势。我国是于1 9 7 8 年开始先后在天津新港、河北廊坊、山西白羊墅、 河北秦皇岛等地进行强夯法的试验研究和工程旅工实践的，并且在这些工程实例 中取得了良好的加固效果，充分展现了强夯法施工的显著的优点，此后强夯法施 工以空前的规模和速度在全国各地推广应用开了，并出现了上面所提到的那些成 功的工程实例。 正因为强夯法对新近素填土、杂填土、粘性土和碎石土等加密固结有如此的 优势，所以考虑将这种优良的土体处理方法引入到水利工程中土坝坝体的填筑 施工中来，让强夯法施工成为现在正在普遍使用的分层机械碾压法施工的一种 补充方法。如果可行的话我们就可以充分展现出强夯法设备简单、施工方便、适 用范围广、经济易行的优点。这将是土坝施工方法中相对于机械碾压法施工的一 种更为有效、更为节省、更为快捷的方法。可以给土坝的施工带来些新变化，让 强夯法：沲工给国民经济建设作出更大的贡献。本文就是通过总结各方面的施工 实践经验和理论研究探讨强夯法旌工在土坝填筑施工中应用的可行性。并通过在 湿陷性黄土地区修建尾矿库的工程设计实例来验证强夯法施工替代分层机械碾 压施工在工程和经济上的优点。 南昌大学建工学院水利水电工程 硕士论文 本章小结 本章主要回顾强夯法施工的起源，以及国外有些相关的工程实例，说明强夯 法施工技术的发展历程。阐述强夯法施工的适用性随着技术、实践的发展越来越 广泛。提出强夯法施工的影响深度来源及变化。 通过阐述强夯法施工的广泛适用性引出本文的选题方向。针对强夯法处理地 基，利用强大的冲击功能压实地基土的原理和土坝填筑施工中的相似，提出强夯 法是不是能做为一种土坝填筑施工方法的问题。 6 南昌大学建工学院水利水电工程 硕士论史 第2 章机械碾压法理论基础 我国是一个传统的水利国度，兴建土坝有着悠久的历史，早在公元前二千多 年就有了鲧筑大坝治理洪水的记载：“帝尧求能平治洪水者，四岳举鲧，帝封鲧 为崇伯使治之。鲧乃大兴徒役，作九仞之城”。秦代修建的灵渠人字形分水 石坝一一铧堤，和都江堰工程至今都在发挥效益。建国之后，我国的水利事业发 展更是突飞猛进，自7 0 年代开始采用自卸汽车和震动碾压等机械化施工后，采 用土坝坝型的水利工程占总数的绝大部分，在l o o m 以上的高坝中，土坝的数量 接近混凝土重力坝和拱坝的总和，低坝中土坝的比率更大。像位于高山峡谷的碧 口土坝，采用自卸汽车运输，震动碾压的全机械化旎工，日上坝强度达到 1 7 0 0 0 m 3 ，月上坝强度达到2 7 万一，形成了一整套完整的机械碾压法施工程序， 并积累相当宝贵和丰富的经验，为后来土坝这种坝型的蓬勃发展奠定了坚实的基 础。 土坝的填筑是经土、砂、石料的开采、运输、直到上坝压实等一系列工序， 才算完成。而压实则是完成土坝施工的最后一道，也是最为关键的一道工序。之 所以称它为最关键是因为只有经过压实之后，才能让那些合格的、松散的上坝土、 砂、石料变成干容重或相对密度符合设计要求，并成为密实的坝体的一部分。也 就使得坝体的力学性质、渗透性指标等达到设计要求。真正成为一道挡水建筑物， 为我们的国民经济服务。 2 1 机械碾压设备 机械碾压法施工土坝的填筑主要工序包括洒水、刨毛、卸料、散料( 铺土) 、 压实、质量检查等，在这些工序中又以压实工艺最为花时间，并且决定着坝体的 填筑质量。根据早期的统计资料表明( 表2 1 1 ) ，在河谷较宽的土坝施工中，日 上坝强度能达到1 0 万m 3 ；而河谷较窄的高土坝，日上坝强度多在1 3 万m 。 填筑坝壳与防渗土料相比较，一般以防渗土料控制进度，尤其以心墙坝最为明 显。控制填筑速度的关键是碾压工序，通过改进或采用先进的碾压工序与碾压 设备，就能对土坝的填筑速度有显著的提高。 南昌大学建工学院水利水电工程 硕士论文 机械碾压法施工一般采用的机械有振动碾、气胎碾、羊足碾。振动碾又分 为振动平碾和振动羊足碾。各种施工机械由于工作性质不同所以作用的对象也 不尽相同。 