平底夯锤和异形夯锤强夯效果的对比研究

韩云山， 刘小梅， 吴 晗， 王元龙

(中北大学 理学院， 山西 太原 030051)



平底夯锤和异形夯锤强夯效果的对比研究

韩云山， 刘小梅， 吴 晗， 王元龙

(中北大学 理学院， 山西 太原 030051)

对夯锤底面的形状进行改进， 在夯锤底面增加4个半球， 形成了异形夯锤， 开展1∶8黄土模型试验. 从夯坑深度、 加固深度、 平均应变以及孔隙比四个方面研究了在异形夯锤作用之下强夯加固效果， 并与普通平底夯锤强夯加固效果进行了对比. 结果表明： 在能级和夯击次数相同的情况下， 平底夯锤重锤低落距的夯坑深度深于轻锤高落距的夯坑深度， 异形夯锤轻锤高落距的夯坑深度深于重锤低落距的夯坑深度. 在质量、 高度和夯击次数相同的情况下， 平底夯锤的加固深度深， 加固效果均匀， 异形夯锤的加固深度浅， 加固效果不均匀， 且集中在较浅的深度范围内. 在加固深度范围内， 异形夯锤作用下土体的平均应变大于平底夯锤作用下土体的平均应变. 试验结果揭示了异形夯锤和平底夯锤在黄土地区加固时的特点， 为黄土地区的工程设计和施工提供了有益的参考.

强夯； 平底夯锤； 异形夯锤； 黄土； 加固

强夯法是1969年法国Menard[1]技术公司发明的一种新型的提高地基承载力的方法[2-4]. 夯锤是强夯主要设备之一， 现有夯锤按形状分为方形、 圆柱形或圆台形； 按材料分为混凝土锤、 浇铸钢锤； 按结构分为整体式、 组装式、 透孔式或封闭式.

迄今为止， 国内外实际工程普遍采用的夯锤形状为平底夯锤， 异形夯锤的强夯效果尚未深入研究， 在实际工程中更没有得到广泛的应用. 王颖蛟， 郑小艳[5]通过模型试验得出结论： 球底锤比平底锤对桥台的振动影响小， 且球底锤比平底锤的夯沉量更大， 有利于增大夯实效果. 刘俊[6]通过江西某公司在多处施工场地用新型柱状夯锤对施工场地的加固实践， 得到新型柱状夯锤加固的深度及其影响范围特点. 阎风翔， 巩天真[7]对3种夯锤( 半球型、 椭球型、 锥型)施工的试桩区进行了复合地基载荷试验， 对桩间土和桩体土样的基本物理性质进行了分析， 综合现场试验分析结果和动力有限元分析结果发现： 椭球型锤贯入效率最高； 半球型夯锤夯填效果最好， 承载力提高率最大且挤密效果最均匀. 然而在以往的研究中， 大多数的学者仅研究了异形夯锤的加固特点， 并未与传统的平底夯锤进行对比研究. 本文在平底夯锤底部增加4个半球形成异形夯锤， 并与普通平底夯锤的加固效果进行对比研究， 为今后强夯时根据施工的特点选择合适的夯锤形状提供参考.

1 模型试验方案设计

1.1 试验主要设备

直径为320 mm的平底夯锤和异形夯锤如图 1 所示.

图 1 夯锤形状Fig.1 Shape of hammer

1.2 模型试验方案设计

本试验模型[8-9]及夯击功能按几何相似、 运动相似以及力的相似规律[10]进行设计.

试验采用山西省太原市尖草坪区典型的湿陷性黄土作为土样， 以80 cm模拟现场6.4 m的填筑厚度， 分层填筑并均匀夯实至初始干密度为1.43 g/cm3左右， 含水量在14.8%左右. 模型如图 2 所示， 模型土体每层厚度10 cm， 共8层， 夯点下从土体表面算起， 层间埋置环刀(V=60 cm3)， 编号①～⑨.

图 2 模型土体的具体尺寸及环刀埋置位置Fig.2 Soil size and position of ring cutter

1.3 模型试验的过程

试验分为A， B两大组进行， A组为平底夯锤强夯模型试验， B组为异形夯锤强夯模型试验. 每组根据不同锤重分为4组， 每组20击. 每次夯击后人工测量夯坑深度， 每组20击夯完后开挖测量夯点下各层环刀的下沉量. 由于实验中的夯锤为组装夯锤， 因此两组对比实验中的夯锤重量稍有偏差， 最大的偏差为6%， 可以忽略不计， 试验总方案如表 1 所示.

