强夯法施工实践中加固深度问题浅析

文章编号:1000󰀁7598󰀁(2000)01󰀁0076󰀁05

岩󰀁󰀁土󰀁󰀁力󰀁󰀁学

RockandSoilMechanics

󰀁󰀁󰀁󰀁Vol.21No.1󰀁󰀁󰀁󰀁Mar.2000

强夯法施工实践中加固深度问题浅析

张平仓,汪󰀁稔

(中国科学院武汉岩土力学研究所,湖北武汉󰀁430071)

摘要:在论述和分析强夯加固深度研究现状和影响因素的基础上,建立量纲统一的加固深度公式:H=其运用范围进行了讨论。

关󰀁键󰀁词:强夯,影响因素,加固深度中图分类号:TU472.31󰀁󰀁󰀁文献标识码:

作者简介:张平仓,男,38岁,理学博士,副研究员,从事土力学及地基加固处理等方面研究工作。

Wh/[Ard(1-w)],并对

Astudyofdynamicconsolidationdepthinengineeringpractice

ZhangPingcang,WangRen

(InstituteofRockandSoilMechanics,theChineseAcademyofSciences,Wuhan,China430071)

Abstract󰀁Onthebasisofdiscussingandanalysingthecurrentsituationofreinforcingdepthandaffectingfactorsofthedynamicconsolidationmethodforpileengineering,thepresentpaperestablishestheformulawithunifieddimenssionsthatdeterminestheconsolidation,expressedasH=W󰀂h/[Ard(1-w)].Theapplicationoftheformulaisalsodisccused.KeyWords󰀁dynamicconsolidation,influencingfactors,consolidationdepth

夯锤下落的高度(m)。

1󰀁前󰀁󰀁言

强夯法亦称为动力固结法,自1969年问世以来经历了30年的发展,引入我国也有20年的历史,其间经历了成功、失败诸多事例,到目前为止可以认为它是一种技术上比较成熟、经济而实用的地基加固处理方法。文中从强夯实践中最为关注的问题之一,强夯加固土体深度的估算入手,结合前人强夯施工实践的成果,提出强夯设计施工中加固深度的评估公式以为设计施工和研究借鉴。

梅纳公式存在的问题很多,最明显的是公式左右两侧量纲不统一,只能作为经验公式来看待。第二,加固影响深度的提法过于广泛,没有严格的定义,加固应该是地表以下一定深度土体在经强夯加固之后,土体的各种强度指标均在原来基础上有所提高,对工程而言,还必须满足设计要求的强度指标,否则谈不上加固。只有加固了的土体深度才可理解为加固深度,而影响深度,概念较为广泛,土体的强度指标亦可提高,也可降低,只要土体的特征有所变化均可理解为受其影响。

第三,公式(1)只考虑了能量因素,而对因施加能量而加固的对象 土体则未作任何考虑,很明显,施加同一能量给不同的材料体,其结果是可想而知的。能量和土体作为矛盾的双方缺一不可。作为强夯加固离开了能量和土体(特别是土体所表现的物理的、化学的、矿物学的特征)任何一方,则建立的任何公式均是不完善的。

第四,公式(1)考虑的是总的单击夯能或总动压力,而对因夯锤触地面积的不同而引起冲击力在加固体中的差异未作考虑。

研究者们围绕公式(1)存在的种种问题进行了不同的修正后,给出了以下公式:

(1)

收稿日期:1999󰀁07󰀁18。

2󰀁加固深度研究现状和问题

土体的加固影响深度是任何一种地基处理方法重点考虑的问题之一。在强夯法中,加固或影响深度不仅是上部结构基础设计的主要依据,更是对强夯夯击

能量的确定、夯点布设、加固的均匀性等几乎起着直接决定的作用。因此,自梅纳强夯加固深度公式问世以来,关于这一方面的研究便一直未间断,亦取得了一定的成绩,概括起来有以下三个方面。2.1󰀁梅纳公式存在的主要问题及修正

梅纳最早提出的加固影响深度经验公式为

H=

Wh

式中󰀁H为加固影响深度(m);W为夯锤重(t);h为

第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁张平仓等:强夯法施工实践中加固深度问题浅析

77

H=󰀁Wh(2)

