（地质工程专业论文）浅层地基冲击碾压处置的试验研究及颗粒流模拟.pdf

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散过程，而现代计算机技术的不断提高也为解决砂土液化和密实等动力问题提供 了一个强大而灵活的环境。本文利用颗粒流模型对砂土地基的冲击碾压加固过程 进行模拟，用p f c 3 0 建立了模拟冲击碾压加固的砂粒模型、冲碾源模型和砂箱模 型，并与现场试验结果进行比较分析，验证所建立模型的有效性，利用颗粒流模 拟地基土细观特征与宏观力学响应之间的关系，对冲击碾压法地基加固机理进行 研究。颗粒流模拟研究表明：在冲击力的作用下，颗粒间接触结构在1 0 m 范围 内发生破坏；颗粒在6 0 m 范围内发生了明显位移，这与现场试验结果相符。 关键词：地基加固，冲击碾压，现场试验，颗粒流模拟，加固效果，机理，影响 因素 a b s t r a c t a b s t r a c t t r a d i t i o n a lv i b r a t o r yr o l l e ru s i n gw o r k i n gw h e e l s v i b r a t o rt r a n s m i t sv i b r a t i o n s o fh i g hf r e q u e n c ya n ds m a l la m p l i t u d et os o i l t h e nt h ed e n s i t yo ft h es o i li si n c r e a s e d w h i l et h ep a r t i c l e so ft h es o i lv i b r a t ew i t ht h e i rn a t u r a lf r e q u e n c y d i f f e r e n t l y ，i m p a c t r o l l e ru s i n gw o r k i n gw h e e l sd i r e c t l yp r o d u c ei m p u l s i v ec o m p a c t i o no fl o w f r e q u e n c y a n db i ga m p l i t u d et ot h es o i l h o wd o e st h ea c t i o na f f e c tt h es o i ls t r u c t u r ea n dt h e d i s p l a c e m e n to ft h ep a r t i c l e s ? a tp r e s e n t ，t h em e c h a n i s mo fi m p a c tr o l l e rc o m p a c t i o n i su n d e r s t o o dp u r e l yb a s e do nt h em a c r o s c o p i c a lh y p o t h e s i sa n di ti s s t i l lu n c l e a r c o n c e m i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o i l sc o m p a c t i o na n dc h a n g eo fm e s o f a b r i co f g r a i n s t h es t a t eo fp r a c t i c ef o ri m p a c tc o m p a c t i o ni so n l yg r o u n d e do ne x p e r i e n c e a n di n s i t ut e s t ，a n dl a c k o fs u i t a b l en u m e r i c a lm o d e l i n gt 0 0 1 i nt h i sd i s s e r t a t i o n i m p a c t r o l l e rc o m p a c t i o no f s i l t y a n df i n es a n d si ss t u d i e di nd e t a i l sf r o m m a c r o s c o p i c a lp o i n ta n dm e s o s c o p i c a lp o i n tb yw a yo fi n s i t ut e s t sa