基于荷载试验模拟置换强夯法加固处理地基的应用研究.docx

基于荷载试验模拟置换强夯法加固处理地基的应用研究陈文辉，王述红，李志华，冯志平（中国建筑第五工 程 局有限公司 ，湖 南 长 沙 ；东 北 大 学 资 源 与 土 木 工 程 学 院 ，辽 宁 沈 阳 ）摘 要：针对强夯法不适用于加固饱和淤泥质土地基的不足，介绍了强夯置换法在处理这类地基方面的优势，同时阐述了确定地基承载力的方法。 以大连长兴岛临港工业区二期供水工程基础强夯置换为例，利用有限元数值方法 模拟平板载荷试验，比较地基强夯置换加固处理前后地基承载力的变化；通过分析位移矢量图和 曲 线，得 出 了地基强夯置换前后的承载力，其结果表明，经过强夯置换后地基的极限承载力提高了 ，达到了设计要求的 承载力，这与规范的计算结果是相符合的。 工程实例的计算表明，数值模拟能有效地模拟载荷试验的整个过程，对 基础的强夯置换设计、施工提供了有益的借鉴。关键词：强夯置换；数值模拟；荷载试验；地基承载力中图分类号：文献标识码： ，（， ，；， ，）： ， ， ， ， ， ， ， ， ：； 收稿日期 作者简介 陈文辉（），男，湖南长沙人，工程师，从事水工建设和研究工作。基金项目 国家自然科学基金（，）；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（）。工程与试验式中：， 为对数螺线 上任取微元到 点的距离， 为与 的夹角。区为被动区，破裂面与最小主应力作用面的夹角：引言强夯法在处理碎石土、砂土、低饱和度 的 粉 土、黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基方面有 着广泛的应用，但对地下水位较高的饱和软黏土地 基，尤其是淤 泥 或 淤 泥 质 土，并 不 适 用，这 是 因 为强夯激起的孔隙水压力在饱和软土的低渗透性下 难于消散，极易造成“橡皮土”。通过改进施工工艺、 增设竖向排 水体或与其他 加 固方 式相 结 合 的 办 法，可以拓宽应用范围，而强夯置换法通过置换增强 作用、挤密作用和排水固结作用能够解决孔隙水压 力的消散问题，同时又形成了复合地基，进一步提高 地基强度和变形能力。 因此，该法在处理软土地基 方面得到了广泛发展与应用。经过强夯置换，地基的承载力得到了一定的提 高。为了分析强夯置换加固后地基的加固效果，需 要进行定量计算，计算地基的承载力，进而指导设计 和施工。地基承载力的确定主要有两种方法：一种 是通过理论公式确定，主要有塑性状态和极限状态 两大类；另一种就是现场原位进行的一种模型试验， 即平板载荷试验，它是土木工程中广泛应用的一种 原位测试方法。此外，建筑地基基础设计规范也 给出了计算地基承载力的公式。本文结合长兴岛供水工程地基强夯置换加固处 理实例，应用增量加载有限元法有效地模拟载荷试 验的整个过程，可以确定地基在加固前后的承载力， 研究置换强夯法在处理软弱地基方面的应用。 。图普朗特尔公式计算模型建筑地基基础设计规范中地基承载力的确定规范规定，地基承载力特征值由公式计算、载荷 试验、其他 原 位 试 验 及 工 程 实 际 经 验 等 综 合 确 定。 当荷载偏心距 不大于 倍基础底面宽度时， 根据试验测得的土体抗剪强度指标标准值，应按下 式计算地基承载力的特征值，没有必要进行深度和 宽度修正。式中：由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特 征 值（）；、 、 抗 剪 强 度 系 数，可 由建筑地基基础设计规范（）查表确定； 基础底面宽度，若大于 即取，若小于 即 取；基底短边宽深度内的内聚力标准值。若基础宽度大于 或埋置深度大于，由 荷载或原位测试试验、工程经验等确定的地基承载 力特征值，还应该由下式修正： （）（）式中： 修 正 后 的 地 基 承 载 力 特 征 值； 地基承载力特征值；、 基础宽度和埋深的地基 承载力修正系数。地基承载力的确定方法普朗特尔地基承载力的确定普朗特尔根据塑性理论，推导 了 刚 性 冲 模 压 入无质量的半无限刚塑性介质中，研究了相当于条 形基础下地基的塑性变形，导出了介质达到破坏时 的滑动面形状和极限压应力公式。基本假定为：（）地基是水平均质土，不考虑土体重度；（）基 础为条形基础，承受着均布的竖直基底压力；（）基 础底面光滑，不考虑摩擦，且位于地基表面。