（岩土工程专业论文）强夯法加固黄土路基的规律探索.pdf

摘要 强夯法加固黄土路基的规律探索 学科：岩土工程 作者：刘新龙签名： 导师：李宁教授签名： 摘要 纠转 l 强夯法己在高等级公路软弱地基的加固工程中得到广泛应用，但是目前还没有形 成比较成熟和完善的理论及设计计算方法，如何用强夯法使湿陷性黄土路基在变形、 强度、稳定性等各方面都能满足建设要求的问题，己是路基处理中一项迫切要解决的 课题。本文在对国内外资料调研基础上，针对强夯法在黄土路堤压实施工中的应用， 系统地分析了强夯加固黄土地基及回填土的机理以及强夯施工特性，主要内容有： 1 通过强夯黄土地基土及回填土的现场试验、对强夯法加固非饱和黄土的参数进 行了研究，得到了铜黄公路的强夯施工参数，并与数值模拟结果作了有意义比较。同 时提出强夯影响区的判断标准。在此基础上分析了相同夯击能不同夯击次数土体加固 区开展的情况，有效地预测了强夯加固区在空间上的分布规律。 2 针对黄土地基，基于有限元软件，采用几何非线性三维有限元方法对强夯加固 机理进行了数值分析。着重对实际工程中关心的几个问题进行了研究，研究结论可归 纳为： ( a ) 强夯法处理非饱和黄土路基，主要是基于动力压实原理；以塑性变形区作为强 夯影响区是较为合适的；强夯沉降量的计算，用数值模拟所得结果要比用解析法计算 的结果更为可靠。 ( b ) 对马兰黄土的强夯宜于采用重夯。 ( c ) 对干重度儿较小的黄土实施强夯处理，效果会较明显；对干重度较小的黄土 实施强夯时，对其含水量进行适当的控制不失为较好的措施；干重度较大的黄土，对 含水量可不采取措。 ( d ) 在含水量较高时，粘聚力c 对强夯加固效果影响明显；含水量较低时，粘聚力 对强夯加固效果影响较小。就一定含水量的黄土而言，夯击效果对其内摩擦角妒的响 应较为剧烈。 关键词：强夯；黄土路基；几何非线性；有限元；加固区 a b s 可t c t r e s e a r c ho nt h er e g u l a r l yo fd y n a m i cc o m p a c t i o nf o r r e i n f o r c i n gl o e s se m b a n k m e n t s u b je c t ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g a u t h o r ：l i ux i n - l o n g a d v i s o r ：l in i n g s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： a b s t r a c t t h ed y n a m i cc o m p a c t i o nm e t h o dh a sb e e nw i d e l y a p p l i e di n s o f tg r o u n dt r e a t m e n ti n h i g h w a yc o n s t r u c t i o n s ，b u tt h e r ei sn os u i t a b l et h e o r yi t sd e s i g n i n g f u r t h e r m o r e ，i ti s s t i l lap r o b l e m st h a th o wt om a k ec o m p a c t i n gl o e s se m b a n k m e n tt os a t i s f yt h ed e f o r m a t i o n , i n t e n s i t ya n ds t a b i l i t y b a s i n go nt h er e s e a r c h e sa th o m ea n da b r o a d ，a i m i n ga tt h ea p p l i c a t i o n o fd y n a m i cc o m p a c t i o ni nc o m p a c t i n gl o e s se m b a n k m e n t ，t h em e c h a n i s mo fd y n a m i cc o m p a c t i o n a n dt h er e s u l t so fd y n a m i cc o m p a c t i o nc a u s e db yd y n a m i cc o m p a c t i o na r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w ： 1 t h ed y n a m i cc o m p a c t i o np a r a m e t e r sa n dt h em e c h a n is mo fd y n a m i cc o m p a c ti n gw e t c o ll a p s i b l el o e s se m b a n k m e n tw e r ea n a l y z e db yt h e - o n - t h es p o tt e s to fd y n a m i cc o m p a c t i n gl o e s s e m b a n k m e n ta n db a c k f i l l e dl o e s ss o i l s ，a n do b t a i n e dt h ep r a c t i c a l b l ep a r a m e t e r so fd y n a m i c c o m p a c to ft o n g h u a n gh i g h w a ye n g i n e e r i n g ，b yt h ew a y ，c o m p a r i n gt h er e s u l t so ff i n it ee l e m e n t m e t h o dw h i tt h er e s u l t so ft h et e s t a tt h es a m et i m e ，t h ec r i t e r i o nf o rd e t e r m i n i n gt h e a f f e c t e dz o n eh a sb e e no b t a i n e d t h ed e v e l o p m e n t so fp l a s t i cz o n ei ns a m ei m p a c te n e r g i e s b u td i f f e r e n tn u m b e ro fd r o p sh a db e e no b t a i n e d w h i c hc a nb eu s e dt of o r e c a s tt h ed i s t r i b u t i o n r u l e so fr e i n f o r c e dz o n eo fd y n a m i cc o m p a c t i o ne f f e c t i v e l y 2 t h ei m p r o v e m e n te f f e c t o fd y n a m i cc o m p a c t i o n ，a i m i n ga tc o l l a p s i b l el o e s sa n d b a c k f ill e dl o e s ss o il se m b a n k m e n t ，h a sb e e ns t u d i e db ya n s y su s i n gg e o m e t r i cn o n li n e a r t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d s e v e r a lp r o b l e m sw h i c ha r ec o n c e r n e di np r a c t i c a l e n g i n e e r i n gh a sb e e ns t u d i e d ，a n dt h em a i nc o n c l u s i o n sc o u l db es u m m e du pa sf o l l o w ： ( a ) t h a ts t r o n g l y - i m p r o v e m e n td e a l sw i t hu n s a t u r a t e dl o e s se m b a n k m e n tc o u l db ew a r r a n t e d d y n a m i cc o m p a c t i o n ，b e s i d e si t i ss u i t a b l ef o rd y n a m i cc o m p a c t i o ni n c i d e n c et ob e c o m p a r t m e n t a li z e db yp l a s t i cd e f o r m a t i o nz o n e ，c a l c u l a t i n gt h ea m o u n to fs e t t l e m e n ta c c o r d i n g t on u m e r i c a la n a l y s i si sm o r ea c c u r a t et h a na c c o r d i n ga n a l y t i ct h e o r y ( b ) r e i n f o r c e dl o e s se m b a n k m e n ti sf i tt ob et a k e ns t r o n gd y n a m i cc o m p a c t i o n ( c ) t h er e i n f o r c i n ge f f e c ti sb e t t e rf o rd y n a m i cc o m p a c t i n gt h el o e s sw i t har e l a t i v e l y l i t t l ed r yw