土层夯实过程模型和极限孔隙比：强夯加固机理探讨之四

1、土层夯实过程模型和极限孔隙比：强夯加固机理探讨之四第11卷第1期1997年3月土工基础soileng.andfoundationvol_no.1mar.1997土层夯实过程模型和极限孔隙比(强夯加固机理探讨之四);一/郭见扬-一(中国科学院武汉g-力学研究所,武汉43007j)t午7z_摘要提出一个强夯中土体被夯实的全过程模型,讨论丁两个极限孔隙比问题.指出来饱水土强夯夯实的极限孔隙比受制于土的初始古水量.,井与比重g和界限饱和度,有关.大体为=w.?gjs,.饱水土夯实的极限孔隙比受制于该土层排水固结最终可能的密实状态,对于亲水性不很强透水性不很小的土,此孔隙比可以粗略预估而得关键词强夯夯实

2、模型1概述堡查墼匣堕些土详.萋.考突在前面的三次有关强夯固结机理讨论的基础上,我们就能较顺利的来建立强夯过程土的夯实模型.梅纳曾提出了动力夯实模型作为太沙基固结模型的补充口.它们都是就一个单元饱水土体加载后的变形,从动力学角度阐明土体的固结.我们提出的夯实模型是针对土体致密程度的变化而言,是从夯实过程末了相对初始状态的角度阐明土体的变形.我们提出的夯实过程模型是在宏观视野上观察土体的夯实,在微观机理方面也需要与梅纳模型太沙基模型互相补充.我们强调的夯实过程与施工过程是对应的.这种模型不仅阐明机理而且对施工有指导意义.强夯的对象可分为两大类;i末饱水土,即在地下水潜水水位上且不含连续地下水体的土

3、层;i饱水土,即位于地下水(潜水)水位附近及以下,饱和度接近于1_0的土层.i类又分a亲水性不很强且透水性不很弱的,如粗粒土层和部分细粒土层;b亲水性强且透水性弱的细粒土层.例如许多饱水淤泥层就属此范畴.本文主要论及i类和ia类土层的夯实过程模型,至于b类土层有一些特殊的问题,需要专门阐述才能清楚.我们的模型是用多相方图形式来表示.下面先介绍这个图,然后再讨论土层的夯实固结模型.2土层的多相方图土力学土质学教科书中.常常采用多相方图来描述土体.取一个体积为的土体,将土中固体颗粒,液相水和空气分离开并表示于一个方形图,如图1所示.图中的vs,vw和n表示固,液和气体三部份的体积,和d表示三部分的

4、高度.这个图是在调整底面积的大小,直至固体相体积高度一1.0条件下绐出来的,因此图中高度和d还可具有其它的含收稿日期:1996112036土工基础1997义,因为孔隙比的定义为孔隙体积与固体体积之比,即一vw+一va一w+(1)因此,图1上高度hw+ha又表示土层的孔隙比e,相应的e又可表示为和e两部份.含水量(w)和饱和度(,)亦可用高度表示如下一一hw/gse/gs(2)一一而h干w(3)+d式中,分别为水和固体颗粒的重度;为固体颗粒的比重.在此多相方图上高度不仅代表孔隙比,也可代表含水量(还有相对饱和度的直观概念),只要取合适的衡量单位,同样可代表体积.上述方图为三相方图,完全饱水土层则

5、为二相方图.图的制作方法:取一个原状土样,测出其体积,干土重量(烘箱中烘干后称重)和所含水体的重量(即烘匪一干失去的重量),再根据土中固体颗粒比重(一般一图1土的三相方图2.652.75)和水的比重(为l0)即可得出vs,vw和va,调整a使hs一1.0则图1即可绘出工作中实际上并不需要绘出真实尺寸的多相方图,而只需要一个示意性的方图.但要符合图1要求即可.不仅适用于小土样,任何规模即体积很大的土体均可用此图表示.3土层的夯实过程特征31关于术语的讨论首先我们将名词夯实一词解释一下.类似的术语在土力学中还有如压密与固结等等.压密与固结原本是两个不同的概念,压密指土体受压后土粒靠拢孔隙体积城小的