条形 基 础 下 发 生 整 体 剪 切 破 坏 形 成 如 图 所 示，塑性区分为五个小区：一个 区，两个 区和两 个区。区为弹性压密区，边界都是直线，是一个 等腰三角形，其破裂面与最大主应力作用面的夹角 ，称为主 动 郎 肯 区； 区 为 过 渡 塑 性 区，其 中 与 相交，滑动线 为对数螺线。平板荷载试验平板载荷试验是模拟建筑物基础工作条件的一 种测试方法，可以确定承压板下应力主要影响范 围内天然地基、处理土地基和复合地基的承载力特 征值及变形参数。 它适用于检测浅层天然地基、处 理土地基和复合地基的承载力，通过平板载荷试验 可以确定承压板下应力主要影响范围内天然地基、 处理土地基 和 复 合 地 基 的 承 载 力 特 征 值 及 变 形 参 数。该方法是在保持地基土的天然状态下，在一定 面积的承压板上逐级向地基土施加静力荷载，观测 各级荷载作用下的沉降，根据荷载 沉降关系曲线 确定地基承载力，计算地基土的承载力和变形模量，陈文辉，等：基于荷载试验模拟置换强夯法加固处理地基的应用研究进而评定地基的承载力。工程实例大连长兴岛临港工业区二期供水工程输水线路起始于东风水库高位水池坝下 连接钢管，终 止于长兴岛街道净水厂与交流岛街道净水厂。穿越 的主要地物为：沈大高速公路、哈大高速铁路、 国 道、复州河、滨海路，瓦交线、交流岛海峡等。其中岛 外段及段为挖 方段，该段位于海参池与潮沟之间的凸形地段，管道 沟槽基础为淤泥与回填土混合物，由于淤泥含水量 高，孔隙比大，压缩性高，强度低，承载力较低；荷载作 用下，土中形成的超静孔隙水压力难以及时消散，使 土体抗剪强度丧失。因此，采用开山料对沟槽底部进 行强夯置换处理，使地基承载力达到，并在管 底沙垫层与开山料置换层之间铺设无纺布。模型建立及参数选取（）根据现场地质资 料，基 坑 的 开 挖 宽 度 为，开挖深 度 为 ，为 消 除 边 界 效 应，模 型的尺寸选取为结构尺寸的倍，考虑基坑开挖 和降水的影响范围，数值模型的计算长度沿管线轴 线方向取，计算宽度在水平方向为，同样 模型在竖向长度为。（）边界条件：计算模型边界条件为各个面采用 法向约束，模型前后和左右施加水平约束，即边界水平位移为零；模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直位移均为零。（）荷载板加载：荷载试验加荷方式可采用分级 维持荷载沉降相对稳定法，加荷等级取 级， 并不应少于级，荷载量测精度不应低于最大荷载 的，第一级荷载宜接近开挖试坑所卸除的土重， 与其相应的沉降量不计；其后每级荷载增量，对较松 软的土可采用 ，最 大 加 载 量 不 应 少 于 荷 载设计值的两倍。强夯置换前的地基承载力数值试验应用增量加载有限元法能够有效地模拟载荷试 验的整个过程，其载荷位移曲线吻合得比较好； 极限荷载有一些出入，但相差也不大，这是因为两者 在确定极限荷载时的标准不一致，若把地面开始隆 起作为标准，则结果比较吻合。地基强夯置换前模拟荷载等级取 级，根据现 场土层状况取为荷载增量，按沉降相对稳定 法即常规慢速法的加荷方式进行试验，加载过程及 位移结果如图所示。工程与试验从位移矢量图可以看出，当地基荷载为 时，地基旁侧的土 已 有 一 定 的 隆 起，之 后 随 着 荷 载 的增加，隆起程度也越来越大，直 到 压 力 为 ， 地基才达到极限 状 态，这 时 地 基 的 隆 起 程 度 较 大。 所以在载 荷 试 验 中，当 地 基 旁 侧 出 现 了 隆 起 就 取 前一级荷 载 为 相 应 的 极 限 荷 载，认 为 地 基 已 达 极 限状态，这 与 地 基 极 限 状 态 的 实 际 情 况 有 一 定 的 出入。 实际 上，地 基 极 限 状 态 的 承 载 力 要 比 载 荷 试验的极 限 荷 载 结 果 要 大 些，这 从 数 值 模 拟 的 结 果中也可以看出。根据各级荷载的实际重量值及相应的相对沉降 量值，绘制 关系曲线（如图 所示）。 从 曲线上看，整个变形过程是随着荷载增加，土体产生 压缩变形，曲线在压力为附近具有明显的转 折点，地基承载力达到极限状态，这与位移矢量图是 相符合的。图 试点的荷载 沉降结果强夯置换后的地基承载力数值试验地基强夯置换后模拟荷载等级取级，根据现 场土层状况取为荷载增量，加载过程及位移 结果如图所示。图强夯置换后不同压力时位移矢量图从位移矢量图可以看出，当地基荷载为时，地基旁侧的土已有一定的隆起，之后随着荷载的 增加，隆起程度也越来越大，直到压力为，地 基才达到极限状态，这时地基的隆起程度较大。 