强夯加固粉土地基超孔隙水压力增长规律研究

张宏博，厉 超，陈晓光，宋修广，李红超

(1．山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061;2．山东省路基安全工程技术研究中心，山东 济南 250061; 3．河南省地质矿产勘查开发局 第三地质勘查院，河南 洛阳 471023)

强夯加固粉土地基超孔隙水压力增长规律研究

张宏博1，2，厉 超1，2，陈晓光1，宋修广1，2，李红超3

(1．山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061;2．山东省路基安全工程技术研究中心，山东 济南 250061; 3．河南省地质矿产勘查开发局 第三地质勘查院，河南 洛阳 471023)

黄河冲积平原地层以粉土和粉质黏土为主，为研究该地区强夯加固地基的超孔隙水压力增长规律，进行了强夯现场试验。通过对超孔隙水压力的现场监测及试验结果的统计分析得出:夯击次数和地层埋深影响超孔隙水压力增长规律;其增长模式符合指数曲线模型，基于该模型推导出的超孔隙水压力增长计算公式经验证是合理的;随着夯击次数增加，浅层土体最先出现液化，随后液化区域逐渐加深;地下水位较高时，可以实施降水以降低临界液化深度，从而实现连续多次夯击。

强夯 粉土地基 超孔隙水压力 增长规律

强夯法在高速公路施工中得以广泛应用，在多数路段取得了较好的应用效果［1］。但由于普遍缺乏相对统一的应用标准，各路段重复试验。究其原因，强夯过程中地基超孔隙水压力的增长及消散受较多因素影响，施工缺乏严格的控制标准，一直未得到工程界的普遍认可。但超孔隙水压力增长规律对施工工艺参数的影响至关重要，这也造成地基加固效果良莠不齐。为解决该问题，国内外学者结合现场试验和理论分析，从多方面进行了深入研究。钱学德［2］利用动力固结仪进行了细砂在冲击荷载作用下的动力固结试验，得出了动孔隙水压力随夯击次数变化的表达式。孟庆山、白冰、曾庆军等人分别进行了饱和软黏土在强夯冲击荷载作用下的试验研究，得出影响超孔隙水压力的主要因素，及体应变与超孔隙水压力的关系曲线等，并对冲击荷载作用下饱和黏土孔压增长与消散规律进行了初步探讨［3-5］。李晓静等［6］对黄泛区路基强夯时不同夯击次数下超孔隙水压力变化规律进行了现场试验研究。

在上述基础上，本文结合在建道路工程，进行了强夯现场试验，重点针对黄泛平原区强夯加固粉土地基超孔隙水压力增长规律进行了研究，并优化了施工工艺。

1 强夯现场试验

1.1 试验工况

试验场地位于山东省滨州市，地貌主要为黄河冲积平原，岩性以粉土、粉质黏土为主，实测试验场地地下水位埋深约2.0 m。按照地质勘探资料和土层物理力学性质，试验区地层自上而下可划分为7层:①粉土，稍密～中密，层厚5.8～8.9 m;②粉质黏土，夹粉土、粉砂透镜体，层厚4.0～9.2 m;③粉土，中密 ～密实，夹粉质黏土、粉砂透镜体，层厚6.7～11.0 m;④粉质黏土，夹粉土透镜体，层厚0.5～6.7 m;⑤粉土，中密～密实，夹粉质黏土、粉砂透镜体，层厚 12.7～20.6 m;⑥粉质黏土，夹粉土、粉砂透镜体，层厚2.4～6.5 m;⑦粉土，本次勘测未揭穿该层，最大揭露厚度3.5 m。

1.2 试验方案

试验场地为40 m×40 m的方形区域，夯点按正方形布置，夯点间距为6 m，现场布置如图1所示。试验区分为A，B，C和D四个区域，分别进行单击夯击能为1 500，1 200，1 000和800 kN·m的点夯试验，各区域独立试验，且试验前后间隔一定时间，避免相互干扰。试验所用夯锤为圆形，锤径为2.25 m，夯锤质量为10 t。

图1 现场试验布置(单位:m)

试验前在夯点下埋设孔隙水压力计，在夯点间埋设水位管。孔隙水压力计用以监测孔隙水压力变化，水位管用以监测试验过程中地下水位变化。为提高强夯效果，试验采用井点降水技术对试验区进行降水，降水井点间距为3 m，降水后地下水埋深为3.8 m。试验孔隙水压力计埋深分别为4，6，8，10 m，孔隙水压力计布置如图2所示。

