动力固结

2024-11-27

动力固结（精选4篇）

动力固结篇1

0 引言

硬壳层是指软土或软弱土地基由于蒸发和风化等因素长期作用，在地表形成的厚达几米的相对下面软弱土层坚硬的硬壳。这种硬壳层胶结结构性强，呈中等压缩性，与土基密切联结，具有很好的承载作用。开发硬壳层的工程利用价值，提高了道路设计的合理性和经济性，早已为道路工程界所关注[1]。特别是对于在饱和软弱地基上的低填路堤，硬壳层的工程利用更是具有重要的意义。但在一些地区的软弱土地基往往没有我们所期望的硬壳层，或是硬壳层的厚度较薄而不能够为道路工程所利用，因而需要我们“制造”一定厚度的硬壳层来满足道路设计的需要。

1.“制造”硬壳层基本原理

1.1 硬壳层的工程特性及利用

当软弱土层上具有硬壳层时，硬壳层与软土层形成了较为鲜明的强度差和刚度差。硬壳层相对其下的软土既是一种柔性的却又类似板体的结构，它不仅能够将其下部承受的荷载传递到较大的面积上去而起到应力扩散的作用，同时对下卧淤泥土的变形具有较强的封闭作用。

硬壳层地基的实际应力分布是：当荷载较小时，地基中大部分应力集中在硬壳层内，地基表现出明显的板体性承载特征，软弱土中的应力很小，并且随深度迅速衰减；而当荷载较大时，虽然板体性作用的削弱使硬壳层内的应力集中程度越来越小，但硬壳层和软基的强度差和刚度差作用仍然使地基中的应力大量地聚集在地基的上部。另一方面，硬壳层本身具有相对较大的密实度，而且有一定的刚度，因此它可以分担荷载产生的一部分剪力，即在一定的荷载剪力作用下不产生剪切变形或变形极小，这就使得硬壳层与下卧软弱层间的荷载传递方式有了一定的变化，此时的硬壳层已具有了类似于板体的作用，这种作用可称为硬壳层的“壳体效应”。壳体效应可使外荷传到较大的下卧软土中，使其下卧软土层的附加应力低于按传统扩散方法计算出来的附加应力，且分布更加均匀，分布的范围更大[2]。

因此，对软弱土层上硬壳层的了解和充分的利用，对于在软弱地基上的修建低填路堤具有重要的意义。

1.2 冲压动力固结原理

土体在外界荷载作用下内部所含水缓慢渗出，体积逐渐缩减的现象，称为土的“固结”。这种固体现象，使土体产生压缩变形，同时也使土的强度逐步增长。土体中的自由水在重力作用下，产生的水压力称为静水压力，在有附加荷载存在时，土体中的孔隙水因不能及时排出，会产生大于静水压力的超静水压力，也叫超孔隙水压力；随着孔隙水的逐渐排出，超静水压力逐渐消散，土体则逐渐固结。动力固结是在外动力作用下，使土体中的孔隙水排出，一定深度的土体被密实，达到某种程度的超固结状态，这种固结状态若与后期附加荷载所能引起的固结程度相匹配时，也就是使土体预先完成了固结过程[3]。

采用冲压法进行动力固结具有其许多独特的优势。首先冲压的应力作用方式兼具有揉、挤、冲击等多种作用，在这种作用下很容易使土体中产生大量的微裂隙，这些裂隙的存在可大大加速地基土中孔隙水的排出以加速土体固结。冲压相当于小能量的强夯，根据有关计算25kJ三边冲压机型，速度10～12km/h时，相当于350kN·m强夯。而在动力固结理论中，固结过程应该是由表层至深层逐渐发生的，这种低能量的强夯对进行浅层固结，即处理硬壳层是十分有效的。

冲压施工相当于一种连续的夯拍过程，具有波浪起伏及周期间歇等特点，这种间歇周期可以通过合理划分作业面积等手段很容易与土基的孔压消散周期相协调，使孔压消散持续的发生在最有效的消散阶段，即使动力固结过程持续高效进行，相比于传统强夯法可将冲击能更有效的利用，并可大大缩短固结周期[4]。冲压的冲击能量较低（相比于强夯法），在其作用下，土体在一定程度上仍可保持原有的结构强度，并在此基础上进一步密实提高。

2. 试验工程概况

2.1 场地工程地质条件

拟建建筑物为某经济开发区一级道路，场区地形较为平坦，属于河流冲洪积平原。道路主要为填方施工，填方高度0.5～2.0m。场地地下水位埋深较浅，在自然地表下1.50m左右。据钻探资料分析：场区范围内为第四系地层，浅表部土层为正常固结土，各项力学指标都较差，为本区域的软弱层（中软场地），其主要地层物理力学指标[5]平均值见表1。

