（岩土工程专业论文）填土的强夯机理与实验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 y7 8 8 0 9 填土的强夯机理与实验研究 摘要 本文在综合分析和归纳目前国内外强夯技术和强夯方法的 基础上，对强夯实践与理论的发展现状进行了具体论述。通过深 入分析土的固结理论和震动波压密理论，对填土的强夯机理进行 了探讨，提出了加固填土的一些观点。并且结合我国目前的一些 工程实践与现行规范，具体阐述了强夯的设计方法，以及各参数 对加固效果的影响。本文对横泉水库坝体的强夯试验进行了数据 的整理以及理论分析，并且进行了室内击实土的压缩试验，讨论 了强夯的加固效果、强夯的有效加固深度、夯后填土沉陷的影响 因素。证明了采用合理的参数与施工工艺，对高填土用高能级强 夯能达到1 0 1 3 m 的有效加固深度，影响深度可达1 7 m ，而且 土体的压缩性、湿陷性、不均匀性都有很大改善，加固效果是很 理想的。对于坝体填土，应适当控制含水量，来减少或防止夯后 湿陷。从室内试验来看，约为1 6 左右，但这只是针对填士来 说，对于其它性质的土体，仍需进一步研究。由于土体参数的复 杂性，强夯的设计计算仍处于高度经验和定性的水平，加固质量 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 和加固效果的检测也尚需深入探讨，本文旨在对填土的强夯机 理、设计及检测进行研究，这对类似土质的工程可有一定参考。 关键词：强夯，填土，机理，沉陷 太原理工大学硕士研究生学位论文 d y n a m i cc o n s o u d a t i o nm e c h a n i s ma n d e x p e r i m e n tr e s e a r c h0 ff i l l i n g u ps o i l a b s t r a c t t h e p a p e r i sb a s e do n c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z i n ga n d c o n c l u d i n gd y n a m i cc o n s o l i d a t i o nt e c h n i q u ea n dm e t h o do fi n i e r n a l a n de x t e r n a lc o u n t r y i ts p e c i f i c a l l yd i s c u s s e sd e v e l o p i n gc o n d i t i o n s o fd y n a m i cc o n s o l i d a t i o np r a c t i c ea n dt h e o r y b yd e e p l ya n a l y z i n g s o i l sc o n s o l i d a t i o n h e o r y a n ds h o c kw a v et h e o f y ， i td i s c u s s e s d y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e c h a n i s mo ff n l i n g u ps o i la n dp u t t i n g f 0 州a r ds o m eo p i n i o n so fr e i n f o r c i n g 铷i n g u ps o i i b yc o m b i n i n g s o m ep r o j e c c sp r a c t i c ea n dp r e s e n tc o d eo fo u rc o u n c r yn o w a d a y s ，i t s p e c i f i c a l l ye x p o u n d sd e s i g nm e t h o do fd y n a m i cc o n s o l i d a t i o na n d v a n o u s p a r a m e l e r sa f f e c f i n gr e i n f o r c e m e n te f f e c f t h e p a p e r a m n g e se x p e r i m e n td a t aa n dc a r r i e so n t h e o r ya n a l y s i so f i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e yw o r d s ： d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n ，f i l l i n g u p s o i l m e c h a n i s m ，c o l l a p s e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 强夯技术概述 1 1 1 强夯法的由来 第一章绪论 强夯法又称动力固结法，是一种处理软弱土地基的加固方法。