强夯地面沉降特征及地基双层构造的形成：强夯加固机理探讨之五

1、强夯地面沉降特征及地基双层构造的形成：强夯加固机理探讨之五第1l卷第3期1997年9月土工基础soileng.andfoundationvo1.l】no.3sep.i997强夯地面沉降特征及地基双层构造的形成(强夯加固机理探讨之五)郭见扬(武汉岩土力学研究所40071)2.3摘要讨论了夯坑地面沉降特征,夯击时贯人度太及在第1阶段贯人度衰减缓慢,地面无明显隆起等是夯能充分发挥的反映,强夯地基有双层掏造上层(a层)为强烈夯实层,下层(b屠)为弱夯实层,后者受到低周期低幅值动应力作用而收到抗振动稳定性提高的强夯加固效果.关键词地面强夯沉降l夯坑地面沉降变形特征.鹤壁电厂填土为粘性土,厚418m,在强

2、夯施工前进行了夯击试一,厂验,夯点布置如图1.夯锤为固形,直径d=2.1m,重160kn,单击夯能对一点l,2,3,4和5为2400kn.m,对点6和7为160okn.m每点停夯标准三i均取末击贯人度为s5an/击.各夯点各击(n)贯人度(s)和沉降值(s)_i_f,r如表1所示.一一根据表l作出各夯点的sn关系和n关系如图2,从图2可将夯击过程大体分为两个阶段(对原始未夯过地层而言),以第1阶段的图1夯点布置和顺序g最大,第阶段的s小些,sn曲线的陡度,以i阶段的最大,阶编号(x为编号段的较小.阶段的初期和中期陡度很小,甚至接近水平.两阶段的某些6,7的夯点特征数据列如表2.夯击时夯点地面变

3、形综合特点如下:夯坑四周地面基本原位不动,即使有隆起或下沉,其量甚微;与以上形成鲜明对照景象是夯坑底面的下沉量很大,沉降(s)表1中noln05达84181.2cm(未考虑第一击s),坑壁直立;第l阶段第一击贯人度很大,继之贯人度随击数(增加)而明显衰减,而第11阶段贯人度随击接一直具有缓慢衰减特征.将强夯动载和常见静载加压地面变形特点比较下.按地基变形三阶段(压密,剪切和挤出)考虑,根据第点推断,夯实土层的变形尚未达到挤出破坏阶段.按第点推断,强夯过程剪切作用始终强烈.夯坑最终下沉量大得惊人,no.15为例,不考虑第一击s为84181cm.考虑第一击,沉降量s收藕日期:1997一o414位为

4、寰2各夯点两阶段的起迄击数和特征数据结合我们对强夯加固机理几次讨论,在以上分析的基础上,对夯坑地面下沉的两个阶段可进一步剖析如下:第1阶段实际即夯实柱体mz形成的初期阶段d-”.这时,剪切作用和压密作用均很强烈.由于土层原始状态疏松,故第一击贯人度很大,这也意味着土层密实度大幅度增加,抗变形能力亦相应增加,因此贯人度随击数明显衰减.夯实土柱形成很快(基本在第一击,或一,二击,少数达三,四击)而且以一维变形为主2.夯实土柱四周界面实际系一宏观上的剪切面,夯坑坑壁即此剪切面的外延部位,夯坑地面沉降的第阶段实际即夯实柱体的成长阶段这阶段出现了一系列复杂的作用.首先因为碰撞效应使一部分夯能穿过夯实柱体

5、向下(和侧)传播口一,使柱体长大.其次,结构面对渡的反射和透射效应有利于夯实柱体往下成长【.再第3期郭见扬:强夯地面沉降特征及地基双层构造的形成(强夯加固机理探讨之五)31(c廿】)807060g刨世蛙(a)as-n曲线(夯点7,4,5的第一击图上来绘出)(b)8一n曲线图2夯锤贯人度(),夯坑底沉降(8)与击数(n)的关系图则由于柱体被夯实而缩短,出现的倒胀效应而使柱体横截面加大(这致使两夯点间土层被压密).第阶段剪缩作用占优势,因而地面沉降速率随击数而减小得不明显,这阶段的末期,夯实柱体往下成长已接近尾声,夯实体本身密实度已经很大,因而贯人度随击数明显衰减,井很快达到停夯标准.地面不隆起,