n dp a r t i c l ef l o w c o d ei n3d i m e n s i o n sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a s e do nt h ei n s i t ut e s t so fs h a n g h a ip u d o n gi n t e r n a t i o n a la i r p o r tp r o j e c t ，t h e m a i nw o r k si nt h i sp a p e ra r et h er e s e a r c h e so nt h ea p p l i c a b i l i t yo fi m p a c tr o l l e r c o m p a c t i o no fs i l t ya n df i n es a n d sa n dt h ei n f l u e n t i a lf a c t o r s ，s u c ha st h ed e p t ho f c u s h i o n ，d e w a t e r i n gm e t h o d s ，n u m b e ro fi m p a c tr o l l e rp a s s e sa n ds oo n t h ed a t a m e a s u r e df r o ms t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s t ，s t a t i cc o n ep e n e t r a t i o nt e s ta n ds u r f a c ew a v e t e s ta r eu s e dt oe v a l u a t et h ee f f e c t i v ei n f l u e n c ed e p t h ，t h es t r e n g t ho fs o i l s ，t h e i n c r e a s eo ff o u n d a t i o nm o d u l u sa n dt h ei n f l u e n c et o s u r r o u n d i n g s t h er e s e a r c h i n d i c a t e st h a td e w a t e r i n gd o e sg o o dt oi m p r o v et h es t r e n g t ho ft h es o i l ，b u td i f f e r e n t d e w a t e r i n gm e t h o d sd ot h es a m e c u s h i o na n di n c r e a s eo ft h ec u s h i o n sd e p t hm a k e f o rt h ei n c r e a s eo ff o u n d a t i o nm o d u l u s i m p a c tr o l l e rc o m p a c t i o nm e t h o da f f e c t st h e s o i lw i t h i nt h er a n g eo f6 mo fd e p t ha n d3 0 mo fl e n g t h p a r t i c l ef l o wc o d ei n3d i m e n s i o n s ，a saa d v a n c e dn u m e r i c a lm o d e l i n gc o d e ， p r o v i d e sap o w e r f u la n df l e x i b l et o o lf o ru n d e r s t a n d i n ga n ds i m u l a t i n gl i q u e f a c t i o n a n dc o m p a c t i o no fs a n d sf o ri t ss u i t a b i l i t yo fm o d e l i n gw a v et r a n s m i ta n de n e r g y d i s s i p a t i o nt h a n k st ot h ee v e ri n c r e a s i n gp o w e ro fm o d e mc o m p u t e r s i nt h et h e s