它是2 0 世纪6 0 年代末由法国工程师l 0 u i sm e n a r d 开发并创用的。此法是利用起重 设备将重锤( 8 4 0 t ) 提升到很大的高度( 1 0 4 0 m ) ，然后使其自由下落， 以很大的冲击能量( 5 0 0 8 0 0 0 k n m ) 作用在地基上，在土中产生很大的 冲击波，以克服土颗粒间的各种阻力，使地基压密，从而提高强度，减少 沉降，消除湿陷性、膨胀性，提高抗液化能力。此法在开始时仅用于加固 砂土和碎石土地基，经过多年的应用和发展，它已适用于从砾石到粘性土 的各类地基土，这主要是由于施工方法的改进和排水条件的改善。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，很快传播到世界各地，在我国，自1 9 7 9 年开始在国内推广应 用，现己用来加固碎石土、砂土、粘性土、杂填土、湿陷性黄土等各类地 基，并取得了显著效果，在室内试验和理论分析研究方法上也做了大量工 作，目前在地基处理领域内已列为交流的重要项目。 1 1 2 强夯法的特点” 强夯法的优点主要表现在以下几个方面： 1 、适用各类土层：可用于加固各类砂性土、粉土、一般粘性土、黄土、 人工填土，特别适宜加固一般处理方法难以加固的大块碎石类土以及建 太原理工大学硕士研究生学位论文 筑、生活垃圾或工业废料等组成的杂填土，结合其它技术措施也可用于加 固软土地基。 2 、应用范围广泛：可应用于工业厂房、民用建筑、设备基础、油罐、 堆场、公路、铁道、桥梁、机场跑道、港口码头等工程的地基加固。 3 、加固效果显著：地基经强夯处理后，可明显提高地基承载力、压缩 模量，增加干重度，减少孔隙比，降低压缩系数，增加场地均匀性，消除 湿陷性，膨胀性，防止振动液化。地基经强夯加固处理后，除含水量过高 的软粘土外。一般均可在夯后投入使用。 4 、施工机具简单：强夯机具主要为履带式起重机。当起吊能力有限时 可辅以龙门式起落架或其它设施，加上自动脱钩装置。当机械设备困难时， 还可以因地制宜地采用打桩机、龙门吊、桅杆等简易设备。 5 、节省材料：一般的强夯处理是对原状土施加能量，无需添加建筑材 料，从而节省了栩料，若以砂井、挤密碎石工艺配合强夯施工，其加固效 果比单一工艺高的多。而材料比单一砂井、挤密碎石桩方案少，费用低。 6 、节省工程造价：由于强夯工艺无需建筑材料，节省了建筑材料的购 嚣、运输、制作、打入费用，仅需消耗少量油料，因此成本低。北京乙烯 挤密碎石方案造价2 0 0 元m 2 以上，强夯仅2 5 元m 1 ；茂名3 0 万吨乙烯工程， 回填土地基原采用分层碾压，没有达到设计的加固效果，如采用挤密碎石 桩加固费用要2 5 0 元，m 2 以上，最后采用强夯工艺仅需3 0 5 0 元，吖，且加固 效果好，工期较大缩短。 7 、施工快捷：只要工序安排合理，强夯施工周期最短，特别是对粗颗 粒非饱和土的强夯，周期更短。一般与挤密礤石桩、分层碾压、直接用灌 注桩方案比较更为快捷，因此间接经济效益更为显著。 强夯法的缺点： 1 、缺少系统完整的设计计算方法：由于强夯加固机理尚待进一步探讨， 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 目前尚无一套完整的设计计算方法，在一定程度上阻碍了强夯加固法的扩 大应用。因此目前使用强夯法之前需要在施工现场进行必要的试验工作， 以确定或调整有关施工参数，检验其加固效果。 2 、深层加固受到施工机具的限制：当需要加固的土层厚度超过1 0 m ， 即每击夯击能量要大于4 m j 时，目前受到国内起重设备条件的限制。 3 、振动、噪音的影响：强夯法施工过程中，会产生较大的扳动和噪音， 对周围范围的建筑物、构筑物会有一定的影响。因此这种加固方法在城市 人口密集、建筑物林立的地区使用会受到一些限制。 1 。2 国内外研究发展现状 1 2 。l 强夯应用的发展 由于强夯法简单，经济，施工快，所以在国内外用得十分普遍。此法 首次用于法国嘎纳附近芒德利海边二十来幢八层楼在1 9 7 4 年英国工程师协 会召开的深基础会议上，m e n a r d 【7 1 本人对强夯法作了详细的介绍，并对会 上提出的问题进行了解答。g a m b i n 【8 于1 9 8 4 年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”一文。此文可认为是继m e n a r d 以后，带有概括性的一篇论文。 近年来，国内外强夯技术发展迅速，应用范围更为广泛，其关键技术 主要集中在大能量的强夯技术研究和饱和软土复合地基的强夯技术研究。 法国n j c e 机场为了要起降波音7 4 7 客机而延长跑道向海中填土，延长部分 有3 0 0 0 m 长。为此特制了一台起重量为2 0 0 0 k n ，提升高度为2 5 m ，自重 5 5 0 0 k n 具有1 8 6 个轮胎的超级起重机车，是迄今为止世界上最大的强夯 施工机械。它的单击夯击能约为3 9 m j ，加固后回填土强度提高4 倍，最大 影响深度达3 3 m n1 9 7 5 年在盂加拉国的个日产1 6 0 0 吨，占地4 0 英亩 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 - _ 一- - _ - - _ - - - - _ _ _ 一 的化肥厂及其住宅区的地基处理工程，首次使用了1 0 0 0 0 k n m 的高能级强 夯【1 0 j 。