强夯理论的研究现状及展望

1、 强夯理论的研究现状及展望摘要： 强夯法地基加固技术在国内外获得了广泛的应用。通过对国内外强法的加固机理、有效加固深度、孔隙水压力的增长与消散规律的回顾, 总结了强夯法加固地基技术中的三个关键因素的研究现状。并着重论述了强夯技术的最新进展。强夯联合井点降水技术在加固饱和淤泥质软粘土地基中的应用, 最后提出了强夯研究中存在的问题及发展方向。关键词：强夯法; 加固机理; 有效加固深度; 孔隙水压力; 强夯联合井点降水1 引言强夯法是法国梅那（Menard）技术公司1969 年首创的一种地基加固方法, 亦称动力固结法1, 在国内外已获得了广泛的应用由于该法适用范围广、设备简单、节约三材、工期短、费用

2、低等优点,因而引入我国后也很快在全国各地得到了推广,与此同时强夯法的加固机理的研究也得到了进一步的发展。强夯技术虽然在处理碎石土、砂土、湿陷性黄土、杂填土和低饱和度粘土或粉土等地基的加固中取得了广泛的应用, 但是对于饱和粘土, 特别是淤泥、淤泥质土和泥炭土等地基的加固尚存在争议,夯后孔隙水压力能否快速消散是决定强夯法在此类地基中加固成败的关键因素。本文通过对国内外强夯法的加固机理、有效加固深度、孔隙水压力的增长与消散规律的回顾, 总结了强夯法加固地基技术中的三个关键因素的研究现状。并介绍了强夯技术处理饱和淤泥质软粘土地基的最新进展-强夯联合井点降水技术。2 强夯加固机理的研究现状工程实践表明,

3、 强夯加固是一种有效的加固措施, 但是关于强夯法加固地基的机理, 目前国内外的看法还不一致。国内外强夯加固理论主要围绕以下几个方面展开：(1) 强夯对地基土的作用机理及动力学特征,(2)土体有效加固深度的研究;(3)孔隙水压力的变化规律.2.1 强夯对地基土的作用机理及动力学特征强夯加固地基的力学模型研究关于强夯法加固地基的固结理论, 创始人L.Menard 根据饱和粘性土经受强夯后产生数十厘米瞬间变形的现象, 提出了一个动力固结模型:用有摩擦的活塞来反映含有空气的孔隙水压力的滞后现象, 用由于有机物分解产生的占总体积1-3%的气泡的存在来反映在冲击荷载作用下可产生瞬间压缩的问题,利用不定刚度

4、的弹簧来反映土体强度的降低, 利用变孔径的排水孔来反映孔隙水得以顺利排出的问题。Y.K. Chow2 等也提出了粒状土强夯分析的一维模型, 他们将锤下与锤径相同的土柱视为无侧限变形体, 并将周围土体简化为一系列串连的弹簧和阻尼器, 得到了一维模型方程。国内一些学者也对强夯法的力学模型进行了一些研究。陆新3对软粘土地基在静力固结模型基础上针对强夯特点提出了强夯动力排水固结模型。很多学者还通过室内实验模拟强夯的作用机理, 对其动力学特征进行了开拓性研究。钱家欢等4曾用自制的动力固结仪模拟强夯, 分别提出了饱和砂土及饱和粘土在冲击荷载作用下压缩模量、卸荷模量以及动孔隙水压力的经验公式。韩文喜5 等也

5、获得了饱和土在强夯作用下的动应力、动位移、孔隙水压力的变化规律及强夯的应力-应变关系特征。詹金林等5也提出了高能级强夯加固机理的数值模拟模型。2. 1. 2 夯击能的传递与作用机理Leon 7 认为加固作用与土层在被处理过程中的三种明显不同的机理有关：第一为加密作用, 主要指气体的排出; 第二为固结作用, 指水或液体的排出;第三为预加变形作用, 指颗粒在结构上的重新排列或形态的改变, 因此, Leon 认为强夯法应称作 “动力预压处理法”。Leonards 8在研究强夯加固粘性土时发现: 粘性土的存在将影响加固深度, 使加固深度减小, 并且受夯击能量、夯击顺序等因素, 的影响。并且他认为似乎有