2.2 处理方案

本场地采用冲压动力固结的方法，“制造”硬壳层来满足道路的施工要求。清除场地表层植物土；铺设一定规格的滤水土工布；回填20～30cm砂砾石；进行冲击压实。本着以质量好、工期快、投资少为目的确定如下施工参数：

在整个冲压试验施工过程中，进行了孔压监测、表面沉降观测、干密度检测。通过冲压过程中的检测、监测，了解动力固结的发展变化规律、预处理沉降量以及有效处理深度等相关数据，选择合理的施工及控制参数。

3 孔隙水压力监测

冲压作用使土体中的孔隙水排出，一定深度的土体被密实，达到某种程度的超固结状态。在外动力的作用下会使土中的孔隙水产生超孔隙水压力，超孔隙水压力一般随着外动力的加载、间歇而大小变化。超孔隙水压力过高会使土体原有结构被破坏（排水通道破坏，孔隙水压力长时间无法消散）、强度丧失（表现为弹簧土、翻浆现象出现），致使土体无法被有效密实。有关研究表明：孔隙水压力的增长量不宜超过上覆土体的自重。因此，通过对冲压施工中地基土体的孔隙水压力监测，得出最佳超孔压范围、最佳超孔压与冲压遍数的关系；确定冲压施工合理间歇周期[6]。

孔压监测自冲压试验施工开始，读取每冲压四遍后的孔压值。冲压先进行20遍，待孔压消散一定程度，又进行了20～32遍的冲压。将数据整理后绘制了2.0m埋深孔压冲压遍数与孔压峰值关系特征曲线和冲压20遍后孔压消散曲线（见图1、图2）。

由图中我们得出：

(1）在连续冲压施工中，孔压峰值不断增大；在间歇后的冲压中亦有类似的规律[7]。

(2）第一次冲压至16遍，孔压已接近上覆土体自重压力；16～20遍孔压超过了上覆土体自重压力，现场也看到进行16～20遍冲压过程中，局部出现弹簧土的现象。第二次冲压12遍后孔压也接近上覆土体自重压力。由此确定：一次性冲压遍数不宜大于16遍，间歇后一次性冲压遍数不宜大于12遍。

(3）在冲压施工间歇期（消散时间约为4～5天），孔隙水压力的消散越来越小，剩余孔压很难在短时间内消散。由此可得：第一次冲压完成后的间歇周期不宜少于4天[8]。

4.“制造”硬壳层效果分析

4.1 标准贯入试验

为了验证冲压处理效果，进行了冲压前后的标贯对比。如图3所示为冲压前后标贯对比曲线图。

由图3可以看出：冲压处理后标贯击数明显得到了增加，特别是3.5m以上的标贯击数有大幅提高，地基土强度得到很大的提高[9]。

4.2 干密度指标

取样测试干密度并进行了处理前后的对比试验。如图4所示为冲压前后干密度资料对比曲线图、表4为处理后土体压实度。

从以上图表可以看出：冲压处理后干密度值明显增加，特别是3.0m以上的地基土体，处理后地基土体得到了很大程度上的压实[5][10][11]。

4.3 压缩模量指标

将试验所得压缩模量数据剔除异常点后取平均值，并列入处理前相应深度的压缩模量平均值，制成冲压处理前后压缩模量对比表（表5）。

由表中数据可以明显看出，冲压处理后土基的压缩模量普遍提高，特别是4m以上地层提高尤为明显。冲压处理后，土基的压缩指标明显改良，可压缩性降低，即起到了一定的沉降预处理作用[5][10][11]。另外，通过冲压后地基土体沉降的观测：经冲压处理后的沉降量达到了10.13cm，已足够满足沉降设计要求。

4.4 前期固结压力试验

为了解采用冲压法动力固结的效果、固结层厚度及固结状态，以及为沉降计算提供参数。在冲压完成后通过钻孔取样，进行了高压固结试验。

对比各钻孔高压固结试验结果，选取了有代表性的钻孔试验数据列于表6。

由表中数据可以看出，经冲压处理后，4.0m以上地层土均处于超固结状态，且随深度增加而固结程度逐渐降低，至5～6m处已接近正常固结状态。综合标贯、干密度、压缩模量等对比资料，冲压处理在地基浅层形成了超固结的“硬壳层”，达到了预期的处理效果[5][10][11]。

5 结论

(1）硬壳层具有的特殊工程特性和利用价值，在一些无硬壳层或非常薄的饱和软弱土地基，可采用冲压动力固结“制造”一定厚度的硬壳层来满足道路设计的需求。

(2）通过现场孔隙水压力的监测确定合理的施工控制：冲压机的行驶速度10～12km/h，冲压遍数不宜少于28遍；冲压宜分两次进行，第一次连续冲压遍数不宜大于16遍，第二次连续冲压遍数不宜大于12遍,两次冲压间歇期不宜小于4天。

