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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流强夯-塑料排水板加固饱和软粘土地基的机理分析.精品文档.中国石油大学（华东）硕士学位论文强夯-塑料排水板加固饱和软粘土地基的机理分析姓名：夏红波申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：战永亮201205琫瑀瑃琣琭篺 琫瑄中国石油大学6硕士学位论文第弟一一旱章三绪百论叱引言软土地基简介软土地基主要包括淤泥地基、淤泥质土地基、泥炭地基、泥炭质土地基以及含水量第一章绪论中国石油大学6硕士学位论文表现为土中的气体和孔隙水排出，土颗粒在外力的作用下重新排列，有效应力增加，地基土体的强度得到增强。法的机理及其优缺点如表所示。每一种地基加固方法都有其优点
2、和缺点，在选取设计方法时应因地制宜，结合当前的实际情况如建筑场地周围环境、允许加固处理的时间、允许的工程造价、当地的气候等选择合理的处理方法，有时根据工程的实际情况也可以将两种或两种以上地基处理方法进行联合加固处理的方案，以使软土地基加固方法达到最佳的处理效果和最佳经济效益。衰硗了匝齑既撇特点蔭优点及缺点简单易行，效果显著，但只可以加固较浅层的土体，一般情况下加固范围不大于，同时软土挖除和材料回填工程量较大。如果建筑场地的地下水位较浅，则还需要采取降低地下水位的措施。挖除部分或全部软土，用强度相对较高的材料回填并将其分层压实或夯实，以提高地基土体的强度并且有效地减少沉降量。简单易行，施工速度快
3、，施工质量容易保证，但是有时需要将置换出的软土运出建筑场地。对地基土体加固效果显著并且工程造价较低。对桩体质量要求较高，必须铺设褥垫层，促使桩和桩间土共同受力。通过布置水平和垂直排水系统，浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在地基中形成强度较高的土料混合体。水泥土搅拌使用深层搅拌机叟缁，将水泥浆喾与地基土体在原位搅拌或拌合，经过一系列反应软土得到加固，从而提高地基的承载力和变形模量。可以最大限度地利用地基原土，加固后土体重度变化较小，无振动、无污染可在建筑密集的地区进行施工；受地下水的影响较大。强夯一塑料排水板加固地基的方法又称动力固结法【】中国石油大学6硕士学位论文较低；第四、对软土地基的加
4、固效果十分显著。由于强夯一塑料排水板法具有以上特点，通过对强夯法加固地基大量的研究分析后指出：在一般情况下，强夯法适我国大陆地区最早于二十世纪七十年代末开始对强夯法进行试验和研究及应用，强夯法在我国经过了大约三十年的发展，在此期间国内的许多学者和工程设计及施工人员对强夯法进行了不少的试验和研究，符合我国实际情况的强夯理论和强夯施工工艺都有较大的发展【】。强夯法在既有工程经验的指导下为国民经济的发展创造出了较高的经济效益。的夯击动应力，这样强夯的有效加固深度将会增加，对土体的加固效果较为有利。的强度变化主要受到土体的微观结构状态调整的制约。排水固结法又称为预压法，该法是工程技术人员在长期处理软土
