（水利水电工程专业论文）振冲碎石桩应用研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得沈阳农业大学或其它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 表示了谢意。 研究生签名：崴谢 时间：勘丢f 月乏角 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：最馘 帆2 卯年妇啪 导师签名： 支q 歹乞 v 时间： 如名年j 月弓日 ， 一- 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 随着国内基础建设的大规模开展，特别是水库大坝、高速公路、机场以及近海港口 码头等工程，由于这些工程大多数都在软土地基和砂土地基上，这样一来对这些地基的 大规模处理就显得迫在眉睫。振冲碎石桩作为一种既能符合设计的承载力和沉降等要 求，又能缩短工期、节省工程费用的处理方法广泛应用在大面积的地基处理中。但其理 论和试验研究尚处于发展阶段，还不够成熟完善，本文基于试验对振冲碎石桩进行了理 论研究和分析，对碎石桩在砂土地基处理中的应用进行了较深入的探讨，并给出了一些 结论与参数。 论文首先回顾振冲法的起源，国内外的应用情况和研究现状。从理论上分析探讨了 碎石桩复合地基的抗液化机理，承载机理以及沉降理论，提出了考虑桩、土自重作用的 计算碎石桩极限承载力的修正系数法，并提出了振冲处理后桩间上孔隙比计算式，从而 对振冲碎石桩承载力机理有了进一步认识。 其次以石佛寺水库地基处理工程为背景，对振冲碎石桩设计参数的确定提出新的建 议，对处理前后的土体物理力学性质进行了对t e ，运用标准贯入试验方法和剪切波速法 对振冲碎石桩的抗液化效果进行评价，以及应用标准贯入试验和现场静载荷试验确定振 冲碎石桩复合地基的承载力和沉降等。 通过对实测数据的综合观察分析，并依据石佛寺水库试验研究结果，导得了确定碎 石桩复合地基承载力的p s 曲线法。 在现场实验中，还对振冲碎石桩、振冲砂桩和振动沉管桩进行了对比研究。可以看 出，对于细砂地基的加固处理，振冲碎石桩是成功的。 论文的最后给出了本文研究工作的若_ t 重要结论，并对将来进一步的研究工作提了 些建议。 本文针对堤坝基础的实际地质条件，在对振冲碎石桩处理坝基液化的设计原理和参 数计算进行分析的基础上，找出其设计和施工中存在的问题，并提出解决的新方法；根 据振冲碎石桩设计处于理论不成熟的现状，提出了振冲碎石桩施工的能量准则，为其设 计提供了更精确科学方法；根据振冲碎石桩施工中加密电流、留振时间和填料量是质量 控制的重点和难点，研制了微机质量监控系统，并通过施工试验加以检验，取得了较好 效果。 关键词：振冲碎石桩，液化，复合地基，能量准则 摘要 a b s t r a c t a l o n gw i md o m e s t i ci n 丘a s t r u 咖r el a r g e s c a l ed e v e l o p m e n t ，s p e c i a l l yt h ep r o e c ta sw d l a sr e s e o i rd a m ，h i g h w a ma i r p o r to f f 蓉h o r eh a r b o rw h a r fa n ds oo n ，b e c a u s em e s ep r 蜘e c t s m a i o r i t ya 1 1 i ns o rs o i lf o u 捌o na n ds a n d ys o i lf o u n d a t i o n ，a sm em a t 七e rs t a l l d sa p p e a r st o t h e s ei 盯g e s c a l e 南u n d a 缸o n s 订e a 衄e 1 1 tp m c e s s i n gi m m i l l e n t ly v i b r o r e p l a c 锄e n tc 0 1 啪n c a nc o n f o mt ot h er e q u e s to fd e s i g ns u p p o n i n 窑c a p a c i t y 姐ds e m e m e n t ，a l s oc 姐r c d u c em e c o n 咖c t i o nt i m ea n dm ee x p e n s eo fm ep m j e c t ，a sak i n do ft r e a t r n c l l tm e t l l o dw i d e s p r e a d a p d l i c a t i o ni nb i ga r e a 丹o u n dp r o c e s s i n g b u ti t sm e o r ya n dt h ee x p e r i m c n t a ls t u d ys t i l la r ea t t l l ed e v d o p m e n tp h a s e ，a l s oi n s u m c i e n t l ym a t u