表2 1 1国内早期某些土坝填筑强度和上升速度 名坝型坝高坝长总工 最高填筑强度( 万m 3 ) 坝体上升速度 程量 ( m ) 称 ( m )( m )( m ) ( 万m 3 ) 在 月日月日 大 伙心墙 4 8 o1 3 6 78 4 42 5 0 7 房 岳 均质 5 3 0 3 5 7 03 2 4 51 3 6 72 3 城 碧 1 2 0 3 心墙1 0 0 02 9 7 4 2 01 6 6 5 2 9 23 5 口1 7o 5 石 1 5 0 7 头心墙 1 0 5 06 0 08 5 52 0 03 7o 1 5 2 6 51 7 河 2 1 1 振动碾 振动碾最早是用于道路压实施工中，在五十年代开始应用于土坝施工，六十 年代才开始用于高土坝的填筑。并从最早的轻型振动碾发展到重型振动碾。经过 四十多年的实践应用表明，振动碾是具有压实性能好、压实层厚、生产效率高、 压实功能大的良好压实设备。振动碾特别能适用于含有特大粒径的堆石压实。 振动碾碾压土石体是靠碾重静压力和振动动力两者联合作用，且振动动力以 压力波方式向土石体内传播，可以达到较深土石体内。同时，土颗粒之间的摩擦 力减少，易于产生相对位移，从而达到密实状态。振动力的大小主要取决于振动 频率和振幅。施工实践中得出振动碾压实深度约是静力作用类碾的1 5 2 0 倍。 对于不同碾重的情况，大的碾重产生的碾压效果相对轻碾要好的多，能够影 响较深的土层，所以应用较大的碾重机械施工时能够有较大的铺土厚度，不同碾 塑墨杰堂堡王堂堕查型= 整皇三堡 重压实效果见图2 1 1 。 0 o 2 o 4 3 o 6 蚀蜮 聪0 8 1 o 1 2 1 4 硕士论文 垂直动压力( k g o - , ) 1 _ ， i ，一一，。 y ， 9 司 ， ? ? ， d 一r | | | | 图2 1 1不同碾重作用深度示意图 0 振动碾不足之处首先在于对碾压表层的作用力很大，容易使堆石体表层产生 一些不符合需要的细颗粒层，影响填筑质量。其次，振动平碾只有在向前移动时 才能获得最好的压实效果，但振动羊足碾和气胎碾等静力碾压机械，不论前进还 是后退，其压实效果都是相同的。因为振动平碾的振动是由偏心轴或重物向固定 方向在碾简内转动产生的，这样就产生了一个最大的向下振动作用力，其方向与 碾压机械行走方向有个较小的交角，因此位于碾压机前面的土体振动得比位于后 面的土体剧烈，而且在碾筒后面的土体有被推向后面而且向上翻起的趋势。但实 际施工过程中检验出两者在碾压遍数较大时的压实效果相差不是很大，所以在施 工中一般还是采用前进后退的碾压法。 9 南昌大学建工学院水利水电工程 硕士论文 o 1 0 e 2 0 嫠3 0 4 0 5 0 容重( 蓦，c r ) 1 1 7 01 8 01 9 0 疆豳追 、 1】 扁遐、 7 、 f j缸 ， 0 l o 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 容重( 咖) 捌弼追 吣 励 彳 矿 么 挝 ， 图2 1 2不同碾压遍数下振动碾前进和后退的碾压效果 由于振动碾压实深度大，故每次铺土的土层可以较厚。例如1 3 吨振动碾， 对堆石和砂子，每层铺土厚度可达到1 1 5 米。当然，为了取得最好的压实效 果，还应保证土石料的最优含水量和振动频率等。使用振动碾施工要注意碾压遍 数不要太多，否则表层会很破碎。 2 1 2 气胎碾 气胎碾一般是一辆5 0 l o o t 的牵引车，利用充气的柔性轮胎传递压力于土 体，当土体由松至紧被压实时，轮胎与土体同时发生变形，土体被压实得越密实， 轮胎变形也越大，作用于土体的压力分布也越均匀，但轮胎内的气体压力是保持 不变的。这样，土体能达到均匀、最大的压实效果。另外，在气胎碾所压实的土 体中，上下层干容重的差异较振动碾压实的要小得多。但靠近表层的土体干容重 就没有振动碾所压实的大。 气胎碾一般作用于土体的持续时间长，且轮胎压实带系是连续长条的，有利 于提高有效压实厚度。