在英国和美国目前的强夯工程中，绝大部分夯锤重量在6 2 0 t ，落 距在2 0 m 以内，美国能级标准略高些，在一些强夯工程中用到3 3 0 k n 和 5 0 0 k n 的夯锤，落距3 0 m 1 1 1 】。另外，m e n a r d 公司在瑞典用高能级强夯 ( 1 6 0 0 0 k n m ) 处理碎石土的有效加固深度也达3 0 m 1 1 2 】，h e n d ym s 在香港 采用1 4 0 0 0k n - m 和7 0 0 0k n 仰的高能级强夯置换处理深达4 0 m 的海相淤泥 土，都取得了很好的效果叫。 我国于1 9 7 5 年引进强夯技术，1 9 7 8 年开始在工程中试用。十几年来， 特别是，k 十年代以来，强夯法在我国工程界引起了广泛的重视。由于我国 地震高烈度区、湿陷性黄土区和软粘土区分布广泛，近年来又广泛开展围 海造地，各类软弱地基广布；加之我国经济尚欠发达，经济性是工程建设 中的基本出发点之一，因此作为一种适用性广、经济有效的地基处理方法， 强夯技术在我国具有良好的运用前景。广大学者和工程技术人员，结合工 程实践及室内试验，对强夯法的作用机理、适用范围、施工工艺、参数选 择及对环境的影响等各个方面进行了大量的研究。在全国性、地区性的有 关学术会议上，强夯法被列为交流的重点，有不少关于强夯法的论文交流 和发表，使强夯法这种加固方法在理论河实践两方面得到完善和发展。随 着我国建设事业的迅速发展。工程建设中将面临更多更为复杂的软弱地基， 从而为强夯技术的进一步应用提供了更为广阔的空间；而强夯技术将在已 有的应用广泛、形式多样和成效显著等基础上，其应用深度和广度也将得 到进一步的迅速发展。我国强夯技术经历了几个发展阶段： 第一阶段，自引进到上世纪8 0 年代初，约8 年，本阶段工程应用的强 夯能级比较小，一般仅为1 0 0 0 k n m ，处理深度5 m 左右，以处理浅层人工 填土为主。 第二阶段，上世纪8 0 年代初到9 0 年代初，约1 0 年。本阶段，兴建国 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 家重点工程山西化肥厂，为了消除黄土地基的湿陷性，国家化工部组织开 发了6 2 5 0 k n m 能级强夯，使强夯的有效处理深度提高到了1 0 m 左右，强 夯的应用范围也得到扩展，强夯技术日臻完善。 第三阶段，上世纪9 0 年代初到2 0 0 2 年，本阶段以兴建国家重点工程 三门峡火力发电厂为契机，成功开发了8 0 0 0 k n m 能级强夯，使强夯消除黄 土湿陷性的深度达到1 5 m ，此后，高能级强夯技术发展迅速，应用范围进 步扩大，包括茂名乙烯、贵阳龙洞堡机场、上海浦东机场、广西防城港 九、十泊位陆域工程在内的许多国家重点工程都采用了强夯地基处理技术， 取得了预期效果，为国家节省了大量投资。 第四阶段，为2 0 0 2 年底至今，为了处理高填方地基，试验开发了 1 0 0 0 0 k n - m 能级强夯，经检测，1 0 0 0 0 k n m 能级强夯有效处理深度超过了 1 2 m ，强夯技术取得了较大突破，缩小了与国外先进技术的差距。为了更进 一步扩大强夯的应用范围，在强夯技术的基础上，还形成了强夯置换和柱 锤冲扩等新技术。 目前国内强夯技术有三个发展方向：一是以处理饱和软土为目的低能 级强夯技术，二是以处理高填土和深厚湿陷性黄土，以及消除湿陷为目的 的高能级强夯技术，三是强夯与其他地基处理技术优势互补，发展成为组 合式地基处理技术。 1 2 2 强夯计算理论发展现状 强夯法虽然在实践中得到了广泛应用，但其理论研究尚不成熟，目前 还没有一套成熟的理论和设计计算方法，强夯研究主要集中于夯击能的传 递和加固机理、强夯施工参数( 主要为强夯有效加固深度) 计算、强夯本 构模型和数值分析三个方面。 1 、夯锤振动和夯击能的传递 5 太原理t 大学硕士研究生学位论文 强夯法在极短的时间内对地基土施加了一巨大冲击能，加载历时很短， 夯击能主要以振动波的形式在地基土内传播，另一部分将消耗于摩擦热、 空气中传播的声波及锤底气流阻力等，并非所有的振动波能量都真正起到 了加固作用，故有必要分析夯击能量中的有效比例，这种比例用效率系数 n 表示，n 值一般为0 5 o 9 。 严人觉【“】研究等效集总体系的单自由模型的竖向振动结果，与 g u t z w i l l e r 弹性半空间碰撞理论进行了广泛对比，其结果非常吻合。 方永凯等研究等效集总振动模型的同时，考虑了假想圆柱形参振土 体的作用，给出相应的夯锤运动方程定解。s c o t tc r 、p e a r c er w 利用与 等效集总模型近似的简化理想模型预估地基土在强烈冲击下的反应，给出 运动方程的同时给出了夯锤与土体接触面平均应力的解，其动力平衡方程 中相关参数为： k ：垒笔。丝 1 一1 一( 1 1 ) c 暑0 6 盯口2 p c y 运动方程和接触平均应力方程为： z ( f ) = 半声咖“( 1 _ 2 )甜l i - zj d p c ，2 劝一k z p ) 一c z o ) 式中：c ，k 分别为等效集总体系的弹簧刚度和粘壶阻尼：口为夯锤半 径；g ，p 和“分别为土体的弹性半空间的剪切模量、密度和泊松比：为 角频率f m 2 = 等一斋1 ；。