r ec o n s 眦m a t i o n ，t h i sa r t i d eb a s e do nt h e c x p 豳e n tc o n d u c tm e 劬d a m e i l t a lr e s e a r c ha i l d 也ea 1 1 a l y s i s t o v i b m 啪p l a c 锄n e n t c 0 1 u 砌h a sc a m e do nt h et l l o r o u 曲d i s c u s s i o nt ot h ev i b m r e p l a c e m e mc o l 眦ni 1 1s a n d ys o i l f o u n d a t i o np r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n ，a n dh a sp r o d u c e ds o m ec o n d u s i o n s 砒1 dt h ep a l 狮c t 札 t h e 口a p e r = e i r s tr e v i e w st h eo r i 咖o fv i b r o - r e p l a c 锄c n c 0 1 哪n ，m ep r c s c i l ts t a t eo f a _ p p l i c a t i o n sa n dr e s e a r c hi nd o m e s t i ca n df o r e i p 皿t h e o 俄i c a l l ya n a l y z e dd i s c u s s e s 恤e a n t i 一1 i q u e f - ym e c h a n i 锄 o fc o m p o s i t e o l l l l 蝴o n ，1 0 a db e 州n gm 酣h a n j 锄a sw e na s s e t t l e m 锄tt h e o p r o p o s e dc o m p u t i n gl i m i ts u p p o r t i n gc 印a c i t yo f v i b m r 印1 a c e m e n tc o l u m n b vt h ec o e 街c i e n to fc o r r c c t i o nc o n s i d e 血gs d f _ w e i g h tf 1 1 n c t i o no fp i l ea n dt h ee a n l l ，a n d 口r o p o s e dm em a t h e m a t i c a lf o n n u l ao fc o l l i l t i n gv o i d 枷oo ft l l es o i la r e rv i b r o r e p l a c c i n e n t b 吐w e e nt h ep i l e ，t h l l sh a v eh a df h r m e rk n o w no ns l i p l ) o n i n gc 印a c j t ym e c h a n i s mo f v i b r o - r 印l a c e m e n ts t o n ec 0 1 u m n n e x tt a k ef o u n d a t i o nt r c a 恤e n tp r o i e c to fs h i f o s ir e s e r v o i ra st h eb a c k g m u n d ，p u t f o f v m r dt h en e wp r o p o s a lf b rt 1 1 ed e t e m j n a t i o no nd e s i g np a r 姗e t e ro fv i b r o r e p l a c e m e n t s t o n e ，c a r r yo nt 1 1 ec o n t r a s to fp h 唱i c a la dm e c b a n i c a lc h a r a c t c r i s t i c so fs o i lf o r ea n da f t c r 订e a t i n h a sc a r r i e do nt h ea p p r a i s a lo ft l l ea n t i 一1 i q u e f i e de 任b c to fv i b r o r e _ p l a c e m e n ts t o n e c 0 1 u m nu s m gt 1 1 es t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s ta n dt h es h e a rw a v ev e l o c i t ym e 山o d ，a sw e l la s d e t e m i n a t i o nt 1 1 es u 仰o r t i n 2c a d a c i t ya n dt h es e m e m e l l tw i mt h ea p