气胎碾的接触应力主要取决于气胎内压力，当压力不变， 荷载增加( 也就是气胎碾车体的重量) 时，轮胎会自动适应变形，轮胎与所碾压 土体的接触面积加大，而接触应力是不变的。所以为了取得更好的压实效果，在 轮胎允许变形范围内，可以尽量增加气胎碾的车体重量，也就是使用较大的荷载。 因为轮胎可以很好调节接触应力的特点，所以气胎可以很容易适用于不同的土料 压实，其中只要调节轮胎内的气压。 但是气胎碾所压实的地体在上下层土层的结合方面不好，不像羊足碾在处理 这方面的效果好，气胎碾过后得像平碾那样的需要包4 毛工序。而且气胎碾所形成 南昌大学建工学院水利水电工程硕士论文 的光面更容易使水份散失等。 表2 1 2某工程气胎碾和羊足碾的碾压比较试验结果 含水 气胎 压实后人工散推土机 土 碾重 碾压碾压含水量之 压力 土层厚土厚度散土厚遍数 体 ( t ) 机械 量范围差别 ( k g c m 2 )度( c m )( a m )度( c m ) ( ) 1 3 羊足碾 1 0 1 13 0 3 52 3 2 61 2 1 92 3 ，5 2 6 田 6 1 2 5 气胎碾 1 2 1 52 1 2 51 7 2 06 1 22 4 5 2 7 1 3 羊足碾9 1 23 0 3 32 2 2 51 4 1 92 4 2 6 51 乙 6 2 5 气胎碾 1 1 1 32 0 2 3 1 6 1 8 8 1 2 2 5 2 81 5 2 1 3 羊足碾 羊足碾的压实是用羊足的尖顶端给土体施加压力而来压实土体的，因为其 接触面积很小，所以单位面积 压力就很大，使土体能获得较 高的压实干容重。羊足还能让 土体受到良好的挤压及揉搓 的作用，这样就能保证上下土 层的结合质量，同时也就省去 了刨毛工序。羊足碾针对粘性 土的压实效果相当不错，但对 非粘性土就有严重的翻松现 象，表层土体会产生向上与侧 向的翻起，使表层非粘性土的 结构破坏，而无法压实。 压实干容重( g c l ：) 图2 1 3 羊足碾碾压效果图 以上是现在通常在进行土坝施工时常用的压实机械，各种机械有着各自的特 性，适用于不同情况下不同土体的压实，各自具有各自的优点。在土坝施工设计 时，对于不同的机械的选择决定于土坝所用的土石料和土石料的设计压实度等因 素。但这些机械中，能将土层压实到设计干容重的最厚的填土厚度一般为1 0 m 左右，即每层铺土厚度最厚约1 o m 。所以说土坝填筑工艺中，压实工艺是决定 一3越醛堆州 南昌大学建工学院水利水电工程硕士论文 工期长短的关键。如果能将每层铺土厚度加大，在压实遍数等参数变化不大的情 况下，就能显著提高土坝施工的速度。更厚的铺土厚度就需要更大的压实功能机 械来压实，国内外目前实行的情况就是将以上碾压设备的自重加大，但是这些设 备都是相对静力设备，效果不是很明显。而且，自重的加大也带来设备转运困难 等问题。相对以上提到的碾压设备来说，强夯则是靠冲击力来压实土体的，对于 这种设备要加大它的压实功能则是比较容易的，而且重锤的锤重的增加对压实功 能的增加也更加明显。针对强夯法的基础理论一般分为动力固结理论和冲击破坏 理论。下面将详细介绍。 2 1 4 碾压法施工的程序 土坝填筑施工的主要步骤包括洒水、刨毛、卸料、散料、压实和质量检查等 主要步骤，这些步骤中的每一步都是密切关系坝体质量的，只有把好每一关才能 确保建出一座合格的大坝。 在这些步骤中压实是关键中 的关键，只有合格的压实施工，才 能让松散的上坝土料变成合格的 坝体。压实工艺也是最为花时间 的，一般坝上土石料都要压实1 0 多遍。所以说改进土坝的压实工艺 才能显著提高土坝的施工工期和 成本。 1 2 图2 1 4 碾压施工工艺流程图 南昌大学建工学院水利水电工程 本章小结 硕士论文 本章主要将传统的机械碾压法的旖工机械进行了介绍，阐述了碾压法施工的 几种主要机械的性能、适应的不同的土料、各自存在的优缺点等，以便和强夯法 拖工机械相对比。 南昌大学建工学院水利水电工程硕士论文 第3 章强夯法基础理论 目前对强夯加固过程的理论主要有针对饱和软粘土的梅纳动力固结理论和 针对砂性土的冲击破坏理论。 