径。

公式(4)首次考虑了土体含水量状况和因强夯夯击土体表现出的一些宏观特征,如夯锤入土深度 和由夯锤底面积决定的夯坑半径r。

范维垣[4]等总结了各家的成果,认为󰀁在0.5~0.8之间,但对于黄土则󰀁在0.34~0.5之间。地基处理手册将湿陷性黄土地基强夯加固深度进行罗列,得到22个实测数据(表1),计算出󰀁在0.4~0.66之间。太原工业大学见文献[4]试验得出饱和粘土󰀁=0.45~0.5,饱和砂土󰀁=0.5~0.6,填土󰀁=0.6~0.8。

类似的资料还有很多,不同学者在不同土体上,或

[5]

式中󰀁为修正系数,它与锤的形状、加固土体的特征有关。但对于具体情况,均是按照强夯施工之后测得的实际加固深度H!和用公式(1)计算出的H进行比较。即:

󰀁=H!/H

(3)

󰀁󰀁Gambin[1]认为󰀁值在0.5~1.0范围之内。Leconards等[2]总结了美国印第安洲强夯加固砂土地基的实践,建议󰀁=0.5,即实际加固深度只能达到公式(1)计算加固深度的一半。Fang和Ellis[3]认为

󰀁=󰀂(Sr, ,r)

(4)

式中󰀁Sr为土的饱和度; 为夯坑深度;r为夯坑半

表1󰀁湿陷性黄土地基强夯加固深度一览表*

Table1󰀁Dynamicconsolidationdepthinsinkloessfoundation

编号123

456710111213141516171819202122

单击夯能W󰀂h/m10∀18=18010∀14=14010∀12=12010∀16.8=16810∀19.8=198140∀14.7=20625∀25=62520∀25=50020∀25=50020∀20=40020∀15=30015∀13=19510∀10=10010∀10=10010∀15=15010.4∀12=124.810.4∀18=187.210∀10=10010∀12=12010∀11=11015∀11.2=16813∀11.2=146

锤底面积A/m21.132󰀂!=4.011.13󰀂!=4.01

222

实测加固深H/m󰀁󰀁6.04

6.156.356.747.747.4612.0012.0710.068.008.668.385.06.08.095.476.986.606.575.028.047.97

H1=

W󰀂h/m13.4211.8310.9512.9614.0714.3525.0022.3622.3620.0017.3213.9610.0010.0012.2511.1713.6810.0010.9510.4912.9612.08

HH10.520.580.520.550.520.480.540.450.400.500.600.500.600.660.490.510.660.600.480.620.66

H2=

W󰀂h/mA5.915.476.477.038.109.409.0110.098.068.656.975.05.06.125.046.175.566.095.155.856.20

HH20.901.041.161.041.100.921.281.341.000.991.001.201.001.201.321.091.131.191.080.971.371.29

(H2-H)/m

󰀁0.66-0.24-0.88-0.27-0.71󰀁0.-2.6-3.06󰀁0.03󰀁0.06-0.01-1.41󰀁0.00-1.0-1.97-0.432-0.81-1.04-0.48󰀁0.12-2.19-1.77

|H-H2|

∀100%

H󰀁󰀁󰀁10.93

3.9013.8.019.178.5821.6725.350.300.750.1216.830.0016.6724.357.8611.6015.767.312.3927.2322.21

0.45󰀁󰀁󰀁󰀁6.70

1.13󰀂!=4.011.13󰀂!=4.011.132󰀂!=4.011.002󰀂!=3.141.50󰀂!=7.07

2

1.402󰀂!=6.161.25󰀂!=4.91

2

1.402󰀂!=6.161.132󰀂!=4.011.132󰀂!=4.012∀2=42∀2=42∀2=41.252󰀂!=4.911.25󰀂!=4.91

2

1.8∀1.8=3.241.8∀1.8=3.241.152󰀂!=4.151.252󰀂!=4.911.102󰀂!=3.80

󰀁󰀁

*原始资料引自#地基处理手册∃

同一土体在不同的地区均得到不同的󰀁值。但所有资料均表明,公式(1)计算的加固深度明显偏大,实际上不可能达到。

2.2󰀁通过统计分析得出的经验公式

文献[4]中分析了16个粘性土和砂性土试验资料,建立了统计性经验公式:

