強夯參數(shù)對夯擊效果影響的室內(nèi)模型試驗

馮世進，胡 斌，張 旭，水偉厚

（1.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2.同濟大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092；3.上海申元巖土工程有限公司，上海200011）

強夯法又名動力固結(jié)法或動力壓實法.這種方法是反復(fù)將夯錘（質(zhì)量一般為10～40t）提到一定高度使其自由落下（落距一般為10～40m），給地基以沖擊和振動能量，從而提高地基承載力，降低地基壓縮性和改善地基性能，以及達到消除地基濕陷性的目的.自1969年，法國梅那（Menard）技術(shù)公司開創(chuàng)了強夯法加固地基以來，由于該法具有較多優(yōu)點，已經(jīng)成為當(dāng)前較為經(jīng)濟和簡便的大面積地基加固方法之一，得到日益廣泛的應(yīng)用.

近年來，除了采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試方法以外［1－4］，一些學(xué)者采用室內(nèi)模型試驗研究強夯法的加固機理和強夯過程中的土體變形規(guī)律.Wetzel等［5］通過模型試驗測得強夯土體的應(yīng)力和變形，并得到豎向應(yīng)力隨著土體深度的變化關(guān)系；Poran等［6］在尺寸為122cm×122cm×122cm的模型箱中進行強夯法加固波斯頓干砂地基的試驗，得到一些基于試驗結(jié)果的設(shè)計曲線；Jafarzadeh［7］利用45cm× 35cm×40cm模型箱，進行強夯法加固地基模型試驗，研究夯擊過程中影響深度和動應(yīng)力的變化規(guī)律；費香澤等［8］對黃土進行了強夯模型試驗，分析不同參數(shù)對強夯加固范圍的影響，提出了強夯加固深度的計算公式；賈敏才等［9］對夯擊作用下砂性土密實的宏細觀機制進行試驗研究.

雖然國內(nèi)外學(xué)者通過模型試驗對強夯加固機理進行了大量研究，但已有的模型試驗難以準確測得夯擊后土體的變形，并在夯擊過程中采用傳統(tǒng)的土壓力盒測試土體的動應(yīng)力會產(chǎn)生較大的誤差，使得室內(nèi)模型試驗結(jié)果難以準確評價強夯加固效果.為深入分析不同強夯參數(shù)對強夯加固效果的影響，設(shè)計了一個半模試驗箱，模型箱一面為透明玻璃板制成，四周的其余三面和底板為鋼板制成.在強夯過程中，控制夯錘貼著模型箱的玻璃壁下落夯擊土體，在土樣水平方向鋪設(shè)染色砂，借助圖像跟蹤拍攝和數(shù)字處理技術(shù)，就能夠測試夯擊后土體的變形.同時，采用一種微型土壓力盒測試夯擊過程中土體的動應(yīng)力，然后進行夯擊次數(shù)、落距、能級和錘徑等參數(shù)變化時強夯法加固粉土地基室內(nèi)模型試驗，分析土體中動應(yīng)力和位移的變形規(guī)律，研究夯擊次數(shù)、落距、能級和錘徑等參數(shù)的變化對加固效果的影響.

1 試驗方案

1.1 試驗內(nèi)容

本次試驗主要研究夯擊次數(shù)、落距、能級和錘徑對夯擊效果的影響.所有夯擊試驗都達到15擊；設(shè)計17種不同的落距，落距范圍為30～200cm，其中每個能級夯擊時，采用4種不同的落距（能級6采用3種不同的落距）；設(shè)計6個不同能級的試驗；試驗共有24個不同規(guī)格的夯錘，其中每個能級和每種落距下，有3種不同的錘徑，底面直徑范圍為4～16cm.根據(jù)不同組合，本次試驗共有69組，如表1所示.

1.2 試驗設(shè)備

1.2.1 模型箱的設(shè)計

圖1為模型箱實物圖，主要結(jié)構(gòu)由土樣箱、支架和導(dǎo)軌系統(tǒng)組成.為了便于觀察記錄土體的變形，模型試驗采用半模試驗箱，土樣箱一面為透明玻璃板制成，四周的其余三面和底板為鋼板制成.土樣箱尺寸為100cm×80cm×100cm（W×L×H），支架由角鋼制成，尺寸為100cm×80cm×220cm（W×L ×H）.支架上帶有導(dǎo)軌系統(tǒng)，控制夯錘貼著模型箱的玻璃壁下落夯擊土體.在模型箱的土樣中，沿夯錘夯擊的中心線下埋設(shè)若干動態(tài)土壓力傳感器，測試土樣在夯擊過程中的力學(xué)響應(yīng).在土樣水平方向鋪設(shè)染色砂，用來測試土樣在夯擊過程中的位移變化.

