李曉靜 ，李術(shù)才，姚 凱，祝少純，呂國(guó)仁

（1. 山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，濟(jì)南 250101；2. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟(jì)南 250061；3. 山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061；4. 濱州市公路勘察設(shè)計(jì)院，山東 濱州 256600）

1 引 言

強(qiáng)夯法又稱動(dòng)力固結(jié)法，由法國(guó)工程師L.Menard通過(guò)大量的工程實(shí)踐提出。強(qiáng)夯法加固地基因其具有設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便、節(jié)省材料、經(jīng)濟(jì)易行、適用面廣、效果顯著等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1－3]。

對(duì)于飽和土，孔隙中充滿水，這些水在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)有一個(gè)平衡的壓力，就是孔隙水壓力。根據(jù)太沙基提出的有效應(yīng)力原理，孔隙水壓力μ=總應(yīng)力σ－有效應(yīng)力σ′，在總應(yīng)力保持不變時(shí)，有效應(yīng)力和孔隙水壓力可相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)土體受到外力擠壓，土中原有水壓力會(huì)上升，上升的這部分壓力就是超孔隙水壓力[4]。在強(qiáng)夯作用下，地基內(nèi)部將引起超孔隙水壓力的迅速增長(zhǎng)，超孔隙水壓力增長(zhǎng)和消散的大小以及速度在一定程度上反映了土體加固效果的好壞[5－7]。在信息化施工過(guò)程中，超孔隙水壓力的消散情況還可用來(lái)控制強(qiáng)夯的間隔時(shí)間[8]。因此，對(duì)強(qiáng)夯作用下地基超孔隙水壓力變化規(guī)律的研究具有重要的意義。

本文依托濱德高速公路工程，通過(guò)試驗(yàn)區(qū)超孔隙水壓力的觀測(cè)及分析，能夠?yàn)閺?qiáng)夯施工時(shí)最佳夯擊數(shù)、時(shí)間間隔和夯點(diǎn)間距等施工參數(shù)的確定提供依據(jù)。

2 工程概況

濱德高速公路所經(jīng)地區(qū)主要黃河沖積而成，地表沉積了10 m左右厚的泛濫沉積物，形成了特殊的黃河泛濫區(qū)的地質(zhì)地貌條件，是我國(guó)一種特殊的區(qū)域性地基，這類沉積物以粉土、粉細(xì)砂為主，并夾有軟土，結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度低，是工程建設(shè)的不良地基，需進(jìn)行強(qiáng)夯加固處理。

試驗(yàn)區(qū)地層主要以黃河沖洪積粉土和粉質(zhì)黏土為主。粉質(zhì)土層總體較厚，埋藏較淺，地下水位較在原地面以下2.1 m左右。試驗(yàn)區(qū)各層土質(zhì)情況見(jiàn)表1。

3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)區(qū)面積為30 m×30 m，強(qiáng)夯之前預(yù)先在不同地層深度埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)。根據(jù)前期試夯結(jié)果，本次試驗(yàn)夯點(diǎn)為梅花形分布，相鄰夯點(diǎn)間距為2.9 m ×2.9 m，夯4遍。第1遍和第2遍單夯能量為2 000 kN·m，夯擊數(shù)8～12擊；第3遍單夯能量為2 000 kN·m，夯擊數(shù)6～10擊；第4遍為滿夯，夯擊能800～1 000 kN·m，每點(diǎn)1～2擊，搭夯1/3。夯點(diǎn)布置形式見(jiàn)圖1。

表1 試驗(yàn)區(qū)地基物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)分層統(tǒng)計(jì)表Table 1 Physico-mechanical properties of soils

圖1 夯點(diǎn)布置形式圖（單位：m）Fig.1 Layout of tamping points (unit: m)

孔隙水壓力計(jì)為振弦式，量程為0.2 MPa，通過(guò)監(jiān)測(cè)孔隙水壓力計(jì)頻率的變化計(jì)算孔壓的變化。在孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)之前，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定和校核，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行強(qiáng)夯之前，埋設(shè)好監(jiān)測(cè)儀器后，即對(duì)孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行多次讀數(shù)，獲得穩(wěn)定時(shí)的孔隙水壓力數(shù)值。夯擊某點(diǎn)時(shí)，選擇其影響范圍內(nèi)的孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行讀數(shù)。夯擊過(guò)程中，每擊夯完后，立刻對(duì)孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行讀數(shù)并記錄；在該點(diǎn)夯擊后2、5、10、30 min、1 h對(duì)孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行讀數(shù)并記錄；試驗(yàn)區(qū)在每遍夯擊后（共 4遍）對(duì)所有孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行讀數(shù)并記錄。間隔讀數(shù)時(shí)間為 1、2、4、6、8，10、12、18、24、48 h；在試驗(yàn)區(qū)4遍夯擊全部完成后，測(cè)量1、3、5、7、10 d的孔隙水壓計(jì)讀數(shù)。