5、地基的工程实践中逐渐研究出来的，其核心内容包括对地基土体施加压力的预压系统和改善地基土体渗透性的排水体系两个部分。水平排水体系一般采用砂垫层，最初竖向排水体系主要采用砂井、袋装砂井，随着研究的深入和科学技术的发展塑料排水板逐渐取代砂井成为主要的竖向排水体系。塑料排水板相对于砂井和袋装砂井具有施工简单，工作量比较小等优点该法主要用于处理饱和软粘土地基，预压的方法主要包括采用砂石或土等进行堆载预压和采用真空预压使地表的压力为负值等方法。第二、动力固结：通过在土体中布置竖向排水体系使土体的渗透性有较大幅度的提高，动力固结法处理饱和细颗粒土时，强夯产生的巨大的冲击能量在土体中产生很大的动应力和应力波，
6、使土体中产生很多裂隙，增加了排水通道，使得土体中孔隙水可以顺利排出，随着孔隙水压力的消散，裂隙重新闭合，土颗粒间的结合水膜变薄，颗粒间排列地更为紧密，土体得到固结，强度提高，这就是动力固结。薛茹【】等对珠江三角洲地区的软土的微观结构进行分析得出：软土中的孔隙大小存中国石油大学6硕士学位论文认为动力固结法对地基土体进行加固作用的原理主要包括三个方面的内容：第一、夯击能对含水量较低的土体的压密及挤密作用；第二、含水量较高的土体在夯击能的作用下进行排水固结；第三、土体中的各个组成部分在微观结构上进行新的组合以及形态的改变。一般认为地基土体受到的巨大夯击能在土体中是以波的形式向夯坑周围扩散，冲击波是由
7、三种不同的波组成的。普遍认为强夯冲击波中的剪切波和压缩波能够加固或者有害在学术界存在较大的分歧。以左名麒为代表的一些学者根据自己的研究认为：瑞利波不但不能够使地基土体得到加固反而使地基表面的土层松动，更加不利于建设，所以瑞利波是不利于土体加固的。但是以孔令伟为代表的一些学者指出：瑞利波能够扩散到地表下一定深度的土层，土体在该波的作用下产生有利于强度和变形模量增加变形，故瑞利波是有助于地基加固的。了这一观点的正确性。研究强夯所产生的沉降量一般以原位试验和数值模拟为主，地基土体在夯锤的强烈冲击作用下形成体积较大的夯坑。一般情况下在夯坑的周围的地基土体会出现隆起的现象，土体隆起量与土体的性质和强夯的
8、施工工艺及施工参数等因素有关。由于影响地基在强夯后沉降量的因素较多，所以目前还没有对所有土体都能够适用的理论体系或相关的结论。程展林【】基于剑桥模型对砂井地基的固结变形沉降量进行数值模拟分析，提出了用于沉降计算的等效固结系数法，该法的原理相对简单但是具有较高的应用价值。一般情况下，强夯的夯击次数应该根据强夯的收锤原则进行确定，但是对于压缩性较大的土体还应考虑夯坑的实际深度，如果夯坑的深度过大，则夯锤有可能被土体吸住，造成施工机械起吊夯锤十分困难，这将会严重的影响到强夯的施工效率，造成不必要的能源浪费。得到夯坑的深度与夯击次数的对应关系，为夯沉量的研究提供了一定的参考。中国石油大学6硕士学位论文
9、应变的对应关系。在进行强夯施工时，地表受到夯锤巨大的冲击动应力，由于夯锤与地基的实际接触强夯一塑料排水板联合作用加固软弱地基的方法探岱综合了强夯法与排水固结法的优点，根据已有的工程经验可知，如果该方法能够得到有效的运用，则可以得到显著的加固效果并且造价十分低，所以动力固结法是一种很有应用前景的软弱地基加固方法。尽管如此，由于对软弱土体进行加固处理涉及到的影响因素比较多，目前对动力固结法的理论研究还不够深入，还处于工程实践经验的积累阶段，还没有一套完整而又符合实际的理论体系，在实际工程的设计中依然是以工程经验为主，国内外许多学者对动力固结法是否适用于加固饱和软粘土地基一直存在争议，在一定程度上限