i s ， p f d ui su s e dt om o d e li m p a c tr o l l e rc o m p a c t i o nb ya d d i t i o n a lp r o g r a m m i n gu s i n g f i s hl a n g u a g e i no r d e rt os i m u l a t ei m p a c tc o m p a c t i o np r o c e s s ，s e v e r a lm o d e l sh a v e b e e nb u i l t ：s a n d g r a i n s ，i m p a c tm i l e rc o m p a c t i o nu n i ta n ds a n db o x b yc o m p a r i n g i l r e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h ec o n c l u s i o n so ft h ei n s i t ut e s t s k e yw o r d s ：f o u n d a t i o nt r e a t m e n t ，i m p a c t r o l l e r c o m p a c t i o n ，i n s i t ut e s t ，p f c n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e f f e c to ft r e a t m e n t ，m e c h a n i s m ，i n f l u e n t i a l f a c t o r s i i i 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 冲击碾压的研究现状2 1 2 2 颗粒流理论及应用的研究现状3 1 3 本文研究的目的、意义和主要内容5 1 3 1 研究目的和意义5 1 3 2 本文的主要研究内容6 第2 章冲击碾压地基加固的现场试验研究8 2 1 概j 筮8 2 2 冲击碾压基本原理8 2 3 现场原型试验9 2 3 1 试验场地概况9 2 3 2 冲击碾压地基处理试验方案设计1 0 2 4 冲击碾压试验区检测结果与分析1 4 2 4 1 监测和检测内容1 5 2 4 2 场地高程1 5 2 4 3 水位和孔隙水压1 6 2 4 4 土层含水量1 9 2 4 5 山皮石垫层干容重1 9 2 4 6 地基反应模量一1 9 2 4 7 静力触探检测2 1 2 4 8 标准贯入试验一2 5 2 4 9 振动测试2 7 2 4 1 0 面波测试3 2 2 5 本章小结3 5 第3 章颗粒流数值模拟的理论与方法3 7 l v 3 1 颗粒流方法产生的理论背景3 7 3 2 颗粒流方法的基本假设3 7 3 3 基本力学理论3 8 3 3 1 力一位移定律3 9 3 3 2 运动定律4 2 3 4 初始条件和边界条件4 2 3 5 接触刚度模型4 3 3 5 1 线性接触模型4 3 3 5 2h e r t z m i n d l i n 接触模型4 4 3 6 颗粒流方法中一些量的计量方法4 5 3 6 1 颗粒接触数量4 5 3 6 2 孔隙度4 5 3 6 3 滑动摩擦系数4 5 3 7 颗粒流方法分析途径4 5 第4 章冲击碾压地基加固的细观颗粒流模拟4 8 4 1 颗粒流模型的建立4 8 4 1 1 冲击碾压加同模犁的基本要求4 8 4 1 2 砂箱和颗粒的生成4 8 4 1 3冲击源的生成5 l 4 2 颗粒流模拟结果的分析5 3 第5 章结论与展望6 0 5 1 主要研究结论6 0 5 。2 进一步工作的建议6 1 致调t 6 2 参考文献6 3 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果6 6 v 随着我国西部大开发的推进及大量基础建设项目的启动和发展，公路、铁 路、机场、水利、电站等的建设中，有规模巨大的土石方工程及相应的压实工程， 为了适应大型工程对地基承载能力、稳定性的需求，需要有高效率、高压实能量 的压实机械。从经济发展的角度看，今后国家将投入大量资金发展高速公路、机 场工程和港口工程等基础工程，并对建筑质量提出了更高的要求，但前期修建的 高速公路，尤其是山区公路路基填方高、地质多样化，由于建设周期短，路基完 成后很少留有自然沉降期，虽经重型振动压路机碾压，尚不能有效的解决路基 的差异变形，其工后沉降要经历较长时间的通车运行方渐趋于稳定。