4 試驗(yàn)區(qū)超孔隙水壓力變化規(guī)律分析

用強(qiáng)夯法處理細(xì)顆粒飽和土?xí)r，強(qiáng)大的夯擊能在地基土層中產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和沖擊力對(duì)土體進(jìn)行加固作用。飽和土土顆粒之間的孔隙內(nèi)除孔隙水外，土中存在一些微小氣泡。每夯擊一遍，液相體積和氣相體積都有所減少，會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)部有效應(yīng)力和孔隙水壓力的變化，同時(shí)使飽和土產(chǎn)生壓縮，土體不斷密實(shí)。

由于監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)孔隙水壓力值實(shí)行高密度監(jiān)測(cè)、記錄，獲得了龐大的數(shù)據(jù)量。為了清晰、簡(jiǎn)潔地表明數(shù)據(jù)所反映的地質(zhì)和工程信息，本文選取了所測(cè)數(shù)據(jù)中具有代表性的部分典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1 超孔隙水壓力隨單點(diǎn)擊數(shù)的變化規(guī)律

圖2～7列出了試驗(yàn)區(qū)超孔隙水壓力與單點(diǎn)擊數(shù)的關(guān)系曲線。

圖2 第一遍夯擊時(shí)不同深度處超孔隙水壓力隨夯擊數(shù)的變化規(guī)律（距夯點(diǎn)中心2.5 m處）Fig.2 Relationships between excess pore water pressure and compacting number（the first pass，2.5 m from the center）

圖3 第一遍夯擊時(shí)不同深度處超孔隙水壓力隨夯擊數(shù)的變化規(guī)律（距夯點(diǎn)中心5 m處）Fig.3 Relationships between excess pore water pressure and compacting number（the first pass，5 m from the center）

圖4 第二遍夯擊時(shí)不同深度處超孔隙水壓力隨夯擊數(shù)的變化規(guī)律（距夯點(diǎn)中心3.7 m處）Fig.4 Relationships between excess pore water pressure and compacting number（the second pass，3.7 m from the center）

圖5 第2遍夯擊時(shí)不同深度處超孔隙水壓力隨夯擊數(shù)的變化規(guī)律（距夯點(diǎn)中心5 m處）Fig.5 Relationships between excess pore water pressure and compacting number（the second pass，5 m from the center）

圖6 第3遍夯擊時(shí)不同深度處超孔隙水壓力隨夯擊數(shù)的變化規(guī)律（距夯點(diǎn)中心4 m處）Fig.6 Relationships between excess pore water pressure and compacting number（the third pass，4 m from the center）

圖7 第3遍夯擊時(shí)5.6 m深度處超孔隙水壓力隨夯擊數(shù)的變化規(guī)律（距夯點(diǎn)中心5.2 m處）Fig.7 Relationship between excess pore water pressure and compacting number（the third pass，5.2 m from the center）

經(jīng)分析，單點(diǎn)夯過(guò)程中超孔隙水壓有如下規(guī)律：

（1）在2 000 kN·m夯擊能的作用下，不同深度處的超孔隙水壓力隨著夯擊數(shù)的增加而增大，5～7 m深處增大幅度明顯，而8～9 m深處增大不明顯（見(jiàn)圖2、圖5及圖6中8.4 m深處的數(shù)據(jù)）。由此可見(jiàn)，2 000 kN·m夯擊能最大影響深度約8～9 m，而有效影響深度應(yīng)在6～8 m之間。

（2）隨著夯擊數(shù)的增加，5～8 m深處的超孔隙水壓力增量逐漸變小，表現(xiàn)在曲線斜率逐漸變小。夯擊第1遍和第2遍時(shí)，5～8 m深處的超孔隙水壓力曲線趨于平緩需要8～9擊。夯擊第3遍時(shí)，其超孔隙水壓力曲線趨于平緩需要6～8擊。由于粉土在夯擊時(shí)容易發(fā)生液化，不能簡(jiǎn)單的以最后兩擊夯沉量的平均值作為止夯標(biāo)準(zhǔn)，故可以根據(jù)上述規(guī)律來(lái)確定最佳夯擊次數(shù)。因此，試驗(yàn)區(qū)在2 000 kN·m夯擊能的作用下，第 1～2遍夯擊時(shí)最佳夯擊數(shù)為8～9擊，第三遍夯擊時(shí)最佳夯擊數(shù)為6～8擊。