表 1 试验总方案

2 模型试验结果分析

2.1 夯坑深度分析

图 3 和图 4 分别为不同质量平底夯锤和不同质量异形夯锤的夯坑深度随夯击次数变化的曲线. 从图中可以看出， 随着夯击次数的增加， 累计夯坑深度逐渐增加. 由图3可以看出， 在20击后， A1, A2, A3, A4组的夯坑深度分别为17.1, 17.9, 20.6, 20.7 cm， 即： 平底夯锤重锤低落距的夯坑深度深于轻锤高落距的夯坑深度. 而对异形夯锤， 由图 4 可以看出， 在20击后， B1, B2, B3, B4组的夯坑深度分别为20.4, 19.7, 19.4, 17.6 cm， 即： 异形夯锤轻锤高落距的夯坑深度深于重锤低落距的夯坑深度.

图 3 不同质量的平底夯锤的夯坑深度曲线 Fig.3 Depth curve of tamping pit under different weight of flat bottom hammer

图 4 不同质量的异形夯锤的夯坑深度曲线 Fig.4 Depth curve of tamping pit under different weight of special shaped hammer

2.2 加固深度分析

本实验中的加固深度是土体中下沉量为零的点到土体表面的距离. 图 5 为不同锤重下的土体加固深度. 由图 5 可知， 在同能级下， 平底夯锤的加固深度随着夯锤的质量提高而不断增加， 异形夯锤则恰好相反. 就整体而言， 平底夯锤在加固深度方面比异形夯锤有优势.

图 5 试验A， B加固深度与锤重的关系Fig.5 Relationship of reinforcement depth and weight of hammer between test A, B

2.3 平均应变分析

定义每击后的累计夯沉量和加固深度的比值为平均应变， 由此可得到每种组合不同夯击次数下的平均应变. 图 6～图 9 为相同锤重下， 平底夯锤和异形夯锤夯击土体的平均应变随夯击次数变化的曲线. 从图中可以得出： 相同击数下， 无论哪组锤重， 异形夯锤B的平均应变均大于平底夯锤A.

图 6 锤重为400 kN时不同形状夯夯击土体的平均应变Fig.6 The average strain of the soil under the hammer of different shapes at 400 kN

图 7 锤重为550 kN时不同形状夯锤夯击土体的平均应变Fig.7 The average strain of the soil under the hammer of different shapes at 550 kN

图 8 锤重为690 kN时不同形状夯锤夯击土体的平均应变Fig.8 The average strain of the soil under the hammer of different shapes at 690 kN

图 9 锤重为830 kN时不同形状夯锤夯击土体的平均应变Fig.9 The average strain of the soil under the hammer of different shapes at 830 kN

图 10 和图 11 是同锤形不同质量的夯锤随着夯击次数变化时土体平均应变变化的曲线. 由图可以看出， 在20击之后， A1， A2， A3， A4组的土体平均应变分别为： 0.22， 0.23， 0.23， 0.24； B1， B2， B3， B4组的土体平均应变分别为： 0.29， 0.3， 0.32， 0.34. 由此可知， 无论是平底夯锤还是异形夯锤， 重锤加固的土体平均应变大于轻锤加固的土体平均应变， 说明夯锤形状相同、 底面积相同时, 夯锤越重， 即夯锤的高径比越大,对土体的整体压缩越剧烈.

图 10 不同质量平底夯锤A夯击土体的平均应变对比Fig.10 Comparison of average strain of soil under flat bottom hammer of different weight

图 11 不同质量平底夯锤B夯击土体的平均应变对比Fig.11 Comparison of average strain of soil under special shaped hammer of different weight

2.4 土工试验分析

模型土体每层厚度10 cm， 共8层， 夯点下从土体表面算起， 每层层间埋置环刀， 编号①～⑨， 环刀体积V=60 cm3. 通过每层埋置的环刀依次取了A， B两大组试验的土样进行土工试验分析. 得到20击之后每组试验土体中各个深度处的孔隙比如图 12 和图 13 所示.

图 12 A组各层土样孔隙比Fig.12 Pore ratio of each layer in A group

图 13 B组各层土样孔隙比Fig.13 Pore ratio of each layer in B group

由图可知： A组平底夯锤夯点下土样孔隙比曲线沿深度变化非常均匀， 说明加固效果均匀. B组异形夯锤夯点下土样孔隙比曲线在较小深度范围内变化明显， 在42 cm以下的深度范围内变化很小， 说明B组异形夯锤的加固效果不均匀， 且集中在较浅的深度范围内.

3 结 论

1)相同能级下， 对平底夯锤而言， 相同的击数之后， 重锤低落距的夯坑深度深于轻锤高落距的夯坑深度. 而对异形夯锤， 效果恰好相反.

2)相同能级下， 平底夯锤的加固深度随着夯锤质量的提高而不断增加， 异形夯锤则恰好相反. 就整体而言， 平底夯锤在加固深度方面比异形夯锤有优势.

3)夯锤形状相同、 底面积相同时, 相同能级下， 夯锤越重， 即夯锤的高径比越大， 对土体的整体压缩越剧烈.

4)平底夯锤的压实效果均匀， 而异形夯锤的压实效果不均匀， 且主要集中在土体的上层.