e i g h t i n e s sr a t i o ，a n dt h a ti sag o o dm e a s u r et oa d j u s tt h ew a t e rc o n t e n to ft h e l o e s sw i t har e l a t i v e l y1 i t t l ed r yw e i g h t i n e s sr a t i ow h e nw er e i n f o r c ee 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 ，o nt h eo t h e rh a n d ，d e a l i n gw i t ht h el o e s se m b a n k m e n tw i t har e l a t i v e l yl a r g ed r y 西安理工大学硕士学位论文 w e i g h t i n e s sr a t i o ，i t sw a t e rc o n t e n tc a nb ei g n o r e d ( d ) c o h e s i v es t r e n g t he v i d e n t l ya f f e c t st h ed y n a m i cc o m p a c t i o ne f f e c tt ot h el o e s sw it h ar e l a t i v e l yh i g hw a t e rc o n t e n t ，a n dt h ei n t e r n a lf r i c t i o na n g l em a r k e d l yi n f l u e n c et h ee f f e c t o fd y n a m i cc o m p a c t i o nf o r t h el o e s sw i t hai n v a r i a b l ew a t e rc o n t e n t k e yw o r d s ：d y n a m i cc o m p a c t i o n ；l o e s se m b a n k m e n t ：g e o m e t r i cn o n l i n e a r ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ： r ei n f o r c e dz o n e i l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 学位论文使用授权声明 年月日 本人在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士- 硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者。同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、测览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理o ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 论文作者签名：垄：l 丝导师签名：兰主 年月 日 绪论 1 绪论 1 1 强夯法 强夯法，即强力夯实法，是用起重设备，有时候辅以龙门架，将重锤( 1 0 0 - 4 0 0 t ) ， 起吊到一定高度( 6 4 0 m ) 然后使其自由落下，利用夯锤产生的冲击能使地基得到加固 处理的方法，见图1 1 。强夯法最早由lm e n a r d 于1 9 6 9 年用于c a n n e s 附近n a p o u l e 目l _ l 强哥施l 目 地区废弃石料地基的处理【l 】。由于该加固地基方法有诸多优点，强夯法随后便在法国 国内外迅速得到推广并广泛应用于各类工程口卅。到1 9 7 3 年底。己有1 2 个国家的1 5 0 余项地基加固工程采用动力固结法，处理场地面积达1 4 0 多万平方米。到七十年代末， 全世界己有2 0 多个国家，在将近4 0 0 项工程中使用了这种方法，加固面积达8 0 0 万平 方米。到1 9 8 5 年底，用强夯法加固的地基面积已超过3 0 0 0 万平方米p 】，后相继在美、 英、日、联邦德国、加拿大、荷兰等二十几个国家的几百项工程中获得了广泛的应用 获得了较好的效果。我国于1 9 7 8 年9 月首次引进强夯技术，并于1 9 7 8 年1 1 月 至1 9 7 9 年初首次由交通部一航局科研所及其协作单位在天津新港三号公路进行了强 夯法试验研究。在初步掌握了这种方法的基础上，于1 9 7 9 年8 月又在秦皇岛码头堆 煤场细砂地基进行了试验，效果显著，强夯法的实施为该工程节省资金1 5 0 多万元。 中国建筑科学研究院及其协作单位也于1 9 7 9 年4 月在河北廊坊进行了用强夯法处 理可液化砂土和轻亚黏土地基的野外试验研究，取得了较好的加固效果之后，尤其 西安理工大学硕士学位论文 是九十年代后，很快应用到全国的工程中【5 1 。