10、制了动力固结法的应用。因此，在现有理论的基础上结合实际工程对动力固结法进行理论和工程设计方法两个方面的研究就很有必要。本文在已有研究成果的基础上主要做了以下几个方面的研究工作：中国石油大学6硕士学位论文第四、应用数学软件对对现场试验和数值模拟所得的离散的数据进行数值拟合，通过数据的拟合函数研究数据的变化规律。本章主要包括以下内容：地基的表面为排水边界，因此，在数值建模时必须反映出它的排水状况。当将数值认为模型的不排水边界；如果排水边界为自由表面，则既可以根据上述情况通过对模型施加边界条件对其进行定义也可以使用荷载来定义；如果排水边界并非自由表面，则只能通过荷载定义具体的孔隙水压力并且其值可以随
11、施加的过程而变化。在本此数值模拟中排水边界为自由表面，所以使用边界条件定义排水条件即可。数值模型中的土体材料类型土体的本构模型直接反应其应力一应变关系，可以将土体看做弹塑性材料，土体采击过程中恒定不变。中国石油大学6硕士学位论文测试值延伸率时复合体伸长率延伸率时土体的固结计算是运用砂井理论进行计算的，所以需要把塑料排水板的条带状截面式中：以塑料排水板的等效砂井直径；撂宓氖虻刃赶凳的主要作用是改善地基土的竖向渗透性，在塑料排水板加固深度范围内地基土的竖向渗透性能得到较大的提高，使孔隙水压力的消散时间缩短，并且塑料排水板是均匀的布设在地基中，由此可知可以将塑料排水板的作用等效为修正地基土的竖向渗透
12、系数，最终用竖向等效渗透系数表示土体的竖向渗透性，水平渗透系数不变。土体的竖向等效渗透系数可以用公式求出：式中：，为各个土层的排水长度；矿为砂井有效影响范围直径，对于按正方形布置的水平渗透系数；乳为塑料排水板单位时间的排水量。网格尺寸划分在进行强夯施工时，夯锤与地基表面直接接触的面积十分有限，在夯点及其附近很小范围内的土体的动力响应远大于地基的其他部分，同时夯坑及其周围附近的动力响应问题是研究的重点，故在水平方向上根据与夯点距离的关系来确定网格的疏密程度，距离夯点越近则采用的网格越密，反之网格较为稀疏；地基在竖直方向上由于土质的差别分为多层，为了使数值模型相对简单，在竖直方向上的每一土层内网格
13、均匀划分。根据前人研究的理论结合本次试验场地的性质单元的最大尺寸不宜超过，单元的最小尺寸根据实际情况确定。中国石油大学6硕士学位论文淮缸杂陕涮骞檀韀数值模型底部边界条件为搿翰嗝姹呓缣跫!或：上表面本章主要包括以下内容：中国石油大学6硕士学位论文场区概况【】根据岩土勘察报告，地基土层在勘察深度范围内自上而下可以分为七层，各层如下所示：倌啻稚：灰黑灰褐色，饱和，主要由长石、石英组成，颗粒呈第三章现场试验及数值模拟结果分析灰黑灰褐色，软塑可塑，局部有轻微摇振反应，切面比较性和干强度中等，含有砂粒和少量铁质氧化物，土质不均匀，局部相变为粉土写稚卅夯坪稚珇灰白色，中密，局部稍密，饱和，混粒，长英质，颗粒
14、层次棱角状，土质不均匀，混有大量细颗粒土，局部渐变为中砂，粘粒含量高达造。主要矿物成份为长石、角闪石、辉石，长石部分风化成高岭土。节理和裂隙发育，现场试验方案设计根据地基土的性质及加固要求试验时采取三遍夯击的方案，其中第一、二遍夯击采用点夯的方式，第三遍夯击采用满夯的方式。由于所选试验区域为正方形，第一、二遍点夯时夯击点采用正方形布置的方案，相邻夯击点中心的间距为，其中第二遍点夯的夯击位置均匀插在第一遍点夯夯击点之间；第三遍满夯夯击点采用梅花形布置方式，锤印搭接长度在以上。前两遍点夯的夯击点布置如图所示。中国石油大学6硕士学位论文一一一厂 、丫。第二鼍夯点可以作为水平排水系统。坑形状的量测统计
