強(qiáng)夯加固粉土地基超孔隙水壓力增長(zhǎng)規(guī)律研究

張宏博，厲 超，陳曉光，宋修廣，李紅超

(1．山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061;2．山東省路基安全工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250061; 3．河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局 第三地質(zhì)勘查院，河南 洛陽(yáng) 471023)

強(qiáng)夯加固粉土地基超孔隙水壓力增長(zhǎng)規(guī)律研究

張宏博1，2，厲 超1，2，陳曉光1，宋修廣1，2，李紅超3

(1．山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061;2．山東省路基安全工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250061; 3．河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局 第三地質(zhì)勘查院，河南 洛陽(yáng) 471023)

黃河沖積平原地層以粉土和粉質(zhì)黏土為主，為研究該地區(qū)強(qiáng)夯加固地基的超孔隙水壓力增長(zhǎng)規(guī)律，進(jìn)行了強(qiáng)夯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)超孔隙水壓力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析得出:夯擊次數(shù)和地層埋深影響超孔隙水壓力增長(zhǎng)規(guī)律;其增長(zhǎng)模式符合指數(shù)曲線模型，基于該模型推導(dǎo)出的超孔隙水壓力增長(zhǎng)計(jì)算公式經(jīng)驗(yàn)證是合理的;隨著夯擊次數(shù)增加，淺層土體最先出現(xiàn)液化，隨后液化區(qū)域逐漸加深;地下水位較高時(shí)，可以實(shí)施降水以降低臨界液化深度，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)多次夯擊。

強(qiáng)夯 粉土地基 超孔隙水壓力 增長(zhǎng)規(guī)律

強(qiáng)夯法在高速公路施工中得以廣泛應(yīng)用，在多數(shù)路段取得了較好的應(yīng)用效果［1］。但由于普遍缺乏相對(duì)統(tǒng)一的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，各路段重復(fù)試驗(yàn)。究其原因，強(qiáng)夯過(guò)程中地基超孔隙水壓力的增長(zhǎng)及消散受較多因素影響，施工缺乏嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，一直未得到工程界的普遍認(rèn)可。但超孔隙水壓力增長(zhǎng)規(guī)律對(duì)施工工藝參數(shù)的影響至關(guān)重要，這也造成地基加固效果良莠不齊。為解決該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析，從多方面進(jìn)行了深入研究。錢(qián)學(xué)德［2］利用動(dòng)力固結(jié)儀進(jìn)行了細(xì)砂在沖擊荷載作用下的動(dòng)力固結(jié)試驗(yàn)，得出了動(dòng)孔隙水壓力隨夯擊次數(shù)變化的表達(dá)式。孟慶山、白冰、曾慶軍等人分別進(jìn)行了飽和軟黏土在強(qiáng)夯沖擊荷載作用下的試驗(yàn)研究，得出影響超孔隙水壓力的主要因素，及體應(yīng)變與超孔隙水壓力的關(guān)系曲線等，并對(duì)沖擊荷載作用下飽和黏土孔壓增長(zhǎng)與消散規(guī)律進(jìn)行了初步探討［3-5］。李曉靜等［6］對(duì)黃泛區(qū)路基強(qiáng)夯時(shí)不同夯擊次數(shù)下超孔隙水壓力變化規(guī)律進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

在上述基礎(chǔ)上，本文結(jié)合在建道路工程，進(jìn)行了強(qiáng)夯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，重點(diǎn)針對(duì)黃泛平原區(qū)強(qiáng)夯加固粉土地基超孔隙水壓力增長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行了研究，并優(yōu)化了施工工藝。

1 強(qiáng)夯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于山東省濱州市，地貌主要為黃河沖積平原，巖性以粉土、粉質(zhì)黏土為主，實(shí)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地地下水位埋深約2.0 m。按照地質(zhì)勘探資料和土層物理力學(xué)性質(zhì)，試驗(yàn)區(qū)地層自上而下可劃分為7層:①粉土，稍密～中密，層厚5.8～8.9 m;②粉質(zhì)黏土，夾粉土、粉砂透鏡體，層厚4.0～9.2 m;③粉土，中密 ～密實(shí)，夾粉質(zhì)黏土、粉砂透鏡體，層厚6.7～11.0 m;④粉質(zhì)黏土，夾粉土透鏡體，層厚0.5～6.7 m;⑤粉土，中密～密實(shí)，夾粉質(zhì)黏土、粉砂透鏡體，層厚 12.7～20.6 m;⑥粉質(zhì)黏土，夾粉土、粉砂透鏡體，層厚2.4～6.5 m;⑦粉土，本次勘測(cè)未揭穿該層，最大揭露厚度3.5 m。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)場(chǎng)地為40 m×40 m的方形區(qū)域，夯點(diǎn)按正方形布置，夯點(diǎn)間距為6 m，現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示。試驗(yàn)區(qū)分為A，B，C和D四個(gè)區(qū)域，分別進(jìn)行單擊夯擊能為1 500，1 200，1 000和800 kN·m的點(diǎn)夯試驗(yàn)，各區(qū)域獨(dú)立試驗(yàn)，且試驗(yàn)前后間隔一定時(shí)間，避免相互干擾。試驗(yàn)所用夯錘為圓形，錘徑為2.25 m，夯錘質(zhì)量為10 t。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置(單位:m)