、分别为土体膨胀波速、弹性模量。 吴铭炳【1 川等曾对s c o t t 接触应力公式进行了一定改进，但s c o t t 公式不 满足盯l = 0 的初值条件，后者在t = 0 时位移有很小的负值。 以上分析是在一维粘弹性集总模型上进行的，与实际情况存在很大差 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 _-_-_-一一 工程技术人员结合自己的实践提出了修正系数公式： ：a m 日 ( 1 3 ) n 为修正系数，但由于各方面条件的差异，修正系数值n 五花八门， 目前尚无全国统一认定的修正系数，工程应用中参考的可靠性不强。 范维垣【1 7 】( 1 9 8 3 ) 根据上百个工程实例分析，得出a 的变动范围一般 为0 5 0 8 ，软土取o 5 ，黄土取o 3 4 o 5 。汪文善( 1 9 8 3 ) 认为有效加固 深度约为梅纳公式影响深度的0 2 4 0 4 倍。杨承洋( 1 9 8 4 ) 通过统计近4 0 项工程，结合国家重点工程山西化肥厂的施工实践，提出对于湿陷性黄土， 一般情况下a 在0 3 0 6 范围内变动，程源隆( 1 9 8 5 ) 撰文指出，根据强 夯单击夯击能的大小不同，a 取0 ，5 0 6 ，若对于心1 5 锄3 的土，则影 响深度系数n = 0 3 4 o 3 6 。中化重机公司( 1 9 8 6 ) 通过所承担的数十项工 程4 0 余万平方米的工程实践，提出对砂土及粉土地基，当地下水位较高时 q 取0 3 5 ，对地下水位1 0 m 以下q 取o 5 ，对于新近回填土a 取0 4 ，对于 湿陷性黄土q 取0 3 5 0 4 8 。刘惠珊( 1 9 8 5 ) 通过采用6 2 5 0k n m 强夯处理 冶金扎碴地基实践，提出对于冶金碴地基。取0 5 2 。吴达人( 1 9 8 7 ) 按照强 夯加固模式分析及实浸4 资料对比，认为强夯加固深度应分为影响深度、有 效加固深度及加固压实深度。有效影响深度系数a 为0 5 o 6 ，加固压密深 度为有效加固的2 3 ，粗粒土n 取大值，细粒土n 取较小值f 1 8 】。 国外对有效影响深度也有不少研究。g a m b i n 于1 9 8 4 年在第八届非洲 地区土力学和基础工程会议上，在发表的“十年来的强夯法”一文中提出 梅纳所阐述的加固影响深度a 。d m 圩1 0 ，修正系数a 为o 5 1 o 。美 国k o n a r d s 等1 8 】总结了美国印第安纳州用强夯法加固砂土地基的实践经验， 建议n 值取o 5 。p a u l w m a y n e 等分析了：f _ _ = 大州约3 0 个国家1 2 4 个地区强 夯试验与工程应用的资料，提出n 为0 3 1 o 。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 上述方根修f 系数法均仅考虑了锤重与落距对影响深度的影响，而忽 视了其他众多因素，而且主要是事后硬套梅纳公式而得出的修正系数。实 际上，地层土的种类、密度、结构性、含水量都对强夯的效果有所影响。 而且在强夯施工方法中，除了锤重和落高以外，夯锤面积、夯击遍数以及 各遍夯击的间隔时问、夯点间距和次数都对最后的效果有所影响，因此， 该法只能作为一种粗略的计算参考。 拟静力法 日本坂口旭 4 】等人根据能量守恒定律，提出了确定地基土在强夯作用下 压实范围的简单方法。假定重量为w 的锤，从高度为h 处落下，在土中陷 入h ，冲击能量为e ，效率q ( 包括振动回弹等损耗) ，则： 0 = 叩厢 ( 1 4 ) 设地基的吸收能量为e ，冲击压力为p o ，锤底面积为a ，则： 1 e = 毒只爿鼬 ( 1 5 ) 令 e = 巨， 则： 只= 2 叩阿彳 ( 1 6 ) 将只值看作静载荷，利用长方形荷载作用下弹性半无限体中应力与影 响深度的关系，并用旁压试验获得地基土屈服强度，由此得到加固深度， 由于此法将冲击压力看作静荷载来考虑，与实际情况有较大的出入，实践 证明，冲击动荷载产生的动应力较静应力随深度衰减慢，加之效率系数n 的确定具有很大的任意性，故此法在实用上尚存在问题。 王成华【1 9 】( 1 9 9 0 ) 通过对强夯加固效果的实质研究，综合考虑了土层 情况、锤底面积及形状、强夯效率、夯击能量、地面变形模量、地下水位 情况等主要因素，明确提出了强夯有效影响深度的拟静力估算法公式。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 - 一一 加固深度内无地下水位时( c d 。) 加固深度h ：妥 ( 1 7 ) o 2 y “茜 加固深度内有地下水时( 矗，d 。) 加固深舢：生型半 ( 1 8 ) o 2 茜 式中a ，b 为常数；圆形锤a = o 1 3 5 ；b = 0 0 2 4 ：方形锤a = o 1 6 7 ；b = 0 0 2 9 ：p e 为等效拟静压力 p 。：翌垡! 坚： ( 1 - 9 ) “c ( 1 一口2 ) d 3 。 式中c 为常数，圆形锤c = o 6 2 ，方形锤c = 0 8 9 ；灯为效率系数，一 般取0 6 7 ；k 为模量系数，依经验查表选用；w 为锤重、日为落距、d 为 锤径或边长：为地基土的泊松比，e ，地基变形模量；y 为土的重力密度： y 为水下土的有效重力密度；d 。