6、变形,固结则指饱水土受压后孔隙水外渗(引起孔隙体积缩lb)导致的变形.压密变形注意变形的终了(终了值即变形最大值),而固结更侧重变形过程,即变形速度,亦即不同时刻的固结度(固结度即该时刻变形值与终了值之比).为了便于应用,我们将饱水土的固结称作渗透固结或排水固结,而将未饱水土仅空气被排出的变形过程叫做排气固结,土层在强夯时就经历上述两个或其中之一的固结类型过程.因此,夯实过程可以看成是固结.夯实过程的特点从总体上说是被夯实土层的密实度随施工进程具增高的趋势,但由于强夯施工的先后顺序特点,土层中同时发生均一化过程(从不均一向均一方向发展).固此在某个具体的点或区块上某些与密实有关的参数可能是上下

7、起伏的即忽增高忽减低的,但其平均值还是围绕密实程度增高曲线,在处理具体问题时应该注意这个均一化过程.因此,夯实是一种包括排气固结,排水固结和均一化进程在内的综合过程这也是土层夯实过程的内在特点.3.2未饱水土的夯实太沙基的固结理论确切称呼应为饱水土的排水固结理论.这个理论推导出的公式有几个前提条件,其中之一是有效应力原理,按这个理论在加荷初始瞬间,附加应力全部传给了孔隙水,产生孔隙水压力,有效应力等于零.按孔隙压力系数()概念,只有b一1.0时(即有效应第1期郭见扬:土层夯实过程模型和极限孔隙比(强夯加固机理探讨之四)37力等于零),这个条件才能满足.:bd(4)式中为孔隙水压力;为附加应力.

8、当土的饱和度很小时,孔隙中即有水,还有大量空气,土受荷载作用,首当其冲的是土中的空气,或被压缩,或快速逸出这时土中水即未被驱动,当然也不存在(附加的)孔隙压力.这时式4中b=0.当饱和度增加(这是由于夯实使土中孔隙体积相对减小所致),饱和度s达到一定值以后,土中水开始同空气一块运动并被排出.这个当水开始被驱动的饱和度叫做界限饱和度,用s,表示,从此开始出现孔隙水压力.s,对于不同土类可能不同,一般在0.80.9之间.s,s,<1.0的土称近饱和土.近饱和土加荷后出现孔隙水压力.系数b一般小于1.0o据文献e3的一组试验得出的bs曲线(文献3图5).我们查得以下数据:s一9293%时,孔压

9、系数b急剧变化从0.8增至0.85;当s,一9499时,孔压系数稳定在0.87左右;当s,99时,孔压系数才接近1.0.未饱水土(s<s,)的夯实变形以排气固结为主,而近饱和土(s,s<1.o)的夯实变形则除开排气固结外,还有排水固结,一般讲,排气固结较快,在短期内完成.而排水固结较慢总要一定时间以后才能见效.未饱水土的夯实过程一般说是s,<s,往s,=s,发展的过程,在s,<s,时以排气固结为主,土体中的水基本未驱动,因此土体含水量仍保持w=w.不变,这种情况一直继续到s一s,为止,s,一s,以后,即有排气固结也有排水固结,前者短期内即完成,可视为瞬时的,它可直接反映

10、在该击夯锤的贯入度上(贯入度即夯坑底在该击下当即测出的附加沉降值).而排水固结则需较长时问才完成,属于延时的.未饱水土强夯设计除特殊情况一般未考虑(不测量)这个延时的(后续的)变形而是按贯入度作为停夯标准,故往往达到s,一s,时刻即停止,此时刻土的值按式(3)和式(2)为/s,一w.?g|/s,这个即未饱和土夯实的极限孔隙比.张利军等曾讨论过这个值,并用符号表示.3.3饱水土夯实过程特征饱水土指位于地下水面附近及以下且饱和度接近1.0的土层.本文之初曾谈到我们主要讨论a类饱水土层的夯实,实际上饱水土层不管是la或lb,其夯实机理是相似的,但因本文的许多计算均基于一维变形的假定,这个假定对ib类