(3)根据冲压处理后的试验检测:标准贯入试验、干密度指标、压缩模量指标、前期固结压力等,冲压处理在地基浅层“制造”了3～4m的超固结硬壳层,达到了预期的处理效果。使地基土达到稳定、密实、均匀,满足设计要求。

(4)冲压法动力固结具有的特点,使得其在低填路堤的饱和软弱地基上“制造”硬壳层具有很好的优势。就本工程而言,冲压对工程的适宜性显然很好。

摘要：硬壳层具有特殊工程的特性和利用价值,对于在饱和软弱地基上的低填路堤具有重要的意义。在一些无或非常薄硬壳层的地基,可采用冲压动力固结“制造”一定厚度的硬壳层来满足道路设计的需求。试验过程中,通过对超孔隙水压力的监测分析提出了最佳冲压施工参数和合理间歇周期。冲压处理后检测:标准贯入试验、干密度指标、压缩模量指标、前期固结压力试验,冲压处理在地基浅层形成了超固结的硬壳层,达到了预期的处理效果。通过试验为工程提供了合理的施工方法和施工工艺,为展开大面积施工提供保证。

关键词：道路工程,试验,冲压动力固结,硬壳层,地基处理

动力固结篇2

随着我国建设效率的快速发展，特别是在软基处理中，一直在寻找一种即节约造价又可以缩短工期的方法，經过工程实际的摸索，一种突破传统的软基处理方法——静动力固结法在某市内湖A3地块软基处理的建设中被采用。这一新方法既弥补了传统强夯法不适合加固饱和软黏土地基的不足，又简化了静力排水固结法中繁杂的加卸载系统，并在施工期内基本完成主固结沉降，有效地提高了地基承载力，缩短了工期。达到了设备简单、经济易行、节约三材等优点。

2、工程概况

A3地块位于某市内湖岸壁的西侧，原是一片滩涂及虾池鱼塘，在岸壁的后方需填方形成面积约5万m ²开发地块，为节约社会资源和工程整体造价，业主要求采用科学、快速的软基处理方法，使其承载力≥９０ kPa，工期90天。

2．1 地质概况

根据野外钻探结果，拟建场地分布有人工填土层、滨海相沉积层、第四系海陆交互相沉积层，其特征按自上而下的顺序描述如下：

1)人工填土(Qml)①：属素填土，系近期修筑道路或虾池塘埂等人工堆填而成，褐红、黄褐等色，主要由粘性土构成，混碎石以及少量块石，结构一般呈松散～稍密状态。层厚为0.50～1.5m，局部分布。

2)第四系海漫滩相沉积（Qm）淤泥②：褐灰、灰黑色，含少量有机质及腐殖质，具腥臭味，局部夹少量贝壳碎片，上部呈饱和～很湿，流～软塑状态，底部呈可塑状态，切口光滑，摇震反应弱，具较高干强度及高等韧性。分布于整个场地，层厚3.30～5.0m。

3)第四系海陆交互相（Qmc）沉积粘土③：褐灰、青灰、褐黄色，呈稍湿，可塑～硬塑。稍有光泽反应，无明显摇震反应，具中等干强度及中等韧性。

3、设计

3．1 方案论证

常用的软基处理方法比较表1

处理方法清淤换填强夯法袋装砂井(插塑板)搅拌桩碎石桩

(砂桩)CFG桩静动力固结法

适应地质各种

土质碎石土

砂土饱和

黏土饱和

软黏土碎石土、砂土砂土粉土饱和

黏土

工期短短长短短中短

造价高中低高高高低

备注适用

于浅层不适用

饱和黏土需要

加卸载不要卸载

节约材料

通过表1对比，采用静动力固结法进行软基处理。

3．2静动力排水固结法的基本原理

通过设置水平排水体系和竖向排水体系，土层在适量的静（覆盖）力、变化的动力荷载及其持续的后效力（动力残余力）的超载作用下，形成孔隙水高压力梯度，在人工排水体系及动载下产生的裂纹排水系统下，多次发生孔隙水压力的升降，孔隙水不断排出，孔隙比逐步减小，地基土在较短时间内完成大部分固结沉降，土的抗剪强度就不断提高，地基土成为超固结土，从而达到了软基加固的目的。

4、施工

4．1 施工工艺

放线定位场地整平铺设土工布铺设砂垫层排水板施工

集水井盲沟施工堆载预压强夯交工平整

4．2 注意事项

所有的施工工艺必须严格执行规范和设计要求，砂体厚度应考虑渗流排水性和满足施工机械行走的要求，塑料排水板剪断塑料排水板时，用砂料填满周围的孔洞，砂垫层以上的外露长度大于50cm，并将其埋置于砂垫层中，插设深度应以穿透软土层进入粘土为准。集水井各井位滤水钢筋笼长度根据预计填土厚度（需比最高填土顶面高出40~60cm）与盲沟深度确定，集水井底面需比周围盲沟深60~100cm。