6、一个夯击加固的上限值。对于强夯的能量以何种形式传递到土层中,Gambin 9 认为, 压密作用是由于土体受到冲击波作用而引起的, 对于饱和土而言, 剪切波是引起土体加密的主要因素。在国内, 左名麒提出的振动波理论 10认为夯击所产生的巨大冲击能将以波的形式向土介质传播。强夯主要是纵波和横波起加固作用, 而面波主要是R 波， 不但不起加密作用, 反而对地基表面产生松动, 是有害波。针对R 波的作用, 孔令伟等 11通过研究三个代表不同土质条件的强夯实践后认为, 瑞利波可穿透较深的土层,使得地基在R 波作用下产生变形并使土颗粒更为紧密的排列, 即认为R波对地基加固起了不可忽视的作用。根据地基土的类

7、别不同,强夯加固基本原理可分为动力夯实、动力固结两种情况,其共同特点都是通过破坏土体的天然结构并达到新的稳定状态.强夯形成的冲击波体系与作用模式如下: 2. 1. 3 强夯作用下的地基性状关于在强夯冲击荷载作用下土体性状的变化 12 曾提出, 强夯法应用于非饱和土时,压密过程基本上同实验室中的普氏击实法相同;对于饱和无粘性土, 致密过程与爆破和振动压密过程相似; 而对于饱和细颗粒土要破坏土的结构, 由裂隙形成排水通道。对于饱和细颗粒土的强夯加固,郑颖人等 13将其分为四个阶段：能量转换与夯坑受冲剪阶段，土体液化与破坏阶段， 固结压密阶段和触变固化阶段。并在此基础上提出了适用于软粘土地基的强夯工

8、艺。根据强夯后标准贯入试验资料分析, 郭见扬 14 提出了强夯地基的双层构造理论。他认为对于强夯的加固效果, 在某个深度以上夯后N 值明显增加, 形成良好的持力层, 而在这个深度以下N值增加和减小的可能性都存在。但即使强度有所降低, 它的抗振动稳定性将有所提高, 这充分肯定了强夯的加固效果。宋修广15 等综合考虑地基土的流固动力耦合和地基与夯锤接触表面的动力耦合情况,给出了基于三维有限元法的计算方法和迭代格式,并对一具体算例进行了耦合数值分析,总结了地基位移、应力及接触反力等在强夯作用时间内的变化规律和在空间上的分布特征.在强夯加固的微观机理研究方面,则主要以试验为主. Hansbo 16 提

9、出,在他所做的粘土试验研究中发现孔隙水中存在着可活动粒子. Osipov17 做了一系列试验来观察高岭土、蒙脱土试样微观结构的变化规律. 直剪试验中发现:要使微观结构充分发挥作用,就需要另外附加的能量;触变试验中发现:触变后强度恢复过程中伴随着微观结构的重新组合. 陈东佐18 曾通过X 光衍射和扫描电子显微镜试验,分析研究了陕西潞城湿陷性黄土的全矿物成分及其强夯前后主要物理力学指标的变化规律,研究发现在加固效果最好的夯后土体中存在着旋涡状的微结构.对于强夯法加固地基的机理, 现在一般认为,从加固原理与作用看分为动力夯实、动力固结、动力置换三种形式。对于非饱和土, 很高的冲击能使颗粒移动, 从而

10、孔隙中气泡迅速排出或者压缩, 孔隙体积减小, 形成较密实结构, 称为动力夯实。饱和粘性土中, 夯击破坏了土体原有结构并产生裂隙, 引起渗透性增大, 孔隙水压力消散后土体固结,称为动力固结。而通过在夯击过程中回填各种散体材料如块石、碎石等并与周围土体共同作用形成复合地基的方法称为动力置换。2. 2 强夯的有效加固深度的研究强夯加固深度问题是强夯设计与施工中最为关键的问题之一, 它关系到强夯的经济和适用性,许多学者对此进行了一系列的研究和探讨。但目前有关强夯法加固地基有效深度的定义还不明确, 钱家欢 19曾提出应根据土类不同特点给出”有效深度”的概念, 对于细砂以消除某一震级下的液化可能性来判断,