为地下水位深度。 根据报道，实际测试与设计计算时估算值基本相符，但从上式可以看 出，经验系数较多，尚有待于积累更多的资料。 左名麒【2 0 1 从震动波及波能的角度，考虑土体对能量的吸收力，给出强 夯加固深度公式： h ：娅 ( 1 _ 1 0 ) v 。口 式中是为大于1 0 的系数，一般为3 5 ；v 。为纵波波速( m ，s ) ；口为土体 能量吸收系数。 该式虽然可考虑不同土质中的波速和能量吸收情况，实际工程中很难 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 动应力增量。动应力达到峰值后便降低，土体因膨胀引起孔隙水压力降低 了u 。，可用下面经验公式估算：u 。= o 3 0 4 d ? 。 吴铭炳【2 7 】等采用并联的广义m i s e s 模型或加卸载双线性模型，利用动力 有限元法对强夯问题进行了较为细致的研究，根据经验将强夯产生的瞬态 荷载简化为一三角形波或一半正弦波，将其作为输入应力波进行计算，模 型边界大多采用人工多次投射边界，可以较好地消除模型周边的应力集中 现象。 孔令伟1 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 阵法进行了专门研究，其结果与边晃元法、有限元法结果有可类比性，但 仍假设为弹性成层地基。 上述方法都是由遵从连续介质和小变形问题假定而发展出来的，对夯 击过程中的夯坑附近产生很大的地基土破坏区域，上述方法却不能考虑； 此外。沿海地区填海造地和山区谷间造地，所产生的厚层块石层地基强夯 工程中，加固对象对典型不连续介质，应用上述方法也不合适。 1 3 本文的研究意义及主要工作 近年来，国内外强夯技术发展迅速，应用范围广泛，但技术主要集中 在大能量和饱和软土复合地基的强夯技术研究，而对填筑坝体的强夯报道 尚少，为了加固深厚地基，尤其是人工填筑非均匀地基，必须采用大能量 强夯技术，这就对大能量级强夯加固机理以及加固深度提出了新的要求。 山西省属多山之省，山地多，耕地少，工程建设需大量土地，为了不占用 农只；= | 面积，就必须在山坡地上搞建设，平整场地的工程量很大。如阳泉市 经济技术丌发区新区占地2 0 0 0 多亩，场地平整土方量达8 0 0 多万立方米。 填土最深处达3 0 m ，采用强夯处理。类似情况在山西其它地市也很多。山 西属湿陷性黄土地区，湿陷性黄土在天然湿度下，其压缩性较低，强度较 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 高，但遇水浸湿时，土的强度则显著降低，在饱和土的自重压力或在附加 压力与饱和土的自重压力共同作用下，往往具有突然下沉的性质。许多厂 矿建在黄土地层上，对黄土地基采用强夯处理是一种既快速又经济的处理 方法。山西的高速公路很大一部分在山区，经常要跨越深沟，高填土路堤 用强夯法处理也是一种经济快速的施工方法。如运城至三门峡高速公路沿 途山高沟深，地形地貌复杂，填土为黄土，具有湿陷性，经强夯处理后达 到了很好的效果。综上所述，强夯法处理填土、黄土地基、路堤、土坝等， 如采取正确的设计方法和适当的施工工艺，能达到很好的加固效果，为我 省节约大笔工程费用，在山西有广阔的应用前景。 本文研究的目的是通过分析和探讨强夯加固机理，了解强夯加固地基 土尤其是填土的原理，以及强夯加固深度的计算、各种参数对加固深度的 影响，并结合工程实例与室内试验加以应用与验证。由于地基土的性质千 差万别。目前尚没有系统的理论和看法来指导强夯设计，而是凭经验进行 试夯，然后以实测结果来论证强夯的效果。强夯的加固机理及应用研究具 有很大的理论与工程实际意义。本文通过理论分析与实际工程的应用研究， 得出的结论对类似的工程施工可有一定的借鉴。 本文主要任务： 1 、在综合分析与归纳国内外已有研究成果的基础上，拟对强夯加固地 基土的机理进行进一步的系统分析：对填土的强夯机理作具体讨论； 2 、对强夯法的设计施工参数的选择作一详细论述，分析各参数对强夯 加固深度的影响； 3 、根据横泉水库坝体的强夯试验资料，对实测数据进行整理，分析对 比夯击前后各种指标的变化，得出相应结论： 4 、提出对夯后填土沉陷问题重要性以及影响因素应予以重视，并结合 室内压缩实验，总结与沉陷有关的影响参数。 1 5 太原理工大学硕士研究生学x 太原 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 强夯振动波压密理论 由于强夯时巨大的冲击能量，使得土体产生强烈的振动和动应力，而 导致土体收缩，土体局部液化，夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通 道，使孔隙水顺利逸出，土体迅速固结，达到了减少沉降提高承载力的目 的，除了l m e n a r d 提出的动力固结理论外，还可以用振动波压密理论来分 析强夯法加固机理。 一一皇兰，么z一一l r z z2 r 、一 门u 。j n 口 口l j l 压缩渡 岛2 2 震动波对土的加固效果 f i g 2 _ 2r e i n f o r c e m e n ce f f e c to f v b r a t i o nw a v et oc h es o 订 强夯的特点是将机械能转换为势能，再变为动能作用于土体。