4．3设计参数

4．3．1打设塑料排水板（B型）

设计时可把塑料排水板换算成相当直径的砂井，按砂井理论进行计算，

塑料排水板按正方形布设，间距为1.0m。

4．3．2堆载预压

施压层厚度根据现场原地表标高、交工标高、预计沉降量和地质条件等实际情况最终确定其厚度为2.0米，根据监测数据指导其分层进行堆载。

4．3．3 强夯

依据场地的土质和具体要求选用合理的夯击参数，这是处理成功的关键。

（1）有效加固深度和单击能的确定

夯击能的选择要考虑两方面的因素：①应给软土施加充分的动载，使土中动孔隙水压力ud大幅增长；②要避免过高夯能使软土过分扰动，破坏土的结构。

根据实践经验，修正了法国梅纳最初提出的公式，得到有效加固深度公式（1）

H= ----------(1)

式中：H——有效加固深度(m)；W——锤重（kN）；h——落距（m）；E＝W×h——单击夯击能（kN•m）；α——与土的性质和夯击能等因素有关的系数，一般变化范围为0.5～0.9，本工程α取0.65，根据地质资料和堆载厚度得知H=7.5米，代入公式（1）得出

7.5= ---------(2)

根据式（2）计算出E＝W×h=1332 kN•m，因此，该工程采用的单击夯击能要大于1332 kN•m即可满足要求，实际采用最大落距15m ，10 t夯锤（带气孔的圆形锤底，面积≥5 m2 ）。

（2）夯点的布置及间距

一般根据地基土的性质和要求加固的深度确定，为便于强夯施工以5.0m间距按正方形布置，点夯一般按跳夯方式进行，满夯一般选用一夯挨一夯交错相切进行。

（3）单点夯击数及夯击遍数

单点夯击数即工程上所谓的收锤标准，应根据地基土的性质、夯击功能与有效加固深度确定。实践证明，国家有关强夯规范规定的收锤标准完全不适用于含水量大的软土地基的静动力排水固结法的处理，单点击数可依据孔压增量来控制：在夯点附近不同深度上埋设孔隙水压力传感器，当第n次夯击时，孔隙水压力增量ΔSn突然减小或趋近于零，则夯击次数可取n；

静动力排水固结法按少击多遍施工，第一遍是低能加固表层回填土形成施压层，接着是逐级加能提高加固深度，后遍夯点在前遍夯点位中间穿插进行，最后满夯的作用是加固表层土。

（4）夯击间隔时间

根据埋设的孔隙水压力计监测的情况确定前后两遍夯击的间歇时间，当孔压消散接近夯击前水平或更低，便可进行下一遍夯击，现场施工取超孔压消散80%的时间。

根据以上分析和计算，确定的强夯参数见表2

强夯参数表表2

夯击遍数第一遍第二遍第三遍第四遍第五遍

单击能KN.M8001000120015001500

夯点间距m5×55×55×55×55×5

夯锤重量KN1010101010

夯锤落距m810121515

单点夯击数12334

时间间隔（d）88777

最后一遍满夯，夯击能采用800 KN.M，采用夯点彼此搭接1/4夯锤直径连续夯击。

4．4处理范围

由于基础应力的扩散作用，处理范围应大于基础范围，其具体可根据构筑物类型和重要性等因素来决定，但每边超出基础外缘的宽度宜为基底下处理深度H的1/2~1/3，并不小于3m。

5、检测

5.1施工期间检测方法：

利用埋设的孔隙水压力计定期监测并根据消散情况指导堆载及强夯施工。

图1 深6．０m孔隙水压力监测曲线图

从图2可以看出，孔隙水压力一般在一个星期左右消散完毕，设置的排水措施使其达到原设计参数条件要求，起到了不错的效果。

5.2成果检测方法

本次地基处理现场检验主要为十字板剪切试验，在孔隙水压力消散后进行，试验点分別取在夯点及夯点间，按规范布设，在塑料排水板施打前、土方堆载后、强夯结束后三个阶段各进行一次十字板剪切试验。

本次试验选用开口钢环式十字板剪切仪，利用蜗轮旋转插入土中的十字板头，借开口钢环测出土的抵抗力矩，从而计算出原状土抗剪强度Cu，再依据式（3）计算出软基处理后的承载力f0。

f0=2cu+rd——————————（3）

上述计算公式中: Cu—原状土抗剪强度(kPa)