11、 黄土以消除湿陷可能性、粘土以消除有害沉降可能性为标准。现在一般将经过强夯加固后土体各种强度指标能够满足设计要求的深度理解为“有效加固深度”。影响强夯有效加固深度的因素很多, 包括夯锤重、落距、夯击遍数、夯点布置、土体含水量、锤底静压力以及土体的物理力学性质等。强夯法创始人Menard 根据单击夯击能这一主要影响因素, 提出了用下列公式来估算有效加固深度. H= 其中为修正系数, 不同学者提出了不同的修正系数, 范围在0. 34- 0. 80 之间。但由于影响修正系数的因素较多, 所以很难从此公式得到满意的计算结果。另外, 对于公式存在的诸如量纲不合理的缺点, 张平仓等 20 在Menard

12、公式的基础上, 基于量纲统一性原则, 提出了强夯设计中加固深度的评估公式。公式考虑了土体含水量或干容重对加固深度的影响, 但是仍存在系数选取较困难、对于高含水量土体公式的适用性不明确等缺点。 强夯过程中, 压缩模量随着击数而提高,钱家欢提出的提出的经验公式： Es = E0Na式中: Es 为强夯后土体的压缩模量,MPa; E0 为初始压缩模量,MPa; N 为夯击次数; a 为常数, 随地基类型而变化。上述方根修正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

13、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间、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。2.2.1 经验公式法1）太原工学院分析了国内外24 个工程的资料,涉及到砂土、粉土、湿陷性黄土等地基,提出有效加固深度计算公式为: h = 5. 1022 + 0. 000859 WH + 0.0009361其中, E 为单位面积平均夯击能。并指出此式适用于一般性粘土。2）郭志恭 21根据国内外文献及资料分析,提出对一般土及砂土： h = 5.1 + 0. 0009 ( W H + E)对非饱和自重湿陷性黄土:H=0.83)刘海冲 22在

14、38 项工程实测的强夯加固深度资料中,得出了三种不同类型地基有效加固深度的经验公式: 类地基土:h=13. 5lgM·H - 38.5类地基土:h=16. 9lgM·H - 47.4类地基土:h=19. 8lgM·H - 53.0其中, 类为块石、碎石、煤矸石、冶金碴; 类为填土、杂填土、吹填土; 类为粘性土、砂性土、黄土。 2.2.1 规范查表法JGJ79-2002建筑地基处理技术规范考虑到梅纳公式和修正后的梅纳公式存在明显的缺点,通过大量实测资料的对比,规范中列出了根据不同单击夯击能和不同土类的有效加固深度预估值表(见表1) ,可以参考选用。上述这些经验公式只

15、是考虑了强夯施工中的一些主要影响因素, 对于特定土质有一定的适用性但是很难推广到一般的强夯工程。于是一些学者又从能量守恒的角度计算加固深度。王成华23 根据塑性能量守恒, 采用等效拟静力法估算加固深度, 将强夯引起的拟静附加应力达到土自重应力0. 2 倍处为加固深度, 经过简化得到加固深度公式。左名麒 23 主要考虑单击夯击能对加固半径起决定性作用, 并根据波的传播特性和土对能量的吸收情况计算出波的有效传播范围, 并作为地基的有效加固半径。日本坂口旭 24 等将冲击压力看作静荷载, 也根据能量守恒定律, 提出了考虑冲击效率因素的强夯加固深度公式。但由于此公式个别参数难以确定, 所以公式的应用存

16、在一些问题。费香泽等 25 对黄土进行了强夯的模型试验研究, 分析了不同的参数对强夯加固范围的影响程度和相互关系, 得出了考虑这些主要因素的加固深度的计算公式。另外, 除上述方法外, 还出现了其他的一些计算加固深度的方法如神经网络法 26,简单信息分配法 27 、相似理论法 28 等。这些方法为强夯理论的研究开辟了一条新的途径。由上述分析可以看出, 对于强夯加固深度的研究已经有了一定的成果, 这对于强夯的工程应用起到了推动作用, 但这些公式仍需要在大量工程实践中进行检验以证明其适用型和正确性。2. 3 􀀁 强夯孔隙水压力的消散规律强夯后孔隙水压力的消散问题是工程界和学术界普遍