󰀁H=5.1022+0.00859{W}kN{h}m+0.009361{E}kJ

2.3󰀁从冲击力(动荷载)角度出发建立的理式

日本坂口旭等[6]根据能量守恒定律,提出下列公式:

P0=2∀Wh/A#h

(6)

式中󰀁P0为冲击压力;A为锤底面积;#h为夯锤在土中陷入深度;∀为冲击效率(包括振动回弹等损

耗);其他同公式(1)。将P0看作静荷载,以此求得影响深度H。

公式(6)中,P0,∀均是难以测定的两个指标,特别是∀的确定,任意性很大,又将P0看作静荷载与实(5)

公式(5)本质上与公式(1)无大的区别,且若使用

同一能量分别加固两种不同级配的土体,按公式(5)结果一致,而与它们试验的结论相差明显。

78

岩󰀁󰀁土󰀁󰀁力󰀁󰀁学󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2000年

际出入较大,因此公式(6)的应用尚存在一定问题,但应用冲击力(动荷载)的原理还是值得肯定的。综上所述,关于强夯处理地基土的加固深度,研究者们从不同的角度进行了不同的研究,无疑在研究思路上有一定的开拓,虽然对于影响加固深度的一些主要因素分别都给予考虑,但均未给出令人满意的实用性通用公式。

个强夯加固的最终目的,因此,土体本身的特征是决定强夯加固质量的重要因素。

土体是固、液、汽三相体,而液、汽两相存在于固体颗粒之间的孔隙之中,加固土体的目的便是尽可能地缩小孔隙,排出液、汽两相,使得固体颗粒更加靠近,甚至直接接触,其结果是土体的密实程度增加,强度提高,压缩性降低。而表述土体密实程度最为直接的指标是孔隙比(度)或土体的容重。

与孔隙比(度)相比,土体的容重不仅反映了土体中固体颗粒排列的松紧程度,更能反映固体颗粒的矿物组成,特别是干容重愈大的土体,说明颗粒排列紧密,孔隙度低。容重的提高亦是土体强度提高的直接标志之一。统计资料表明,土体的干容重可直接反映土体的容许承载力,有以下关系式:

[R]=2.6rd-1.2

(7)

式中󰀁[R]为地基土的容许承载力(kPa);rd为地基土的干容重。

干容重大,容许承载力高的土体产生对夯击外应力的阻力也大,使夯击力效率降低,进而减小加固深度,因此,加固深度应与土体的干容重反相关。

如果说,土体容重反映了加固土体的组成和结构特征对强夯施工加固深度产生影响的话,土体的水分状况又是强夯施工中一直考虑的重要因素。土体过于干燥,即使很密实,固体颗粒本身由于水分的缺乏,而处于单粒分散状态,夯击时,甚至由于振动而松动,强夯施工过后,地表层相对松散,密实程度不高便是由振动引起的。另一方面,适当的含水量会使固体中的胶粒成分激活,使分散的颗粒可以胶结在一起,同时,有限的水分含量如吸湿水还可使颗粒之间进行联接,从而提高土体的强度。但水分含量过高,受夯击时易产生液化而使强度降低。王裕宜通过实验表明[9],角砾土的抗剪强度随含水量变化而变化的过程中存在一个突变临界值11.0%,当含水量小于11.0%时,抗剪强度随含水量增加而增加,而当含水量大于11.0%时,抗剪强度随含水量增加而急剧减小。强夯加固土体,使土体中水尽可能多的排出(但并非全部排出),从而使土体强度得到提高。

[8]