試驗(yàn)前在夯點(diǎn)下埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)，在夯點(diǎn)間埋設(shè)水位管?？紫端畨毫τ?jì)用以監(jiān)測(cè)孔隙水壓力變化，水位管用以監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中地下水位變化。為提高強(qiáng)夯效果，試驗(yàn)采用井點(diǎn)降水技術(shù)對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行降水，降水井點(diǎn)間距為3 m，降水后地下水埋深為3.8 m。試驗(yàn)孔隙水壓力計(jì)埋深分別為4，6，8，10 m，孔隙水壓力計(jì)布置如圖2所示。

圖2 孔隙水壓力計(jì)布置(單位:m)

降水完成后進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)和記錄夯擊過(guò)程中孔隙水壓力的累積變化。當(dāng)夯坑地面隆起值較大，起錘困難或最后兩擊平均沉降量不大于5 cm時(shí)停止夯擊。

2 結(jié)果及分析

2.1 超孔隙水壓力隨單點(diǎn)夯擊次數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律

以夯擊能為1 500 kN·m為例，第一遍點(diǎn)夯夯錘下超孔隙水壓力的增長(zhǎng)曲線如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)超孔隙水壓力增長(zhǎng)情況(1 500 kN·m)

從圖中可以看出:①超孔隙水壓力隨夯擊次數(shù)增加而增大，第8次夯擊時(shí)超孔隙水壓力累積值最大達(dá)到70 kPa;②淺層土的超孔隙水壓力累積值遠(yuǎn)大于深層土，8 m埋深地層超孔隙水壓力累積值為4 m埋深地層的20%～40%，10 m埋深地層超孔隙水壓力累積值僅為4 m埋深地層的10%～15%，表明強(qiáng)夯對(duì)8 m及以下深度地層影響不明顯。可見(jiàn)，夯擊次數(shù)和地層埋深影響超孔隙水壓力增長(zhǎng)。

2.2 超孔隙水壓力增長(zhǎng)模式

動(dòng)荷載作用下超孔隙水壓力的增長(zhǎng)模式一直是土力學(xué)研究的一個(gè)重點(diǎn)，其計(jì)算模式主要有雙曲線模型和指數(shù)曲線模型［7］兩類(lèi)。指數(shù)曲線模型多用來(lái)描述飽和砂土的孔壓上升規(guī)律［8］，曾長(zhǎng)女等［9］根據(jù)大量不同粉粒含量的飽和粉土振動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果，建議采用指數(shù)函數(shù)曲線模擬土體的動(dòng)孔壓發(fā)展，其表達(dá)式為

式中:u為累積超孔隙水壓力;uf為孔壓穩(wěn)定值;β為計(jì)算參數(shù);t為作用時(shí)間;tf為與 uf對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間。t/tf表征了影響超孔隙水壓力增長(zhǎng)的各因素。

本文主要從夯擊次數(shù)和埋深方面探討超孔隙水壓力增長(zhǎng)模式，現(xiàn)以N代表夯擊次數(shù)，以Nf代表對(duì)應(yīng)于uf的夯擊次數(shù)，則自變量 t/tf可用 N/Nf替代，式(1)可改為

將本文超孔隙水壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪成 u/uf－N/Nf曲線，可以發(fā)現(xiàn)，公式(2)與試驗(yàn)曲線擬合較好。以夯擊能為1 000 kN·m和1 500 kN·m的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，擬合曲線如圖4所示。從圖4可以看出，指數(shù)函數(shù)能夠很好地?cái)M合超孔隙水壓力的增長(zhǎng)規(guī)律，這與文獻(xiàn)［9］對(duì)飽和粉土動(dòng)孔壓增長(zhǎng)模型的研究結(jié)論一致。因此，若能確定參數(shù)β和uf，則可以建立該地區(qū)超孔隙水壓力增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