15、。试验结果分析圈夯嗍月滴水第三章现场试验及数值模拟结果分析排水板蚺潘，这些裂隙和塑料排水板形成排水通道，在形成排水通道的同时夯击能使土颗粒间吸附水转化成为自由水，通过排水通道可以顺利排出。在夯点规则布置的施工现场，通过多次夯击饱和土使夯击能在孔隙水中积聚，在夯坑四周会形成有规则的垂直裂缝，夯坑附近则会出现涌水现象。随着孔隙水的排出孔隙水压力逐渐减消散，当孔隙水压力消散到小于土颗粒受到的夯点在每击过后的相对夯沉量如图所示：夯击次数击中国石油大学6硕士学位论文一定厚度的砂土即可消除反弹。利用网格法计算施工场地的平均高程，首先应根据每个测点在场地中所处的位测点标高得权值为遣坎獾惚旮叩娜滴猯。平均高程
16、的计算公式为饬苹萍权值测试区的平均高程及地表沉降量分别如表、表所示：测试区测试区第一遍点夯素。第三章现场试验及数值模拟结果分析夯击次勤击鑕中国石油大学6硕士学位论文夯坑的拟合沉降量与实测值的相对误差如表所示：曜脊崛胧匝由表可知：地基在经过强夯加固后标准贯入击数有不同程度的增大，增加幅度表所示：衰粥撇固深度碎石土、砂土等粗颗粒土粉土、粘性土、湿陷性黄土等细颗粒土甇甇第三章现场试验及数值模拟结果分析单击夯击能碎石土、砂土等粗颗粒土粉土、粘性土、湿陷性黄土等细颗粒土甇琌猯甇根据表可以得出：在地基土体受到夯击前后进行标准贯入试验中所得到的结论模拟分析第一击最大夯沉量及地基中各个位置的沉降量云图如图所示
17、：由图可知：通过数值模拟计算所得强夯第一击的沉降量为，通过以上分析可知数值模拟计算的结果与实测值有一定的误差存在是不可避免的，中国石油大学6硕士学位论文娄枷田“节点位移时程曲线将数值分析所得的夯击中心以下不同深度处的沉降量绘制成曲线，如图所示：第三章现场试验及数值模拟结果分析中国石油大学6硕士学位论文暑雜 隆起量最大值相对较小且隆起的水平距离有限说明强夯对上层素填土的压密效果较好。本章主要包括以下内容：，步确定强夯的有效影响深度；孔隙水压力，三组孔隙水压力计的设置位置如图尽第一遍夯击到年第三遍夯击产生的孔隙水压力消散，每天上下午分别采集三个测点的三个不同深度处的孔隙水压力数据。石厂。 、谝槐楹
18、坏第二遍夯点孔压计最佳夯击能从理论上讲，在最佳夯击能的作用下，地基土体中的孔隙水压力可以达到其上覆土层的自重应力。对深厚的饱和淤泥质土而言，由于其渗透性很差且排水路径较长导致其孔隙水压力消散需要较长的时间，因此，当夯击总能量随着夯击次数的增加而逐渐增大时，孔隙水压力亦出现相应的叠加，所以对于饱和淤泥质土，可以根据孔隙水压力的叠加并逐渐趋于稳定的性质来确定最佳夯击能。另一种确定最佳夯击能的方法：将试夯时中国石油大学6硕士学位论文与拐点出现时对应的夯击总能量即为最佳夯击能。本节通过研究孔隙水压力在不同夯击次数下的变化规律来确定最佳夯击能。夯击次数击为。确定强夯的最佳夯击能具有十分重要的意义：第四章
19、孔隙水压力增长和消散规律孔隙水压力增长及消散规律圈簟击后孔奠水压力云蛋舳加如如加加地表下紫端沽隽孔畲螅处次之，处最少且整个强夯过第四章孔隙水压力增长和消散规律程中累计变化量不大；在上面的两个深度处孔隙水压力都有急剧增大的阶段。这是因为：较少。度处在夯后的孔隙水压力较其它两个深度处大再一次证明强夯的影响深度已经可以达軱隙水压力的消散规律、测点的三个不同深度处的孔隙水压力值随时间的变化关系分别如图、加舳蚰加；一点不同深度处孔隙水压力变化曲线中国石油大学6硕士学位论文图决镜悴煌疃却譏蒙水压力清散曲线髦幽鳘阳爵间君第一、二遍夯击后的孔压消散率分别如表、表所示：消散率第四章孔隙水压力增长和消散规律消散率