3󰀁影响加固深度的主要因素浅析

3.1󰀁夯击能与加固深度

对于待加固的地基土体,所受应力除本身自重应力以外,唯一依靠的外应力便是夯锤的打击力,特定地基土体加固深度便直接由夯锤引起的外应力来决定。表述强夯夯击外应力的方式多种多样,如能量(Wh,1/2Wv2)、动压力(P/A)等。但势能(Wh)不仅与加固深度表现出良好的相关关系,而且由于量测计算以及表达方式简单,更易在工程上直接运用。梅纳公式便是将Wh直接做为评估加固深度的表达式。3.2󰀁夯锤底面积与加固深度

现有文献从大量工程实践出发,认为强夯夯锤底面积的大小,一是与起重机本身的能力有关,底面积过大,受设备拨杆起吊角度的。二是与待加固地基土体类型有关。一般说来

[7]

,对于砂质土和碎石填土

2

等粗粒采用小底面积2~4m夯锤,对于粘性土采用3~4m2的夯锤,对于淤泥质土采用4~6m2的大底面积夯锤。究其原因,认为对于淤泥土,若采用小面积夯锤会发生入土过深从而吸锤,造成起锤困难,而在粗粒土中则影响不大。

事实上,夯锤底面积的大小直接决定着夯锤着地时的动压力或称冲击压力,进而决定着强夯的加固深度。表1给出了不同地区湿陷性黄土强夯加固的实例。从表1可看出,用公式(1)计算出的加固深度H1约高出实测深度H的1倍左右(󰀁系数范围0.40~0.60),而将单击夯能Wh改用Wh/A(A为夯锤底面积)来代替,重新计算加固深度H2,则与实测H十分接近。在22个实测资料中。偏大者有5个,占2.7%,但偏差最大仅0.66m;偏小者有16个,占72.7%,最大偏差为3.06m。从相对误差系统计来看,最大27.23%,但大于20%的仅有5个(还应该考虑在实测时有一定的误差)。从而说明用

Wh/A代替Wh更为合理,

首先避免了估算󰀁值的麻烦;其次计算结果更接近于实际;第三,虽说计算结果偏于保守,但对工程更为有益。

3.3󰀁土体特征与加固深度

强夯加固的对象是地基土体,土体的被加固是整4󰀁加固深度公式的建立

4.1󰀁加固深度公式建立的原则

(1)简单易行原则

加固深度公式主要应用于强夯施工工艺之中,其公式计算及因子的选择均应该是施工之前地质勘察中容易取得的指标;公式的建立在不违反强夯加固机制的基础上,尽可能简化算式,避免使用复杂的计算公第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁张平仓等:强夯法施工实践中加固深度问题浅析

79

式,以便施工设计人员容易掌握。

(2)传统经验为基础的原则

梅纳公式是强夯加固地基的经典之作,虽说只考虑了能量因素,但仍不失为评估加固深度的基础,本文建立加固深度公式仍以此为基础,将其他因子纳入其中。

(3)量纲统一原则

这是文中公式建立的根本所在,在许多情况下,量纲分析不失为一种行之有效的手段,它不仅使一些模糊的问题清晰化,而且还可使复杂问题简单化。4.2󰀁加固深度公式建立的方法

在遵守上述三原则的前提下,应用量纲分析的方法,结合对强夯加固深度影响因素的分析,选择建立加固深度最主要因子及合适的量纲,建立下列量纲分析式:

[H]=

Wh=ArdWh=Ardt󰀂m23=[m]m󰀂t/m

kN󰀂m3=[m]

m󰀂kN/m

2

小了󰀁涉及因素的范围。根据本文第二节的分析,󰀁应是与加固土体特征有关的系数:

󰀁=∃(级配、孔隙、水分、%%,)(11)但级配、孔隙状况的差异可反映在rd的变化,因此基于本文分析的状况有:

󰀁=∃(w)

(12)