11、可能相距甚远,故本文有上述限制,但这里对夯实机理的讨论,则对ib亦适用.前面已述及在未饱水土(s,<s,)强夯夯实未了将出现近饱和土(s,s,<1.0).而强夯面对的饱水土也常常是近饱和状态出现,究其原因;地下水面经常升降.故一定深度范围内地下水中常含大量空气;毛细带具有过渡性,一般也归入饱水土范畴.这带土中本来就含有大量空气;有的土层本身就含有气体,如海相层中有甲烷,地热区地下水中含co等等.因此强夯面对的饱水土层往往是近饱和土.前一节已谈到,近饱和土夯击时除开有韧始沉降(n)外,还有后续沉降(6).6需要一定的时闻(就是孔隙水压力完全消散的时间)才能出现一凸一这是个不可分割的链

12、条,其中和在凸6形成中起重要作用,对待有两种施工方案,一是每二击间均留较长时间,二是连续夯打多击后留足够长时间再进行下一遍的连续夯击采用第二方案较多.这时第一遍各击的初始沉降n累积起来,各击的孔隙水压力血亦累积起来,这里对有两点应特别强调和注意,第一点即孔隙水压力要待其基本消散后再进行下一遍的夯击,就是要有足够长土工基础的消散时间at,达到充分排水固结;第二点就是孔隙水压力凸(包括累积起来后的值不要太高,否则容易出现渗透破坏,倒土体液化),控制的办法就是不要用太高的单击夯能,或延长每两击之间的间隔时间,或设法降低土层含水量,或增加土的排水功能等等.近饱和土的夯实过程,总趋势是土体的密实程度在提

13、高(值在降低),土体中水份减少(降低),同时由于存在均一化过程,不同区块不同单元之间孔隙水和气的交流十分强烈.近饱和土随夯实进行,其饱和度最终会增大达到s一1.0而成为名符其实的饱水土,这之后继续夯击,孔隙水压力系数b=1.0,每击后夯坑基本不存在初始沉降,而只有与孔隙水压力消散对应的后续沉降,这时对上面特别强调一出一链条应十分注意.一般讲饱水土的夯实占主导地位的还是排水固结.因此正确对待上述特别强调注意的两点是建立较合理强夯施工方案所必不可步的.在实践中提高饱水土体夯实效果的有力措施之一就是设砂井排水系统或插塑料排水板组成排水系统,即是针对上述两点而设的.饱水土是否类似来饱水土也存在夯实极限

14、?这个问题张利军等曾讨论过,并用e表示这个极限孔敬比还建议取一0.4士o.05,应该说;与e的含义有实质性的区别,决定于w.值且具有门槛值的含义,而只与土的自身特性特别是结构有关,可理解为不论饱水与否,只要充分夯实后可能达到的最小孔隙比,自然界中土体最小孔隙比可以从区域土工试验资料中查找,特别要注意当地埋藏很深的天然土层,它的e可能比较接近于该种土的值.从一些统计资料看,砂砾类土一0.50.8,一般粘性土一0.61.0,江汉平原高阶地冲积粘性土一0.580.6(以上见文献6的表516,表5-19).我们在河南鹤壁电厂粘性土场地强夯后=0.43而其原始孔隙比.一0.676.该处土层击实试验得一0

15、.42.在河南禹县龙岗电厂填铺粘性土分层碾压后,最大干重度达17.s18.62kn/m?按比重为2.7换算一0.480.42.我国黄土天然干重度不少为l315kn/m(文献6的表522),强夯后黄土干重度最大达1718.7kn/m.(文献2中表6-8,表6-10),按比重2.7换算,前者为e一1.o0.8,夯后的为e一0.580.44.参考这些资料我们认为对i类和ia类土取一0.4=k0.05是台适的,但1b类土天然e>1.0的情况下常见,例淤泥类土天然情况e一0.82.3(文献63中表5-20).这类土的可能变化较大,多数情况可能比0.4要大,甚至大很多.4土层夯实过程模型上面谈的夯实