图2 孔隙水压力计布置(单位:m)

降水完成后进行强夯试验，监测和记录夯击过程中孔隙水压力的累积变化。当夯坑地面隆起值较大，起锤困难或最后两击平均沉降量不大于5 cm时停止夯击。

2 结果及分析

2.1 超孔隙水压力随单点夯击次数增长规律

以夯击能为1 500 kN·m为例，第一遍点夯夯锤下超孔隙水压力的增长曲线如图3所示。

图3 现场超孔隙水压力增长情况(1 500 kN·m)

从图中可以看出:①超孔隙水压力随夯击次数增加而增大，第8次夯击时超孔隙水压力累积值最大达到70 kPa;②浅层土的超孔隙水压力累积值远大于深层土，8 m埋深地层超孔隙水压力累积值为4 m埋深地层的20%～40%，10 m埋深地层超孔隙水压力累积值仅为4 m埋深地层的10%～15%，表明强夯对8 m及以下深度地层影响不明显。可见，夯击次数和地层埋深影响超孔隙水压力增长。

2.2 超孔隙水压力增长模式

动荷载作用下超孔隙水压力的增长模式一直是土力学研究的一个重点，其计算模式主要有双曲线模型和指数曲线模型［7］两类。指数曲线模型多用来描述饱和砂土的孔压上升规律［8］，曾长女等［9］根据大量不同粉粒含量的饱和粉土振动三轴试验结果，建议采用指数函数曲线模拟土体的动孔压发展，其表达式为

式中:u为累积超孔隙水压力;uf为孔压稳定值;β为计算参数;t为作用时间;tf为与 uf对应的持续时间。t/tf表征了影响超孔隙水压力增长的各因素。

本文主要从夯击次数和埋深方面探讨超孔隙水压力增长模式，现以N代表夯击次数，以Nf代表对应于uf的夯击次数，则自变量 t/tf可用 N/Nf替代，式(1)可改为

将本文超孔隙水压力试验数据绘成 u/uf－N/Nf曲线，可以发现，公式(2)与试验曲线拟合较好。以夯击能为1 000 kN·m和1 500 kN·m的现场实测数据为例，实测数据见表1，拟合曲线如图4所示。从图4可以看出，指数函数能够很好地拟合超孔隙水压力的增长规律，这与文献［9］对饱和粉土动孔压增长模型的研究结论一致。因此，若能确定参数β和uf，则可以建立该地区超孔隙水压力增长的数学表达式。

表1 超孔隙水压力实测数据

文献［4］表明，β随夯击能E增大而增大，其β－E曲线呈抛物线型，可以利用E的二次函数对β进行拟合;不同工况β－h(h为地层埋深)散点图拟合曲线为一组近似平行的直线，表明地层埋深h对β线性影响，因此可以利用h的线性函数对β进行拟合。综合考虑E和h，初步确定β的表达式为

图4 指数曲线模型数据拟合

求解 uf时，首先对不同工况的夯击能归一化(1 000 kN·m)，得到各工况的uf－h散点图，发现ufh散点图近似呈线性变化，表明地层埋深h对uf线性影响，因此采用线性拟合;对归一化的拟合曲线引入影响因素E，即可得到uf关于h和E的表达式为

将式(3)、式(4)代入式(2)后即得到强夯加固粉土地基超孔隙水压力增长函数表达式。

为了验证公式(2)的合理性，选取文献［6］所述工况进行验证。文献［6］单击夯击能为2 000 kN·m，夯击6次时总夯击能达到12 000 kN·m，与本文所述的总夯击能相等，因此采用公式(2)计算夯击6次的超孔隙水压力并与实测值进行比对，不同深度的公式计算值与现场实测值分别如表2所示。

表2 超孔隙水压力公式计算值与现场实测值

由表2可知，强夯的前2次夯击计算值较实测值小，但随后夯击的计算值与实测值能够较好地吻合，而这正是本文所关注的，表明总夯击能为12 000 kN·m时，利用公式(3)计算强夯超孔隙水压力的增长是合理的。