所以，在这 些大型项目中，地基的处理往往成为整个工程质量、工期进度快慢的决定性因素。 同时，随着社会的高速发展，基础工程的工期与质量二者必须做到兼顾。从 振动压路机看，虽然振动压实技术在碾压中的应用日臻完善，应用范围不断扩大， 但是受振动压路和自身结构的限制，其压实能量进一步增大和压实效率进一步提 高十分困难，对新的压实技术和方法的探讨成为研究课题。冲击碾压技术和冲击 式压路机正是在这一要求下，进入到国内的工程实践。冲击碾压技术兼具强夯处 理和普通振动压实处理技术的优点。它的开发应用，是对压实技术的新突破。 该项技术的运用，大大降低了施工建设单位的投资成本，提高了施工效率。 实践表明，凡经冲击式压路机压实后的地基，在整体质量上都有很大程度上的 提高。为了更加规范有效的为工程实践服务，目前，交通部下达了制订冲击碾压 施工技术规范，国家工程机械标准委员会也已经在考虑制订冲击式压路机系列产 品的技术标准，这都将进一步促进冲击碾压技术的发展。冲击碾压加固地基方法 的开发应用对我国基础设施建设和筑路机械发展起到了促进和推动作用。它不仅 在筑路行业、机场建设等方面发挥作用，还将在我国的农业、水利、环境等建设 方面发挥优势。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 冲击碾压的应用与研究现状 非圆形滚轮压路机的设想始于2 0 世纪3 0 年代，但成为一种比较成熟的碾压 技术，并可供实用的非圆形滚轮压路机则是南非在2 0 世纪7 0 至8 0 年代，经历 1 0 多年的深入研究才发展起来的，在南非于2 0 世纪8 0 年代形成系列产品。 冲击压实机是一种拖式压实机械，由功率匹配的装载机牵引行驶和工作，见 图1 1 。冲击式压实机由冲击轮，机架和连接机械三部分组成。其主要工作机构 是非圆形的冲击轮快速滚动进行冲击碾压。冲击轮在运动过程中把高位的势能和 瞬时动能转化为在低位时对地面的冲击能，并以1 0 1 5k m h 的行驶速度进行碾 压作业，产生强烈的冲击波向深层传播。 图1 1 冲击式压路机 上世纪8 0 年代以来，应用冲击压路机较多的国家有：南非、澳大利亚、美 国、英国、沙特等。其应用领域主要有以下几个方面：( 1 ) 公路、铁路方面，包 括地基的冲击碾压，路基的分层碾压及补压，旧水泥路面、沥青路面、砂石路面 的破碎与加宽改进等；( 2 ) 水利方面包括大堤的压实与加固、农田的压实防渗、 盐场的压实防渗等；( 3 ) 民航机场方面包括新建机场场道的压实、旧跑道的破碎 与加固等；( 4 ) 其他方面包括垃圾场的填埋与压实，楼房、工厂地基的压实及粉 煤灰等废弃物的压实等。南非、美国、沙特等在路堤压实与应用方面有较为成熟 的技术，澳大利亚在应用冲击压路机处理农田水利的防渗方面工程经验较多，美 国在生产、应用四边形冲击压路机于旧水泥路面的破碎与压实方面完成了多个工 程，积累了较多经验。南非蓝派公司1 9 9 5 年完成香港赤腊角新机场的场道建设 后，于1 9 9 6 年将冲击压路机引入中国，先后在云南、黑龙江、河北唐山等地进 行了试验性碾压。目前我国共有各型冲击压路机近6 0 0 台，约占全世界冲击压路 机数量的8 0 。我国公路部门现在普遍采用冲击碾压技术，主要应用领域有： ( 1 ) 地基的碾压；( 2 ) 路基的增强补压；( 3 ) 路基的分层碾压；( 4 ) 旧路的改建；( 5 ) 水利大坝的填筑等。 2 第1 章引言 冲击碾压方法作为一种新兴的地基处理方法，近年来在国内外应用十分广 泛： 张沔等研究了冲击压实机在公路改造工程中的应用，采用冲击压路机直接冲 击碾压路面，使旧路达到新建高等级公路路基压实度要求。陈一统心1 ，王新增 等口们对冲击压实机在高速公路路基施工中的应用进行了研究。刘荥等研究了 冲击破碎路面的三维叠层有限单元计算模型扣1 。王吉利等对冲击碾压法处理黄土 地基进行了试验研究旧1 。王生新等从微观特征方面对冲击压实路基黄土进行研究 1 0 o 李小青等利用动力有限元方法对路基冲击压实进行了数值模拟分析n 。 综合以上研究成果可以了解冲击压路机的工作原理比较简单，在我国尤其是 公路和机场建设方面开始广泛应用，但与传统的振动压路机相比：传统的振动压 路机将工作轮振动器所产生的高频率、小振幅振动传给土体，使土颗粒发生接近 自身固有频率的振动相互靠近密实度增加。冲击压实机利用工作轮直接对土体施 加低频率、大振幅的冲击作用，瞬时释放出强大的振动力和冲击能量，使土颗粒 产生加速度位移，使土颗粒内的空气和部分水分产生强制性的压缩作用，增大土 体的密实度。