1 9 9 2 年我国建筑地基处理技术规范 r j g t 7 9 9 1 ) 颁布，其中包括9 种地基处理方法，强夯法就是其中之一。 强夯法用于处理粗粒土地基和低饱和度的细粒土地基时，也称为动力压密法 ( d y n a m i cc o m p a c t i o n ) ：用于处理高饱和度的细粒上地基，特别是淤泥、淤泥质粘土和 泥炭土等软土地基时，又称为称动力固结法( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n ) 。强夯法是一种简 单、经济、快速、有效的地基处理加固技术，主要有以下几个优点： 1 加固效果好。强夯地基可降低地基土的孔隙率、减小压缩性，提高压实度、增 加干密度、提高土体的压缩模量，还可以改善土体抗震动液化的能力和消除土的湿陷 性，可增加地基的均匀性，从而提高地基的承载力。 2 适用范围广。强夯法适用于处理碎石土、砂土、粉砂土、湿陷性黄土、素填土、 人工填土以及难以用一般地基处理方法加固的抛石和工业垃圾等组成的杂填土。在工 业与民用建筑的地基处理中均得到了广泛应用。 3 经济性能好。强夯加固地基一般无需辅助的建材，除了强夯机械的台班费用外， 没有其它消耗，因此费用低廉。其加固费用与桩基、置换、注浆、加筋等处理方法相 比较常常是最低的。 1 2 强夯黄土及黄土路基概述 我国的黄土主要分布在东北、华北和西北，尤其黄河流域最为广泛，总面积约7 0 万平方公里，其中湿陷性黄土约5 0 万平方公里。在陕、甘、宁、青及山西、河南等黄 土集中连续分布的地区，黄土面积达4 5 万平方公里，其中湿陷性黄土超过3 5 万平方 公里。土层厚度可达几十米甚至数百米。湿陷性黄土( 湿陷系数不小于0 0 1 5 ) 以粉粒 为主，土颗粒结构性强，垂直结理明显，孔隙比大，约为o 9 1 1 ，其塑性指数一般为 8 1 3 ，颗粒间主要以碳酸盐胶结，虽然在干燥状态下具有较大的强度，但受水浸泡后 颗粒间水溶盐连接受到破坏，会发生显著而突然的下陷。因此当其作为建筑场地、地 基时，如果不根据其自身特点而采取相应的治理措施，就会造成工程事故，带来危害。 强夯法可以消除湿陷性黄土的湿陷性，强夯处理后的湿陷性黄土地基可以作为一 般建筑物，包括车间、厂房、住宅的基础地基。对于有特殊要求的建筑物也可以采用 部分桩基，但此时由于消除了黄土的湿陷性，桩基消除了原有的负摩擦阻力，增加了 侧摩擦阻力，桩基数量可以大大减少。强夯法加固湿陷性黄土地基在我国应用最早， 实例很多，效果明显。如三门峡火力发电厂强夯法处理面积1 9 3 万m 2 ，是国内率先采 用8 0 0 0 k n m 的高能量级强夯工程项目，处理深度达到1 1 5 m 。再如国营七四四厂和 首阳山电厂两项工程处理面积约为8 - 9 万m 2 ，处理深度达到4 8 m ，效果良好。 强夯处理后的湿陷性黄土地基也可以作为高等级公路的地基。由于地基是确定基 础及路面结构类型及厚度设计的重要依据，提高黄土地基和黄土路基强度和稳定性， 不但可以减少路面厚度，而且可以降低工程造价，尤其随着公路等级的不断提高，以 2 1 绪论 及高级、次高级路面的迅速增加，对路基强度和稳定性提出了更高的要求。 在公路工程中，强夯法主要被用于处理各种不良地基情况，英国、奥地利、瑞士、 法国以及日本等许多国家都有相关的资料报导，例如：瑞士b e r n e 至b e i n n e 高速公路， 在3 公里路段，曾使用了4 0 吨夯锤，4 0 米的落距，进行强夯施工。七十年代末，法国 p o r t 至l e u c a t e 沿海公路，首次对高路堤采用了强夯补强处理。该公路平均填土高度5 米，最高处达1 5 米，由于种种原因导致路堤施工压实质量差，道路通车后高路堤发生 坍陷、下沉、边坡开裂、渗水等不良现象；为此，采用9 5 吨夯锤，1 0 米的落距，进 行强夯补强，取得了较为满意的效果。目前国内用强夯法成功处理黄土路基的工程案 例也很多。 1 3 强夯法加固原理 1 3 1 强夯在土体中引起的波动 重锤自由下落的过程中势能转换成动能，即随着重锤下落，势能越来越小，动能 越来越大，在落到地面的一瞬间，势能的绝大部分都转换成动能。重锤夯击地面时， 这部分动能除一部分以声波形式向四周传播，一小部分由于重锤和土体摩擦而变成热 能外，其余的大部分冲击动能则使土体颗粒在其平衡位置附近产生振动，即由强夯的 冲击引起的振动，在土中是以振动波的形式向下传播的。并以压缩波( 亦称纵波、p 波) 、 剪切波( 横波、s 波) 和瑞利波( 表面波、r 波) 波体系联合在地基中传播，在地基中产生 一个波场。如图1 - 2 所示。根据m i l l e r 等人( 1 9 5 5 ) 的研究，以上三种波占总输入能量 的百分比分别为：r 波占6 7 3 s 波占2 5 8 p 波占6 9 。关于土中弹性波的研究， 鼍真夯蛊 图1 - 2 强夯冲击下土体中的波动 最初是由b l o t 6 1 系统地研究了饱水孔隙介质力学特性，详细研究了p 波和s 波在流体 饱和多孔连续介质中传播的一般三维问题；此后门福录【7 】也在这方面进行了比较深入 的研究；夏唐代8 1 等详细研究了r 波的传播特性，他们的研究均认为p 波和s 波在强 夯过程中起夯实加固作用，且认为p 波的作用是最重要的。