強(qiáng)夯置換法處理軟土地基的模型試驗(yàn)研究

徐玉勝，趙有明，高明顯

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

強(qiáng)夯置換是近年來(lái)在夯法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種適用于處理高飽和度、低透水性、低強(qiáng)度、高壓縮性軟土的地基處理方法。強(qiáng)夯置換法采用在夯坑內(nèi)回填塊石、碎石等粗顆粒材料，用夯錘夯擊形成連續(xù)的強(qiáng)夯置換墩。強(qiáng)夯置換法具有加固效果顯著、施工期短、施工費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，目前已用于堆場(chǎng)、公路、機(jī)場(chǎng)、房屋建筑、油罐等工程，效果良好［1］。

劉天 韻［2］、黃 海［3］、郭 文 東［4］、任 繼 榮［5］、李 煒東［6］、蘇文峰等［7-8］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程實(shí)例對(duì)強(qiáng)夯置換機(jī)理進(jìn)行了研究和闡述，得出了一些有益的結(jié)論。但由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本大、受工期影響等原因，針對(duì)不同強(qiáng)夯參數(shù)對(duì)置換效果的影響等方面的研究很少，至今尚未形成系統(tǒng)性結(jié)果，強(qiáng)夯置換法的參數(shù)設(shè)計(jì)還高度依賴經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

而室內(nèi)模型試驗(yàn)可以選擇多種試驗(yàn)參數(shù)并且可以方便地取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以低成本地進(jìn)行系列試驗(yàn)。韓文喜等［9-12］通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)強(qiáng)夯法的機(jī)理進(jìn)行了研究，但到目前為止，尚未有人通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)強(qiáng)夯置換法機(jī)理進(jìn)行研究。本文針對(duì)深圳地區(qū)軟土的特性，在室內(nèi)建立與實(shí)體模型存在相似性的小比例尺寸模型對(duì)強(qiáng)夯置換法處理軟土地基機(jī)理進(jìn)行了嘗試性研究，以期結(jié)合數(shù)值模擬給出針對(duì)強(qiáng)夯置換法的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)相似律原理

與動(dòng)力學(xué)研究中的落錘實(shí)驗(yàn)類似，現(xiàn)場(chǎng)原型受速度為V，質(zhì)量為M物體的撞擊，與幾何相似的小尺寸模型受到速度為v，質(zhì)量為m的撞擊，它們之間的各種參量關(guān)系遵循一定的相似率［13］。由于小尺寸模型與原型的自重應(yīng)力雖不類似，但由于模型受到很大的沖擊應(yīng)力的作用，重力的影響可以忽略。

對(duì)于物理模型試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)原型與室內(nèi)模型的相似律問(wèn)題。根據(jù)文獻(xiàn)資料［13］，試驗(yàn)采用表1縮放律。

1)幾何相似，為保證室內(nèi)模型與現(xiàn)場(chǎng)原型在幾何上相似，將模型夯錘直徑、夯點(diǎn)間距、淤泥層厚度、碎石墊層厚度以及碎石粒徑等按比例縮小20倍。

2)材料相似，取與現(xiàn)場(chǎng)原型相同的材料制作室內(nèi)模型的材料。模型試驗(yàn)是由現(xiàn)場(chǎng)淤泥直接裝箱，工作墊層采用按上述等比縮放的碎石。

3)夯擊能量，夯錘起吊高度按比例縮小20倍。

1.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，獲得系列數(shù)據(jù)，研究一定條件下夯擊過(guò)程中置換體的發(fā)展過(guò)程。分析夯錘直徑、夯擊能量等因素對(duì)置換效果的影響，探討夯擊過(guò)程中地面變形規(guī)律及超靜孔隙水壓力變化規(guī)律。以期對(duì)強(qiáng)夯置換法處理軟土地基的機(jī)理有更全面深入的認(rèn)識(shí)，并為后期數(shù)值模擬提供可靠的驗(yàn)證資料。

1.3 試驗(yàn)裝置及參數(shù)