p l i c a t i o no fs t a l l d a r d p e n e 打a t i o n1 e s ta n dm es t e a d y1 0 a de x p e r i m e n to n c o 瑚巾o s i t e f o u n d a t i o no f v i b i o r e 口l a o 锄c i l ts t o n ec 0 1 啪na n ds oo n t h i d u 吐o b s e r v i l l ga n d 锄a l y s i st o 廿l em e a s u “蛆 d a 柚db a s i ss t l l d yr e s u l to fs h i f o s ir c s e r v o i rc x p e r i m c n t ，h a sd e t a m i n e dt h ep - sc u r v e m 砒o do fs u p p o r t i n g p a c i t yo fc o m p o s i t cf o u n d a t i o no fs t o n ec o l 眦n i ns i t ee x p e r i m e l l t ， a l s oc o n d 脚t h ec o n 廿船tr e s e a r c i ht om es t o n ec o l u 加i l ，t l l es a l l dp i l ea n dt l l ev i b r a t i o ns i n k i n g p i p e m a ys e e ，r e 州i n gr e i l l t b r c e i l l e n tm e 丘l l cs a n df - o u n d a t i o n ，v i b r d r e p l a c e m e n ts t o n e c o l u m ni ss u o c e s s 血l - t h ep a p e rf i n a l l vh a sp r o d u c e dc e r t a i ni m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa b o u tr e s e a r c hw o r ko f t h i s 枷c l e ，a n dh 船m a d es u g g e s t i o nt ot h e 如t 1 1 r em r 1 c rr e s e a r c hw o r k t l l i sa r t i c l ei nv i e wo fa c t i l a lg c o l o g i c a lc o n d i d o no fd a mf o u n d a t i o n ，c 训e so nt h e a i l a l v s i sm ep r i n c i p l eo fd e s i 2 皿a n dt h ec o m p u t a t i o np a l 砌e t e ro f “b r o r e p l a c 锄e n ts t o n e c o l u m nt ot r e a t i n g l el i q u a t i o no fd 锄f o u n d a t i o n ，d i s c o v e r sp r o b l 锄w h i c hi ni t sd e s i g na n d t h ec o n s 订u c t i o n ，蛆dp r o p o s e sm en e ws o l u t i o nm e t h o d ；a c c o r d i n gt o l ed e s i g no f “b r o r c p l a c e m e i l ti nt h et h c o r yi sn o tm a t i 】r ea tp r e s c n t ，f i r s tp r o p o s e d 血ee i l a 售yo q u i v a l e n t c r i t e r i o nf o ra n t i 1 i q u e f i e d 仃e a t i ng ，h a sp r o v i d e dm em o r ep r c c i s es c i e n d f i cm e m o df o ri t s d e s i 掣l ：b e c a u s em ee c r y p te l e “cc u r r e n t ，m et i m eo fr e l n a i n i n gv i b 瑚瞳i o na n dt h ef i l l i n g q u a n t i t ya r et h ek e va n dl ed i 丘i c u l t yi nq u a l i t yc o n 竹o ld u r i n gc o n s 咖c t i o no f v i b r o r e p l a c e m e n t ，h a sd e v e l o p e dm ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n dp e r f o m st oe 】a m i n e t h l o u 吐t h ec o n s 仃u c t i o ne x p e r i m 朋t ，h a sd b t a i n e dt h eg o o de h 融 k e yw o r d s ：b r o - r e p l a c e m e n ts t o n ec o l u m ，l i q u a 廿o n ，c o m p o s i t ef o u n d a 6 0 n ， e n e r g yc r i t e r i o 2 沈阳农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题提出 我国地域辽阔，上类繁多，其中松、软土类占有相当大的比例。其成因类型有海岸 沉积、浅海沉积、湖泊沉积或残积，以及近期人工吹填、堆填的土。这些土大多是我们 在水利、建筑工程中遇到的含水量高、孔隙比大的泥炭、淤泥、淤泥质土或松散的饱和 砂类土、素填土、杂填土，甚至还含有生活垃圾等。这些土的强度很低、压缩性大、抗 震性极差。 土石坝具有就地就近取材、施工简单、坝基应力较小、适应变形能力强、坝身断面 分区和材料的选择灵活性好等优点，是最常用的坝型，约占建坝总数的9 5 以上。处于 流域中下游的平原水库，由于其大多数座落于第四系冲洪积地层上，坝基呈二元或多元 地质结构，采用土石坝这坝型较多。因为上石坝对天然坝基的强度和变形要求，以及 处理措施所达到的标准等，都可以略低于混凝上坝。仍是，r 石坝坝基的承载力、强度、 变形和抗渗能力等条件一股小如混凝土坝，所以，对坝基处理的要求丝毫也不能放松。 据国外资料统计，土石坝失事约有4 0 是由于坝基问题引起的，可见坝基处理的重要性。 坝基处理技术近年来业已取得了很大的进展，从国内外坝工建设的成就束看，很多地质 条件不良的坝基，经过适当处理后，都成功地修建了高i 石坝。如：加拿大存深1 2 0 m 的覆盖层上采用混凝上防渗墙，修建了高1 0 7 m 的马尼克3 号坝：埃及则在厚2 2 5 m 的 河床冲积层上，采用水泥粘土灌浆帷幕，修建了高1 1 1 m 的阿斯旺坝。我国在深厚覆盖 层上的防渗技术也已进入国际先进行列。铜街子坝，小浪底坝，防渗墙的深度均达7 0 i i l 左右。坝基处理的主要要求是：控制渗流，减少渗流坡降，避免管涌等有害的渗流变 形，控制渗流量；保持坝体和坝基的静力和动力稳定，不产生过大的有害变形，不发 生明显的均匀沉降，竣工后，坝基和坝体的总沉降量一般不宜大于坝高的1 ；在保 证坝安全运行的条件下节省投资。 从土石坝的震害情况来看，遭受震害的坝主要是中、低高度的坝。坝基中的粉砂、 细砂等地震时易液化土对坝的稳定性危害性很大。根据震害分析，可以得到以下启示： 地基的抗震稳定十分重要。地基不良可以使土石坝在地震时发生严重震害，包括：地基 液化，地基中软弱夹层的沉降和滑动，以及地基中渗水、管涌等对坝所造成的危害。 对判定为可能液化的土层，应尽可能采用挖除置换法。当挖除比较困难或很不经济 时，可旨先考虑采取人工加密措施，使之达到与设计地震烈度相适应的密实状态，然后 采取加盖重、加强排水等附加防护设施。 在易液化上层的人工加密措施中，对浅层土可以进行表面振动加密，对深层土则以 围封法、人工密实法( 振动水冲法、振动沉管挤密法、强夯法、砂井排水法、深层爆破 法等) 、灌浆胶结法等。 法等) 、灌浆胶结法等。 第一章绪论 振冲法处理坝基液化的机理主要体现在以下四方面：振密和挤密作用：振冲法施 工时使饱和松散的砂土颗粒在强烈的高频强迫振动下重新排列致密，且在振冲孔内填入 大量的砂石料后，被强大的水平振动力挤入周围土中，这种强制挤密使砂土的相对密实 度增加，孔隙率降低，抗液化能力得以提高。根据对我国地震区的广泛调查、统计分析 和室内试验可知，在7 、8 、9 度的地震烈度下，砂土不致发生液化的相对密实度的下限 分别为5 5 、7 0 、8 0 。排水减压作用：振冲法加固砂土地基时向孔内填入碎石等 反滤性能良好的粗粒料，可在砂土地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道， 从而有效地消散和防止超孔隙水压力的积累，防止砂土液化。预震效应：美国的s e e d 等人经过试验得出，在一定的应力循环次数下，当两试样的相对密实度相同时，经过预 震的试样的抗液化剪应力要比未经过预震的试样大4 6 ，也即砂土的液化特性还与其振 动应变史有关。在振冲法旌工时，振冲器的高频振动使填入料和砂土地基在挤密的同时 获得强烈的预震，这对增强砂上的抗液化能力也是十分有利的。官厅水库对下游坝基表 层2 4 m 深的中细砂层，采用碎石填料振冲法进行了加固处理，由于现场地下水位较高， 砂层充分饱和，振冲加固的效果十分明显，经标贯试验等检测，处理后的表面砂层相对 密实度由天然的0 5 3 提高到o 8 0 以上。应力集中效应：由于碎石桩的刚度和强度均 远大于桩间土，当两者协调共同工作时，地震剪应力按刚度分配多集中于碎石桩上，桩 间上上的地震剪应力随之大为减小，也就减小了产生液化的超孔隙水压力。 