牛志荣【9 1 的研究认为r 波 3 西安理工大学硕士学位论文 也有加固作用。 地基土压密状态的模式可以用从上到下四层结构来表示；第一层是地基土因冲击 力而受扰动的区域，主要是横波和面波的干扰。因横波传播方向和质点振动方向垂直： 面波按地面水平方向运动，所以都是在地表层传播使土体产生上下运动、土体松动从 而形成松弛区域。第二层是压缩波的反复作用使地下应力超过了地基的破坏强度的区 域，因土中吸收纵波放出的能量最多，所以这一层的固结效果最好。第三层是压缩波 渐减，也就是地下应力在破坏强度与屈服强度之间，是固结效果迅速下降的区域。第 四层是地下应力处于地基的弹性界限内，能量消耗已经无法克服土体的塑性变形，此 层基本上没有固结作用。 1 3 2 强夯加固原理 美国的j k m i t c h e l l 教授在1 9 8 1 年召开的第十届国际土力学和基础工程学会上 所作的“土质改良技术状态”报告中，对强夯法的加固机理进行了如下概括：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( 普罗克特击实法) 相同： 对于饱和无粘性土，夯击过程中，土体可能会产生液化，其致密过程与爆破和振动压 密过程相似：对于饱和细粒粘性土的效果尚不明确，成功和失败的例子均有报道，对于 这类饱和的细颗粒土，要求破坏土的结构、产生超空隙水压力、由裂隙形成排水通道。 强夯法加固原理的研究取得了定成果，但就作者调研的情况，目前还很难谈到 成熟且被广泛接受的强夯法原理，更多的是关于强夯加固机理的研究和讨论，以下所 阐述的是两种较为成熟的理论。 a 动力固结理论 对饱和软粘土，强夯法加固原理的研究目前还较粗浅，有些理论尚建立在假设的 基础上，还没有被试验和观察所证明。传统的饱和土固结理论创立者t e r z a g h i 认为， 假定水和土粒本身是不可压缩的，固结就是孔隙体积缩小及孔隙水排出。饱和土体在 瞬间冲击荷载作用下，由于渗透性低，孔隙水无法在瞬间排出，因而土体积不变只发 生侧向变形。l m e n a r d 根据饱和土体在击瞬间产生数十厘米沉降现象，提出了一个新 的模型解释动力固结机理，认为饱和二相土并非二相的，二相土的液体中存在一些封 闭气泡，约占土体总体积的卜3 ，这部分气体可压缩，因而土体积也可压缩，如图1 - 3 。 两种模型的比较见表1 - 1 。 4 图1 - 3 太沙基固结模型与动力固结模型 1 绪论 表1 - 1 太沙基固结模型与动力固结模型对比 太沙基固结模型动力固结模型 液体中无气泡液体中有气泡 无摩擦活塞 有摩擦活塞 不可压缩的液体 定比弹簧 固结时，液体排出的孔径不变 含有少量封闭气泡的可压缩液体 不定比弹簧 固结时，液体排出的孔径可变 对细颗粒饱和土，用强夯法处理时，目前主要是借助于m e n a r d 动力固结的理论来 解释其加固机理。即巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结 构，使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利逸出，待 孔隙水压力消散后，土体固结，由于软土的触变性，强度得到提高。许多学者赞成这 一理论，并做了大量的研究工作【1 0 1 2 】。梅纳将加固区内波对土体的作用分为三个阶段： ( 1 ) 加载阶段：在夯击瞬间，巨大的冲击波使地基土产生强烈振动，并产生相应 的动应力，在波动影响范围内，若动应力大于孔隙压力，则会有有效动应力产生，它 将使土骨架原有的平衡被破坏，产生塑性变形。对砂土，迫使土的颗粒重新密实排列： 对于饱和土则是动力夯实；对细颗粒土，m e n a r d 认为，由于土中有机物的分解、第四 纪土中大多数都含有以微气泡形式出现的气体，其含气量大约在1 一4 范围内，进行 强夯时，这些气体体积被压缩的同时，土体中的水和土体颗粒两种介质引起不同的振 动效应，当二者的动应力差大于土颗粒的吸附能时，土颗粒周围的部分结合水从颗粒 间析出，产生动力水聚结，形成排水通道，制造动力排水条件。 简而言之，在加载阶段主要是利用有效动应力，使饱水沙土土颗粒重新密实排列， 并产生裂缝，使细颗粒土的土颗粒释放结合水，形成排水通道。 ( 2 ) 卸载阶段：夯击能卸去后，总的动应力瞬间消失，而土中孔隙水压力仍保持 较高水平，若土中某点的超孔隙水压力等于上覆的土压力( 对于饱和粉细砂土) 或等于 上覆土压力加上土的内聚力( 对于轻亚粘土和亚粘土) 时，土中的有效应力完全消失， 土的抗剪强度降为零，土颗粒将处于悬浮状即达到局部液化。此时由于土体骨架 联结完全被破坏，土体强度降到最低，使饱和土体中的水流阻力也大大降低，即土体 的渗透系数大大增加。而处于很大水力梯度作用下的孔隙水，就能沿着土中已经由夯 击而产生的裂缝面或者击穿土体中的薄弱面迅速排出，超孔隙水压力比较快地消散， 加速了饱和土体的固结，遂使土体的抗剪强度和变形模量均有明显的增加。 把饱和土达到液化状态时的总夯击能叫做“饱和夯击能”，一旦达到饱和夯击能 后如果继续强夯话，会起到土体屈服面转移而重塑土体的破坏作用，能量属于浪费。 