1)試驗(yàn)裝置

模型試驗(yàn)在自制的模型箱中進(jìn)行，共制作兩個(gè)尺寸為260 cm×150 cm×100 cm的模型箱。1#模型箱用來(lái)模擬置換體發(fā)展過(guò)程，2#模型箱用來(lái)模擬多種強(qiáng)夯工藝參數(shù)與置換體形態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及夯擊過(guò)程中地面變形和孔壓發(fā)展的規(guī)律。圖1為強(qiáng)夯置換模型試驗(yàn)裝置示意。

圖1 強(qiáng)夯置換模型試驗(yàn)裝置示意(單位:cm)

試驗(yàn)裝置分固定和活動(dòng)兩部分，箱體為固定部分，模型箱內(nèi)部作防滲處理，箱體頂部側(cè)邊設(shè)角鋼滑道，方便活動(dòng)門(mén)架沿箱體頂部邊緣橫向移動(dòng);支架頂部的橫梁設(shè)定位孔、滑片及滑輪，方便夯錘的起吊和夯點(diǎn)的雙向定位。

2)試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)用淤泥直接取自現(xiàn)場(chǎng)，其含水量94.0%，孔隙比2.51，固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo) c、φ分別為13.9 kPa和25.0°;工作墊層材料為商品碎石，碎石粒徑1～2 cm，強(qiáng)度指標(biāo) φ 為36.9°。

試驗(yàn)采用質(zhì)量為4.0 kg的鑄鋼圓柱體夯錘4個(gè)，夯錘直徑分別為6 cm、8 cm、10 cm和12 cm。1#模型箱各夯點(diǎn)均采用8 cm夯錘，起吊高度120 cm，共布置31個(gè)夯點(diǎn)，針對(duì)表2中工況一所對(duì)應(yīng)的土層參數(shù)。2#模型箱試驗(yàn)針對(duì)不同型號(hào)的夯錘和不同起吊高度的組合條件，共布置24個(gè)夯點(diǎn)，分別針對(duì)表2所示的三種工況進(jìn)行了系列試驗(yàn)，其中工況一、二、三分別對(duì)應(yīng)2#模型箱的 A、B、C區(qū)。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量

1)置換體形態(tài)測(cè)量

每個(gè)夯點(diǎn)夯擊完成后，及時(shí)用對(duì)應(yīng)碎石回填夯坑。在采取措施使淤泥含水量降低到一定程度后，人工分層挖出夯坑中的碎石，使置換體形狀(夯坑)完全暴露，用特制的卡尺測(cè)量夯坑的直徑和深度。從而獲得夯坑(即置換體)的剖面圖。

表2 模型試驗(yàn)土層分布參數(shù)

2)地面變形的測(cè)量

用自制小型沉降板測(cè)量夯擊過(guò)程中夯坑周邊地面變形，沉降板布置在碎石墊層頂面。沿每個(gè)試驗(yàn)夯點(diǎn)徑向距離布設(shè)10個(gè)沉降板，間距5 cm。

3)超靜孔隙水壓力的測(cè)量

為研究在夯擊過(guò)程中離夯點(diǎn)不同距離、不同深度的超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，在2#模型箱工況一對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)區(qū)域選擇E3、E4兩個(gè)夯點(diǎn)作為孔壓監(jiān)測(cè)夯點(diǎn)，按圖2所示的位置布置了2組6個(gè)孔隙水壓力傳感器。其中第1組 u11、u21、u31距淤泥頂面10 cm，第2組 u12、u22、u32距淤泥頂面25 cm。兩組測(cè)點(diǎn)距 E3、E4夯點(diǎn)的水平距離分別為 12 cm、19.5 cm、27 cm 和 8 cm、15.5 cm、23 cm。E3、E4 兩試驗(yàn)點(diǎn)均采用直徑8 cm的夯錘，起吊高度分別為100 cm、120 cm，其它試驗(yàn)參數(shù)相同?？紫端畨毫y(cè)量采用DYZ型微型孔壓計(jì)。在孔隙水壓力傳感器附近設(shè)置地下水位管，以監(jiān)測(cè)地下水位，從而根據(jù)測(cè)得的孔隙水壓力和地下水位求得超靜孔隙水壓力。每次夯擊后測(cè)量一次，收錘后按一定時(shí)間間隔連續(xù)測(cè)量，直到超靜孔壓消散為止。