20、这主要是由于：第一、二遍的夯击能为，第三遍的夯击能为。时间内，孔隙水压力呈现急剧上升的趋势，随后则逐渐下降，直至趋于平稳状态。由动力固结理论可知：在夯击的瞬间较大的夯击应力由孔隙水承担并且产生较大的孔隙水压力，随后孔隙水经排水通道从土粒间析出，在排水的过程中孔隙水压力逐渐消散，当孔隙水压力减小到一定值时，孔隙水压力已不能使土体开裂形成排水通道，此时，孔隙水无法析出孔隙水压力将趋近于稳定。中国石油大学6硕士学位论文土体在强夯时的液化度土体在强夯时的液化度为孔隙水压力与液化压力之比，而地表下某一深度处的液化力的监测，当孔隙水压力基本趋于稳定时即可以人为已经达到饱和度。孔隙水压力孔隙水压力液化度液化
21、度液化度第四章孔隙水压力增长和消散规律地表一 孔隙水压力地表下孔隙水压力液化度液化度液化度衰第二追强夯每击后液化度地表一 地表 孔隙水压力孔隙水压力液化度液化度液化度根据岩土工程勘察报告可知：场区地下水为第四系潜水，勘察期间地下水稳定水位埋深情况如表所示：中国石油大学6硕士学位论文平均值平均值基童板后的较短时间内，地下水位出现较快上升的现象罡叩叵滤辉嘉5乇硐，本章小结本章主要包括以下内容：第五章地面振动分析研究地面振动的目的及方法坏造成较大的损失。因此，在强夯前必须确定振动影响安全距离以便指导施工。地表的水平振动加速度与夯锤重量渚鄅、地基土体的组成成分、土体的弹性模量湫文、孔隙率、含水率等因素
22、有关，不同的施工场地具有不同的振动特点目前有关强夯引起地面振动的理论还不够完善并且水平振动加速度的实测数据也比较少，因此，强夯技术的发展和工程应用在一定程度上受到限制。本章通过采用有限元软水平振动加速度随距离的变化规律圈孓右哦确制眍省裨F分通过腗、槌梢惶踔毕、槌闪硪惶踔毕，其中从节点到节点距夯点的距离越来越远，两条直线在数值分析模型上表面的分布如图所示：霉蚅分布图加博坫偌童、越煅最由图知：在系牡谒母鼋诘为曲线变化的分界间距选择的参考依据。鼋诘阍诹霾煌笨痰乃秸穸铀俣确直鹑缤所示：姜螂螋曩毫、餐赗中国石油大学6硕士学位论文上各个节点的水平振动加速度均随着距夯点距离的增大而逐渐减小并且逐渐趋近于零。
23、水平振动加速度的衰减随着距离的增大呈现出非线性的变化形式，在距夯点较近处加速度急剧减小，距离夯点较远处曲线变化较为缓和并且数值相对比较小。这是由于土体本身是一种非完全弹性介质，振动波在传播的过程中即使土体产生很小的变形也会导致介质间产生内摩擦引起能量的消耗从，最终导致水平振动加速度加速衰减。将与模拟值的误差如表所示。距离艋拟合值误差甇甇振动影响安全距离的确定临界位置以外的区域为强夯时的安全范围。窷抗震设防烈度和设计地震加速度值的对抗震设防烈度设计基本地震加速度曲的时间比较短，大约在内能够完成整个振动过程，然而设防烈度在六度以上的地震通过对水准铀俣龋痳中国石油大学6硕士学位论文中振动影响安全距离
24、的参考值。畇当夯击点与邻近的建筑物、构筑物等的距离不满足强夯需要的安全距离，但是依然使用强夯加固地基时，就必须采取有效的减振措施以避免地面振动对临近物体造成破坏。设置隔振沟是一种十分有效、简单且经济的减振方法，该法可以对被保护的对象形成一个有效的屏蔽区域，当振动波在传播过程中遇到这种屏障时振动就会降低，从而使地面振动加速度减小到可以接受的范围穸铀俣炔淮笥痵。基于不同的设计理论隔振沟主要有两种形式：一种是根据主动隔振理论，在邻近或围绕着振源附近的地方挖沟，该法通过减少振源向外辐射能量而达到减振的目的，但是对隔振沟的工艺要求较高并且有可能对强夯施工造成不利的影响；另一种则是依据被动隔振理论，在靠近