16、过程特征,我们用一种较简单的图系来反映它们宏观的和主要的方面上面已谈到未饱水土夯实后向近饱和状态发展,而饱水土的初始状态往往也是近饱和的.因此,我们将来饱水土和饱水土的夯实过程表示:f一张图(图2)上,包括未饱和的,近饱和和饱和土,即土层的夯实过程,2(1)是夯前状态,经夯击从2(i)发展到2(2),到2(3),w不变,沉阵仅是排气固结4的反映.图2(3)刚好是s,一sf的状态,一般讲,未饱水土强夯施工至此基本结束,2(4)中是停夯后才出现的后续变形.2(3)时刻e一;,从式2和式3得;=gw/sr,取g.一2.7,s,=90,则一3w.(.为初始含水量).对于排水能力较强,孔隙水压力易消散的

17、土层,当夯实到:之后,若再进行一击或几击,这时不仅有初始沉降变形n,还有停夯之后的后续变形沉降,而使夯实土体孔隙比略小于i.非饱水粘性土强夯一般到此结束当然也可能存在停夯后>情况,这是夯实不充分的反映.若;值过大,强夯设计就应考虑将施第1期郭见扬:土层夯实过程模型和极限孔隙比(强奔加固机理探讨之四)39工过程适当延长,进入近饱和土的夯实范围卜-_二圈2土层夯实垒过程方图f气体;一水体;固体山一排水同结沉降;出一排水同结沉降i未饱和土的夯实过程;l饱和土的夯实过程(1),(2)s<,i(3),(4)sj-s<10;(5),(6),(7)10饱水土的夯实过程在图2上用(3),(4

18、),(5),(6),(7)表示.(3),(4)二个方图属近饱和状态,(j),(6),(7)属完全饱和状态.(3)为初始状态,夯击后必出现初始沉降zxa(排气固结所致)和延时沉降凸6(排水固结所致)在近饱和土范围即图2(3),(4)沉降均由+组成.应该注意是一血一链条的最终一环图2(5)(7).,一1+0属完全饱和土,夯实以排水固结沉降凸6为主,对于充分夯实,e可达到极限孔隙比.达到图2(7)后,夯实过程结束.从图2来审视两个极限孔隙比和可看出,正位于山+的交界处,其门槛值的含义就在于此.因决定于初始含水量.,从图2(1)(3)可知,.太大会导致过大,这种未饱水土的强夯应适当考虑其后期的作用,加

19、长夯实过程使之不止于图2(3)而要进入图2(4),2(5)中.的含义前已述及图2上把表示成该土层夯实的最终极限孔隙比.从图2可知,在饱水土的强夯中占主要地位,故上一节对孔隙水压力特别强调的两点是强夯成功与否的关键.5夯实过程模型的实用意义图2模型是宏观过程,但反映了内部机理.特别是(反映了孔隙水压力的出现和消散).和两个极限孔隙比,在实际工程中应记住其含义和灵活应用.5.1和可帮助判别夯宴的充分程度在鹤壁未饱水粘性土强夯工地测得土层夯后孔隙比平均值一0.43,比按一3.ow.计算得的=0.488(o平均值为0.1265)小,e;,这是对该场地已达到充分夯实评价的有力证据之一.目一目40土工基础

20、我们在襄樊一个未饱水粘性土强夯工地,夯后测得(钻孔no2)深l7m土层平均=0.773,此按;一3.0w.:0.704(17row平均值为234)大o,069,p>,该工地6个钻孔取样,土工试验后计算得有两个孔,4个孔>,说明场地大部份位置土层未充分夯实,该场地夯后土层整体质量比鹅壁工地差.应该指出一点.土层强夯后虽然未达到充分夯实一并不等于不能作为地基使用.但这种米充分夯实的土层作地基是不理想的,特别是未来的抗外患能力(抗地震,抗振动等)比充分夯实的地基要差.5.2正确对待出是强夯成功的关键图2中,6是一出6链条上的晟后一环.这里(孔压)很关键强夯失败事倒一般均由未正确处理孔隙水