r------基底以上土的重度（kn/m3） d------基础埋深（m ）

5.3试验结果

随机抽取场内其中的2组数据作为计算，十字板剪切试验结果及承载力推算结果（本次计算不考虑深度修正，即去掉式（3）中的rd）详见表3

十字板剪切试验结果及承载力推算结果表表3

塑料排水

板施打前编号D1-1D2-1

深度(m)0.51.52.53.54.50.51.52.53.54.5

CU (kPa)12.316.315.415.815.715.617.818.616.917.8

f0(kPa)24.632.630.831.631.431.235.637.233.835.6

土方堆载后编号D1-2D2-2

深度(m)0.51.52.53.54.50.51.52.53.54.5

CU(kPa)26.928.729.630.124.629.330.23534.230.2

f0(kPa)53.857.459.260.249.258.660.47068.460.4

强夯结束后编号D1-3D2-3

深度(m)0.51.52.53.54.50.51.52.53.54.5

CU(kPa)51.850.253.149.740.15152.148.653.245.2

f0(kPa)10410010699.480.210210497.2106.490.4

注：试验深度从淤泥顶面起算

根据十字板剪切试验结果及承载力推算结果，承载力统计详见下表4

承载力统计表表4

时段统计项目统计个数最大值最小值平均值标准差变异

系数标准值

塑料排水板施打前f0(kPa)1037.224.632.43.5270.10930.4

土方堆载后f0(kPa)1070.049.259.86.0990.10256.2

强夯结束后f0(kPa)10106.480.299.08.1420.08294.2

根据上表统计，该地块采用静动力固结法进行软基处理后，其承载力基本值可达94.2kPa，工期85天，分别满足了业主提出承载力≥９０ kPa，工期90天的要求，取得了明显的处理效果，因此，该方法是可行的。

6、静动力固结法处理饱和黏土应用中几个问题的探讨

1）无论从加固原理还是工艺流程来讲，静动力排水固结法都不是强夯法与静力排水固结法的简单结合，这一新方法既弥补了传统单纯的强夯法不适合加固饱和软黏土地基的不足，克服了其不能有效排除软土中高压孔隙水的缺点，同时与静力排水固结法相比又简化了排水固结法中繁杂的加卸载系统，并在施工时间内大部分或基本完成主固结沉降，缩短了工期。

2）具有以下特点：夯击前，保证地基软土顶面有一定的顶压层，作为静力荷载及其持续的后效力加载系统，设置与加载系统相应的排水系统，保证软土层在复合力作用下产生的孔隙水压力能迅速消散，遵循“夯击能由低到高，加固由浅入深，少击多遍”的原则，保证冲击荷载的作用不对软黏土微结构破坏，采用通过信息化(如埋设孔隙水压力计)指导堆载、强夯等施工，确保施工的质量。

3）静动力固结理论未完全成熟，如何根据理论计算也是今后待解决的问题。强夯必须关注如何降低孔隙水压和增大有效深度这两者之间的矛盾，需要采取适应强夯加固的有效排水系统和适应软黏土地基的“先轻后重、逐级加能、少击多遍、逐层加固” 的夯击方式，确立以不破坏土体宏观结构为原则的收锤标准，形成了能够有效抑制孔压上升，加速孔压消散，防止土体液化，探索出能增强强夯效果，降低能耗的一整套强夯新工艺。

4）静动力固结法可以充分利用和发挥岩土材料本身的作用，造价低廉，无环境污染，特别适用于软土层较浅、宽大场地排水不易，软基处理要求施工期短，缺少预压时间、或者缺少预压荷载等情况，堆载材料缺少或堆载工程量很大的情况下具有更大的优势。

参考文献：

［１］中华人民共和国行业标准,《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002）,北京：中国建筑工业出版社,2003.1:117-123

动力固结篇3

关键词：静动力,固结机理,工艺特征

在我国软土分布广泛且具有区域性,软土的沉积形成所需要的地质和地理环境决定了大而平坦的地方,主要是沿海地区,如滨海平原、河口三角洲、河岸、湖畔等处,往往都有淤泥或淤泥质土的存在,而这些地区恰好又是经济发达的地区,设计软土地基的建筑设施越来越多。因此,研究淤泥类软土的工程特性,对软土地基进行加固处理理所当然地成了工程地质和岩土工程界要解决的重点问题。

1 静动力排水固结法的加固机理

1.1 静压作用

夯击瞬间冲击荷载一般是夯锤质量的十几倍甚至几百倍,巨大的冲击力无法直接施加于软土之上,否则会出现埋锤或严重隆起现象。因此,对于静动力排水固结法软基加固,在夯击前,地基软土顶面必须有一定厚度的静力覆盖垫层,才能保证夯击施工的顺利进行。静力覆盖垫层一般有两种形式:一种是原地基软土层之上有一定厚度的覆盖层,并与中粗砂垫层共同形成静力覆盖层;另一种是原地基软土之上无覆盖层或覆盖层较薄,在中粗砂垫层施工后往往尚须填一定厚度的土层作为静力覆盖垫层。静力覆盖垫层的作用主要表现为以下几方面:1)静力(预压)作用。2)应力分散作用。3)维持残余后效力作用。