25、保护对象的一侧挖沟，使夯击能在传播过程中有一定程度的损耗后再通过隔振沟的作用使地面振动再度减小从而达到减振的目的。本章小结本章主要包括以下内容：中国石油大学6硕士学位论文参考；应力研究的方法在强夯过程中土体所受到的应力包括自重应力和附加应力，自重应力是土体本身的重量所引起的压力，附加应力则是来自强夯的冲击作用。在使用强夯加固的过程中，对土体起到加固作用的是其所受到的附加应力，该力的特点是：对土体的作用时间比较短，地表下不同深度的土层受到的附加应力差别较大。因此，对于附加应力的研究具有十分重要的意义。附加应力随深度的变化规律中国石油大学6硕士学位论文一些学者通过实验及理论分析得到在强夯作用下地表
26、面的最大动应力的估算方法如式所示：赫籶第六章应力分析所示：谐谏尽辀估算值与模拟值的差别应力值的误差分别如表所示：叠蒌甇深度肺中国石油大学6硕士学位论文甇第六章应力分析的附加应力与拟合数据的误差较大；第二、而在表中在地表下范围内，中国石油大学6硕士学位论文在地表下处土体受到的附加应力已经衰减到最大值的钡鼗艿研究附加应力随深度的变化规律的意义：研究强夯法加固地基的机理包括宏观机理地基分别受到三个不同的夯击能作用时，地表下不同深度处的土体受到的附加应力零中国石油大学6硕士学位论文通过附加应力确定有效加固深度度处即为压缩土层的下限值，如果在上述深度以下的土层仍具有较高的压缩性，那么压重应力的比值兀达到
27、某个限值时就可以认为该深度范围内处于强夯的有效加固范围之内。竖向附加应力与其上覆土层的自重应力的比值确定强夯法的有效加固深度，为得到一般换髂艿淖饔孟掠行庸躺疃任，夯击能的作本章主要包括以下内容：土的有效加固深度的经验值反算出有效加固向深度临界位置处二者的比值；中国石油大学6硕士学位论文在动力固结理论研究和实际工程应用方面取得一些成果：第七、通过数值分析得到地基土体在受到强夯作用时地表所受到的动态夯击应力相结论与展望第八、地基由于受到强夯作用而产生的竖向附加应力、地表水平振动加速度、孔隙今后对于动力固结法研究的几点设想：中国石油大学6硕士学位论文妒轺耄豆郾鼗第二版中国：中国建筑工业出版社，学年拢
28、：】张季容，朱向荣等，土力学诙【北京：中国建筑工业出版社，甌】吴振贵动力排水固结法处治道路软土地基【浚煌n萍迹：【荒芨眨液海亢患庸袒淼亩治觥綧】合肥：合肥工业大学出版社，年拢：【】李哲，贺建龙，严军，李旭，郑义强夯橡皮土的处治方法川。陕西建筑与建材【】粱济丰，任耀华，祝真强饱和软土地基强夯单击夯击能的计算阴路基工程胡瑞林，李焯芬，王思敬，张礼中，李向全动荷载作用下黄土的强度特征及结构【】薛茹，胡瑞林，毛灵涛软固过程中微结构变化的分形研究叨土木工程学縇現甈簂珺 甈年拢縋中国石油大学6硕士学位论文【】百度百科本构关系疧，：産甴【】于小军，施建勇，徐扬斌考虑软粘土各向异性的扰动状态概念本构模型明第一届报年拢：【】岳戈，陈权没胧道杲鈁北京：人民交通出版社，计】报年月叮瓻【】彝凉炭辈旃娣年版維】北京：中国建筑工业出版社，中国石油大学6硕士学位论文致本文是在导师战永亮副教授的悉心指导下完成的。在三年的研究生学习中，导师为我们提供了良好的学习环境，在课程学习和学术研究上对我严格要求，并给以了我无微不至的关怀和指导，使我能顺利的完成学习和科研工作；我所取得的每一点进步都倾注了导师的大量心血。在教给我学习和研究方法的同时，导师渊博的学识、严谨的治学态度、一丝不苟的工作作风和忘我的工作精神，都激励着我奋发向上，也将使我受益终身。