强夯置换法处理软土地基的模型试验研究

2011-09-04徐玉胜赵有明高明显

铁道建筑 2011年1期

徐玉胜，赵有明，高明显

(中国铁道科学研究院，北京 100081)

强夯置换是近年来在夯法的基础上发展起来的一种适用于处理高饱和度、低透水性、低强度、高压缩性软土的地基处理方法。强夯置换法采用在夯坑内回填块石、碎石等粗颗粒材料，用夯锤夯击形成连续的强夯置换墩。强夯置换法具有加固效果显著、施工期短、施工费用低等优点，目前已用于堆场、公路、机场、房屋建筑、油罐等工程，效果良好［1］。

刘天韵［2］、黄海［3］、郭文东［4］、任继荣［5］、李炜东［6］、苏文峰等［7-8］通过现场试验和工程实例对强夯置换机理进行了研究和阐述，得出了一些有益的结论。但由于现场试验成本大、受工期影响等原因，针对不同强夯参数对置换效果的影响等方面的研究很少，至今尚未形成系统性结果，强夯置换法的参数设计还高度依赖经验和现场试验。

而室内模型试验可以选择多种试验参数并且可以方便地取得试验数据，同时可以低成本地进行系列试验。韩文喜等［9-12］通过室内模型试验对强夯法的机理进行了研究，但到目前为止，尚未有人通过室内模型试验对强夯置换法机理进行研究。本文针对深圳地区软土的特性，在室内建立与实体模型存在相似性的小比例尺寸模型对强夯置换法处理软土地基机理进行了尝试性研究，以期结合数值模拟给出针对强夯置换法的设计依据。

1 模型试验设计

1.1 试验相似律原理

与动力学研究中的落锤实验类似，现场原型受速度为V，质量为M物体的撞击，与几何相似的小尺寸模型受到速度为v，质量为m的撞击，它们之间的各种参量关系遵循一定的相似率［13］。由于小尺寸模型与原型的自重应力虽不类似，但由于模型受到很大的冲击应力的作用，重力的影响可以忽略。

对于物理模型试验来说，存在一个现场原型与室内模型的相似律问题。根据文献资料［13］，试验采用表1缩放律。

1)几何相似，为保证室内模型与现场原型在几何上相似，将模型夯锤直径、夯点间距、淤泥层厚度、碎石垫层厚度以及碎石粒径等按比例缩小20倍。

2)材料相似，取与现场原型相同的材料制作室内模型的材料。模型试验是由现场淤泥直接装箱，工作垫层采用按上述等比缩放的碎石。

3)夯击能量，夯锤起吊高度按比例缩小20倍。

1.2 试验目的

通过室内模型试验，获得系列数据，研究一定条件下夯击过程中置换体的发展过程。分析夯锤直径、夯击能量等因素对置换效果的影响，探讨夯击过程中地面变形规律及超静孔隙水压力变化规律。以期对强夯置换法处理软土地基的机理有更全面深入的认识，并为后期数值模拟提供可靠的验证资料。

1.3 试验装置及参数

1)试验装置

模型试验在自制的模型箱中进行，共制作两个尺寸为260 cm×150 cm×100 cm的模型箱。1#模型箱用来模拟置换体发展过程，2#模型箱用来模拟多种强夯工艺参数与置换体形态的对应关系以及夯击过程中地面变形和孔压发展的规律。图1为强夯置换模型试验装置示意。

图1 强夯置换模型试验装置示意(单位:cm)

试验装置分固定和活动两部分，箱体为固定部分，模型箱内部作防渗处理，箱体顶部侧边设角钢滑道，方便活动门架沿箱体顶部边缘横向移动;支架顶部的横梁设定位孔、滑片及滑轮，方便夯锤的起吊和夯点的双向定位。

2)试验参数

试验用淤泥直接取自现场，其含水量94.0%，孔隙比2.51，固结不排水强度指标 c、φ分别为13.9 kPa和25.0°;工作垫层材料为商品碎石，碎石粒径1～2 cm，强度指标 φ 为36.9°。

试验采用质量为4.0 kg的铸钢圆柱体夯锤4个，夯锤直径分别为6 cm、8 cm、10 cm和12 cm。1#模型箱各夯点均采用8 cm夯锤，起吊高度120 cm，共布置31个夯点，针对表2中工况一所对应的土层参数。2#模型箱试验针对不同型号的夯锤和不同起吊高度的组合条件，共布置24个夯点，分别针对表2所示的三种工况进行了系列试验，其中工况一、二、三分别对应2#模型箱的 A、B、C区。

1.4 试验数据的测量

1)置换体形态测量

每个夯点夯击完成后，及时用对应碎石回填夯坑。在采取措施使淤泥含水量降低到一定程度后，人工分层挖出夯坑中的碎石，使置换体形状(夯坑)完全暴露，用特制的卡尺测量夯坑的直径和深度。从而获得夯坑(即置换体)的剖面图。