圖2 孔隙水壓力傳感器布置示意(單位:cm)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 置換體發(fā)展過(guò)程

1#模型箱針對(duì)置換體發(fā)展過(guò)程方案共布設(shè)31個(gè)夯點(diǎn)，夯擊次數(shù)依次從1遞增到31擊，即夯點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)該夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)。試驗(yàn)采用直徑為8 cm的夯錘，落距120 cm。圖3給出了夯擊數(shù)與置換深度之間的關(guān)系。

圖3 夯擊數(shù)與置換深度的關(guān)系

從圖3(a)中可以看出，在試驗(yàn)條件下，置換深度的發(fā)展可以分為三段:1～6擊為第一段，該段置換體快速增長(zhǎng)，達(dá)到14.5 cm，占最大置換深度的38%;7～22擊為第二段，該段置換體增長(zhǎng)速度較第一段慢，使置換深度增加了20 cm，占最大置換深度的52%;22擊以后為第三段，該段第26擊達(dá)到最大深度，之后置換深度不再隨擊次的增加而增加，但從總體趨勢(shì)看，該段屬于緩慢增加階段。

根據(jù)上述分析，提出極限置換深度的概念，指在相同條件下，某一夯擊能量對(duì)應(yīng)的最大置換深度。在達(dá)到該深度后，增加夯擊次數(shù)對(duì)置換體的豎向發(fā)展沒(méi)有任何意義。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系特征進(jìn)行擬合，夯擊數(shù)與置換深度的關(guān)系近似地用式(1)表示

式中，h為對(duì)應(yīng)于擊次N的置換深度，hc對(duì)應(yīng)于夯擊能量的極限置換深度。圖3(b)是將38.5 cm作為極限深度時(shí)，根據(jù)式(1)繪制的夯擊次數(shù)與置換深度的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯€能夠較好地?cái)M合上述分析中提到的三個(gè)階段的特征，由于繪制曲線的前提是hc=38.5 cm，所以在26擊次時(shí)并沒(méi)有達(dá)到試驗(yàn)值38.5 cm。但從試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合曲線都可以發(fā)現(xiàn)，在22擊以后，置換深度的增加幅度較之前明顯減小，要達(dá)到極限置換深度要再增加幾十擊。反映到施工現(xiàn)場(chǎng)，意味著工時(shí)和造價(jià)的大幅增加，與之相比，提高強(qiáng)夯能級(jí)具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

2.2 夯錘直徑對(duì)置換深度影響

圖4給出了三種試驗(yàn)工況在能量一定(落距為120 cm)的條件下，不同夯錘直徑與置換深度的關(guān)系。

圖4 夯錘直徑與置換深度的關(guān)系

從圖4可以看出，A、B、C三個(gè)試驗(yàn)區(qū)各個(gè)夯點(diǎn)置換深度與錘徑之間的關(guān)系總體趨勢(shì)是一致的，即隨著夯錘直徑的增大，置換深度都隨之減小。

2.3 夯擊能量對(duì)置換深度的影響

圖5給出了三種工況條件下夯錘直徑一定(夯錘直徑為8 cm)，不同能量(落距)與置換深度的關(guān)系。從圖中可看出，A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)存在相同的規(guī)律:置換深度隨著夯擊能量(落距)的增加而增加，均近似地符合對(duì)數(shù)關(guān)系。其中，A、C區(qū)的置換深度及其增長(zhǎng)趨勢(shì)非常接近，而B(niǎo)區(qū)與其他兩個(gè)區(qū)相比置換深度明顯偏小，但置換深度隨能量的增長(zhǎng)幅度較大，說(shuō)明在墊層較厚的情況下，要獲得相同的置換效果，需要較高的能量才能達(dá)到。