21、压力所引起,强夯的大敌是连连降雨未饱水土层场地在雨季施工某些夯点容易出现橡皮土(即土层具有明显回弹变形和吸锤特性而且常常坑周隆起).这与该处土层含水量高,饱和度大,孔隙水压力血过强有关,该坑底土层已进入图2(4).我们在未饱水土工地曾采用以下对付橡皮土的措施:延长雨后晾干时间;向夯坑中回填晒干土(以减少该处土层的含水量和饱和度).若高含水,高饱和土层范围很大则采取填铺粗粒土(例如风干状态的煤矸石)再夯击和降低单击夯能增加夯击次数,延长停夯时间等等.对于地下水位很浅的饱水土地区,6在夯实中占主导地位,第3节中对特别强调的两点就十分关键,要有足够长的出(才能基本消散)和不宜太大(否则会出现破坏现象

22、),这是6正常出现的前提.魏方全谈到对饱水土层的强夯教训,经试验后改用降低单击能,延长两遍夯击间间隔时间和必要时增加夯击遍数等等措施收到良好效果.这些措施前两项实质均是针对不宜太大和出不宜太小雨言后一项为了增加夯实程度和效果.设砂井或插排水塑料板形成排水系统(后一种成本较低)也是为了增加夯实效果,同时起到限制和提高出质量(排水速度加快)的目的.5.3对某些数据的估算根据图2导出的s(沉降),(有效夯实深度)和(孔隙比)三者下述关系式,可帮助我们对某些问题粗略判断.图上s一p,h1+.,故得曼h一1(5)+这实际是一维变形关系式,类似方程在土力学教科书中也有.若能测出和o,按e=3.0w.求出,

23、则施工中根据夯坑深度s可粗略估计该坑下的土层的夯实深度.类似方法根据已知的s,h(按梅纳公式估算)和可估算出夯后p,在有的场合根据需要也可按式(5)预估s鹤壁电厂某小区填土很厚,设计时我们将第一遍(加固深都)的单击夯能提高到3200kn?m.同时估计若仍按来击贯人度为5cm/击作为停夯标准,可能击数很多,故我们同时拟定了按夯坑总深度达到一定值作为停夯标准这个一定值应该多大?用式(5)估算s.事先已知一0.676,w一0.163,得;=3w.一0.489,则h按梅纳公式估算h一0.6,/3210/1010.73nl,将e.,p一和h代入式(5)得s1.2m,若按<,取=0.9;代入(5)式

24、得出s=l51m.试夯之初提出s=2.0m后来改为s=1.5m实践证明1_5m是可行的.夯坑要求太深,坑周将隆起坑周隆起时坑下土体可能处于整体运动.若欲使坑下土体保持以夯实为主,则在坑周将隆起前就要停夯.第1期郭见扬:土层夯实过程模型和极限l隙比(强夯加固机理探讨之四)41式(5)在工作中帮助预估预测某些结果,使我们心中有数,这是个极粗略的算式,应该灵活使用.参考文献1郭见扬.强夯加固机理探讨之一,之二,之三.土工基础,1996,10(2)(3)(4)2地基处理手册.北京:中国建筑工业出敝社,19883梁燕等译.太沙基渗透固结理论在近饱和土中的应用.土工基础,1996.10(2)4张利军,万来

25、玉.关于强夯的夯击效果问题.国际滑坡与岩土工程学术会论文集口.武汉:华中理工大学出版社,19915魏方全等.饱水土层强夯施工的一点经验.土工基础,1996,10(1)6郭见扬,谭周地.中小型水利水电工程地质.水利水电出版社,1995(第二版)themodelforsoilcompactionprocessandtheultimatevoldratioguojianyang(i.r.s.m.aeademiasinica,wuhanchina430071)abstractinthispaperamodelforthewholeprocessofsoilcompactedbydynamiccompactionispro-posedandtheproblemsoftwou