浅析软土地基强夯加固效果

　　摘要  本文推导了软基强夯加固的夯坑深度有效加固深度的计算公式，在某机场试验基础上得出经验值;并指出办基强夯所应遵循的一些规律.

　　关键词  软基强夯  有效加固  深度  加固机理

　　1概述

　　强夯法亦称动力固结法(DCM)。它最初仅用于加固碎石土和砂土地基。我国多用于北方加固黄土地基。由于经验积累和认识的深入，强夯法已推广到用于加固粘土、不饱和粘性土、含水量低于25%的杂填土;且随着砂井及塑料排水板的运用，在饱和淤泥质软土中强夯加固也获得满意的效果。软土地基强夯加固机理不同于砂土基:其微观结构的变化及应力波在土中的传播方式不尽相同;强夯施工指导原则也存在显著差别。由于软土灵敏度高，一旦结构破坏后其强度很难得到恢复。因此软土地基强夯不能照搬建立在砂性土基础上的强夯施工规范。且应注意，软土地基强夯:其关键在于排水，施工要以不破坏软土结构为原则。

　　2  有效加固深度计算

　　强夯有效加固深度受诸多因素的影响，如工程要求不同，强夯施工能量参数不同，土质性状不同，加固土层层序分布等等。不少学者从能量、波以及静力学的角度对强夯加固地基的影响深度和有效加固深度作了探讨。但笔者认为，主要应从土的动力学角度探讨强夯机制才能获比较满意的结论。笔者从弹塑性模型基础上推导出有效加固深度的计算公式，并参照某机场测试成果来验证，结果令人满意。

　　2.1夯坑深度的计算

　　考虑到强夯作用下地基发生较大塑性变形，将夯锤的振动状态简化为一个自由振动体系，地基简化为阻尼一弹簧体系，得到夯锤的运动方程为:

　　(1)

　　式中 x一夯锤位移; M一夯锤质量; R一阻尼系数;s一弹性常数,将夯锤的运动分为高应力冲击阶段和阻尼振动阶段。在高应力冲击阶段忽略粘滞阻尼对夯锤的运动影响，最后推导出修正的Scott公式为

　　注:S、R、t等表示高应力冲击阶段的弹性参数及时间;

　　S'、R'、t'等表示阻尼振动阶段的弹性参数及时间;

　　2.2有效加固深度的计算

　　根据强夯后的土动应力、干密度的变化规律，将地基加固模式简化为如图1形式:

　　图1地基加固简图

　　由加固土体强夯前后干土重量相等，有

　　（3）

　　由加固土体几何体积有:

　　（4）

　　将(3)式代入(4)式得

　　对于软土，土的动荷载扩散角很小，可忽略不计，由(3)、(4)式可得

　　(5)

　　3  软土地基强夯试验

　　以某机场试验为例。机场地质情况大致为:表层0.8~1.0 m厚吹填粉细砂层;表层下0.5一1.0m厚褐黄色粉质粘上，1.5~3.7m厚淤泥质粉质粘土层，夹有粉细砂夹层;其下为灰色砂质粉土，埋深8.0m上。水平向土的性质表现不均。试验区面积为21x21m2，，场区内设有间距为3.5m，深10m的塑料排水板，四周挖有深为60一80cm的明沟排水。强夯夯击能采用1600kJ，夯锤质量为16.5t，底面积直径为2.lm，锤高0.75m，落高为9.76m。夯点间距为3.5m，呈正方形布置，共36个夯点，分三遍完成。施工监测有孔隙水压力、分层沉降测量及地表沉降测量;加固效果检测有室内土工试验、静力触探、标贯及平板载荷试验等。

　　从孔隙水压力监测结果发现，浅层土中的超孔隙水压力上升最剧烈，且随着土层深度的增加影响越小。试验中还发现:当孔隙水压力越过0.5rh，即大于上覆土层重量的一半时，超孔隙水压力消散较慢，当再次夯击时，超孔隙水压力发生积累，影响强夯效果。

　　图2、图3分别为在夯坑内及夯坑间的静力触探曲线图。夯坑内土层强度增加较大，夯坑间土层强度增加较小，这说明了在软土地基强夯时应力扩散角较小;曲线还反映了强夯有效加固深度为6~8m，满足了设计要求。在夯间土上做平板试验。Fk=136kPa比场地实际平均承载力要小，基本上满足了机场设计承载力(120kPa)的要求。