6、贯人度大又衰减缓慢,应该是夯实柱体往深部延伸的反映.此时,夯能充分发挥了它的夯实作用.地面明显隆起的施夯方法除极特殊情况外是不可取的.若同时出现不断增大则很可能是夯能浪费的表现.这时应针对具体情况,采取改善夯实过程措施,例如降低单击夯能,或往夯坑中填粗粒,填干土等等.本节讨论是从粘性土人工填土上夯击结果基础上进行的.它对其它土层只要是来饱水土层适用对饱水土层中渗透性强,亲水性弱的土层也应该是适用的.对于饱水软土如流动性强的饱水淤泥则应另行研究.2夯实土层的剖面特征双层构造上面谈到夯点地面沉降特征,经一定密度网格布置的夯点旌夯完后,土层中出现了一定厚度的夯实层.此夯实层底界可能起起伏伏,甚至断断

7、续续(这与夯点密度和夯实效果有很大关系).根h据已有强夯场地的标准贯人试验资料看,绝大多数强夯场地夯实土层剖面具有某种共同特点,如图3所示.图中h表示深度,n表示标准贯人击数.从图可知,在某个深度以上(a层)夯后n值较夯前的明显增加(这就是夯实效果).在此深度线以下(b层)有三种情况:情况a,xn(an系夯后击nnnh(b)图3夯实地基标贯击数剖面一夯前标贯击数曲线夯后标贯击数曲线数减夯前击数)均为正(即夯后n比夯前增加)i情况b,an为负i情况c,an有正有负.这方面一32土工基础997芷工程实例不少t此处不赘述.这里明显分出上下两层.a层夯实效果很好,其深度太体与用带减系数的梅纳公式估算的

8、有效影响深度相当.b层深度确切资料很少.鹤壁a层深6.5m,b层底在10m或更深处.对a层,人们一般均注意到了,它是夯实土层的持力层,对b层,人们话常忽视.实际上这层的出现亦是强夯效果之一.故我们将ab二层称之为强夯地基的双层构造,通过后面对双层构造形成机理的讨论,这点会比较清楚.3双层构造的形成机理31周期荷载的特征应力门槛应力每个夯点夯击次数一般为几至十几次(亦有达几1次的),我们把它规格简化为nl0次的周期荷载,而且每次动应力()是恒定的,从夯坑底面以下某点取一个单元土柱来研究,此单元原承受有均匀围压o3,接受到轴向动应力后,即有轴向应力作用(a一ad+m).则动剪应力()为(oi-)/

9、2=嘞/2,动应力比(sdad/)或动剪应力比ss一/.一ad/2).图4是某土层在等围压固结条件下周期剪应力比与破坏时振次的关系(出自中科院武汉岩土所等五个单位于1985年提交的”南海北部湾澜儿一1海区工程地质调查和评价报告”上册第四章).破坏标准取为轴向应变一士2.5,图上同时将一士0.5的曲线绘上,可明显看出一个现象,达到破坏时”剪应力比”与振次关系十分密切,振次越大这个剪应力比越小.从图4可看出,存在一个特定的剪应力比,即s一0.18.当ilii一图第1层土样的周期剪应力比与撮故的关系st<0?18时,不论振次有多大,土样应变不会达到士2.5.这个剪应力比即临界剪应力比().在图

10、上,s叶t一0.18,临界剪应力比的物理意义是:当剪应力比小于这个值时,不论振次多大,土样变形很小,土样不致破坏,详细观察图4还可看出,对低振次例nl0而言,不仅仅在s<0?18土样变形很小,一直到s一0.32以前,土样变形累积值并不大.直到s>032以后变形才剧增从.5猛增至2.5.也就是说,土样达到=2.5的变形中有80%是在sd?32o?38这个很小的区段内发生.这里存在一个剪应力比的”门槛值”(我们用s.表示).剪应力比值在门槛值里和门槛值外,土样的变形大小迥然不同在s<.时,土样变形不大a当srs后再加大,土样变形猛增并很快达到破坏标准,在振次n很大时,”门槛剪应力