在重锤 作用于地面的一瞬间，强夯使得土体产生强烈的振动，在土体中产生振动 波，从震源向四周传播。若把土体看成弹塑性材料，在巨大的冲击能量作 用下，质点在连续的介质内振动，其振动的能量可以传递给周围的介质， 而引起周围介质的振动。这个振动过程形成波，根据其作用、性质和特点 课分为而波和体波。强夯主要是山体波起加固作用，体波又可分为纵波和 横波a 其中纵波是由震源向外传递的压缩波，质点的振动方向与波的前进 2 2 波切入剪 一 一 撇 一 一 压 奎堕望三查堂堡主婴壅生堂垡丝苎一 方向一致，同时伴随着体积的变化，一般周期小，振幅小：横波是由震源 向外传递的剪切波，质点的振动方向与波的前进方向垂直，不产生体积的 变化，一般周期长，振幅较大，见图2 2 。 需要指出的是，横波只能在固体中传播，而纵波在固体、液体里都可 以传播。 纵波与横波的传播速度理论上可以用下列公式计算： y = 墨f ! = 些1 9 吖p ( 1 + 弘) ( 1 2 p ) k = 焉。居 式中： 纵波速度；k 横波速度； 介质弹性模量( k p a ) ；g 剪切模量( k p a ) ； p 介质密度( k n 细3 ) ；p 介质泊松比。 表2 1 部分土体的泊松比“ 土的种类和状态 肛 碎石土 o 1 5 o 2 砂土o 2 o 2 5 亚粘土：坚硬状态 0 2 5 可塑状态 o 3 软塑或流塑状态 o 3 5 粘土：坚硬状态 o 2 5 可塑状态 0 3 5 软塑或流塑状态 o 4 2 实施强夯时，夯击能量释放于一定范围内，使土体得到不同程度的压 密加固。由于强大的夯击能使得土体产生剪切压缩和侧向挤压，般地面 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 以下0 5 m 范围内土体为扰动松弛区，o 5 5 0 m 范围内为压密加固区。 如果将地基视为弹性半空间体，夯锤自由落下，这是由势能转化为动 能的一个过程，在夯击地面的瞬间，动能的一部分以声波的形式向四周扩 散，一部分由于夯锤与土体摩擦而变成热能，其余大部分动能则使土体产 生自由振动，并以压缩波( 纵波) 、剪切波( 横波) 和瑞利波( 表面波) 三 种波形在地基内传播。地基一般为不均匀的层状结构体，土体中的7 l 隙为 水和气二相介质所填充。地下水的存在更使地基土具有成层性。当波在成 层地基的一个弹性介质中传播而又遇到另一个弹性介质的分界面时，入射 波能量的一部分将反射回第一个介质，另一部分能量则传递到第二个介质， 如图2 3 所示。 渡菲 | 璺| 2 3 成层土中冲击波的反射和折射 f 嘻2 - 3r 印ec l f 。na n dr e f r a c 【i o no fs h o c kw a v ei nm u l a y e rs o 们 当反射波回到地表面又被重锤挡住再次被反射进土体，遇到分层面时 又一次反射回地面，因此在个很短的时间内，波被多次上下反射，这就 意味着夯击能的损失，因此，在相同夯击能作用下，单一均质土层的加固 效果要比多层非均质土的加固效果好。同时，多次反射波会使地表面某一 深度内已被夯实的土层重新破坏而变松。这就是在强夯过程中，地表会有 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 在图( b ) 中，孔隙比达到o 3 5 ，上述两种不同的排列方式所产生的单位沉 降为o 2 9 3 。这个例子说明，由于夯击振动使土颗粒重新排列，孑l 隙比发生 很大的变化，产生显著的沉降。当然，实际地基要比理想的球体复杂的多， 强夯之后也不可能有如此大的沉降，但从理论上可以看到用强夯法加固非 饱和土的效果是明显的。 对于地基土夯击后的受压状态，坂口旭( 日本) 作出了一个地基固结 模式，见图2 5 。 区 区 区 区 图2 5 地基固结模型 f i 9 2 5 f 0 u n d a t 0 nc o n s 0 1 f d a t i o nm o d u l e 他认为地基图可分为四层。第一层，指坑底以上，是受扰动的松弛隆 胀区：第二层，是指由于冲击力所产生的土中应力超过地基土的极限强度， 该区固结效果最高；第三层，是指土中应力急剧下降，土中应力在土的极 限强度与屈服强度之间，是固结效果迅速下降的区域；第四层，是指土中 应力在土的屈服强度界限内，该区基本上没有得到加固。 2 3 复合式的强夯加固法( 动力置换) 为了能使强夯法对饱和细粒土达到预期的加固效果，在强夯方法上常 要用竖向排水的辅助措施( 如竖向砂井、竖向排水纸板) ，但有人认为不一 2 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 定能收到效果，因砂井之间的距离对透水性很低的软粘土来说还是相当大， 砂更鼍坦一臃谚菱寸谬耐j 振动侄千颡粒童新排硎稀瓤拊；俄足矧雾 骊毫埘苦摹：斩静嚣建尚终酝瓶；爨拜疆霪葙黼铬襟唇芜磊；捣群裂善 ；j 杉扪j 癣爵心眠f 丽甍鳓稻蔚锚碜，f 苛。姒藓酏引厦夸岔趔引牡剪眇点 姚彰j 颡藉非醺攫喹j 氆墨二感薹姥撩埴二i l l 燃；垂薹毒受压状态，坂口旭( 日本) 作出了一个地基固结 模式，见图2 5 。 区 区 区 区 图2 _ 5地基固结模型 f i 9 25 f 0 u n d a t 0 nc o n s 0 1 f d a t i o nm o d u l e 他认为地基图可分为四层。