1.2 能量转换

夯锤冲击瞬间,夯击能量一部分消耗在地表面,并向四周辐射传播;另一部分消耗在夯锤气垫作用和土体摩擦过程中;余下部分以瞬间冲击力形式从夯坑底面往深部传播。冲击完成后,冲击能量以动力残余力(即在软弱土层上的土体静态覆盖力下仍保持的残余力)的形式储存于土层中。当夯击能达到一定程度时,土体呈不可压缩状态,即达到限值饱和能,就不能再夯,否则对于土体固结不利,因为夯击能过大,土体固结条件遭到破坏,孔隙水反而不易排出,而且破坏后难以恢复。

1.3 水性变化

当夯锤反复夯击土层表面时,极大的冲击能使土颗粒或土团粒互相移动、靠拢。首先是紧紧包裹在它们表面的薄膜水(弱结合水甚至部分强结合水)相互接触,随着冲击能量的不断增加,薄膜水受到很大的挤压应力,就向挤压力小的地方移动,并发生变形,即其厚度发生变化。当夯击能量足够大时,薄膜水能减薄到一个厚度,即薄膜水仍可由物理—化学吸附作用使土颗粒相互联系,而由此产生多余的水则变成自由水流向颗粒中间,引起很大的超孔隙水压力,由于软黏土低渗透性,孔隙水无法短时间内排出。随着夯击次数的增加,超孔隙水压力也不断提高,致使土中有效应力降低。当土中某点的超孔隙水压力等于上覆的土压力或等于上覆土压力加上土的粘聚力时,土中的有效应力完全消失,土的抗剪强度降为零,土颗粒将处于悬浮状态达到局部液化,土的强度下降到最小值。

静动力排水固结法加固饱和软黏土时,不存在利用提高夯击能或击数来击穿软土中的薄弱面,使软土液化来提高软黏土的渗透系数和排水作用。饱和软黏土的微孔隙排水和微裂隙排水起着非常重要的作用,这种排水是以软黏土本身的微结构不被破坏为前提的,反过来看,一旦软黏土本身受到过分扰动,微结构被破坏,那么其本身正常的排水通道将被破坏,这对于含水量和孔隙比都很大的软土来说,其中希望排出的大量自由水和弱结合水将滞留其中。

1.4 排水固结

静力排水固结法形成了有利的排水压力条件与边界条件,主要表现为以下方面:

1)静力荷载,相当于在软土层之上施加一定的静力(预压)荷载;

2)冲击瞬间,由于水的(近似)不可压缩性,冲击力通过排水体周围的水柱传递至软土深部,引起深部软土超孔隙水压力;

3)持续、较高水平的残余后效力形成了有利的压力条件;

4)土体在强大的夯击能作用下,出现巨大的压缩波和拉伸波,致使地表面形成竖向裂隙(分布在夯击点的周围),并在地基内部出现定向裂纹,形成树枝状排水网络,土的渗透系数陡增,大大改善了土体排水边界条件;

5)通过设置人工材料组成的水平和竖向排水系统,提高了软土的渗透性,并利用盲沟和集水井及时将软土层排出的水引到场地外。

在多遍的夯击过程中,软土在有利的压力和排水等条件下,多次发生孔隙压力的升降,超孔隙水不断快速排出,孔隙体积减小,加快地基土排水固结,最终使土体的抗剪强度和变形模量均有明显的增加。

1.5 部分触变固化

当孔隙水压力消散后,达到小于颗粒之间的横向压力时,地基内部裂隙闭合、土中自由水变成结合水。超孔隙水的排出使土体的有效应力增加,土的抗剪强度不断提高,地基土成为超固结土,工后沉降大大降低,从而达到了加固的目的。

另外,饱和软黏土在冲击荷载作用下产生一定程度的扰动(远未达到造成破坏,静动力排水固结法应尽量避免过量扰动软土结构),土中原来处于静平衡状态的颗粒、阳离子、定向水分子受到破坏,水分子的定向排列被打乱,颗粒结构从原先的絮凝结构变成某种程度的分散结构,粒间联系削弱,因此强度降低。在夯后经过一定时间的休置后,由于部分水性变化,薄膜水的减薄,组成土骨架中最小的颗粒———胶体颗粒(粒径约为0.000 1 mm)的分子水膜重新逐渐靠拢并连接,恢复其原有的稠度和结构,和自由水又粘结在一起形成一种新的空间结构,于是土体又恢复并达到更高的强度,这就是饱和软土的触变特性。

2 静动力排水固结法的工艺特征

2.1 采取适当排水措施加速孔压消散

通过水平排水体系(设置盲沟,在盲沟交汇处设集水井用电泵进行强排水;地表铺设一定厚度的砂垫层)的设置,并设置竖向排水体系(插设排水板或袋装砂井),来改善地基土的排水条件。文献中提及:采用塑料排水板作为竖向排水体系要优于袋装砂井,原因是在强夯过程中由于夯坑周围(填土层和淤泥质软土层交界处附近)可能出现较大的侧向变形,袋装砂井由于抗剪强度很低,所以容易被剪断,失去排水作用;而塑料排水板的抗拉、抗剪强度相对较高,因此在土体中一定的剪切变形范围内能够继续发挥其排水功效。