在以往的工程中进行强夯的时候， 通常选取平底夯锤， 对于异形夯锤的应用不多见. 本文的试验主要分析了异形夯锤在加固黄土地基时候的一些规律. 通过本文的研究成果， 为改进和合理设计夯锤的形状提供了一些实验数据， 也可以为黄土地基的工程设计和施工提供有益的参考.

[1]Menard L, Broise Y. Rheoretical and practical aspects of dynamic consolidation[J]. Geotechnique, 1975, 23(1)： 3-15.

[2]曾庆军， 莫海鸿， 李茂英. 强夯后地基承载力的估算[J].岩石力学与工程学报， 2006， S2(25)： 3523-3528. Zeng Qingjun， Mo Haihong， Li Maoying. Evaluation of bearing capacity of foundation treated with dynamic compaction method[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2006， S2(25)： 3523-3528. (in Chinese)

[3]李增华. 强夯技术在湿陷性黄土路基中的应用[J]. 铁道建筑， 2010(2)： 82-83. Li Zenghua. Application of dynamic compaction in high embankment filling[J]. Railway Engineering， 2010(2)： 82-83. (in Chinese)

[4]王钊， 姚政法， 范景相. 强夯在高路堤填筑上的应用[J]. 岩土力学， 2002(4)： 498-503. Wang Zhao， Yao Zhengfa， Fan Jingxiang. Application of dynamic compaction to fill of high road embankment[J]. Rock of Soil Mechanics， 2002(4)： 498-503. (in Chinese)

[5]王颖蛟， 郑小艳. 夯锤形状对强夯加固效果的影响[J]. 水利与建筑工程学报， 2013， 11(4)： 116-118. Wang Yingjiao， Zheng Xiaoyan. Impact of hammer shape on effect of abutment-back subgrade treated with dynamic compaction[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering， 2013， 11(4)： 116-118. (in Chinese)

[6]刘俊. 柱形夯锤强夯加固深度及效果分析[J]. 江西科学， 2010， 28(4)： 504-507. Liu Jun. The reinforcement effect and efficacy of the column hammer[J]. Jiangxi Science， 2010， 28(4)： 504- 507. (in Chinese)

[7]阎风翔， 巩天真. 不同形状夯锤在灰土挤密桩施工中的应用研究[J]. 工程勘察， 2014(4)： 26-29. Yan Fengxiang， Gong Tianzhen. Study on applications of different shape rammers in construction of lime-soil compaction piles[J]. Geotechnical Investigation and Surveying， 2014(4)： 26-29. (in Chinese)

[8]范秋雁， 陈景河， 易剑辉. 强夯法中几个问题的室内模型试验研究[J]. 土工基础， 2005(6)： 64-67. Fan Qiuyan， Chen Jinghe， Yi Jianhui. Model experimentation on some problems of dynamic compaction[J]. Soil Eng and Foundation， 2005(6)： 64-67. (in Chinese)

[9]赵康， 罗嗣海， 石亮. 强夯模型试验及其研究进展[J]. 人民黄河， 2012， 2(34)： 131-134. Zhao Kang， Luo Sihai， Shi Liang. Model tests of dynamic consolidation and its progress[J]. Yelllow River， 2012， 2(34)： 131-134. (in Chinese)

[10]袁文忠. 相似理论与静力学模型试验[M]. 成都： 西南交通大学出版社， 1988.

A Comparative Study on the Effect of Dynamic Compaction by Flat Bottom Hammer and Special Shaped Hammer

HAN Yun-shan, LIU Xiao-mei, WU Han, WANG Yuan-long

(School of Science, North University of China, Taiyuan 030051, China)

On the improvement of the shape of bottom surface of hammer, the four hemispheres are added in the bottom surface of the hammer, the special shaped hammer is formed, and the 1∶8 loess model test is carried out. The effect of dynamic compaction is studied from four aspects of the depth of the pit, the depth of the reinforcement, the average strain and the void ratio, compared with that of the flat bottom hammer. The results show that for flat bottom hammer, the depth of tamping pit under heavy hammer is deeper than light hammer under the action of the same level and the same tamping blow number; for special hammer, which is contrary. With the same weight and temping number, the reinforced depth is deeper and the effect of reinforcement is even compared with special shaped hammer, and the effect of reinforcement focused on shallow soil. In the scope of the reinforcement depth, the average strain of the soil under the action of the special shaped hammer is larger than the average strain of the soil under the flat bottom. The test results reveal the characteristics of reinforcement under the special shaped hammer and flat bottomed hammer in the loess area, which provides useful reference for the engineering design and construction of the loess area.

dynamic compaction; flat bottom hammer; special shaped hammer; loess; reinforcement

1673-3193(2016)06-0654-05

2016-07-05

国家自然科学基金资助项目(51208473)； 山西省科技攻关项目(20130313010-3)

韩云山(1971-)， 男， 教授， 博士， 主要从事地基处理等方面的教学与研究.

TU472

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.06.017