式中󰀁w为土体含水量(无量纲)。

根据土体含水量对强夯加固深度影响的定性分析可建立

H=(1-w)-式中󰀁%为系数。

表2为不同地区强夯加固湿陷性黄土地基符合公式(13)因子条件的资料,分别取%=0,0.25,0.5,0.75和1进行试算加固深度H%(%=0,0.25,0.5,0.75,1)并与实测深度H加以比较(表3)。结果表明,不同的%值对计算出的加固深度有着明显的影响。当%=0时,即不考虑土体含水量的影响时,误差最大,平均误差达到0.85m,且计算结果普遍偏小;而当%=1时,计算结果普遍偏大,绝对值平均误差为0.65m,代数和平均误差为0.47m;当%取值分别为0.25,0.5和0.75时,可以看出,当%取0.5时为最优。此时16个测点资料中,只有6个偏大,绝对值误差最小,为0.42m,代数和平均误差仅偏小0.23m,最大偏大0.87m,其余普遍偏小。出于对工程安全考虑,有利于在设计及施工中对能量的选择,建议%取0.5,于是可建立以下公式:

H=

W󰀂hA󰀂rd(1-w)

(14)

%

WhArd

(13)

(8)(9)

或

[H]=

式中󰀁W 锤重量,量纲为t或kN;h为夯锤起落高度,量纲为m;A为夯锤底面积,量纲为m2;rd为加固土体的干容重量纲为t/m3或kN/m3;H为加固深度,量纲为m。得到

WhH=󰀁

Ard

(10)

式中󰀁为经过量纲分析之后,建立数学式的无量纲系数。经过量纲分析之后的系数󰀁从本质上不同于修正梅纳公式的系数󰀁,梅纳公式中󰀁是一个有量纲的系数,而式(10)的󰀁是一个无量纲的系数,这从根本上缩

表2󰀁计算与实测湿陷性黄土地基强夯加固深度

Table2󰀁Measurringandcalculatingdynamicconsolidationdepthinthesinkloessfoundation

编号123456710111213141516

干容重rd/kN󰀂m-󰀂

13.013.013.013.013.113.113.113.914.014.114.114.114.113.816.316.9

3

含水量w/% 10.0017.7510.3510.3515.7015.7015.7011.019.7522.3522.3522.3522.3514.1318.6019.00

夯击能量Wh/kN󰀂m2025100012481872120016801980180011006250500040003000800062508000

夯锤面积A/m2󰀁󰀁

3.144.004.004.004.004.004.004.004.167.007.007.007.005.005.3078.00

实测深度H/m󰀁󰀁

7.465.005.476.986.356.747.746.045.029.008.007.006.0010.759.449.50

计󰀁

H0/m󰀁󰀁7.04

4.394.6.004.795.666.155.694.357.967.126.375.5110.778.507.69

H0.25/m󰀁󰀁7.23

4.615.036.125.005.916.425.8.608.487.596.795.8711.198.958.11

󰀁󰀁

算󰀁深󰀁度

H0.75/m󰀁󰀁

7.625.085.316.515.446.436.996.135.139.628.617.706.6612.079.929.00

H1.0/m󰀁󰀁7.87

5.335.466.695.686.727.296.395.4110.259.178.197.1012.5410.449.50

H0.5/m7.474.845.176.345.216.176.706.034.859.048.097.246.2611.629.428.42

󰀁󰀁说明:原始资料系据文献[5,10,11,12]整理

80

岩󰀁󰀁土󰀁󰀁力󰀁󰀁学󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2000年表3󰀁H%与H的差异Table3󰀁ThedifferenceofH%andH

绝对平均值/m0.850.600.420.500.65

代数和平均值/m-0.85-0.55-0.23󰀁0.11󰀁0.47

物理含义H0󰀁H/mH0.25󰀁H/mH0.5󰀁H/mH0.75󰀁H/mH1.0󰀁H/m

试󰀁󰀁󰀁验󰀁󰀁󰀁资󰀁󰀁󰀁料󰀁󰀁󰀁编󰀁󰀁󰀁号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

-0.42-0.61-0.58-0.98-1.56-1.08-1.59-0.35-0.67-1.04-0.88-0.63-0.49󰀁0.02-0.94-1.81-0.23-0.39-0.44-0.86-1.35-0.83-1.32-0.18-0.42-0.52-0.41-0.21-0.13󰀁0.44-0.49-1.39󰀁0.01-0.16-0.30-0.-1.14-0.57-1.04-0.01-0.17󰀁0.04󰀁0.09󰀁0.24󰀁0.26󰀁0.87-0.02-1.08󰀁0.16󰀁0.08-0.16-0.47-0.91-0.31-0.75󰀁0.09󰀁0.11󰀁0.62󰀁0.61󰀁0.70󰀁0.66󰀁1.32󰀁0.48-0.50󰀁0.41󰀁0.33-0.01-0.29-0.67-0.02-0.45󰀁0.35󰀁0.39󰀁1.25󰀁1.17󰀁1.19󰀁1.10󰀁1.79󰀁1.00󰀁0.00