所 以在载荷试验中，当地基旁侧出现了隆起就取前一 级荷载为相应的极限荷载，认为地基已达极限状态。得到的 曲 线 如 图 所 示，荷 载 试 验 模 拟 的 曲线 从 一 开 始 就 呈 现 线 性 变 化，随 着 荷 载 的增加，变形加速发展，曲线呈现非线性变化，荷载 板两侧地面只略为隆起，但变形速率加大，变形总量陈文辉，等：基于荷载试验模拟置换强夯法加固处理地基的应用研究很大；当压 力 为 ，变 形 迅 速 增 大，三 角 压 密区，两侧挤出并隆起，这些现象表明，地基已经破坏，并且破坏形式属于局部剪切破坏。如果在其上 施 加 的 荷 载，则 其 对 应 的 安 全系数 。地基处理前与处理后的平板荷载试 验 曲线对比数据如图所示。图 试点的荷载 沉降结果图 平板荷载数值试验 曲线在确定地基容许承载力时，一方面要求地基容许承载力不超过比例界限，这时地基土处于压密阶 段，地基变形较小。 但有时为了提高地基容许承载 力，在满足建筑物沉降要求的前提下，也可超过比例 界限，允许土中产生一定范围的塑性区。另一方面， 地基容许承载力对极限荷载要有一定的安全度，即 地基容许承载力等于极限荷载除以安全系数。根据建筑地基基础设计规范中地基承载力的 确定方法，该工程中经过强夯处置后的地基极限承 载力特征值为： （） （） （） 根据规范给出的经验公式，计算出的地基极限承载力特征值为，满足了实际工程中需要 的的强度要求。结论（）有限元法能有效地模拟平板载荷试验的整个过程，通过位移矢量图可以观测到基础变形、隆起及破 坏的整个过程。根据计算结果定量得到 曲线，曲 线反映了地基由压密、隆起直至破坏的过程，分析曲线 可以得到地基的承载力，并且判断地基的破坏形式。（）强夯置换法克服了单一的强夯法在处理饱 和淤泥质土时遇到的孔隙水压力难以消散的问题， 通过置换强 夯 有 效 地 解 决 了 孔 隙 水 压 力 的 消 散 问 题，同时又形成了复合地基，进一步提高地基强度和 变形能力。（）有限元模拟长兴岛供水工程输水管线基础 的平板荷载试验，计算结果表明：未经处理的基础承 载力不满足设计要求，而经过强夯置换后地基的极 限承载力提高了，安全系数达到了，这与 规范的计算结果是相符的，说明数值模拟可以为基 础的设计和施工提供相应的指导。结果讨论根据数值计算可看出，在进行强夯置换前，当平 板荷载增加至时，地基旁侧已经出现了严重 的隆起现象，这时地基已经达到极限状态；但在平板 荷载试验中，当地基旁侧出现了隆起就取前一级荷 载为相应的极限荷载，故在进行强夯处置前地基极 限承载力约 为 。 同 样，地 基 持 力 层 经 过 强 夯 置换之后进行的平板荷载数值试验结果表明，随着 荷载 的 增 加，隆 起 程 度 也 越 来 越 大，直 到 压 力 为，地基才 达 到 极 限 状 态，这 时 地 基 的 隆 起 程 度较大，其极限地基承载力可取为。 与地基 处理前 的 状 态 相 比，地 基 的 极 限 承 载 力 提 高 了 近，已有足够的极限承载力，满足使用功能要求。参考文献 ： ，： ， ： ，：（下转第 页）工程与试验了 该 系 统 的 可 行 性 。但 是 ，该 系 统 目 前 仍 处 于 试 验阶段，还需要不断地完善和升级。 将虚拟仪器技术 运用到滚动轴承故障诊断中是滚动轴承故障诊断系 统开发的发展趋势。如何通过虚拟仪器技术使滚动 轴承故障诊断系统更加智能化、诊断方法合理化、检 测结果准确化等，还需要不断地研究以达到滚动轴 承故障诊断的准确和高效。参考文献图包络功率谱图苏敏，王勇，何惜港，等基 于 的 滚 动 轴 承 故障诊断系统轴承，（）：武和雷，朱善安，林瑞仲，等滚动轴承故障诊断虚拟仪 器系统轴承，（）：刘海生，刘 学 江，王 会 刚基 于 的 滚 动 轴 承 故障诊断系统煤矿机械，（）岂兴明，田京京，夏 宁 入门与实战开发 例北京：电子工业出版社，王平，廖明夫滚动轴承故障诊断的自适应共振解调技 术航空动力学报，（）： 吕路勇，田秀芳，娄源元基于虚拟仪器的滚动轴承故障诊 断系统的设计机械与电子，（）：明显。是试验轴承的外环故障的理论频率，从而可断定该轴承的外环发生故障，表明该套滚动轴 承故障诊断系统是可行的。该系统不仅可以检测轴 承的外环，还适用于检测滚动轴承的内环和滚动体， 在滚动轴承故障诊断中具有很强的实用性。结语通过虚拟仪器技术构建了滚动轴承故障诊断系统，详细介绍了信号采集和处理模块，通过试验验证（上接第 页）李家星，赵振 兴