表1 夯擊參數(shù)Tab.1 Tamping parameters

圖1 模型箱實物圖Fig.1 The box of model test

1.2.2 夯錘的設(shè)計

本次模型試驗采用半圓形夯錘，根據(jù)試驗內(nèi)容的安排，共有24個模型錘，如圖2所示為部分模型錘實物圖.

1.2.3 動應(yīng)力采集系統(tǒng)

通過在土樣箱中埋設(shè)動態(tài)土壓力盒，測試土樣在夯擊過程中的力學(xué)響應(yīng).動應(yīng)力的量測采用專門研制的微型動態(tài)土壓力盒，直徑僅為2cm，量程100 kPa，如圖3所示.動應(yīng)力的采集系統(tǒng)采用YE3817C高速動態(tài)應(yīng)變儀，采樣頻率為200Hz.

1.2.4 位移采集系統(tǒng)

土體在夯擊作用下的位移利用標點網(wǎng)格法進行處理分析.在制備土樣的過程中，采用分層裝填，在層面上鋪設(shè)紅色染色砂土作為標記層和觀測標記點.在試驗的過程中，采用高像素數(shù)碼相機進行定點跟蹤拍攝.將拍攝圖片進行歸一化處理，利用圖像數(shù)據(jù)處理軟件Getdate將照片導(dǎo)入，獲取土層標記點初始坐標，然后對比每次夯擊后的土層標記點坐標，即可獲得土體的位移數(shù)據(jù).將土體位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入等值線繪圖軟件Surfer中，獲取每次夯擊后的位移等值線分布圖，即可完成對土體位移的采集.圖4a，b分別為夯擊前及夯擊7次后，數(shù)碼相機采集到的原始照片，圖4c，d為Getdate取得的相應(yīng)擊數(shù)下的標記點圖，圖4e為通過軟件Surfer處理后得到的夯擊7次后的土體豎向位移等值線圖.

1.3 土樣制備

試驗土樣采自上海市楊浦區(qū)五角場地區(qū)，試樣的顆粒級配曲線如圖5所示.由圖5可知，土樣的粒徑大于0.075mm顆粒的質(zhì)量分數(shù)為7.7%，粒徑小于0.005mm顆粒的質(zhì)量分數(shù)為7.4%.

本模型試驗土樣為砂質(zhì)粉土，土樣按設(shè)計干密度控制每層試樣的質(zhì)量進行分層填筑，每層厚度為2.5～3.0cm.根據(jù)最后總裝樣的質(zhì)量和體積計算試樣的平均干密度，土體物理和力學(xué)參數(shù)見表2.

表2 土體參數(shù)Tab.2 Soil sample parameters

1.4 試驗過程

試驗過程分為試驗儀器的準備、試樣制備、夯擊與測讀、數(shù)據(jù)處理與分析等步驟.具體如下：首先按試驗計劃設(shè)計制備土樣，調(diào)試好位移采集系統(tǒng)和動應(yīng)力采集系統(tǒng)的相關(guān)儀器設(shè)備；其次根據(jù)設(shè)計土樣干密度，將一定質(zhì)量的土樣進行分層裝填，控制每層土樣的厚度，使之達到預(yù)定密度，且每層土之間鋪撒很薄一層紅色粉狀材料，作為土體位移標記線，同時在土體不同深度處埋設(shè)動態(tài)土壓力盒；然后用滑輪將夯錘提到預(yù)定高度后，讓其自由下落夯擊土樣，且每次夯擊后，采集土體位移照片和動應(yīng)力數(shù)據(jù)；最后用高清照片，根據(jù)側(cè)壁網(wǎng)格線，采用Getdate軟件測讀土層試樣在錘擊作用下的位移，并記錄各擊的夯沉量，在水平方向記錄夯擊的影響半徑，利用相關(guān)軟件處理由動態(tài)應(yīng)變儀和電腦采集的數(shù)據(jù)，分析不同參數(shù)對夯擊效果的影響.