这种作用对土体结构产生何种影响，土颗粒是如何发生位移的? 冲 击碾压地基加固的效果、影响因素和适应性尚不完全清楚，所以需要进行进一步 的研究。 1 2 2 颗粒流理论及应用的研究现状 颗粒流方法作为一种特殊的离散单元法，其理论基础是c u n d a l l 提出的离散 单元法n2 。它最初只是研究颗粒介质特性的一种工具，采用数值方法将物体分为 有代表性的数百个颗粒单元，期望利用这种局部的模拟结果来研究具有复杂变形 模式的实际问题。近年来随着研究的深入和计算机性能的不断提高，特别是可以 用颗粒集合体来模拟整个实际问题并自动形成颗粒的某些本构特性，才使得颗粒 流模拟方法成为用来模拟固体力学和颗粒介质流动以及大变形等动力和静力问 题的一种有效手段。与通用离散元程序( u d e c ) 和三维离散元程序( 3 d e c ) 方法相 比，三维颗粒流程序( p f c 3 0 ) 不但计算效率更高，而且可以有效地模拟无限大变 形问题和动力作用问题，其颗粒单元连接形成的颗粒簇还可以被破坏来模拟颗粒 的破碎问题。颗粒流方法作为一种功能强大的数值模拟方法主要具有下面一些基 本特征n 引： 1 可以模拟颗粒集合体的动力问题，颗粒运动可以通过指定速度或应力进行 控制，颗粒体、颗粒接触和连接可以被赋予不同的性质，且可以在运行过程中进 行调整； 2 内置编程语言( f i s h ) 允许用户定义新的变量或函数，可以插入用户定义 的接触本构模型，并可以根据用户要求来分析具体问题； 3 第1 章弓i n 3 颗粒流模型采用的显式算法可以为不稳定的物理过程提供稳定解，而且不 需要很大的存储空间和迭代过程即可模拟大量颗粒的非线性相互作用问题； 4 可以测量任何指定球形区域内的平均应力、应变率、孔隙率和配位数，颗 粒间相对位移的计算无需通过增量位移而直接通过坐标进行计算； 5 内置阻尼可以实现最优静力收敛，且经过适当调整后可以进行动力模拟： 6 对于摩擦滑动，允许建立线性或非线性( h e r t z ) 接触模型； 7 接触处可以有接触连接和平行连接两种连接模型，颗粒连接具有一定的抗 拉强度和抗剪强度； 8 颗粒生成器可以在指定区域内自动生成按指定方式分布的颗粒，颗粒半径 可以在模拟过程中进行调整，允许颗粒单元发生任意位移和旋转； 9 墙体可以由多段线段构成，墙段与墙段之间可以采用任意连接方式，且墙 体可以根据需要对颗粒施加速度边界条件。 颗粒流方法作为一种新兴的数值模拟技术，近年来在国内外己受到广泛的注 意和重视，结合具体工程广泛开展了颗粒流理论的工程应用研究： c u n d a l l n 引采用颗粒流方法对岩爆现象进行了数值模拟，对岩爆发生时的应 力集聚与扩散以及断裂发展情况进行了分析。p o t y o n d y n 剐等利用连接球形颗粒对 爆炸诱发冲击和断裂过程进行了颗粒流模拟。b e u s 等n6 1 介绍了颗粒流方法在矿 石输送设计中的应用，并分析了物理模型的合理性及颗粒流动规律。m a h b o u b i 等7 11 9 9 7 年利用颗粒流方法对非圆形易碎颗粒的力学性状进行了模拟，模拟结 果与试验结果具有较好的一致性。c h a n d l e r n8 j 研究了颗粒流方法在解决核废料处 理和储存中遇到的岩土工程问题中的应用。c h a n d l e r 等n9 1 结合加拿大一核废料 处理项目，基于颗粒流方法提出了土体开挖的一种集总分析法，并对开挖稳定性 进行了模拟。k u l a t i l a k e 等瞳0 1 对单轴压缩试验中含节理岩块的性状及其变化进 行了颗粒流模拟，并与试验结果进行了比较。h o l t 妇对土体现场碾压密实进行了 室内模型试验研究和颗粒流模拟。c u n d a l l 乜2 1 分析了颗粒流方法在岩土工程中的 发展前景。 我国对颗粒流方法的研究相对较晚，但自从周健教授于2 0 0 0 年将其应用到 岩土工程研究以来，己逐渐引起国内岩土工程届的关注和兴趣，其进行岩土工程 模拟的可行性己得到有效的验证把引心4 2 5 2 剐瞳7 2 引旧9 】引。此外，池永在模拟土体应 力应变关系曲线的基础上进行了砂土和粘性土剪切带形成和发展的细观颗粒流 模拟，并与室内试验结果进行了比较，证明二者具有较好的一致性旧。贾敏才对 砂土地基振冲加固进行了试验研究及颗粒流模拟引。曾庆有对侧向受荷桩模型试 验与颗粒流进行了分析招3 。屈俊童对砂土地基的爆炸法密实进行了试验研究及细 观数值模拟。川。结合以上颗粒流理论的基本特征和有关文献研究来看，颗粒流方 4 第1 章引言 法既可解决静态问题也可解决动态问题；既可用于参数预测，也可用于在原始资 料详细情况下的实际模拟；既可用于代替室内试验，也可用于初步研究细观参数 变化对整个体系的影响，进而设计模型模拟整个过程。