振冲碎石桩于2 0 世纪7 0 年代末引入我国，因其处理效果较好，施工简便，工期短， 造价低，已经有很大程度的应用，但由于振冲法发展历史不长，对其作用机理，影响作 用的因素还不完全清楚，在加固机理和设计方法等方面尚停留在不成熟阶段，使得设计 计算落后于实际应用水平。因此，研究地震作用下振冲碎石桩复合地基的抗液化能力和 承载力具有重要的理论意义和工程实践意义。 1 2 振冲碎石桩回顾、国内外应用及研究现状 1 2 1 振冲碎石桩的回顾 振冲法是以起重机吊起振冲器，启动潜水电机带动偏心块，使振冲器产生高频振动， 同时开动高压水泵，使高压水由喷嘴射出，在振冲作用下，将振冲器逐渐沉入土中的设 计深度。清孔后即从地面向孔内逐段填入碎石。每一填石段为3 0 5 0 c m ，不停地投石振 冲，经振挤密实达到设计要求后方提升振冲器，再填筑另一桩段。如此重复填料和振密， 直到地面，由此在地基中构成大直径的密实碎石桩体，形成桩体与桩间土共同工作的复 合地基。 1 9 3 7 年德国凯勒公司( j a h 籼k b l l e r ) 按斯图门( s t e u e r m 趴) 的设计，制造出具有现代 振冲器雏形的机具，并用于处理柏林市郊一幢建筑物的砂土地基。处理深度为7 5 米， 处理面积5 7 0 平方米。处理后的相对密实度由原来的4 3 提高到8 0 ，承载力提高一倍。 斯图门到英国后，1 9 4 4 年成功地加密了安德斯坝基( e n d e 曲，并得出振冲法可以提高砂 4 沈阳农业大学硕士学位论文 土地基密实度的结论，也使得振冲法的有效性和经济性越来越被人们所认识。5 0 年代末 和6 0 年代初，德国和英国相继把这一方法用来处理粘土。在处理的过程中，通过振冲 造孔回填，形成密实的碎石桩( 振冲成桩) ，以提高地基的承载力和减少建筑物的沉降量。 为此，一般要求向振冲孔内回填坚硬、抗腐蚀、带棱角的碎石，其粒径范围在5 1 0 0 毫 米之间。 日本于1 9 5 7 年引进振冲法。1 9 6 4 年和1 9 6 8 年，日本新泻和十胜冲地区曾经先后发 生过7 7 和7 8 级强烈地震，震害调查表明：经用振冲法处理过的砂基，液化现象大大减 轻，建筑物基本保持完好，相比之下未经处理的砂上地基上的建筑物则受到严重的破坏。 日本的经验表明，用振冲法加固砂基不仪能够提高地基的强度，而且能够提高地基的抗 震能力，所以也把振冲法作为砂土地基抗震防止液化的有效措施而广泛应用。 1 2 2 国外的应用与研究情况 国外应用振冲法加固密松软地基已经有六十余年的历史，所处理的地基多样，其应 用范围也由城建部门扩大到水利水电、交通、冶金等部门。国外许多大型地基工程，如 美国箱峡水电站、斯本索火电厂、卡尔隆原子能电站、孟加拉m e 曲n a 曲a t 电厂等，都 采用振冲法进行了地基处理。振冲法处理的软粘土地基，如英国的底斯港料罐、汉敦港 料罐直径为1 6 6 6 m 、美国庞得雷湖公路以及大批工业与民用建筑。 1 9 5 3 年，d 。a p p o l o n i 发表了两篇关于振冲的文章，题为“l o o s es a i l d t h e i rc o m p a c t i o n b yv i b r o f l o t a t i o 和s a n dc o m p a c t i o nb yv i b r o f l o t a t i o n ”。文章表明，在不含淤泥或含量 少的砂土中，振冲法是有效的，而且还提出用相对密实度来检验加固的效果。之后就有 很多关于振冲应用方面的研究，主要在于现场参数的确定。其中b r o w n 在1 9 7 7 年给出 了振冲的适用土类的颗粒范围和相对密实度及影响系数等方面的总结。更为细致的研究 是m e t z g e r 和k o 锄e r 做了室内的模型实验研究。 以上的应用研究主要是用振冲法加固地基，以提高其强度。其实振冲的另一个重要 的用途就是用于减少地震灾害。在1 9 5 0 年埃及的阿斯旺水坝( a s w a i l d a m ) 就是用于减少 地震给水坝带来的危害。1 9 7 2 年美国加州在s a n t ab a r b a m 的污水处理厂使用振冲法来 减少地震灾害，在1 9 7 8 年的地震中( 0 3 9 ) 结构保存完整，没有受到任何地影响。英国 最早是在1 9 8 1 年b a r r o w i 1 1 一f u m e s s 地区的加油站使用该法。1 9 8 9 年加州的六个振冲加 固后的地区在l o m a p r i e t a 地震中没有受到影响。1 9 9 4 年在n o n h b r i d g e 地震中，三个振 冲加固的结构只受到微弱的损害。在日本0 h s a k i ( 1 9 7 0 年) 对1 9 6 4 年的n i i g a t a 地震和 1 9 6 8 年的t o k a c h i o k i 地震( o 2 2 5 9 ) 的研究可以很明显地看出振冲处理后的地基上的建筑 物和没有加固的地基上的建筑物在震后的受灾程度的轻重。这也使得后来在加大的太平 洋地震工程研究中心( p a c i f i ce a r m q u a k ee n 垂n e e r i n gr e s e a r c hc e n t 一直对振冲法进行 跟踪研究。 