17、关注的一个问题, 因为它决定着强夯的夯间间隔时间和有效影响范围。研究孔压的产生、增长和消散规律可以防止孔压的快速累积和加速孔压消散, 从而减少大面积液化和”橡皮土” 的产生,对于提高地基土的加固效果和加快工期, 以及强夯加固机理的研究都十分必要。韩文喜 29 利用土动三轴仪对强夯加固饱和砂土进行了系统的模拟试验, 认为饱和砂土在强夯作用下, 颗粒在向下压缩和向周围挤压的同时颗粒间的孔隙被压缩, 形成超静孔隙水压力, 夯击后超静孔压能够迅速消散, 没有孔压的叠加现象。白冰30 将强夯荷载看作加荷和卸荷过程, 并将其离散为若干等幅均布荷载, 分析了饱和土层在强夯荷载下孔隙水压力的分布特点, 并给出

18、了在加、卸荷阶段土层内部任一时刻的孔隙水压力表达式。相对砂土而言, 强夯作用下粘土特别是饱和粘土的孔压的变化规律就显得更为复杂一些。孟庆山 31 通过淤泥质饱和软粘土的试验研究得出在强夯冲击荷载作用下, 饱和软粘土孔压遵循双曲线增长模式, 影响孔压的主要因素有冲击能量、冲击次数、围压以及土体固结状况。在同一冲击能量下,重锤低落距、高围压较轻锤高落距、低围压激发的孔压高, 孔压增长速率快。白冰在大量室内试验的基础上给出了饱和软粘土再固结体应变v与孔压的关系曲线, 并认为在冲击荷载下饱和软粘土似乎存在一孔隙水压力界限值ulim u。另外一些学者从工程实践出发, 发现了一些重要结论。赵抚民 32 结

19、合一些强夯工程的实测资料, 分析研究了地基内部孔隙水压的变化规律, 认为 在夯第一击时会产生较大的孔压增量u, 但随着击数增加, u 却逐步减小, 最后趋于稳定。并且第一击基本决定了孔压的影响深度范围。现在, 大量的工程实践证明, 对于不同类型土,其孔隙水压力的产生、增长和消散规律是不同的。砂性土渗透系数大, 孔压消散快, 一般可连续夯击,而粘性土渗透性差, 需要较长的夯间间隔时间以避免橡皮土的形成。3 强夯技术的最新进展近年来, 国内强夯技术发展迅速, 应用范围更加广泛, 主要集中在饱和软粘土地基的强夯技术研究上。一般认为强夯法特别适合于粗颗粒非饱和土、含水量不大的杂填土与湿陷性黄土, 低饱

20、和度粘性土与粉土可采用。对于饱和粘性土, 可采用铺设砂垫层和打设排水板或袋装砂井的方法来加速孔压的消散。铺设砂垫层有利于强夯能量的有效吸收, 均匀传播, 使波的传播范围扩大, 从而在较大土体范围内形成毛细管裂隙, 促进内部水分的排出。但是对于我国特别是沿海地区广泛分布的淤泥、淤泥质土等软粘土地基, 强夯法的加固效果和适用性目前尚存在争议。郑颖人33 认为对于软粘土地基强夯失败的原因, 主要在于现行强夯工艺不适应软粘土的特性, 造成孔隙水压力升高, 短时间内又难以消散, 夯击能全部被孔隙水吸收而形成橡皮土。并认为孔隙水压力居高不下是出现橡皮土的直接原因。针对强夯法加固饱和软粘土地基时超静孔压消散

21、难和易出现橡皮土的问题, 周健 34 基于饱和粘性土的动力特性和动力固结机理提出了将强夯技术和井点降水技术相结合的复合式地基处理措施.该方法采用井点降水技术这一主动排水方式取代了塑料排水板或袋装砂井这一被动排水方式,从而避免了强夯对排水体系的损坏, 而且可以更有效地加速夯击引起的超静孔压的消散和软土的固结。经过上海市的一些重点工程采用此方法处理后发现, 无论从超静孔压的消散、减小工后沉降和消除不均匀沉降、加速固结、提高加固区及下卧层的承载力等方面都明显优于其他工法。现将该联合加固技术的加固效果进行一些分析和评价。某港口工程为3,000 万吨煤炭泊位工程。堆场陆域及辅建区原为浅滩或虾池，其中西侧