5󰀁结论及存在问题讨论

通过对强夯加固深度的影响因素进行分析,从量纲对比入手,可得下列结论。

(1)强夯加固土体,就其加固深度而言,主要由单击夯能(势能)特别是单位夯锤底面积上的单击夯能(势能)决定,在无资料的情况下,可近似用单位夯锤底面积上的单击夯能的算术平方根值来估算加固深度,或根据要求的加固深度和已有夯锤来初步确定所使用的单击夯能。

(2)进一步的分析表明:加固深度的平方与加固土体的干容重呈反比,即干容重愈大,若要求加固深度大,则需愈高的单击夯能。

(3)土体含水量对加固深度有较大影响,相对准确的强夯加固深度公式应该为公式(13),就本文的分析而言,特定情况下可用公式(14)。

(4)相对于梅纳公式或其修正式而言,公式(13)或(14)的建立更完整更确切地反映了强夯加固土体外力与内力的相互作用关系。

(5)表2中土的干容重rd、含水量w均为不同深度的平均值,说明公式(13)、(14)对非均质土体亦可适用。

(6)强夯加固深度的确定是一个十分复杂的问题,文中依据强夯加固的基本原理并总结前人的施工实践,初步建立了估计强夯加固深度的公式,并对其根据有限的资料进行了验证。所依据的资料均来自湿陷性黄土地区,而对于其他土体类型公式(14)可能还会存在一些问题,可在以后的研究中不断改进和充实。

(7)从表1和表2可看出,公式(14)的建立是在含水量较小(未超过25%)的非饱和土体条件下进行的。对于高含水量或饱和土体,公式(14)是否适用或%系

数的选取亦有待于进一步的讨论。

感谢陈守义教授审阅全文并提出了宝贵的意见。

参󰀁考󰀁文󰀁献

1󰀁GambinMP.TenyearsofDynamicConsolidation[A].Proceed󰀁ingoftheEignthReginalConferenceforAficanonSoilMe󰀁chanicsandFoundationEngineering[C].1984.363~370.2󰀁LeonardsGAetal.DynamicCompactionofGranularSoils[J].

JournaloftheGeotechnicalEngineeringDivisionASCE.1980,106:15144

3󰀁FangHY,EllisGW.LaboratoryStudyofGroundResponseto

DynamicDensification[R].FrityEngineeringLaboratoryRe󰀁portNo.462.6,LehighUniversity,1983.449.

4󰀁范维恒,史美筠,裘以惠.关于强夯法加固地基的几个问题[A].1980年地基处理学术会议论文选集[C].北京:中国建筑学会地基基础学术委员会,1980.

5󰀁#地理处理手册∃编写委员会.地基处理手册[M].北京:中

国建筑工业出版社,1998.

6󰀁坂口旭,西海宏,服部正夫等.动压密工法󰀁󰀂 !基础工

事.土∀基础,1979,27(9):206~209.

7󰀁周国钧主编.强夯夯实法与振动水冲法[M].北京:冶金工

业出版社,19.

8󰀁左名麒,朱树森编.强力夯实法[M].北京:中国建筑出版

社,1985.

9󰀁王裕宜.泥石流浸蚀过程中应力特征的分析研究.

10󰀁倪石泉.高能量强夯处理大厚度自重湿陷性黄土地基

[A].地基处理经验集萃[C].北京:中国电力出版社,1996.

11󰀁杨存范.强夯法处理深度湿陷性黄土地基[A].地基处理

经验集萃[C].北京:中国电力出版社,1996.

12󰀁彭志圣.强夯法处理山谷不均质坝基[A].地基处理经验

集萃[C].北京:中国电力出版社,1996.