　　图2  夯坑内静力触探曲线图

　　图3 夯坑间静力触探曲线图

　　试验区单点夯击试验汇总结果见表1。对于地下水位较浅的饱和软土场地夯坑周围土体隆起量随夯击数的增加而逐渐增加，直到与坑内土体夯沉量相等，但这种状态的强夯对加固地基土已毫无意义，相反会加剧地基土结构的破坏。故试验时一般以孔隙水压力最大值Umax小于等于0.5rh,或夯坑周围隆起量最大值Hmax小于等于10cm来确定最佳夯击数。

　　从隆沉试验结果来看，每次夯击时地基土的压密效果都是很明显的。但由于夯坑深度已达2.5m左右，坑壁容易坍塌，对强夯施工造成一定困难。从孔压及隆沉结果来看，建议每点强夯击数不超过4击。

　　表1夯坑隆沉汇总表

　　通过强夯前后土的物理指标测试，夯前加固土层平均干容重rd1=1.262g/cm3;而夯后孔rd1=1.432g/cm3;从现场原位测试的结果可知，地基土的有效加固深度为6~8m;由上面推导的有效加固深度计算公式得L=0.32。这与试验区土层的有效压缩率在55%以上是一致的。

　　由夯坑深度的统计结果，发现软土地基在一定的夯击次数下(即小于最佳夯击次数)，夯坑深度与夯击次数具有非线性关系。试验结果经一元曲线回归，有如下规律(回归方程的相关系数r=0.99)   （6）

　　故本试验区夯坑深度计算公式为（7）

　　有效加固深度的经验公式为（8）

　　由式(7)可看出，对于软土地基强夯，不能照搬强夯规范的收锤标准来实施，即最后两击累计沉降差不大于5~10cm;对于本试验区，第四、第五两击累计沉降差为30cm;要达到5一10cm的累计沉降差，夯击次数要超过10击以上;夯坑深度达3.5m之多，此时夯击对加固地基已毫无疑义，地基可能已发生结构破坏，对强夯加固不利。

　　4结 论

　　强夯法虽经历了近三十年的发展，但软土地基强夯加固还处于经验积累阶段。笔者认为，软土地基强夯，其加固机理可概括为强夯压密和强夯固结，但以强夯固结为主。由于饱和粉土软土地层具有一定的灵敏性，其结构破坏后强度很难恢复，故软土地基强夯施工以不破坏软土结构为原则。通过以上分析及试验、普夯的展开，可获得如下几点认识:

　　1)强夯处理软基，其最佳夯击次数可根据孔隙水压力、隆起量最大值及夯坑深度来综合确定。对本机场场区强夯:

　　A)孔隙水压力Umax小于等于0.5rh

　　B)夯坑隆起量hmax小于等于10cm;

　　C)夯坑深度△h小于等于1.50m;

　　2)利用本文提出的有效加固深度的半理论半经验公式(式8)，可以合理调整强夯施工参数，来指导现场施工。

　　3)通过试验及普夯的开展，认为软土地基强夯其收锤标准应为:最后两击累计沉降差控制在15~20cm内较合适。

　　4)对于软土地基强夯其动扩散角很小(由不同地点的静力触探曲线可以看出)，故夯点间距布置应密些，建议采用1.5~2.0d的间距;为防止夯击出现"橡皮土"，建议采用跳夯施工。

　　5)对于大面积强夯处理软基，用坚向塑料水板及水平软式透水管加强排水，强夯效果会更好;且是上海软土地层有天然排水层一粉细砂夹层，强夯加固更理想。

　　参考文献

　　1左名麒，朱树森.强夯法地基加固[J].北京:中国铁道出版社

　　2中国建筑科学研究院.建筑地基处理技术规范[M].北京:中国计划出版社，1992

　　3山西省建委技术情报中心站[R].山西省强夯资料汇,1981

　　4杨志强.强夯法大面积处理粉性土人工高填土地基[J].岩土力学，1992(2)

　　5郭见扬等.论强夯地基的双层构造问题[J].岩土力学，1991(4)