工程实践的大量应用，推动了碎石桩理论研究的发展，复合地基强度和沉降计算方 法取得了很大发展。国外学者h u g c h e s w i t l l e s 、b r a s 及w j n g 等都提出碎石单桩的承 第一章绪论 载力计算公式，h u 曲e s ( 1 9 7 5 ) 假设桩侧向膨胀时体积不变，且在沉降过程中桩的垂直应 力和侧向应力不变，得到碎石桩的沉降量计算式；p r i e b e ( 1 9 7 6 ) 根据弹性半空间理论导得 了复合地基在垂直荷载下的沉降量计算公式；b a l a a i i l ( 1 9 7 7 ，1 9 8 3 ) 用有限元方法计算复 合地基的沉降量和沉降速率；g o u g 血n o w ( 1 9 8 3 ) 把复合地基承载性状分为弹性和塑性状 态，分别计算沉降然后取大值。用以上方法计算复合地基沉降参数较多，计算较为繁琐， 有的还用到数值分析方法，因此工程应用较少。 1 2 3 我国的应用与研究情况 1 9 7 7 年南京水利科学研究院与交通部水运规划设计院协同在南京船厂用该法加固 船体车间，取得了成功。随后该法在国内迅速推广。近三十年来，我国在大坝、道路、 桥涵、大型厂房及工业与民用建筑等地基上广泛应用振冲法加固。例如官厅水库下游坝 基松砂的加密，消除了液化；南京船舶修造厂船体车间淤泥软基的处理；南通天生港电 厂烟囱、厂房的粉细砂地基处理后，其极限承载力由1 5 0 k p 。提高到6 0 0 k p 。；龙口电厂 主厂房的砂土地基，为防止液化，处理后其密实度由4 0 一6 7 提高至6 9 1 1 7 ，消 除了7 级地震液化的可能性；徐州铜山水泥厂的粉砂地基的标贯仅6 5 击，处理后增至 2 3 7 击，承载力大于2 5 0k p 。，消除了7 级地震液化的可能性；天津塘沽长芦盐场化工 厂烟囱、锅炉车间的软粘土地基，十字板强度仅1 6 4 k p 。，处理后复合地基承载力由4 0 k p 。 增至9 0k p 。以往国内使用的都是3 0 千瓦的振冲器，在1 9 8 2 年初制成了第一台7 5 千 瓦的样机，试用后在1 9 8 3 年做了改进设计，在四川铜子街水电站加固处理工程中使用， 打穿了8 米厚漂卵石层，成功地加密了下卧粉、缅砂层。 1 9 8 6 年王盛堂对振冲法在松软地基应用进行了实验研究。黄茂松和吴世明( 1 9 9 0 年) 对振冲法加固饱和粉砂地基进行了深入的研究，包括动孔压变化规律分析和液化分析。 盛崇文1 9 8 0 年将b r 姗s 理论推广到复合地基，导得了满堂加固碎石桩的复合地基承载 力计算公式，并且于1 9 8 3 年推荐采用桩或土的载荷试验资料、置换率及按经验估计桩 上应力比来推算复合地基的变形模量，并以此计算复合地基承载力和沉降量，林孔锱用 圆弧滑动法计算复合地基的极限承载力，郭蔚东、钱鸿缙( 1 9 9 0 ) 研究了塑性能量和广义 b r a u n s 法求解柔性碎石桩发生鼓胀破坏、整体剪切破坏及相应破坏形式的复合地基承载 力；王余庆等利用现场静载荷资料对圆筒形孔扩张理论、被动土压力理论、极限平衡理 论、索恩伯经验曲线理论等进行了可行性验证。其他的还有大量的振冲碎石桩的应用研 究。 1 3 本文研究目的、意义与主要内容 1 3 1 研究的目的 对振冲法在粉、细砂地基中的应用进行研究，以探求振冲法在粉、细砂地基处理中 的一些定性的规律，同时从规律出发，对振冲法的某些方面在理论上进行初探。 6 鲨四坐些叁堂堡圭兰垡笙壅 1 3 2 研究的意义 由于地基土的性质千差万别，目前尚没有系统的理论和计算方法来指导振冲碎石桩 设计，因此，振冲碎石桩的加固机理及应用研究具有很大的理论与工程实际意义。 1 3 3 研究内容 本文研究的主要内容有： ( 1 ) 结合国内外已有研究成果，并进行大量试验，对振冲碎石桩加固地基土的机理进 行进一步的理论分析与研究，力图基于土体的力学性质对振冲法加固机理的认识取得改 进。 ( 2 ) 将详细分析振冲法设计的方法和步骤，系统研究振冲法加固设计的各项参数，以 提出各项参数的设计方法，并将提出的设计方法在实际工程中加以应用。 ( 3 ) 根据饱和粉、细砂地基振冲碎石桩加固机理，结合石佛寺水库实际工程进行振冲 碎石桩的研究，把振冲碎石桩加固技术应用于饱和粉、细砂地基中，并提出新的施工方 法和经验，作出详细的技术经济论证，为大面积实施提供指导，以达到优化设计方案、 保证加固质量和提高加固效率的目的，以期取得较好的效果。 第二章振冲碎石桩的作用机理分析 第二章振冲碎石桩的作用机理分析 2 1 振冲碎石桩加固机理 无论从加固的原理来看，还是从施工的角度，振冲法均可分为两大分支。一支是适 用于砂土地基的“振冲密实”，另一支是适用于粘性土地基的“振冲置换”。 2 1 1 振冲密实的加固机理 振冲密实( 亦称振冲加密或振冲挤密) 加固砂层的机理，简单讲，一方面振冲器的 强力振动使松砂在振动荷载作用下，颗粒重新排列，体积缩小，变成密砂，或使饱和砂 层发生液化，松散的、单粒结构的砂土颗粒重新排列，孔隙减小：另一方面，依靠振冲 器的重复水平振动力，在加回填料的情况下，通过填料使砂层挤压密实。 