在粘性土中，当孔隙水压力大于主应力、静止测压及土的抗拉强度之和时，即土 中存在较大的负有效应立，土体开裂、渗透系数剧增，形成良好的排水通道，宏观上， 在夯击点周围产生垂直破裂面，夯坑周围出现冒气、冒水等现象，孔隙水压力随之迅 速下降。 5 西安理工大学硕士学位论文 简而言之，在前两个阶段主要是使细粒土密实、开裂、液化、形成超孔隙水压； 使粘性土释放结合水、开裂，形成超孔隙水压。 ( 3 ) 动力固结阶段：在卸荷之后，土体中的孔隙水压力会保持一定时间，土体即 在此压力下排水固结。在砂土中，这一过程需几分钟时间，孔隙水压力即会消散，砂 土得以进一步密实；在粘性土中，孔隙水压力的消散过程可能要延续2 - 4 周时间。如 具备排水条件，土颗粒将进一步靠近，形成新的结合水膜和结构连接，土的强度得以 恢复和提高，从而达到加固地基之目的。 b 动力固结的简单讨论 由上述原理可见，如果在加载和卸载阶段形成的最大孔隙水压力不能使土体开裂， 形成排水通道，也不能使动力集结水和毛细水析出，动荷载卸去后，孔隙水不能迅速 排出，孔隙水压力保持很大，土的结构就被扰动破坏，又没有条件排水固结，土体难 以尽快触变恢复，则不但不能使粘性土加固，反而使土层扰动，降低了地基土的抗剪 强度，增大了土的压缩性，从而形成所为的橡皮土。 为了防止形成橡皮土，首先在夯击饱和粘性土体时必须认真试夯，选择合适的夯 击能，使之既能产生动力水集结，又可以形成排水裂缝，即宏观上表现为夯坑周围冒 气冒水。其次应多注意夯击点的布置和夯击顺序，使各夯击点形成的自然排水通道、 即裂缝之间最好不要互相干扰，以免打破排水渠道。再次是注意保持夯击现场少集水， 如下雨天应停工，并及时排除地表积水。 建设焦作热电厂时【1 3 】，由于工期所迫，在雨天实行强夯，地表水接近饱和，夯击 能量为3 0 0 0 k n - m ，结果形成橡皮土，未能达到预期目的，地基承载力仅为7 0 k p a 。 c 动力压密理论 在非饱和土中，特别是孔隙多、颗粒较粗大的土中，高能量的夯击对土的作用主 要时减小孔隙度。由于巨大的夯击能量所产生的冲击波和动应力在土中传播，使土颗 粒破碎或使颗粒产生瞬间的相对运动，从而使孔隙中的水及其气体迅速排除和压缩， 孔隙体积减少，形成较密实的土体结构。故采用强夯法加固非饱和土是基于动力密实 机理的概念【1 4 1 ，即用冲击动力荷载，使土体中的孔隙体积减少，土体变得更为密实： 从而提高土体的强度 土体是由三相组成的。在土体形成的漫长历史年代中，由于各种非常复杂的风化 过程，各种土颗粒的表面通常都包裹着一层矿物和有机物的多种化合物或胶体物质的 凝胶，使土颗粒形成一定大小的团粒，这种团粒具有相对的水稳定性和一定的强度。 而土颗粒周围的孔隙被空气和液体( 如水) 所充填。在压缩波能的作用下，原有土骨架 破坏，土颗粒互相靠拢，因为气相的压缩性远远大于固相和液相的压缩性，所以气体 部分首先被排出，土颗粒重新排列，由天然的紊乱状态进入稳定状态，孔隙减小。就 是这种体积变化和塑性变形使土体在外荷载作用下达到新的稳定状态。同时，在波动 6 1 绪论 能量作用下，土颗粒和其间的液体也受力而产生变形，但是这些变形相对土体颗粒问 的移动以及孔隙的减少来说是很小的，对于非饱和土的夯实变形主要是由于土颗粒的 相对位移而引起的，故非饱和土的夯实加固过程就是土中气相被挤出的过程。 d 湿陷性黄土强夯原理 黄土的最大特点是结构性强，遇水发生湿陷且强度减小迅速软化。由于具有特殊 的成分和性质，黄土在工程界具有特殊的地位。黄土在天然状态下常处于欠压密状态， 弹性变形很小，主要为压密变形，而压密变形又主要分为压缩变形和湿陷变形，湿陷 变形在浸水后发展较快，而且量也很大，这对于在黄土地基之上的道路危害极大。资 料表明，黄土在一定压力范围之内，含水量和干密度都相同时，天然黄土的湿陷性较 压实黄土要大的多：黄土经压实，干密度和强度提高，渗透性和压缩性减小，所以在黄 土地区用黄土作为路基填料时，施工中保证足够的压实度，才能使路基具有足够的强 度和抵抗变形的能力。 可见，对湿陷性黄土路基这样的特殊土体，其湿陷是由于其内部空隙较多较大， 胶结强度差，遇水微结构强度迅速降低而突变失稳，造成孔隙崩塌，因而引起附加的 沉降，所以强夯法加固湿陷性黄土就是破坏其结构，使微结构在遇水前崩塌，减少其 孔隙，从这个角度看，强夯法处理湿陷性黄土路基，大部分情况下，是基于动力压密 原理，通过强夯冲击加固黄土地基也是比较合适的。 通过强夯冲击加固黄土地基，已有许多的工程实例。1 9 9 4 年，陕西省高等级公路 管理局为解决西安至宝鸡一级公路通道台背路基压实问题，大胆采用强夯处理方法。 经过初步的实体工程试验后，对2 1 4 个通道台背路基进行了强夯补强，夯锤边缘至台 背的距离仅1 2 m ，总体效果良好。此后的临潼至渭南高速公路、新近通车的西榆高速 的建设也采用了强夯压实技术，都取得了比较好的效果。 1 4 强夯技术的研究现状及简单讨论 强夯技术的研究主要包括：强夯机理研究、强夯试验研究、强夯模型研究，强夯 数值模拟等。在此只就强夯模型研究、强夯加固效果研究、强夯数值分析现状作一简 单介绍。总体上关于强夯技术的理论研究落后于实践进展。 