2 強夯作用下動應(yīng)力和位移等值線的變化規(guī)律

2.1 動應(yīng)力變化規(guī)律

圖6為在能級4作用下，落距為93.3cm、夯錘直徑為12cm，第1擊和第15擊時的動應(yīng)力時程曲線.在此組試驗下，土壓力盒從上到下分別埋置在15，20，25，30，35cm處.由圖6可以看出，不同深度處動應(yīng)力從產(chǎn)生到衰減，整個過程在75ms內(nèi).土體僅出現(xiàn)一個明顯的波峰，未出現(xiàn)第二波峰，且隨著土層深度的增加，動應(yīng)力峰值逐漸減小，在衰減末期動應(yīng)力峰值有輕微的波動.這是由于在夯錘作用下，較淺處的土體受到的動應(yīng)力強度大于較深的土體.動應(yīng)力從零到達波峰的時間在第1擊作用下大約為30 ms，而從波峰衰減到零需要大約40ms；在第15擊作用下動應(yīng)力從零到達波峰的時間大約為20ms，而從波峰衰減到零需要大約50ms.可以發(fā)現(xiàn)，動應(yīng)力產(chǎn)生的過程比衰減的過程需要的時間更短，而且隨著夯擊次數(shù)的增加動應(yīng)力達到波峰所需要的時間在減少.這是由于夯擊次數(shù)的增加，土體越來越密實.其他各組試驗得到的動應(yīng)力時程曲線規(guī)律均與本次試驗結(jié)果類似.

圖7為在能級4作用下，落距和夯錘直徑分別為93.3cm和12cm時，動應(yīng)力峰值與夯擊次數(shù)之間的關(guān)系曲線.從圖中可以看出動應(yīng)力峰值隨著夯擊次數(shù)的增加，動應(yīng)力峰值的變化趨勢有所波動，但是總體是在增大，且離夯擊表面越近的土體變化越明顯.這是由于土體在夯擊次數(shù)不斷增加時，土體越來越密實，且上部土體密實程度優(yōu)于下部土體.

2.2 土體豎向位移等值線圖

圖8為在能級5作用下，落距96.0cm、夯錘直徑14cm時不同擊數(shù)下的豎向位移云圖.可以發(fā)現(xiàn)，夯錘夯擊土體后，豎向位移沿夯錘中心向水平和豎直方向擴散，土體的豎向位移值都是在逐漸減小.隨著夯擊次數(shù)的增加，水平方向和豎直方向的影響范圍逐漸擴大，且豎向的影響范圍明顯比水平向的影響范圍要大一些.

圖8 不同擊數(shù)時豎向位移云圖Fig.8 Soil vertical displacement contours for different tamping numbers

3 不同因素對夯擊效果的影響規(guī)律

對于強夯法的處理深度一般稱為“影響深度”或“加固深度”.不同學(xué)者針對不同的研究對象提出各種強夯加固深度的判別標準.目前，認為經(jīng)過強夯加固后的土體，各種強度指標能夠滿足設(shè)計要求的深度稱為“影響深度”；采用土體豎向變形量為地表夯沉量5%的深度定義為強夯處理的“加固深度”，或者采用豎向壓縮變形為5% 的深度為“有效加固深度”［10］.為了對比方便，本文試驗也將5%作為標準，將土體豎向位移小于總夯沉量5%的深度（約為4 mm）定義為強夯的影響深度，取第15擊為終止夯擊次數(shù).

3.1 夯擊次數(shù)的影響

圖9和10分別為不同能級作用下，單擊夯沉量和單擊影響深度與夯擊次數(shù)之間的關(guān)系曲線.可以看出，隨著夯擊次數(shù)的增加單擊夯沉量與單擊影響深度不斷減小，且在前5擊的變化幅度明顯大于后面的變化幅度.這是由于隨著夯擊次數(shù)的增加，土體越來越密實，對土體的單擊影響效果越來越小.進一步可發(fā)現(xiàn)，隨著能級的增大，單擊夯沉量和單擊影響深度不斷地增加，在相同條件下高能級強夯對土體的強夯加固效果優(yōu)于低能級.前幾擊夯擊作用下單擊影響深度和單擊夯沉量在不同能級下變化很大，且單擊影響深度的變化幅度大于單擊夯沉量.