表1 超孔隙水壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)［4］表明，β隨夯擊能E增大而增大，其β－E曲線呈拋物線型，可以利用E的二次函數(shù)對(duì)β進(jìn)行擬合;不同工況β－h(huán)(h為地層埋深)散點(diǎn)圖擬合曲線為一組近似平行的直線，表明地層埋深h對(duì)β線性影響，因此可以利用h的線性函數(shù)對(duì)β進(jìn)行擬合。綜合考慮E和h，初步確定β的表達(dá)式為

圖4 指數(shù)曲線模型數(shù)據(jù)擬合

求解 uf時(shí)，首先對(duì)不同工況的夯擊能歸一化(1 000 kN·m)，得到各工況的uf－h(huán)散點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)ufh散點(diǎn)圖近似呈線性變化，表明地層埋深h對(duì)uf線性影響，因此采用線性擬合;對(duì)歸一化的擬合曲線引入影響因素E，即可得到uf關(guān)于h和E的表達(dá)式為

將式(3)、式(4)代入式(2)后即得到強(qiáng)夯加固粉土地基超孔隙水壓力增長(zhǎng)函數(shù)表達(dá)式。

為了驗(yàn)證公式(2)的合理性，選取文獻(xiàn)［6］所述工況進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)［6］單擊夯擊能為2 000 kN·m，夯擊6次時(shí)總夯擊能達(dá)到12 000 kN·m，與本文所述的總夯擊能相等，因此采用公式(2)計(jì)算夯擊6次的超孔隙水壓力并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，不同深度的公式計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值分別如表2所示。

表2 超孔隙水壓力公式計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值

由表2可知，強(qiáng)夯的前2次夯擊計(jì)算值較實(shí)測(cè)值小，但隨后夯擊的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值能夠較好地吻合，而這正是本文所關(guān)注的，表明總夯擊能為12 000 kN·m時(shí)，利用公式(3)計(jì)算強(qiáng)夯超孔隙水壓力的增長(zhǎng)是合理的。

2.3 地基土液化情況

為研究強(qiáng)夯地基土體的液化情況，引入超孔隙水壓力比概念。超孔隙水壓力比為某一深度地層強(qiáng)夯產(chǎn)生的超孔隙水壓力u與該深度初始有效應(yīng)力σ的比值，超孔隙水壓力比為1時(shí)，土體有效應(yīng)力為0，則認(rèn)為該土體已發(fā)生液化。通過(guò)分析強(qiáng)夯超孔隙水壓力比的發(fā)展規(guī)律可以分析地基土液化情況。圖5為不同夯擊能夯擊過(guò)程超孔隙水壓力比變化曲線。

圖5 不同夯擊能夯擊過(guò)程中超孔隙水壓力比變化曲線

對(duì)比分析圖5(a)和5(b)可以發(fā)現(xiàn)，不同深度地層的超孔隙水壓力比均隨夯擊次數(shù)的增加而增大，且超孔隙水壓力比沿深度遞減，表明隨著夯擊次數(shù)的增加，淺層土體最先出現(xiàn)液化，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)地下水位埋深為3.8 m，所以3.8 m埋深土體會(huì)最先出現(xiàn)液化，而3.8 m以上土體不會(huì)出現(xiàn)液化，其臨界液化深度為3.8 m;夯擊能為1 000 kN·m時(shí)在第11次夯擊后，超孔隙水壓力比累積最大值出現(xiàn)深度為3.8 m，約為0.65，＜1，表明該能量級(jí)第11次夯擊后地基未出現(xiàn)液化，但連續(xù)11次夯擊后超孔隙水壓力比增長(zhǎng)緩慢，這是因?yàn)殡S著夯沉量的增加土體變形模量增大，單擊夯沉量增長(zhǎng)緩慢，從而單擊超孔隙水壓力增長(zhǎng)緩慢，導(dǎo)致超孔隙水壓力比增長(zhǎng)緩慢;夯擊能為1 500 kN·m時(shí)在第8次夯擊后，3.8 m埋深位置累積超孔隙水壓力比約為1，土體出現(xiàn)了液化。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果繪制了不同夯擊次數(shù)土體臨界液化深度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線，以1 500 kN·m為例，繪制其夯擊次數(shù)—液化深度關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 夯擊次數(shù)—液化深度關(guān)系曲線(1 500 kN·m)