第一层，指坑底以上，是受扰动的松弛隆 胀区：第二层，是指由于冲击力所产生的土中应力超过地基土的极限强度， 该区固结效果最高；第三层，是指土中应力急剧下降，土中应力在土的极 限强度与 屈服强度之间，是固结效果迅速下降的区域；第四层，是指土中 应力在土的屈服强度界限内，该区基本上没有得到加固。 2 3 复合式的强夯加固法( 动力置换) 为了能使强夯法对饱和细粒土达到预期的加固效果，在强夯方法上常 要用竖向 水纸板) ，但有人认为不一2 6 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 横泉水库坝体为人工填筑，岩性为淡黄色、浅红色低液限粘土，坝体 由于填筑时间、形式不同，其物理力铂酣拐嚣冀髯掰角蚓套；# 赫宣蒸丽 黼鸦善赫j 薪耐妻 裂雕陋研州；$ 割矿蠹使喜湔磷崔孺m 罐翱闭獭强浮 国饿! 疆秀后王颗粒问大部岔。本樱磷蜓型回瑗触粥灞遣。峨照旧帮 啦啄心e 三始朔动懿三驴。骛瓣番h f 器m 葡谢铲：疆丐渡嚏孽m 潦实状态中的 粘、胶粒和结晶盐等胶结物由于粒间距离的缩小，更好地发挥了它们的胶 结作用，其结果是提高了土体的抗变形能力和剪切强度。 2 5 本章小结 1 、目前关于强夯法机理的解释，主要有根据土的固结本构模型建立的 动力固结理论，根据波动理论的震动波压密理论，以及对于含水量高的土 体提出的强夯置换法。也有根据固体微观结构研究提出的微观机理。其次， 对饱和土与非饱和土应加以区分，对特殊土应考虑到它的特征。 2 、人工填土有其独特的工程地质特性：不均匀性、压缩性高、中等 强湿陷性， 其加固机理主要为动力密实。强夯巨大的冲击波和动应力在土 中传播，使土颗粒产生相对运动，土体孔隙中的气体排出或压缩，孔隙体 积减小，从诟苁档淖刺 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 展到颗粒镶嵌阶段，因而也就破坏了原来的土体结构，改变了土体中各类 孔隙的分布状态，以及它们之间的相对含量【3 5 】；夯击破坏了土体原来的疏 松结构，改变了骨架颗粒间的连接方式，使土颗粒重新调整排列成致密结 构，强夯后土颗粒间大部分是边接触和面接触，楔入镶嵌式的边、面接触 突出，土体密度随之增大【3 6 】。随着土体触变的恢复，处于更密实状态中的 粘、胶粒和结晶盐等胶结物由于粒间距离的缩小，更好地发挥了它们的胶 结作用，其结果是提高了土体的抗变形能力和剪切强度。 2 5 本章小结 1 、目前关于强夯法机理的解释，主要有根据土的固结本构模型建立的 动力固结理论，根据波动理论的震动波压密理论，以及对于含水量高的土 体提出的强夯置换法。也有根据固体微观结构研究提出的微观机理。其次， 对饱和土与非饱和土应加以区分，对特殊土应考虑到它的特征。 2 、人工填土有其独特的工程地质特性：不均匀性、压缩性高、中等 强湿陷性，其加固机理主要为动力密实。强夯巨大的冲击波和动应力在土 中传播，使土颗粒产生相对运动，土体孔隙中的气体排出或压缩，孔隙体 积减小，从而使土体结构重新排列，处于更密实的状态。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章强夯设计施工参数与夯后检验 强夯加固地基的目的在于根据场地土的不同特性加以处理，以提高地 基的承载能力和消除不均匀变形或消除地震液化，或消除湿陷性等。加固 后的地基应达到事先规定的指标值，因而对不同的地基和工程有不同的加 固要求【3 7 i 。例如： ( 1 ) 对高填土地基，加固后以满足需要的地基容许承载力和消除不均 匀变形为主。 ( 2 ) 对地震液化地基，加固后应消除液化，且对不同的液化地基有不 同的要求： 对饱和砂土地基，加固后其标准贯入锤击数n 6 35 值大于按下式计 算出的n 值时，则可不液化： = 万 1 + o 1 2 5 。一3 ) 一o 0 5 。一2 ) 饱和砂土所处深度为d ，室外地面到地下水位距离为d 。时，砂 土液化临界标贯击数； 当d ，= 3 m ，d 。= 2 m 时，砂土液化临界贯入锤击数。设计烈度 为7 4 、8 、9 。时其数值分别为6 、1 0 、1 6 ： d 。饱和砂土所处深度( m ) ； d 。，室外地面到地下水位的距离( m ) 。 粘土可按下式计算： j v ”= 1 4 5 + 0 5 d ，一2 4 d 。一m 。 式中： m 。为粘粒含量，以百分数为单位。 当实测标贯击数n 6 35 大于计算值”时，则认为已消除液化，否则可 3 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 能会产生液化。 ( 3 ) 对湿陷性黄土地基加固，要求消除湿陷性，强夯加固后地基湿陷 系数 0 0 1 5 时为消除湿陷性。 ( 4 ) 对于软弱土地基加固，着重于提高地基土强度和减少变形。 3 1 强夯设计步骤 强夯法虽然已在工程中得到广泛的应用，但有关强夯机理的研究，特 别是饱和土强夯加固机理国内外至今尚未取得满意的结果，由于各地土的 力学性质差别很大，国内外很多专家、学者大多按不同的土类来研究强夯 机理并推导出相应的设计计算方法。