2.2 铺设足够厚度的垫层积累足够的残余应力

静动力排水固结法处理软土地基时,软黏土顶面必须有一定厚度的表面硬壳层或者填筑一定厚度的填土作为施压垫层。施压垫层的作用是避免夯锤与软土直接接触,避免软土产生较大的剪切变形,另外施压垫层的存在还有助于排水固结的实现,它起到预压荷载、冲击垫层、应力扩散及维持残余应力的作用,同时有利于施工机械的行走。

2.3 采取合理的施工工艺以保证土体结构不产生严重破坏,同时又能增加加固深度

1)单击能的确定。首先要给软土施加充分的动荷载,使土中动孔隙水压力大幅度增加;其次要避免高夯击能使软土大量隆起或水平挤出即避免过分扰动,破坏土的结构。

2)合理冲击击数。

3)合理的夯击遍数。

4)锤重和落距的合理组合。

5)合理的夯击间隔时间:两遍夯击的间隔时间通常以超静孔压完全或基本消散为控制标准,当孔压消散一般消散至接近夯击前水平或更低,便可进行下一遍的夯击。现场施工一般按超静孔压消散80%的时间,一般为10 d左右。

3 结语

本文对静动力排水固结法的加固机理进行了探讨。静动力排水固结法既可保证表层土体结构不受严重破坏,亦可使得一定深度的软黏土层中激起的高孔隙水压能够迅速消散,进而达到排水固结的目的。静动力排水固结法有其独特的工艺特征,即采取空间网状排水系统,铺设一定厚度的垫层,采取合适的强夯工艺,严格控制相邻两遍夯击的间隔时间。只要采用上述施工工艺,就能使动力排水固结法处理软黏土地基取得满意的加固效果。

参考文献

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[3]陈晓斌.动力排水固结加固软土地基技术研究[D].长沙:中南大学,2004.

[4]蒋健华.静动力荷载作用下软土地基沉降人工神经网络分析研究[D].广州:广东工业大学,2007.

动力固结篇4

关键词：软土,不同固结度,三轴固结不排水剪切试验

软土大多分布于沿海地区,一般具有含水率高、孔隙比大、重度小、抗剪强度低、压缩性高及欠固结土的特点,其工程性质较差,属于软弱土层,会对地基的稳定性产生不利影响。为提高地基承载力和稳定性,一般对其进行地基处理后方可使用。因此,研究软土的工程特性是必要的。本文将重点研究海口市东海岸某人工岛项目中软土的不同固结度三轴固结不排水剪强度。

1.工程概况

本项目拟在距海口市东海岸约4.4km的铺前湾白沙浅滩内围海造地,形成人工岛。该人工岛距海口市中心约12km,东西长约8km,南北宽0.5~1.6 km,本工程填海面积约716公顷,护岸长度约23.97km。拟建人工岛位于南渡江出海口东北侧,铺前湾白沙浅滩内。白沙浅滩处于滨海区、南渡江出海口处,为一东西向砂质堆积体,-5m以浅长度连续12km,南北宽0.3~1.5km不等,中部较宽,两端较窄。砂体形态不规则,部分等深线呈锯齿状,其上有多个丘状砂堆。白沙浅滩北临琼州海峡,浅滩北坡水下地形起伏较大,其西段和东段陡坡倾斜率为10/100(5.7°)~15/100(8.5°),浅滩南坡较缓,为1°左右。根据已有的地质资料,护岸结构拟以重力式沉箱结构为主要型式。

勘察场地内局部地段存在层厚0.6~6.0m不等的(2)1淤泥质粉质粘土及其它软土层。软土层的三轴固结不排水剪切试验成果对地基的长期稳定分析提供了可靠的资料。

2.试验简介及数据分析

2.1土的抗剪强度

土的抗剪强度是指土在外力作用下抵抗剪切破坏的极限强度。土的抗剪强度可以认为是由颗粒间的内摩阻力以及由胶结物和束缚水膜的分子引力所造成的粘聚力组成。

影响粘性土的抗剪强度的因素很多,其中最重要的是排水条件。

2.1.1库仑定律

库伦定律是土的抗剪强度的基本理论。由法国科学家库仑提出。土的抗剪强度表达式如下:

τ=c+σtanφ

式中τ——土的抗剪强度(k Pa);

σ——剪切面上的法向应力(k Pa);

c——土的粘聚力(k Pa);