实践证明，装在容器中的散粒物质受到一定的振动作用或敲击就会产生沉陷和密 实，同样，饱和松散砂土受到振动时抗剪强度迅速降低，一定范围内受振颗粒在自重及 上覆压力作用下，重新排列致密。在动荷载作用下，砂土的抗剪强度为； f = p 一) t a n 矽 ( 2 1 ) 式中。一总应力( k p 。) ； u 一孔隙水压力( 妞。) ； 由砂土的有效内摩擦角( 。) 。 当振冲器在加固砂土时，尤其是饱和砂土，在振冲器重复水平荷载作用下，土体中u 迅速增大，使土的抗剪强度减小，土粒有可能向低势能位置转移，这样上体由松变密， 形成较为紧密的稳定结构以适应新的应力条件。可是，u 在振动作用下会继续增大，使 u 趋近o ，此时，导致砂土的抗剪强度为零，土体开始变为流体，砂土结构遭到破坏， 出现砂上液化现象。砂土液化以后，在上覆荷重和振动作用下，砂上颗粒又重新排列， 使砂土孔隙比减小、相对密实度增大、承载力提高、抗液化能力成倍增长。 振冲器在振动时，能产生较大的振动加速度，这一振动产生的水平力沿水平方向传 播，并在传播中很快衰减，土体获得这种振动能量后将产生振动，这就是土质点的强迫 振动。如强迫振动的频率接近上体的自振频率时，上体振动将会特别显著，也会促进土 体液化。 振动加速度与离振冲器的距离有关。从振冲器侧壁向外，根据加速度的大小，可以 依次划分为紧靠侧壁的剪胀区( 紧贴振冲器侧壁，该区振动加速度值大，砂土处于剪胀 状态) 、流态区( 砂土受到较强的振动并受到高压水冲击，土体处于流体状态，土颗粒 有时联结，有时不联结) 、过渡区和挤密区( 砂土经受振动，结构开始逐渐破坏，但土 颗粒仍保持联结，能够通过土骨架传递振动应力，并使砂上变密，形成新的密实结构的 土) ，挤密区以外是无挤密效果的弹性区( 砂土受到的振动小，土体处于弹性状态，不 沈阳农业大学硕士学位论文 能获得显著加密) ，如图2 1 所示。 。 图2 - l 砂土对振动的理想反应 f i 9 2 一l l a e n lr 豁p 。船eo j s n n d ys o t lt o 试b r n l i o n 只有过渡区和挤密区才有明显的挤密作用。过渡区和挤密区的大小不仅取决于砂土 的性质，诸如起始相对密实度、颗粒大小、形状和级配、土颗粒的比重和渗透系数等， 还取决于振冲器的性能，诸如振动力、振动频率、振幅等。 振冲器在上中是一个移动的点振源，因此，剪胀区、流态区、挤密区不是固定的， 随着振冲器在土中的移动，剪胀区可以变为流态区、挤密区、弹性区，反之也成立。 前已述及，采用振冲法加固松砂地基分两种情况：一是不填料，二是填料( 常为碎 石等粗粒径材料) ，形成复合地基。采用振冲碎石桩加固砂土地基，除了振冲器直接对 松散砂上地基有加密作用外，由于振冲孔中填满碎石，振冲器在填料的同时还能挤密砂 土，所以填料加固效果更加显著。 振冲过程使松散砂基有三种加密作用： ( 1 ) 振挤作用。是振冲器的水平振动力通过土的骨架传递( 或有填料时，振冲器 在填料时的振动，还能挤密桩间砂土) 将周围土挤压密实。 ( 2 ) 振浮作用。是通过振冲器振动，使周围土体内超孔隙水压力升高，促进土颗 粒间结构力破坏，再形成稳定的结构形式。 ( 3 ) 固结作用。在砂土上覆有效应力作用下，超孔隙水压力消散时产生排水固结 压密。 振冲碎石桩加固松散砂土地基的主要目的是：增加地基土抗液化能力，并提高地基 土的承载力和压缩模量。 2 1 2 振冲置换的加固机理 利用一个产生水平向振动的管状设备，在高压水流冲击作用下，边振边冲，在粘性 土地基中成孔，再在孔内分批填入碎石等粗粒径的硬质材料，制成一根根的桩体，桩体 和原来的地基土构成复合地基。和原地基相比，复合地基的承载力高、压缩性低，这种 加固技术称为振冲置换法。 振冲碎石桩加固粘性土地基的丰要作用是置换作用、垫层作用、排水固结作用以及 9 第二章振冲碎石桩的作用机理分析 加筋作用等。 ( 1 ) 置换作用 按照一定的间距和分布打设了许多桩体的土层叫“复合上层”。如果软弱土层不太 厚，桩体可以贯穿整个软弱土层，直达相对硬层。亦即复合土层和相对硬层接触，复合 土层中的碎石桩在外荷载作用下，其压缩性比桩周粘性土明显减小，桩体的压缩模量远 比桩间上大，从而使基础传给复合地基的附加应力随着桩上的等量变形会逐渐集中到桩 上来，使桩周土负担的应力相应减少。与原地基相比，复合地基的承载力提高，压缩性 减小，这就是碎石桩体的应力集中作用。 ( 2 ) 垫层作用 对于软弱上层较厚的情况，桩体有可能不贯穿整个软弱上层，这样，软弱土层只有 部分厚度的土层转化为复合土层，其余部分仍处于天然状态。对这种桩体不打到相对硬 层，亦即复台土层与相对硬层不接触的情况，复合土层主要起垫层的作用。 碎石桩是依赖桩周土体的侧向应力保持形状并承受荷重的，承重时桩体产生侧向变 形，同时，通过侧向变形将应力传递给周围土体，这样，碎石桩和周围上体一起组成一 个刚度较大的人工垫层，该垫层能将基础荷载引起的附加应力向周围横向扩散，使应力 分布趋于均匀，从而可提高复合地基的整体承载力。另外，整个碎石桩复合土层对于未 经加固的下卧层也起到了垫层的作用。垫层的扩散作用使作用到下卧层上的附加应力减 小并趋于均匀，从而使下卧层的附加应力在允许范围之内，这样就提高了地基的整体抵 抗力，并减小了地基沉降。这就是垫层的应力扩散和均布的作用。 ( 3 ) 排水固结作用 振冲置换法形成的复合土层之所以能改善原地基土的力学性质，丰要是因为在地基 中打设了许多粗粒径材料桩体。过去有人担心在软弱土中用振冲法制作碎石桩能使原地 基土强度降低。诚然，在制桩过程中，由于振动水冲、挤压扰动等作用，地基土中会出 现较大的超孔隙水压力，从而使原地基土强度降低。但在复合地基完成后，一方面随时 间的推移原地基土的结构强度有所恢复；另一方面孔隙水压力向桩体转移消散，结果是 有效应力增加，强度提高。同时在施加建筑物荷载后，地基土内的超孔隙水压力能较快 地通过碎石桩消散，固结沉降能较快完成。有许多实测资料可证明这点。段光贤、甘德 福( 1 9 8 0 ) 对粘土、粉质粘上和粉土的结构，在振冲制桩前后的微观变化进行电镜扫描 摄片观察，结果发现，振冲前这些土的集粒或颗粒联接以点一点接触为主，振冲后不稳 定的点一点接触遭到破坏，形成比较稳定的点面接触和面一面接触，孔隙减小，孔洞明显 变小或消散，颗粒变细，级配变佳，并且新形成的孔隙条有明显的规律性和方向性。由 于这些原因，土的结构趋于密实，稳定性增大。这从微观结构角度证实了粘性土的强度 在制桩后会恢复并明显增大。 ( 4 ) 加筋作用 振冲置换有时也用来提高土坡的抗滑能力，这时桩体就像一般阻滑桩那样是用来提 1 0 沈阳农业大学硕士学位论文 高土体的抗剪强度的，迫使滑动面向远离坡面和深处转移。 2 2 振冲碎石桩抗液化机理分析 历史上饱和砂层的液化已经破坏了许多建筑物、土坝等构筑物。如1 9 0 6 年美围旧 金山地震、1 9 2 3 年日本关东地震，1 9 6 4 年日本新泻地震和美国阿拉斯加地震，1 9 7 1 年 美国圣费南多地震，1 9 7 5 年我国海城地震，1 9 7 6 年我国唐山地震，1 9 9 0 年菲律宾吕宋 岛地震等。从国内外地基破坏事例进行统计分析可以看出，大多数地基震害是由砂性土 层液化引起的，因而对饱和砂性土进行地震液化研究和处理就是一项非常重要的任务。 2 2 1 地震液化的机理及其影响因素 当饱和砂土受到振动力等动荷载时，砂土有增密趋势，如孔隙水来不及排出，孔压就会 上升，并使有效应力减小。当有效应力下降至零时，土粒问就不再传递应力( 包括自重) ，完 全丧失抗剪强度和承载力，土粒处于失重状态，可随水流动，成为液态，此即“液化”。影响砂 土液化的因素主要有： ( 1 ) 土的性质 试验及实测资料都表明：大多数情况下，粉砂、细砂中级配均匀的砂土比级配良好 的砂土易发生液化：大多数情况下，可液化土的平均粒径范围在o 0 1 0 2 m m 之间。粘 粒( 直径小于0 0 0 5 m m 的颗粒) 含量越高，粘性越大，则土越不易液化。 砂土的密实度是影响液化的重要因素。从大量震害调查资料和室内试验可知：大多 数情况下，当地震烈度为7 。、8 。、9 。时，在相对密实度分别达到5 5 、7 0 、8 0 及以上 时，则不会产生液化。对不同相对密实度的同种砂的试验表明：当往复应力峰值一定时， 往复加荷次数随相对密实度的提高而迅速增大或当往复次数一定时，往复应力峰值随相 对密实度的提高而明显增大； 砂土颗粒的排列、上粒间的胶结物质等，对砂土液化也有影响。大多数情况下， 扰动土比原状土容易液化，新沉积的砂土比古老砂层容易液化。 ( 2 ) 土的初始应力状态 砂土液化室内动三轴试验表明：对于同样条件的土样，发牛液化所需的动应力将随着 固结应力的增大而增大。大多数情况下，对于给定的初始相对密实度和往复应力峰值， 引起液化所需的往复加荷次数将随着周围压力的增大而增大。 ( 3 ) 震动的特性 地震的级别。大量震害调查资料和试验表明：大多数情况下，地震级别越大，同 一条件的饱和砂土层就越容易液化； 地震持续时间。大多数情况下，对于同一性质的上，施加同样大小的动应力时， 试样是否液化，取决于振动的次数或振动时间。当地震历时较长时，即使地震的强度较 低，砂土也可能发生液化。 第二章振冲碎石桩的作用机理分析 ( 4 ) 场地液化势的改变 液化势是指土层在一定条件下是否发生液化的总趋势。对于自由场地，土层受到水 平方向的地震作用时，地层剪应力随深度的变化是一条曲线，而土的抗液化强度随深度 的变化则基本上是一条直线，因此同一标高的点的应力状态相同，这样液化区在理论上 就是一个无限的水平层。当场地上修筑建筑物之后，基础附近的应力状态发生变化，液 化势的分布也发牛变化，由于地基中附加应力对液化的抑制作用，基础下的土最难液化； 位于基础外，接近4 5 。线附近的较浅的区域比自由场地更容易液化。 2 2 2 振冲碎石桩抗液化机理分析 ( 1 ) 饱和砂土地基振挤密实的主要目的 松散砂上，尤其是饱和的松砂，经采用填料振冲挤密后，形成复合地基，不但碎石 桩的承载能力远较原来的砂土承载力大，而且桩间砂土经振冲挤密其承载力亦有较大的 提高。对砂土地基，主要的设计目的是使其具有抗地震液化的能力，满足抗震设防的要 求。需根据砂类，初始密实度、地下水位、建筑物的设防地震烈度，计算振冲挤密深度、 布孔形式、间距和振挤密实的标准。 ( 2 ) 饱和松砂振挤密实的机理 松散的砂土于振动荷载作用下，将导致颗粒重新排列，不稳定的颗粒移向低势能的 稳定位置，体积缩小呈密实的砂土。尤其是对于饱和的松散砂土，在振冲器产生的连续