颗粒流模拟方法主要可以 应用在以下一些领域： 1 岩土工程领域内的基坑开挖、隧道、边坡、复合地基等问题； 2 动态冲击和密实问题( 如打桩、振冲、强夯、地震和爆炸等) ； 3 在槽、管、料斗、筒仓中的松散物体流动问题； 4 矿区采空区中的岩体断裂、坍塌、破碎和岩块流动问题； 5 在铸造业中粉粒的压缩和密实问题； 6 梁结构震动反应及破坏问题； 7 颗粒介质基本特性研究，如屈服、流动、体变等； 8 固体介质中的损伤累积、断裂和声波传播问题。 从以上的综述发现，虽然颗粒流方法的潜在应用领域很多，国内外在研究和 实践中也取得了一些重要成果，但是总的说来，颗粒流方法应用于实际工程问题 的模拟分析，在国内外还有很多问题有待进一步研究。所以，作为一种新型的数 值模拟方法，引入并进一步开发其在岩土工程中的应用无疑很有实用价值。 1 3 本文研究的目的、意义和主要内容 1 3 1 研究目的和意义 粉细砂地基在我国东部沿海地区分布很广，近年来因码头、机场等大型工程 建设项目发展的需要又出现了很多填海造地形成的粉细砂陆域。这些粉细砂陆域 一般工程性质较差，必须采用适当的加固措施进行处理。冲击碾压法因其施工简 便、工期短和造价低等优点，特别适合我国国情。但冲击碾压法在地基加固中的 加固机理、影响深度、适用性等尚不完全清楚，如果能将冲击碾压法成功推广应 用到地基加固中，具有非常广阔的应用前景和显著的经济及社会效益。 砂土颗粒组构特征及其变化对砂土在动力或静力荷载作用下的宏观响应及 其力学性质具有十分重要的作用。冲击碾压加固地基限于研究手段的不足，对机 理研究多停留于宏观假设的水平上，对于加固作用是如何进行和实现的，冲碾过 程中砂土颗粒是如何运动的，所谓的砂土颗粒的高势能位置和低势能位置是怎样 的，砂土组构是如何发展变化的，一直缺少有力的直接观察和验证。如果能够通 过试验或数值模拟的途径解决上述实际问题，对于理解冲击碾压法加固的细观机 理十分重要。砂土在冲击荷载作用下的性态变化和密实过程是一个十分复杂的问 题，影响颗粒密实状态的因素很难定量描述，而传统的数值模拟方法如差分法、 有限元法、边界元法主要是用来解决在小变形前提下的连续介质问题，无法有效 第1 章引言 地应用到对冲击碾压法的研究中去。 c u n d a l l 等在离散元理论基础上开发了专门用于模拟固体力学大变形问题 及颗粒介质流动问题的计算方法颗粒流理论。由于颗粒流模型可以合理模拟 波的传播和能量消散过程，而且通过颗粒流模拟可以实时了解砂土颗粒的运动及 其组构变化，最重要的是通过这些数值模拟，可将砂土的宏观力学性状和其细观 变化联系起来。因此可以通过引入和再开发的途径，利用颗粒流技术这一有效的 数值模拟方法对冲碾过程中砂土颗粒的细观变化和冲击碾压参数对颗粒细观组 构的影响以进行研究。这对于j 下确理解冲击碾压加固砂土地基的机理以及冲击碾 压法的科学设计和推广应用具有十分重要的意义。 1 3 2 本文的主要研究内容 现场原型试验可以真实地反映实际工程条件下的土体力学行为和工程性能。 颗粒流方法作为一种先进的数值模拟技术为砂土的宏细观研究提供了一个理想 的模拟环境，它可以克服任何实际的物理模拟试验所不能避免的边界效应问题， 可以给出多方面的从细观变化到宏观响应的信息。近年来计算机技术的迅速发展 已使采用颗粒流技术来模拟实际工程问题成为可能，与物理模型试验相比，颗粒 流方法具有明显的优越性和发展前景。 本文结合上海浦东国际机场扩建工程第三跑道系统地基冲击碾压加固的工 程实践，充分利用现场原型试验和颗粒流方法各自的优势，将现场原型试验和颗 粒流模拟技术相结合，从宏观和细观两方面来研究冲击碾压法。首先通过现场试 验研究粉细砂采用冲击碾压法进行加固的有效性和不同设计参数与冲击碾压地 基密实性之间的关系，并找出影响其加固效果的主要因素及其相应的变化规律。 然后通过进一步开发颗粒流技术，利用其从宏细观结合的途径末研究砂土冲击碾 压加固的主要影响因素和砂土颗粒在冲击碾压加固过程中的细观变化规律，并与 有关试验结果进行比较分析，进一步加深对砂土冲碾密实过程的理解和认识，为 颗粒流技术在将来冲击碾压加固中的实际应用奠定基础。因此本文将从冲击碾压 的机理出发，利用颗粒流模型研究在冲击能量作用下地基土强度与状态变化的基 本规律，着重展开以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 结合现场冲击碾压原型试验，研究冲击碾压法加固粉细砂地基的适宜 性以及挚层厚度、降水方式、冲碾遍数等因素对冲击碾压加固效果的影响； ( 2 ) 基于标贯、静力触探、面波测试等原位测试的试验成果，对冲击碾压 的加固深度、土体强度与地基反应模量的增长以及对周围环境的影响等进行分析 和评价。 ( 3 ) 用p f c 加建立模拟砂土冲击碾压加固的砂粒模型、冲击模型和砂箱模型。 在对砂土细观颗粒参数进行校正的基础上，利用建立的颗粒流模型对砂土地基的 6 第1 章引言 冲击碾压加固过程进行模拟，并与现场试验结果进行比较分析，验证所建立模型 的有效性，利用颗粒流模拟地基土细观特征与宏观力学响应之间的关系，对冲击 碾压法地基加固机理进行研究； ( 4 ) 将现场试验和数值模拟成果结合起来，研究冲击碾压地基加固的影响 因素和关键施工工艺。 2 1 概述 自上世纪8 0 年代以来，我国东部沿海地区大规模建造港口码头、机场等， 对软弱土地基进行处理通常采用工艺比较成熟的振冲法、强夯法、动力排水固结 法、堆载预压法、真空预压排水固结法等进行地基处理，在实际工程中，上述处 理方法得到了较广泛的应用，取得了好的处理效果。但对于机场跑道工程和道路 工程而言，上部荷载通常不大，但如果整个表层土的地基反应模量和强度均较低， 在飞机或车辆荷载作用下容易产生累积塑性变形，因此，须对浅层土进行加固， 提高其强度和承载力，改善其不均匀性，并和土性较好土层共同形成硬壳层地基， 最终给道面结构提供均匀稳定坚实的基槽。上述处理方法造价偏高，特别是预压 法处理，所需时间长，通常不能满足工期的要求。因此，需要寻找一种更经济、 快速的地基处理方法。在软基处理的各种方法中，冲击碾压加固地基以其快速、 经济、简单的优点为人们所认同。 南非蓝派公司1 9 9 5 年完成香港赤腊角新机场的场道建设后，于1 9 9 6 年将冲 击压路机引入中国，应用冲击碾压法处理地基在国内己有许多成功的先例，尤其 是在公路建设中。尽管如此，由于对该方法研究尚浅，其设计方法不完善，多数 都是基于工程经验，缺乏相应的设计理论，因此对冲击碾压法处理地基的有关问 题进行研究具有理论和现实的意义。 本章结合上海民航新时代机场设计研究院在上海浦东国际机场扩建工程第 三跑道系统进行的冲击碾压地基处理原型试验，根据地基处置f j i 后原位测试结 果，对地基加固效果及其影响因素进行分析，为冲击碾压法处理地基的工程设计 和理论研究提供参考。 2 2 冲击碾压基本原理 冲击压路机与传统的振动压路机相比，最大的特点是其非圆形的冲击轮外 形，为了行使的平稳和最低的能量消耗，其外形主要为三、四、五边的正多边形。 传统的振动压路机将工作轮振动器所产生的高频率、小振幅振动传给土壤，使土 颗粒发生接近自身固有频率的振动相互靠近密实度增加；冲击压实机利用工作轮 直接对土壤施加低频率、大振幅的冲击作用，瞬时释放出强大的振动力和冲击能 量，使土颗粒产生加速度位移，使土颗粒内的空气和部分水分产生强制性的压缩 作用，增大密实度。 8 第2 章冲击碾压加固现场试验研究 冲击压路机工作原理是依靠正多边形冲击轮产生的冲击力、振动力和碾静重 压力三者共同作用土基上，冲击轮在牵引力作用下向前滚动，在运动过程中，三 种能量使土体压密：( 1 ) 压实机质心位于最高时坠落而发生的冲量；( 2 ) 压实轮 以一定速度旋转和跳动引起的振动；( 3 ) 压实轮静重在滚动过程中压实土基时做 功。因此，冲击能量的大小与冲击轮的质量、质心的高度、牵引的速度、肺原性 轮廓的边数和土质等参数有关。冲击轮的势能是基本的，可以表征的，其它方面 的动力不易表征。冲击式压路机工作原理如图2 1 所示。 的进方向 图2 1 冲击式压路机上作原理 2 3 现场原型试验 2 3 1 试验场地概况 试验场区位于上海浦东国际机场扩建工程第三跑道系统所在场区中，为百年 前新淤积而成的海滨平原，地势平坦，河网纵横密布，地面标高一般在3 3 - - 一4 5 m 之间。 岩土工程勘察查明，在所揭露深度6 5 0 0 m 范围内的地基土分别属第四纪全 新世、上更新世沉积物。主要由饱和粘性土、粉性土和砂土组成，一般呈水平层 理分布，根据地基土的特征、成因年代及物理力学性质的差异可划分为6 个主要 层次，其中第、层根据土性差异又可分为若干亚层或次亚层。 拟建场地在深度2 0 m 范围内存在饱和的第：层砂质粉土，综合液化判别认 为该土层为不液化土层。 第三跑道系统所在场区的天然地基各土层的物理力学性质指标见表2 1 。 表2 1 试验区天然地基各十层的物理力学性质指标 层底标高( 层厚) 天然含水量天然容重内摩擦角内聚力爪缩模量 层号土名 孔隙比 ( m )( )( k n m 3 )( 。)