表2 模型试验土层分布参数

2)地面变形的测量

用自制小型沉降板测量夯击过程中夯坑周边地面变形，沉降板布置在碎石垫层顶面。沿每个试验夯点径向距离布设10个沉降板，间距5 cm。

3)超静孔隙水压力的测量

为研究在夯击过程中离夯点不同距离、不同深度的超静孔隙水压力随时间的变化规律，在2#模型箱工况一对应的试验区域选择E3、E4两个夯点作为孔压监测夯点，按图2所示的位置布置了2组6个孔隙水压力传感器。其中第1组 u11、u21、u31距淤泥顶面10 cm，第2组 u12、u22、u32距淤泥顶面25 cm。两组测点距 E3、E4夯点的水平距离分别为 12 cm、19.5 cm、27 cm 和 8 cm、15.5 cm、23 cm。E3、E4 两试验点均采用直径8 cm的夯锤，起吊高度分别为100 cm、120 cm，其它试验参数相同。孔隙水压力测量采用DYZ型微型孔压计。在孔隙水压力传感器附近设置地下水位管，以监测地下水位，从而根据测得的孔隙水压力和地下水位求得超静孔隙水压力。每次夯击后测量一次，收锤后按一定时间间隔连续测量，直到超静孔压消散为止。

图2 孔隙水压力传感器布置示意(单位:cm)

2 试验结果分析

2.1 置换体发展过程

1#模型箱针对置换体发展过程方案共布设31个夯点，夯击次数依次从1递增到31击，即夯点编号对应该夯点的夯击次数。试验采用直径为8 cm的夯锤，落距120 cm。图3给出了夯击数与置换深度之间的关系。

图3 夯击数与置换深度的关系

从图3(a)中可以看出，在试验条件下，置换深度的发展可以分为三段:1～6击为第一段，该段置换体快速增长，达到14.5 cm，占最大置换深度的38%;7～22击为第二段，该段置换体增长速度较第一段慢，使置换深度增加了20 cm，占最大置换深度的52%;22击以后为第三段，该段第26击达到最大深度，之后置换深度不再随击次的增加而增加，但从总体趋势看，该段属于缓慢增加阶段。

根据上述分析，提出极限置换深度的概念，指在相同条件下，某一夯击能量对应的最大置换深度。在达到该深度后，增加夯击次数对置换体的竖向发展没有任何意义。由试验数据的关系特征进行拟合，夯击数与置换深度的关系近似地用式(1)表示

式中，h为对应于击次N的置换深度，hc对应于夯击能量的极限置换深度。图3(b)是将38.5 cm作为极限深度时，根据式(1)绘制的夯击次数与置换深度的关系曲线。可以看出，曲线能够较好地拟合上述分析中提到的三个阶段的特征，由于绘制曲线的前提是hc=38.5 cm，所以在26击次时并没有达到试验值38.5 cm。但从试验数据和拟合曲线都可以发现，在22击以后，置换深度的增加幅度较之前明显减小，要达到极限置换深度要再增加几十击。反映到施工现场，意味着工时和造价的大幅增加，与之相比，提高强夯能级具有明显的技术经济优势。

2.2 夯锤直径对置换深度影响

图4给出了三种试验工况在能量一定(落距为120 cm)的条件下，不同夯锤直径与置换深度的关系。

图4 夯锤直径与置换深度的关系

从图4可以看出，A、B、C三个试验区各个夯点置换深度与锤径之间的关系总体趋势是一致的，即随着夯锤直径的增大，置换深度都随之减小。

2.3 夯击能量对置换深度的影响

图5给出了三种工况条件下夯锤直径一定(夯锤直径为8 cm)，不同能量(落距)与置换深度的关系。从图中可看出，A区、B区、C区存在相同的规律:置换深度随着夯击能量(落距)的增加而增加，均近似地符合对数关系。其中，A、C区的置换深度及其增长趋势非常接近，而B区与其他两个区相比置换深度明显偏小，但置换深度随能量的增长幅度较大，说明在垫层较厚的情况下，要获得相同的置换效果，需要较高的能量才能达到。

图5 夯击能量与置换深度的关系

2.4 夯击过程中超静孔隙水压力变化规律

1)夯点附近水平向超静孔压变化规律

在2#模型箱E4夯点周围距淤泥顶面10 cm和25 cm的位置布置2组6个孔隙水压力传感器，E4夯点的工况为工作垫层厚10 cm，垫层碎石粒径1～2 cm，夯锤直径8 cm，落距120 cm。试验时每次夯击后记录各个孔隙水压力传感器的读数，图6给出了淤泥顶面以下25 cm处u12、u22、u32的超静孔隙水压力随夯击数变化的情况。试验曲线表明三个点的超静孔压都随着夯击次数的增加而增加，但距夯点中心轴线近者孔压的增幅要大，u12、u22、u32三点强夯35击过程中超静孔压的最大增幅分别为 1.8 kPa、1.5 kPa和 0.4 kPa。

图6 水平向上超静孔隙水压力变化规律

2)夯点附近垂向上超静孔隙水压力变化规律

图7给出了E3点强夯时垂向上超静孔隙水压力随夯击数变化的情况。

图7 垂向上超静孔隙水压力变化规律

试验表明，随着夯击数的增大，各个测点的超静孔隙水压力都相应增大，夯击数相同时距离淤泥顶面越近，超静孔隙水压力增长幅度越大。

图7还表明，靠近表层的u31点超静孔隙水压力在第8击时接近峰值，然后略有下降，而后又开始缓慢上升，然后基本维持在2.3 kPa的水平;但深层点u32的超静孔压在第22击时才达到峰值，之后稳定在2.0～2.2 kPa的范围。这主要与置换体的形成及其起到的排水作用有关。根据相同条件下的强夯置换体形成过程试验的相关数据，5击次和20击次对应的置换深度分别为14 cm和30 cm，置换体底部位置正好刚刚超过孔压测头埋置深度，充分说明了置换体形成后其显著的排水作用。随着夯击次数的增加，超静孔压不断的增加、快速消散，加速了桩间淤泥土的固结过程，将大大改善地基的性状。