土料是由固、液、气组成的三相构成，固相矿物颗粒组成土体的骨架，液相 水和气相空气则填充于固相矿物颗粒的孔隙之中。这三相的性质、比例和三者的 相互关系的不同导致土体的性质也千差万别。所有的压实方法都是利用压实功能 改变三相的比例和相互关系。强夯就是利用夯锤落下时的强大动能在极短的时间 里改变土体内三相的比例和相互关系，从而实现压实土体的目的。 在夯锤对土体施加作用时，我们把土体作为弹性半空间体，夯锤的自由下落 过程看作是势能转换为动能的过程，随着夯锤的下落，夯锤的势能越来越小，动 能越来越大，在落到地面之前的瞬间，势能的极大部分转换成为动能。在夯锤夯 击地面时，这部分动能除少部分以热能等形式损耗以外，其余的绝大部分动能使 土体产生自由振动，并以压缩波( 纵波或p 波) 、剪切波( 横波或s 波) 和瑞利 波( 表面波或r 波) 的形式在地基弹性半空间中传播，改变着土体的物理力学 性质。根据波的特点可以分为体波和面波两大类。 体波包括纵波和横波，也就是压缩波和剪切波，它们是沿着一个半球波阵面 径向向地基深处传播的。它们也是对地基起主要加固作用的，纵波使土体受拉压 作用，能使土体的孔隙水压力增加，导致土体骨架解体，相应伴随着土体的体积 变化。它的振动周期短、振幅小，能在固体和液体中传播。 面波主要有瑞利波和洛普波，它们只局限在地表层传播，是以夯坑为中心沿 地表向四周传播的，使表层土松动，是不利的。、 3 1 梅纳动力固结理论 相对于太沙基经典固结模型，梅纳提出针对饱和粘性土在强夯时的新固结模 型，认为第四纪沉积层中大都含有气泡，其体积占1 4 ，所以新的固结模型 有以下几个特点： 1 固结模型的活塞是有摩擦的； 1 4 南昌大学建工学院水利水电工程 2 模型内的液体内含有一定量的气泡； 3 固结模型的弹簧是非均质的，变形模量也不是常数 4 活塞上的孔眼是可变径的。 太沙剖葜型 硕士论文 图3 1 1两种固结模型对比图 梅纳的动力固结理论有概括为四点： 1 饱和士的压缩性 强夯时，土体中的微小气泡体积压缩，孔隙水压力增大，随后土体内气体体 积有所膨胀，孔隙水部分排出，液相和气相体积减小，这也就是土体在强夯时产 生瞬时变形的主要部分。 2 局部液化 强夯时，土体被压缩，随着夯击能量的加大，孔隙水压力不断地加大，当其 孔隙水压力值达到上覆荷重时就产生局部液化，土体的吸着水变为自由水，土体 的强度下降到最小值。随着后来孔隙水压力的不断消散，土体的强度值又不断地 回升。 3 可变渗透系数 由于强夯的冲击能量大，在土体中形成树枝状的裂隙，这些裂隙也就成为由 强夯产生的超孔隙水压力消散的网路。当强夯使得土体的液化度超过临界液化度 时，渗透系数骤增，夯坑周围出现冒气冒水现象。随着孔隙水压力消散，土体的 裂隙又重新闭合，此时土体中的液体也重新回到正常状态。 4 触变恢复 南昌大学建工学院水利水电工程 硕士论文 在强夯后的短时闯，土体的结构是被破坏的，抗剪强度几乎为零。随着时间 发展，强度逐渐恢复，这种称之为“时效”。图3 1 2 是动力固结理论表示的低渗 透性土三遍夯击下的动力固结过程。 i 。曲n m 时闻 i - 磷 ， _ _ ， ， l 时向 j 衄l i 1 |。 时向 l 。褂 埔 l 。1| 图3 1 2 3 2 冲击破坏理论 时俩 低渗透性土三遍夯击下的动力固结过程 冲击破坏理论主要是对非饱和粗粒土提出的，土体颗粒主要是在纵波和横波 的作用下相互靠拢，排出孔隙中的气体，颗粒重新排列。土体被挤密压实，强度 提高，压缩性降低。在夯坑底形成一层厚度为夯坑直径1 0 1 5 倍的超压密土层， 承载力可提高2 3 倍。 南昌大学建工学院水利水电工程 3 3 强夯法施工机械及施工程序 硕士论文 强夯施工机械相对来说比较简单，一般是将自行走式起重机直接或稍加改造 做为强夯机械。2 0 0 0 k n m 能级以下的强夯可以把自行式起重机直接做为强夯 机械；而2 0 0