2.3 地基土液化情况

为研究强夯地基土体的液化情况，引入超孔隙水压力比概念。超孔隙水压力比为某一深度地层强夯产生的超孔隙水压力u与该深度初始有效应力σ的比值，超孔隙水压力比为1时，土体有效应力为0，则认为该土体已发生液化。通过分析强夯超孔隙水压力比的发展规律可以分析地基土液化情况。图5为不同夯击能夯击过程超孔隙水压力比变化曲线。

图5 不同夯击能夯击过程中超孔隙水压力比变化曲线

对比分析图5(a)和5(b)可以发现，不同深度地层的超孔隙水压力比均随夯击次数的增加而增大，且超孔隙水压力比沿深度递减，表明随着夯击次数的增加，浅层土体最先出现液化，试验现场地下水位埋深为3.8 m，所以3.8 m埋深土体会最先出现液化，而3.8 m以上土体不会出现液化，其临界液化深度为3.8 m;夯击能为1 000 kN·m时在第11次夯击后，超孔隙水压力比累积最大值出现深度为3.8 m，约为0.65，＜1，表明该能量级第11次夯击后地基未出现液化，但连续11次夯击后超孔隙水压力比增长缓慢，这是因为随着夯沉量的增加土体变形模量增大，单击夯沉量增长缓慢，从而单击超孔隙水压力增长缓慢，导致超孔隙水压力比增长缓慢;夯击能为1 500 kN·m时在第8次夯击后，3.8 m埋深位置累积超孔隙水压力比约为1，土体出现了液化。

根据现场试验结果绘制了不同夯击次数土体临界液化深度的经验关系曲线，以1 500 kN·m为例，绘制其夯击次数—液化深度关系曲线，如图6所示。

图6 夯击次数—液化深度关系曲线(1 500 kN·m)

由图6可以看出，土体临界液化深度随着夯击次数的增加而增大。因此当地下水位较高时，为实现连续夯击，可以进行降水，以降低临界液化深度，提高施工效率。单击夯击能为1 500 kN·m时，降水至埋深3.8 m后可以实现7～8次连续夯击。

4 结论

1)夯击次数和地层埋深影响超孔隙水压力增长，超孔隙水压力随夯击次数增加而增大，随深度增加而减小;单击夯击能为1 500 kN·m时夯击8次后，超孔隙水压力累积值达到70 kPa，其主要影响深度在8 m埋深以上。

2)强夯加固粉土地基超孔隙水压力的增长模式符合指数函数模型，基于该模型推导出超孔隙水压力的计算公式，经验证是合理的。

3)随着夯击次数的增加，浅层土体最先出现液化，随后液化深度逐渐增大。地下水位较高时，可以通过降水以降低临界液化深度，提高施工效率。

［1］地基处理手册编委会．地基处理手册［M］．3版．北京:中国建筑工业出版社，2008．

［2］钱学德．饱和砂土在动力固结试验中的性状——对强夯机理的探讨［J］．港口工程，1981(2):9-14．

［3］孟庆山，汪稔，陈震．淤泥质软土在冲击荷载作用下孔压增长模式［J］．岩土力学，2004(7):1017-1022．

［4］白冰，周健，曹宇春．冲击荷载作用下软黏土变形和孔压的若干问题［J］．同济大学学报(自然科学版)，2001(3):268-272．

［5］曾庆军，周波，龚晓南．冲击荷载下饱和黏土孔压特性初探［J］．岩土力学，2001，22(4):427-431．

［6］李晓静，李术才，姚凯，等．黄泛区路基强夯时超孔隙水压力变化规律试验研究［J］．岩土力学，2011，32(9):2815-2820．

［7］王伟，卢廷浩．滨海软土动孔压发展模型核心函数研究［J］．自然灾害学报，2009，10(5):192-196．

［8］张建民，谢定义．饱和砂土振动孔隙水压力增长的实用算法［J］．水利学报，1991，22(8):45-51．

［9］曾长女，刘汉龙，周云东．饱和粉土粉粒含量影响的动孔压发展规律试验研究［J］．防灾减灾工程学报，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

(责任审编 周彦彦)

2015-01-07;

:2015-02-10

国家自然科学基金项目(51208284);山东省科技发展计划项目(2013GSF11603)

张宏博(1977— )，男，山东济宁人，副教授，博士。

1003-1995(2015)08-0101-04