1 4 1 强夯加固模型 许多学者多年来应用多种模型对强夯作用下地基土进行理论和计算方法的研究 u 引，以便预测强夯地基土后的加固深度、承载力等，取得了一定的成果。 较早的研究模型是质量弹簧阻尼器模型【1 6 】，该类模型实际上是一维的微 分方程，应用该类模型可对强夯地基承载力及强夯表面应力与位移进行计算，却无法 同时使得强夯的边界接触应力、接触时间及夯沉量与实测资料相符。地基土受到夯锤 冲击的过程，实际为轴对称的三维动力问题，应用一维模型求解不考虑侧向应力及变 形，与实际情况有较大出入。 7 西安理工大学硕士学位论文 进而是反分析模型【i7 1 ，该方法是通过建立合理的反分析模型，利用强夯时停止夯 击的标准( 即达到夯实效果时单击夯沉量) 来反演强夯后地基土的变形模量，定量地预测 强夯后地基土的承载力大小。这种计算强夯后变形模量的方法是一种单值反分析法， 可为强夯设计和施工提供参考。 较新型的是“帽子模型 f l 明，该模型采用弹塑性的土体本构模型，对地基土的应 力分布特征进行数值模拟，这种模拟不仅反映夯击时动应力的传递过程，而且考虑到 强夯时土体的变形呈现典型的弹塑性特征。分析强夯时地基土的动应力传递过程，并 进一步探讨强夯的加固机理。该模型较全面的反应了土的应力应变关系，可用于处理 和预测土体复杂的应力状态，如一些典型边值问题中的非线性、非比例加载和卸载、 剪膨、对应力路径的依赖关系等。在动荷载的数值模拟中，“帽子模型 是基于典型 的塑性增量理论中的连续介质模型建立的，该模型已被许多数值模拟引用。 1 4 2 强夯沉降量计算的现状及简单讨论 强夯这种十分有效的地基加固方法，在强夯时所引起的地面变形特点以及场地的平均沉 降量是评价强夯效果的一种间接指示，正确计算场地土体平均夯沉量，对正确估计后续填土 高度和测算实际地面夯沉量，制定经济合理的土方计划及对基础标高确定有实际意义。 关于强夯加固效果的评价指标随工程项目不同而不同，如夯后干密度、反弹模量、压实 度等。在公路建设中，常常使用压实度作为强夯加固指标，因此以下将主要讨论夯沉量的计 算、及它与压实度之间的关系。 目前对强夯的地面变形规律、特别是场地平均夯沉量的计算已取得了一定成果。方法可 散见于各种文献之中【1 恻，当需要根据工程实际从这些方法中进行选择时，却不一定能找到 适用于实际工程地基情况、满足旌工条件限制、满足计算精度要求的。 就平均夯沉量的计算问题，不少学者做过研究，提出了多种计算方法。最早是 m i c h e lp g a m b i n ，他提出用夯坑体积来衡量夯实效果，这样做简单直观但是不够精确。 l o 和l e e 于1 9 8 5 年的研究表明对给定的土质和单击夯击能，场地平均沉将量与夯击 能强度之间呈双曲线关系【2 l 】。p a u l 和j o h n ( 1 9 8 3 年、1 9 8 4 年) 通过动量守恒定律推导了 夯锤地面最大接触应力的表达式，他们还通过收集近1 2 0 个强夯施工场地的实测数据 来分析强夯的动力响应。获得了夯坑深度、地表振动、加固深度与单击夯击能的相互 关系等统计规律f 2 2 - 2 3 。 国内最早的是西安冶金建筑学院的朱克廉，他是以夯击能量沿夯击点周围平均分 布为依据，假定地面变形对称于夯击中心，按实测地面变形曲线来估算夯坑四周的地 面隆起量，包括把实测地面变形曲线简化为二条直线的圆台计算法和将实测地面变形 曲线分成若干小段来计算的圆柱计算法，然后将有效夯入体积( 即夯坑体积与周围地面 隆起体积之差) 比上夯击面积( 即每一夯点平均占有的夯区面积) 得到平均夯沉量，但是 计算结果与实际情况有较大出入。 冶金工业部建筑研究总院于1 9 8 9 年编写的地基处理技术中提出“近景立体 r 1 绪论 摄影测量法，采用该法一次摄影就可对大量的地面点同时进行记录，再经过数据处 理即可获得这些地面点的三维坐标变化，这种方法虽然精确，但是成本高，实施起来 比较困难。武汉水利电力大学的朱爱农等于1 9 9 9 年运用弹塑性模型【2 4 1 ，将地基简化为 阻尼一弹簧体系，将夯锤的振动状态简化为一个自由振动体系，把夯锤的运动分为高 应力冲击阶段和阻尼震动阶段，在高应力冲击阶段又忽略粘滞阻尼对夯锤的运动影响， 得出夯坑深度的计算公式，能用来大略地预测夯坑深度。2 0 0 0 年9 月，中科院武汉岩 土力学研究所的傅志斌等人【1 9 】，在假定强夯有效加固深度每次不小于上部填土层的总 厚度、按最佳施工参数将土层充分夯实、填土层得到最大限度加密及场地土是均匀的 后，得到每次在夯击后平整场地，填土再夯的情况下，强夯施工全过程实际地面夯沉 量的计算方法，用来估算地面夯沉量，从而制定出经济合理的土方计划，并用于正确 确定基础标高。计算中采用了强夯沉降换算系数，这个系数是在上述假定条件之下得 到的，较难广泛应用于其它工程。 华东地质学院的罗嗣海等于2 0 0 0 年1 2 月根据工程资料【2 0 1 ，分析了强夯时的夯坑 深度与场地平均夯沉量的影响因素及变化规律，提出了初步估算夯击时夯坑深度和场 地平均夯沉量的经验方程，即将土质分为三种情况，提出上限方程、下限方程、拟合 方程。下面将会对这个方法进行简要的介绍。 第一种经验公式： 认为夯坑深度s 与夯击击数n 、单击夯击能e 、土质条件有密切联系。