圖11和12分別為不同能級作用下，夯坑深度和影響深度與夯擊次數(shù)之間的關(guān)系曲線.可以看出，隨著夯擊次數(shù)的增加，夯坑深度和影響深度不斷增大.能級越大，在相同夯擊次數(shù)時，夯坑深度和影響深度也越大，但是增加的速度隨著夯擊次數(shù)的增加有所減小.這是由于隨著夯擊次數(shù)的增加，單擊夯沉量和影響深度逐漸減小所致.

3.2 落距的影響

圖13為不同能級作用下，影響深度與落距之間的關(guān)系曲線，其中D表示夯錘直徑.可以看出，在不同能級作用下，隨著落距的增大，雖然個別能級變化趨勢有所波動，但影響深度總體是在不斷的減小，這也符合實際工程中得出的重錘低落距的強夯效果優(yōu)于輕錘高落距.進一步可發(fā)現(xiàn)，在能級較低時影響深度隨落距的變化幅度明顯小于在能級較高時的變化幅度.

圖13 影響深度與落距之間的關(guān)系Fig.13 Relationship between influence and drop height

3.3 能級的影響

圖14為夯沉量和影響深度與能量之間的關(guān)系曲線以及兩者比值與能量之間的關(guān)系曲線.可以看出，夯坑深度和影響深度都隨著能量的增加而逐漸增大，且增加的速度隨著能量的增大而減小.影響深度與能量之間的關(guān)系曲線在12.8N·m（能級3）時出現(xiàn)了明顯的拐點，這表明在實際工程中一味地增加能量來提高夯擊效果是不經(jīng)濟的，可根據(jù)實際工程的需要來確定夯擊能.由圖14可知，在本模型試驗中，影響深度與夯坑深度比值為3～4.在實際工程中，夯坑深度比較容易測得，可由夯坑深度大致估算影響深度.

圖14 夯擊效果與能量之間的關(guān)系Fig.14 Relationship between tamping energy and tamping effect

3.4 錘徑的影響

圖15為不同能級在最優(yōu)落距下影響深度和寬度與夯錘直徑之間的關(guān)系曲線.可以看出，影響深度隨著錘徑的增大而減小，影響寬度則隨著錘徑的減小而有所增大.這是由于隨著錘徑的增大，錘底面積在不斷增大，單位面積上的夯擊應(yīng)力卻在不斷減小，導(dǎo)致影響深度減小.但是，錘徑的增大使得夯錘接觸土體的面積增加，使得影響寬度的范圍增大.由圖15a～d可知，在能級較低時，影響深度大于影響寬度，其中在能級4作用下，錘徑為14cm時，影響深度等于影響寬度.由圖15e～f可知，在較高能級作用下，當(dāng)錘徑較小時，影響深度大于影響寬度.當(dāng)錘徑較大時，影響深度小于影響寬度，其中能級5在錘徑為16cm時影響深度開始小于影響寬度，在能級6作用下，錘徑為14cm時影響深度開始小于影響寬度.這表明在實際工程中可以根據(jù)對影響深度和影響寬度的要求來確定夯錘的直徑，從而達到在最小的經(jīng)濟投入下取得最優(yōu)的夯擊效果.

圖15 影響區(qū)域與夯錘直徑的關(guān)系Fig.15 Relationship between influence zone and hammer diameter

4 結(jié)論

（1）在能級一定時，單擊夯沉量和影響深度隨著夯擊次數(shù)的增加而逐漸減小，累積夯沉量和影響深度隨著夯擊次數(shù)的增加而逐漸增加.

（2）在不同能級作用下，隨著落距的增大，影響深度總體是在不斷的減??；夯坑深度和影響深度都隨著能級的增加而逐漸增大，影響深度與夯坑深度比值為3～4.

（3）影響深度隨著錘徑的增大而減小，影響寬度則隨著錘徑的減小而有所增大.這是由于隨著錘徑的增大，錘底面積在不斷增大，單位面積上的夯擊應(yīng)力卻在不斷減小，導(dǎo)致影響深度減小.

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