圖5 夯擊能量與置換深度的關(guān)系

2.4 夯擊過(guò)程中超靜孔隙水壓力變化規(guī)律

1)夯點(diǎn)附近水平向超靜孔壓變化規(guī)律

在2#模型箱E4夯點(diǎn)周圍距淤泥頂面10 cm和25 cm的位置布置2組6個(gè)孔隙水壓力傳感器，E4夯點(diǎn)的工況為工作墊層厚10 cm，墊層碎石粒徑1～2 cm，夯錘直徑8 cm，落距120 cm。試驗(yàn)時(shí)每次夯擊后記錄各個(gè)孔隙水壓力傳感器的讀數(shù)，圖6給出了淤泥頂面以下25 cm處u12、u22、u32的超靜孔隙水壓力隨夯擊數(shù)變化的情況。試驗(yàn)曲線表明三個(gè)點(diǎn)的超靜孔壓都隨著夯擊次數(shù)的增加而增加，但距夯點(diǎn)中心軸線近者孔壓的增幅要大，u12、u22、u32三點(diǎn)強(qiáng)夯35擊過(guò)程中超靜孔壓的最大增幅分別為 1.8 kPa、1.5 kPa和 0.4 kPa。

圖6 水平向上超靜孔隙水壓力變化規(guī)律

2)夯點(diǎn)附近垂向上超靜孔隙水壓力變化規(guī)律

圖7給出了E3點(diǎn)強(qiáng)夯時(shí)垂向上超靜孔隙水壓力隨夯擊數(shù)變化的情況。

圖7 垂向上超靜孔隙水壓力變化規(guī)律

試驗(yàn)表明，隨著夯擊數(shù)的增大，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的超靜孔隙水壓力都相應(yīng)增大，夯擊數(shù)相同時(shí)距離淤泥頂面越近，超靜孔隙水壓力增長(zhǎng)幅度越大。

圖7還表明，靠近表層的u31點(diǎn)超靜孔隙水壓力在第8擊時(shí)接近峰值，然后略有下降，而后又開(kāi)始緩慢上升，然后基本維持在2.3 kPa的水平;但深層點(diǎn)u32的超靜孔壓在第22擊時(shí)才達(dá)到峰值，之后穩(wěn)定在2.0～2.2 kPa的范圍。這主要與置換體的形成及其起到的排水作用有關(guān)。根據(jù)相同條件下的強(qiáng)夯置換體形成過(guò)程試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，5擊次和20擊次對(duì)應(yīng)的置換深度分別為14 cm和30 cm，置換體底部位置正好剛剛超過(guò)孔壓測(cè)頭埋置深度，充分說(shuō)明了置換體形成后其顯著的排水作用。隨著夯擊次數(shù)的增加，超靜孔壓不斷的增加、快速消散，加速了樁間淤泥土的固結(jié)過(guò)程，將大大改善地基的性狀。

3 結(jié)論

1)強(qiáng)夯置換過(guò)程中，對(duì)應(yīng)于每一單擊夯擊能存在某個(gè)極限置換深度，在達(dá)到極限深度后置換體的深度不再隨著夯擊次數(shù)的增加而增加。在極限深度范圍內(nèi)，置換深度與夯擊數(shù)可近似地用公式 h=hc(1－e－0.074N)擬合。

2)強(qiáng)夯能量、地層條件相同，在試驗(yàn)條件下置換深度隨夯錘直徑的增大而減小。

3)置換深度隨著夯擊能量(落距)的增加而增加，均近似地符合對(duì)數(shù)關(guān)系。

4)夯擊過(guò)程的動(dòng)力作用產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力隨著徑向距離的增大而減小，垂向上的超靜孔隙水壓力隨深度的增加而減小。置換體形成后超靜孔壓的消散速度明顯加快，說(shuō)明其排水作用較為顯著。

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