于是搜集了大 量的相关资料，根据众多工程实例绘制了不同土类中强夯时；一散点图。从图中可 s 4 e 得到各类土中强夯洲关系的最佳拟合曲线和上、下限曲线，结果如下所示： 人工填石： 拟合：老2 玩丽n ( 1 - 1 ) 上限：去= 丽丽n ( 1 - 2 ) 下限：= = = 导蕊 ( 1 3 ) e 1 2 5 0 + 5 4 5 、7 沙土： 黄土： 拟合：面s = 面丽n 4 54 0 69 1 n qe + 上限：击= 丽丽n 6 67 0 1 06 0 n e + 下限：击= 丽丽n 舱面s = 志4 17 0811 n0e + ( 1 - 4 ) ( 1 _ 5 ) ( 1 - 6 ) ( 1 7 ) 9 西安理工大学硕士学位论文 人工填土： 上限：去= 丽丽ne 6 6 7 0 + l o 6 1 下限：万s = 而而n 拟合：去=而丽ne 3 4 4 0 + 9 7 8 ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 _ l o ) 用上述拟合曲线可以用于估算某能级下某种土可能产生的单点沉降量，并进而初 步估算可能的场地平均夯沉量。当夯前土质较好时，可用下限方程估算；反之，可用 上限方程或最佳拟合方程估算。 第二种经验公式： 可以用下面的经验方程来大概估算场地平均夯沉量： 沙土： l g 疋= 0 5 5 5 1 9 1 - 3 8 7 5 ( 1 - 1 1 ) h 位面积平均夯击能，= 筹 a 单点的影响面积 算例：对黄土路基土采用强夯处理，若夯击功能为1 0 0 t - m ，夯锤重1 0 t ，锤底面直 径2 5 m 。夯点布设方式为梅花形，锤边缘间距0 5 m ，单点击数8 击。则 按黄土强夯的最佳拟合曲线方程： sn ：= = = 。一 e 4 1 7 0 + 8 11 n 将e = 10 0 0 k n m ，击数n = 8 代入得： ( 1 - 1 3 ) s = 2 9 7 m 按第二种方法估算场地的平均沉降：将n = 8 ，e = 1 0 0 0 k n m ，a = 9 m 2 ，i 划e a - 8 8 9 k n m 。1 代入细粒土公式： k 疋= 0 4 4 8 l g ，一2 9 4 0 ( 1 - 1 4 ) 则场地平均夯沉量为2 4 c m 。实际强夯工程中的夯坑平均深度为5 2 c m 、场地平均沉降 为2 2 c m 。 这里只是举的一个例子，总之很大程度上目前这些解析计算方法所得结果、随工 程土质和夯击参数的不同，往往会和实际情况有较大差异。根据现场强夯资料来计算 平均沉降、如朱克廉提出的圆柱计算法、冶金工业部建筑研究总院于1 9 8 9 年编写的地 基处理技术中提出“近景立体摄影测量法”，随然准确一些，当然据现场实测来计 算的预测性势必降低。 1 0 、， 2 - i ，i 0492一r l g o o 4 4o = g i 土 ： 粒 中 细 其 1 绪论 1 4 3 确定有效加固深度的研究现状及简单讨论 a 确定有效加固深度的研究现状 强夯法加固地基，其加固深度或是影响范围将直接关系到加固后地基的承载能力， 不仅是上部结构基础设计的主要依据，也是确定单击夯击能量、布置夯击点的依据。 因此，自从梅纳提出强夯加固深度计算公式以来，关于这个方面的研究就一直没有间 断过，但对于加固范围的判断和确定至今没有一个统一的方法，仍然是研究的一个重 要的部分。 强夯影响范围最早是以加固深度的概念被提出，梅纳【2 5 1 提出的加固深度计算公式 为： 日= 厕 ( 1 1 5 ) 式中：h 为加固影响深度( m ) ，m 为夯锤锤重( t ) ，h 为夯锤的落距。梅纳公式虽然形式简 单，便于使用，但也存在不少问题。最主要的问题就是公式两侧的量纲不统一。梅纳 公式给强夯影响范围的研究指明了方向，后来的不少研究都围绕这个公式开展，对公 式( 1 1 5 ) 进行了修正，给出以下公式： 日= 口瓜 ( 1 1 6 ) 式中：口为修正因数，它与锤的形状、加固土体的特征等因素有关。 l e o m r d s 【2 6 】总结了美国印第安州强夯加固砂土地基的实际工程，建议口取o 5 ； c a m b i n f 2 7 1 认为口在o 5 1 0 之间；m a y n e 研究表明，口应取为0 3 0 8 ；l u k a s 2 8 】建议 对于颗粒状砂土地基，口应取0 5 0 60 。f a n g & e l l i s 2 9 】研究的更为细致，认为： 口= 厂( 母，万，| ，) ( 1 - 1 7 ) 式中：墨为土的饱和度；万为夯坑深度，为夯坑半径。 范维垣【3 0 】总结以上学者的研究成果，认为对于一般的填土口取0 5 o 8 ，对于黄土则 口取0 3 4 0 5 。太原工业大学试验得出饱和粘土口为0 4 5 0 5 ，饱和砂土口为0 5 0 6 ， 填土口为o 6 0 80 。 张平仓【3 1 1 运用量纲统一原则建立了加固深度计算公式： 跬 ( 1 - 1 8 ) 式中：a 为夯锤的底面积；r d 为加固土体的干重度。口为经量纲分析后建立的无量纲 系数，这个参数从本质上不同与修正梅纳公式中的系数口。 算例：对黄土路