( k p a )e s ( m p a ) 粉质粘土1 9 3 3 3 3 ( 1 4 1 2 8 81 8 70 8 41 7 51 84 4 2 l 淤泥质粉质粘土 0 - 3 3 1 9 3 ( 1 6 1 3 9 41 7 71 1 12 4 o1 22 7 5 9 。砂质粉土一5 5 7 o 3 3 ( 5 9 ) 2 9 21 8 7o 8 33 3 0 4 1 1 5 0 淤泥质粘土一1 5 2 7 一5 5 7 ( 9 7 ) 5 0 81 6 71 4 41 1 51 42 1 5 。粘土 一2 6 7 7 一1 5 2 7 ( 1 1 5 )4 0 11 7 61 1 41 5 01 63 2 5 。粉质粘十 - 3 8 7 7 一2 6 7 7 ( 1 2 )3 7 41 7 81 0 71 9 o 1 8 4 1 2 ，粉质粘土夹粉砂- 4 3 6 7 一3 8 7 7 ( 4 9 ) 3 0 41 8 30 9 02 7 51 26 3 0 。粉质粘土 2 1 81 9 70 6 52 0 o4 37 2 8 。粉砂 3 0 11 8 70 8 43 3 o01 3 2 0 ：粉细砂 2 7 21 9 oo 7 63 4 501 4 9 9 注：内摩擦角和内聚力取自直豇同结快霓( 峰值) 从表中可以看出：场区中表层地基土层在地基强度和压缩性方面难以满足机 场跑道对地基的要求。 2 3 2 冲击碾压地基处理试验方案设计 根据浅层地基处理的目的，结合现有工程可行的实际施工工艺，提出“井点 降水+ 挚层+ 冲击碾压”试验方案。此方案能够比较好的解决浅部土层的主要工 程地质问题，同时具有施工便捷、工程造价低的特点。碾压沉降量相对较小，由 此产生的回填土方量少，所引起的附加工后工程荷载也相对较小，这对控制工后 沉降有一定好处。对本场区地基土层而言，第：砂质粉土层是力学性质较好的 相对硬土层，土层厚度6 m 左右，层顶埋深约3 m ，冲击碾压工艺不破坏第：土层， 保持其原状土的完整性，并在碾压后共同形成浅部地基中的“硬壳”层。 按照上述地基处理方案，冲击碾压地基处置施工工艺流程如图2 2 和图2 3 所示。 真空泵 黻麟瓣形簌 糍 第l 层霭 泥质粉蘑粘土l ，“ ，；- h j j i 坳。x ? 藩一i ? 袋一 井点降水剖面图 鼷汐酶毒簌焱 图2 2 井点降水与山皮石施工工艺简图 1 0 山皮石垫层施工 1 试验区位置 黔渤凑粼 缓一 冲击碾压施工 图2 3 冲击碾压施工工艺简图 冲击碾压机发挥最佳效果的工作速度为1 2 1 5 k m h ，试验区场地适合采用 长方形。经综合考虑，冲击碾压试验区定在三跑道北侧的规划滑行道区域，且在 滑行道全宽度范围进行，试验区尺寸为6 4 m x1 2 8 m ，面积8 1 9 2 m 2 。考虑两种垫层 厚度3 5 c m 和5 0 c m ，以及两种降水工艺高真空降水和井点降水，划分为c 1 、c 2 、 c 3 、c 4 四个试验区；并安排一个不降水冲击碾压试验区，即c 5 试验区，长6 4 m ， 宽3 2 m ，面积2 0 4 8 m 2 。详见图2 4 和图2 5 。试验区的几个设计参数见下表2 2 ： 表2 2 试验区设计参数 项目c 1 区c 2 区c 3 区c 4 区c 5 区 面积( m 2 ) 2 0 4 82 0 4 82 0 4 82 0 4 82 0 4 8 山皮石垫层厚度 3 5 c m3 5 c m5 0 c m5 0 c m5 0 a m ( c m ) 高真空降高真空降无降水 井点降水工艺井点降水井点降水 水水措施 口 冲碾试验区在第三跑道系统的位置 图2 4 冲击碾压试验区在第三跑道系统的位置 3 2 。 3 2 - ， l 螂l】岳 【螂+ 1 考型1i 鹌呼 l 倒螂i 潞妲 葛 i 辱c 考受j 暑! 印芒 c3 ；c j 埔l 丑窭恒霜 j 黉捌i 捌鼷 。 c5 c4 ；c2 葛 。 r 1 。 l 3 2 l 1 8 1 2 冲击碾压施工 图2 5 冲击碾压试验区的布置 ( 1 ) 采用三边形和五边形冲击式碾压机对山皮石挚层进行冲击碾压，速度为 1 2 1 5 k m h 。冲碾施工宜实行分次碾压，能量由低到高，每次连续冲碾遍数暂定 4 遍。应对孔隙水压力进行监测，连续4 遍冲碾后要求孔压消散7 0 9 6 之后再进行 下一轮冲碾。冲击碾压过程中不应发生“弹簧”现象。冲击碾压时应做好排水， 保证阿水及积水迅速消除，雨天不能进行冲击碾压施工。 ( 2 ) 冲击碾压遍数为2 0 3 0 遍。 ( 3 ) 停止冲击碾压的条件是最后5 遍碾压的沉降量小于2 c m 。 1 2 帮 第2 章冲击碾压加固现场试验研究