φ——土的内摩擦角(度)。

2.1.2土中任意点的应力状态及莫尔应力圆

首先取土体中任意一个单元体,假设作用在其上的大小主应力为σ1和σ3,与系式大如主下应:力σ1作用面成夹角α的平面上有剪应力τ和正应力σ。应力状态的关

同时,也可以用莫尔应力圆进行描述。在σ-τ坐标系中,以点(1/2(σ1+σ3),0)为圆心,以1/2(σ1-σ3)为半径画圆。其示意图如图1所示。莫尔应力圆圆周上某点A的坐标表示土体中该点位处与大主应力σ1作用面成夹角α的平面上的剪应力τ和正应力σ。从图1中可知,当2α等于90度时处于

2.1.3土的极限平衡状态

为了判断土体中某点是否处于极限平衡状态,可以在莫尔应力圆中绘制抗剪强度包线。若抗剪强度包线刚好与莫尔应力圆相切与图1中的A点,则表明A点处于极限平衡状态。莫尔—库仑强度理论表述了土体的极限平衡条件,其式如下:

莫尔—库仑强度理论表述的公式中可知:土体的剪切破坏面并不是α为45度时产生最大剪应力的平面,而与最大剪应力平面有一个φ/2的夹角。

2.2三轴固结不排水剪切试验

抗剪强度试验按排水条件可分为三种:(1)不排水剪切试验;(2)固结不排水剪切试验;(3)固结排水剪切试验。后两种试验结果差别不大。

三轴固结不排水剪切试验(应变控制式)的原理是在圆柱体试样上施加周围压力σ3(最小主应力),并保持不变,试样在周围压力σ3下进行排水固结,待固结完成后,然后对试样施加轴向应力q,在不排水条件下快速增加轴向应力q,破使坏试。样的剪应力逐渐增大,直至达到极限平衡即最大主应力σ1而使试样被剪切

三轴固结不排水剪切试验可以测得土样的总应力抗剪强度指标和有效应力抗剪强度指标。

饱和土的抗剪强度和固结度有关。而土只有在有效应力作用下才能固结。

一般采取3个试验进行一组三轴剪切试验,对3个试样分别在不同的周围压力σ3下进行剪切破坏,从而得到3个不同的总应力剪切破坏应力圆和3个不同的有效应力剪切破坏应力圆,分别绘制总应力和有效应力的公切线,即为抗剪强度包线,通常近似采取直线。由此得出总应力和有效应力的抗剪强度指标。如图2所示。

三轴试验有个非常突出的优点,即可以比较严格的控制试验的排水条件,试验中能测出孔隙水压力,所以能获得试样的有效应力。土的强度主要取决于有效应力的大小,有效应力才是土的抗剪强度的实质。

2.3土层的物理力学性质指标

本次采取(2)1淤泥质粉质粘土的试样,使用全自动应变控制式三轴压缩仪,对试样进行三轴剪切不排水剪试验。该土层的主要物理力学性质指标的平均值如下:天然含水率w=41.8%,天然重度γ=17.6k N/m3,孔隙比e=1.14,液限wL=31.5%,塑性指数Ip=14.2,液性指数IL=1.74,快剪试验粘聚力Cq=21.9k Pa,内摩擦角Φq=6.2度,固结快剪试验粘聚力Ccq=14.2k Pa,内摩擦角Φcq=16.9度,压缩系数av0.1-0.2=0.76MPa-1,压缩模量ES0.1-0.2=3.07 MPa,无侧限抗压强度qu=27.0k Pa,标贯击数N=1.2击。

从以上各指标可以得出(2)1淤泥质粉质粘土为软土层,其工程地质性质较差。

2.4本次试样的试验及分析

本次在(2)1淤泥质粉质粘土层中采取试样共19件,依照《土工试验方法标准GBT 50123-1999》每件试样制备成3个试样,本次试验中周围压力σ3分别施加100 k Pa、200 k Pa及300k Pa,分组进行固结度25%、固结度50%、固结度75%及固结度100%下的三轴固结不排水剪切试验。试验成果如表1所示:

本次对不同固结度下的有效应力指标进行绘图分析,见图3和图4。

从图3中可以得知,随着固结度的增加,三轴固结不排水剪的有效应力粘聚力c逐渐增加,在固结度≤小于75%时,与固结度基本呈线性增长,固结度与粘聚力的关系式如下:

c=2U+7.266

式中U——土体试样完成的固结度;

其相关系数R=0.949

在固结度>75%,粘聚力c随着固结度的增加明显增长。

从图4中可以得知,随着固结度的增加,三轴固结不排水剪的有效应力内摩擦角逐渐增加,与固结度基本呈线性增长,固结度与内摩擦角的关系式如下:

φ=18.2U+7.95

式中U——土体试样完成的固结度

其相关系数R=0.989。

通过本次试验得出了本地区(2)1淤泥质粉质粘土固结度和三轴固结不排水剪切试验强度的关系式,对地基处理及分析地基长期稳定性等提供了依据。

3.结论