22、原有一条南北贯通用于泄洪的二排干河道，所以陆域的形成需就地取海砂进行回填。这样造成堆场陆域地基松散、含水量较大、地质条件不均衡且承载力达不到设计要求。设计采用强夯联合降水法进行地基处理。现场现场试验设计根据施工工艺流程，选择部分有代表性的区域进行典型施工；施工参数即选择设计参数进行。通过对强夯典型施工的效果检测结果进行分析，以最终确定施工参数。第一遍强排水后，地下水位明显降低，土体初步固结，但孔隙水压力的变化影响不大。当用小能量夯击能进行第一次的夯击时，可对土体起到初步的挤密压实作用，此时的孔隙水压力明显增大，如图4 中第一阶段所示。在大能量强夯过程中我们进行了一下分析：1） 孔隙水压力随深度

23、变化分析从图1 可以看出，第一遍强夯在表层回填料附近的孔隙水压力增量较小，在饱和细颗粒土中孔隙水压力急剧增长，规律为上层饱和细颗粒土增长幅值大（46m），下层增长幅值小（6m 以下）。设计及预估加固深度为56m，但实测后加固深度可达到67m。第二遍强夯时，部分测头施工时损坏，不能连续观测，仍可看出孔隙水压力随深度的变化规律与第一遍强夯时的基本一致，但是有效加固深度要小，约在56m。2）孔隙水压力与强夯击次之间的分析从孔隙水压力增量与强夯数、遍数关系曲线可以看出，如图2 所示。两遍夯击时第一击孔隙水压力增量很大；在排水后进行第一遍大能量强夯可看出土体中孔隙水压力具有明显的饱和细颗粒土的性质，每一

24、击的增长很大；待再一次排水后，由于孔隙水压力得到较好的消散，使得第二遍强夯的孔隙水压力增量没有第一遍夯击时高，在每一击强夯间歇孔压也可以很好的消散，而且在累计10 击后孔隙水压力增量明显减小，趋于恒定值。由此可见大能量夯击时采用两遍累计10 击的工艺可满足设计要求，故可作为施工参数。 综上述，本工程确定夯击击数和遍数为：小能量点夯3-4击，1 遍；大能量点夯10 击，根据试夯，分为2 遍，并且10 击也分为前4 击一次、后6 击一次；满夯2 遍。在本工程强夯现场的夯点分为角点和插点。3）孔隙水压力与距离的关系4）孔隙水压力消散规律分析从图中曲线可以看出，小能量夯击起到了挤密压实作用，其中的第二

25、、四阶段的强排水对孔隙水压力的消散起到了关键作用，使得消散速度较快。同时对于饱和细颗粒土体的强度有较大的改善。另外从第五阶段可以看出，在2 周以后，孔隙水压力增量变得很小且趋于稳定，这也说明了在施工过程中采用多遍强排水与强夯交叉施工的工艺能够满足施工工期的要求。5） 检测结果分析 设计检测标准，要求采用重型（N63.5）动触探和地基承载力试验，结果表明粘土达到4 击以上，粉土达到5 击以上，砂土达到6 击以上，承载力在土层中均能满足设计要求。因此加固效果显著，地基较为均匀。6） 工后沉降及不均匀沉降的评价施工中按照各区设计沉降量进行控制，这样保证了工后总体沉降在设计要求范围内，同时沉降量较小。

26、从完成后34个月的沉降观测来看，该工法施工的区域平均沉降量在4cm左右，而且不均匀土层的差异沉降量在2cm 以内。处理的区域内沉降趋于收敛、稳定，对于工后沉降及差异沉降可控，加固效果非常显著。4 强夯研究存在问题及发展方向虽然强夯理论研究工作取得了一定的进展, 但理论上仍远远满足不了强夯的实际工程需要。目前还没有一套很成熟、完善的设计计算方法, 仍然依靠经验和试验方法来确定。另外, 对于强夯过程中出现的一些现象仍无法进行确切解释。因此, 对于以后的强夯研究提出以下几点展望:( 1) 强夯加固饱和软粘土的加固机理以及加固后强度的时间效应问题; ( 2) 强夯加固前后饱和软粘土的微细观变化; (

27、3) 施工参数的优化, 针对不同土体分析研究单击夯击能、夯击遍数、间歇时间等与土体物理力学参数的最佳组合; ( 4) 强夯加固效果的检测与评价。【参考文献】1 Menard L, Broise Y. Theoretical and practical aspects ofdynamic consolidation J . Journal of Geotechnical Eng-ineering, 1975, 25 ( 1) : 3- 182 􀀁 Y. K. Chow etal. Numerical Modeling of Dynamic Compaction J . Comp

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