11、比”接近”临界剪应力比”;当振次n很小时,s删大于.这个周期荷载下的特征应力的存在,说明动应力作用介质的变形存在明显的突变界线(类似的例子在文献5中还有几个),它对解释夯实地基双层构造有很大帮助3.2双层构造的形成夯击时夯锤落地,势能变成动能,地面接受的夯能很大,亦即动应力很大夯能往深部波动传播,由于阻尼原因,夯能随深度的增加越来越小,亦即嘞越来越小,而围压咖(按自重估算)在浅部很小,往深处越来越大上述应力变化必然导致剪应力比在地面浅部很六,往深部叽mm第3期郭见扬:强夯地面沉降特征及地基双层构造的形成(强夯加固机理探讨之五)33最终达s0,在速中必出现s一s这个深度位置以上土中s>,土

12、的变形很大,夯实作用得到充分发挥(这就是a层).这个深度位置以下,<s<scu,土有变形,但夯实程度并不很大(这就是b层),土仅受到夯能波动.ab二层交界一般比较清晰,夯实程度上有明显差别.a层夯实程度一般较高,是良好的持力层.至于b层,人们一般不太重视,实际上b层多数情况密实程度比原来亦有一定提高.更重要的是,土层内部结构经受了一次周期荷载作用,土层抗振动稳定性有所提高.这个问题是刘颖等在很久以前就曾详细的研究过.他指出”土壤结构特性对抗液化能力的影响并不亚于密度,固结压力等重要因素.年代老的饱和砂层通常比新近沉积的要难以液化”.他结合一些试验结果指出”在有限次数的低幅应力振动阻

13、后,使试件重新排水固结,其抗液化强度将会明显提高.例如一个相对密度dr=54,%的试件,在受到56次低幅振动作用后,强度可提高到相当于dr一80的值.因为d值只增加了0.7,变化极小,强度增加并不是由于密度增加所致.主要原因是随着低慨振动次数的增加,试件的结构愈趋稳定,提高了抗液化程度”.强夯时,地基b层应力正是上面所说的低次数低幅应力状态.密实度增加不大,但经受这次应力作用后,结构稳定性增加了.但为什么b层的标贯击数较原十层不都是增加,有时反而降低呢?这应从粘性土结构方面来解释.牯性土的强度与其结构有很大关系,与结构组合排列(包括颗粒大小组合,不同l隙组合和颗粒砌置排列特征等)有关,还与结构

14、联结有关.而后者常常可被破坏,又可恢复形成(这与土层静置的时间长短有关).强夯振动对粘性土的作用有两方面,其一是对原有结构联结的破坏,其二是使结构组合排列更稳定.在b层中不同深度处上述两个方面的每一个作用效果并不一定相同,综合结果多种多样,故b层中an有正有负.但藕们认为,随着时间的推移,随着结构联结的恢复,b层因强夯而获得的抗振动能力和结构强度迟早会表现出来.4几点总结通过以上的讨论,我们有阻下几点认识:4.1只要地面无明显隆起,土层水平方向移动量不大,则夯坑很深,每击贯人度很太,就是夯实效果的反映;4.2夯坑底地面下沉有两个阶段,第阶段随击数增加贯人度缓慢减小,当某击贯人度小到一定值后即可停夯.对于一个比较合理的设计,一般情况下这时地面亦应无明显隆起;4.3夯实地基存在双层构造,a层底界夫体与按带折减系数的梅纳公式估算深度相当,a层是良好的持力层;4.4b层深度比a层要太得多.这层受到低幅值低振次动应力作用,一般情况下强度略有提高,但有时出现强度降低现象,这是结构强度的特点所致.一般说来,b层的抗振动稳定性比原土层增加了,这是强夯加固地基