由圖6可以看出，土體臨界液化深度隨著夯擊次數(shù)的增加而增大。因此當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)夯擊，可以進(jìn)行降水，以降低臨界液化深度，提高施工效率。單擊夯擊能為1 500 kN·m時(shí)，降水至埋深3.8 m后可以實(shí)現(xiàn)7～8次連續(xù)夯擊。

4 結(jié)論

1)夯擊次數(shù)和地層埋深影響超孔隙水壓力增長(zhǎng)，超孔隙水壓力隨夯擊次數(shù)增加而增大，隨深度增加而減小;單擊夯擊能為1 500 kN·m時(shí)夯擊8次后，超孔隙水壓力累積值達(dá)到70 kPa，其主要影響深度在8 m埋深以上。

2)強(qiáng)夯加固粉土地基超孔隙水壓力的增長(zhǎng)模式符合指數(shù)函數(shù)模型，基于該模型推導(dǎo)出超孔隙水壓力的計(jì)算公式，經(jīng)驗(yàn)證是合理的。

3)隨著夯擊次數(shù)的增加，淺層土體最先出現(xiàn)液化，隨后液化深度逐漸增大。地下水位較高時(shí)，可以通過(guò)降水以降低臨界液化深度，提高施工效率。

［1］地基處理手冊(cè)編委會(huì)．地基處理手冊(cè)［M］．3版．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．

［2］錢(qián)學(xué)德．飽和砂土在動(dòng)力固結(jié)試驗(yàn)中的性狀——對(duì)強(qiáng)夯機(jī)理的探討［J］．港口工程，1981(2):9-14．

［3］孟慶山，汪稔，陳震．淤泥質(zhì)軟土在沖擊荷載作用下孔壓增長(zhǎng)模式［J］．巖土力學(xué)，2004(7):1017-1022．

［4］白冰，周健，曹宇春．沖擊荷載作用下軟黏土變形和孔壓的若干問(wèn)題［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001(3):268-272．

［5］曾慶軍，周波，龔曉南．沖擊荷載下飽和黏土孔壓特性初探［J］．巖土力學(xué)，2001，22(4):427-431．

［6］李曉靜，李術(shù)才，姚凱，等．黃泛區(qū)路基強(qiáng)夯時(shí)超孔隙水壓力變化規(guī)律試驗(yàn)研究［J］．巖土力學(xué)，2011，32(9):2815-2820．

［7］王偉，盧廷浩．濱海軟土動(dòng)孔壓發(fā)展模型核心函數(shù)研究［J］．自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2009，10(5):192-196．

［8］張建民，謝定義．飽和砂土振動(dòng)孔隙水壓力增長(zhǎng)的實(shí)用算法［J］．水利學(xué)報(bào)，1991，22(8):45-51．

［9］曾長(zhǎng)女，劉漢龍，周云東．飽和粉土粉粒含量影響的動(dòng)孔壓發(fā)展規(guī)律試驗(yàn)研究［J］．防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2006，26(6): 180-184．

Research on growth law of excessive pore water pressure in silty subsoil consolidated by dynamic compaction

ZHANG Hongbo1，2，LI Chao1，2，CHEN Xiaoguang1，SONG Xiuguang1，2，LI Hongchao3
(1．School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan Shandong 250061，China;2．Shandong Engineering＆Technology Research Center for Subgrade Safety，Jinan Shandong 250061，China;3．Third Geological Exploration Institute of Geology and mineral resources of Henan Province Bureau of Exploration and Development，Luoyang Henan 471023，China)

As silt and silty clay dominate the terrain of the Yellow River alluvial plain，the paper carries out in-situ experiment on the dynamic compaction results，aiming to unveil the growth law of excessive pore water pressure on the dynamic-compacted subsoil．T hanks to the monitor effort and the experimental data collected，the following results arrive:T amping times and stratum depth stand as two relevant factors，whose relation with the water pressure can be depicted by exponential model．T he paper then concludes the function accordingly and verifies its validity．In the experiment，it has been noticed that as the compaction carries forward，liquidation first takes place at the shallow soil and then goes down gradually．Given that the water level can be relative high，the endeavor to lower the water level needs to be carried to undermine the liquidation depth，therefore multiple compaction can be released．

Dynamic compaction;Silty subsoil;Excessive pore water pressure;Growth law

TU475+．3

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．29

(責(zé)任審編 周彥彥)

2015-01-07;

:2015-02-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51208284);山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013GSF11603)

張宏博(1977— )，男，山東濟(jì)寧人，副教授，博士。

1003-1995(2015)08-0101-04