常规做法大多是根据土质情况按经验 进行设计，再根据试夯结果加以调整，具体分以下几步： ( 1 ) 首先查明场地地质情况( 用钻探或原位测试方法) 和周围环境影 响，以及工程规模的大小及重要性； ( 2 ) 根据已查明的资料、加固用途及承载力与变形要求，初步计算夯 击能量，确定加固深度，然后选择必要的锤重、落距、夯间距、夯击数等； ( 3 ) 根据已确定的施工参数，制订施工计划和进行强夯布点设计及施 工要求的蜕明； ( 4 ) 施工前进行试夯，并进行加固效果的检验测试( 旁压仪、静力触 探、标贯、十字板剪切试验和波速等原位测试以及钻探取样试验等) ，通过 对加固效果测试资料的分析，确定是否需要修改原强夯设计方案。 3 ，2 强夯参数的选择 1 、夯锤 ( 1 ) 锤重：应按有效加固深度选用。有效加固深度在4 1 0 m 时，可 3 1 太原理_ t 大学硕士研究生学位论文 6 、间歇时问 两遍夯击之间应有一定的时间间隔，以利于土中超孔隙水压力的消散。 所以间隔时间取决于超孔隙水压力的消散时间。但土中超孔隙水压力的消 散速率与土的类别、夯点间距等因素有关。对于渗透性好的砂土地基等， 一般在数分钟至数小时内即可消散完，但对渗透性差的粘性土地基，一般 需要数周才能完成。 3 _ 3 影响加固效果的主要因素 3 3 1 夯击能级 夯击能级( e = w h ) 有时就简称为夯击能，与单点的总夯击能量并不 是同一意义。在多数加固深度的设计公式中，所说的“夯击能”实际上是 “夯击能级”加固深度也是指在此能级下，土体可能达到的加固程度和范 围，但并不涉及到达此深度时，具体需要多少击数或总共需要多少能量。 但实际上击数( 或总夯击能量) 是非常重要的外部因素，与工程质量和经 济效果密切联系。另一方面，由于采用夯击能级而避免了其它因素的影响， 强夯设计的计算公式简单，可以快速估计加固深度的范围，这是使用“能 级”概念的优点。但同时由于抛弃了工程场地的具体地质条件，如果单纯 依靠能级来计算，很可能会发生实测加固深度与计算值相去甚远的矛盾， 即使使用系数来进行修正，也会因系数变动太大而无所适从。 采用强夯法加固地基时，合理地选择夯击设备及夯击能量，对提高夯 击效率很重要。夯锤锤重( m ) 和落距( ) 决定着夯击功能的大小，是影 响强夯有效加固深度的重要因素。单击夯击能太小时，土体中的水分不易 排出，这时仅靠增加夯击次数并不能产生效果，甚至可能出现橡皮土，笔 者认为，单击夯击能的选取应在不破坏土体结构的前提下，根据设计加固 3 4 太原理_ t 大学硕士研究生学位论文 6 、间歇时一 筲哥臻型理超强渺一氇2 嵝臻豫撰i 里弹忑冽刊苎醚静箬骄势难可璁。 纠即睫百呓滔漤】干f 晦蠢怛酣鲫鞭簦射诣拼秀移鼽基争量对单层再掣名 霉釜垮出熏张黑搿。涔凑枣塔强璃强型；重点又可诹尘釜挛判答降竖i 呈霉斌裂型晏鞯转疆蓼胃吲磐塑龠二载大小熹萄隽臻型瑁丽猖噍；前 孤带韵蠹室虱黜炭j 季熏夔溪藿羹篓| | 蓁萋霪羹漆雾 合理与夯实效果和施工费用直接相关。夯点间距 的确定一般根据地基土性质和要求加固深度而定【3 9 1 。对于细颗粒土，为便 于超孔隙水压力的消散，夯点间距不宜过小。当要求加固深度较大时，第 一遍的夯点间距更不宜过小，以免夯击时在浅层形成密实层而影响夯击能 往深层传递。 实践证明，间隔夯击比连夯好。间夯对深层加固有利，原因是对深层 加固有利，原因是间夯便于能量的吸收，使夯击能有利于向深层传递，孔 隙水容易向低压区排出，从而可先固结一部分地基土。再夯第二遍时，可 使充满孔隙水的另一部分土体得到能量，并克服土颗粒对水的吸附力将土 体孔隙水挤出而得到加固，提高了强度。连夯则全面产生超孑l 隙水压，而 没有低压区，孔隙水处于相对平衡，反而使水不容易排出。夯击点过密， 相邻夯点的加固效果将在浅层处，迭加形成硬层，影响波的传播而造成能 量损失1 4 “。 5 、夯击遍数 夯击遍数应根据地基土的性质确定。一般来说，由粗颗粒土组成的渗 透性强的地基，夯击遍数可少些。反之，由细颗粒土组成的渗透性弱的地 基，夯击遍数要求多些。根据日本资料报道，对于碎石、砂砾、砂质土和 太原理工大学硕士研究生学位论文 半空间理论和瑞利波理论对夯锤设计参数和几个地基土影响因素进行分 析，得到了强夯振源所产生振动位移幅值的理论公式。分析可知，在相同 的夯击能作用下，锤的半径越大，其下土体的位移振幅越小，有效加固深 度也就越浅：锤底半径相同的情况下，夯击能越大，其下土体的位移振幅越 大，有效加固深度也就越深。 3 3 3 土体特征与加固深度 土体是固、液、气三相体，而液、气两相存在于固体颗粒之间的孔隙 之中，加固土体的目的便是尽可能地缩小孔隙，增加土体的密实度，排出 也液、气两相，使得固体颗粒更加靠近，甚至直接接触，其结果是土体的 密实程度增加，强度提高，压缩性降低。而表述土体密实程度最为直接的 指标是孔隙比或土体的容重。 与孔隙比相比，土体的重度不仅反映了土体中固体颗粒排列的松紧程 度更能反映固体颓粒的矿物组成，特别是干重度愈大的土体，说明颗粒 排列紧密，孔隙度低。重度的提高也是土体强度提高的直接标志之一，文 献【2 4 】表明，土体的干重度可直接反映土体的容许承载力，有以下关系式： ( r ) = 2 6 y j 一1 - 2 式中( r ) 为地基土的容许承载力( k p a ) ；n 为地基土的干容重。 干重度大，容许承载力高的土体产生对夯击外应力的阻力也大，使夯 击力效率降低，进而减小加固深度，因此，加固深度应与土体的干重度反 相关。 场地回填土的于重度对加固