（3）隨著遍數(shù)的增加，特別是2、3遍之間，超孔隙水壓力增量變小的趨勢(shì)更加明顯，表現(xiàn)為曲線變得更為平緩，斜率變小。

（4）總體而言，在夯擊過(guò)程中，較淺地層的超孔隙水壓力及其增幅大于較深地層的超孔隙水壓力及其增幅。

（5）相同地層的土體，前一遍夯擊時(shí)超孔隙水壓力大于后一遍夯擊時(shí)超孔隙水壓力。表明隨著夯擊遍數(shù)的增加土體逐漸密實(shí)，有效應(yīng)力增加，從而使得超孔隙水壓力逐漸變小。

4.2 超孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖8、9為超孔隙水壓力隨時(shí)間的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）隨著單遍夯擊的完成（一般需要20 h），超孔隙水壓力也增大到最大值，之后超孔隙水壓力進(jìn)入了消散的過(guò)程。

（2）第1遍夯擊后經(jīng)過(guò)20 h，超孔隙水壓力基本消散80%左右，其值基本小于10 kPa。第2遍夯擊后經(jīng)過(guò)30 h超孔隙水壓力消散基本在80%左右，經(jīng)過(guò)40 h超孔隙水壓力消散基本在85%左右，其值基本小于5 kPa。第3遍后，超孔隙水壓力消散至低值的時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)20 h，超孔隙水壓力消散基本在60%～70%之間，其值基本在8～18 kPa之間。由此可見(jiàn)，該地區(qū)超孔隙水壓力的消散時(shí)間比較長(zhǎng)，這與試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)以粉土和粉質(zhì)黏土為主有密切的關(guān)系。由于粉質(zhì)黏土透水性差，超孔隙水壓力不易消散。同時(shí)，上述規(guī)律可為強(qiáng)夯時(shí)各遍夯擊間隔時(shí)間的確定提供重要的依據(jù)，夯擊時(shí)間間隔不應(yīng)小于超孔隙水壓力的消散時(shí)間。

（3）在3遍夯擊過(guò)程中，淺層的超孔隙水壓力大于深層的超孔隙水壓力，其消散的時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。在第1遍夯擊后，各地層的超孔隙水壓力在消散過(guò)程中受臨近區(qū)夯擊的影響較大，即臨近區(qū)的夯擊一定程度上會(huì)延長(zhǎng)該地層超孔隙水壓力的消散。在第2遍和第3遍后這種影響作用相對(duì)減弱。

圖8 不同深度超孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.8 Relationships between excess pore water pressure and time

圖9 不同深度超孔隙水壓力消散率隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.9 Relationships between the dissipation rate of excess pore water pressure and time

4.3 超孔隙水壓力隨水平距離的變化規(guī)律

圖10為試驗(yàn)區(qū)最大孔隙水壓力變化量（夯擊過(guò)程中在某深度產(chǎn)生的超孔隙水壓力最大值減去超孔隙水壓力最小值）與距夯坑中心點(diǎn)水平距離的關(guān)系曲線。從圖中可以看出：最大孔隙水壓力變化量隨著該點(diǎn)離夯點(diǎn)中心距離的增大而迅速降低，最大影響距離小于10 m，有效影響寬度基本為5～7 m。因此，建議強(qiáng)夯施工時(shí)，同遍各夯點(diǎn)間距取5～7 m。

圖10 不同深度最大孔隙水壓力增量與距夯坑中心點(diǎn)水平距離的關(guān)系Fig.10 Relationships between the maximum increment of excess pore water pressure and the horizontal distance

淺層孔隙水壓力受夯擊影響的水平距離較深層的大，8.4 m深地層處的孔隙水壓力增量隨不同距離的變化差異較小，表明該深度處孔隙水壓力在試驗(yàn)中受到的影響較小。

5 試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯有效加固深度的分析

強(qiáng)夯的影響深度和有效加固深度是兩個(gè)不同的概念，目前關(guān)于有效加固深度尚無(wú)統(tǒng)一的說(shuō)法。筆者認(rèn)為，“影響深度”是指在強(qiáng)夯法處理后的地基中，土性指標(biāo)有所變化的深度；“有效加固深度”是指在正常的施工條件下，地基土的控制指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求的深度。一般來(lái)說(shuō)，強(qiáng)夯的影響深度大于其有效加固深度[9]。

5.1 強(qiáng)夯有效加固深度h的計(jì)算方法

強(qiáng)夯有效加固深度h通常按Menard公式計(jì)算，即

式中：α為有效加固深度系數(shù)，與土的力學(xué)參數(shù)有關(guān)；MH為夯擊能，其中M為夯錘質(zhì)量，H為夯錘起吊高度。此外，由于 Menard公式本身存在量綱不一致等缺陷，繆林昌等[10]提出了擬靜力法確定強(qiáng)夯有效加固深度的公式為

式中：η為夯擊效率系數(shù)，一般取值0.5～0.75；a為夯錘底面半徑，γ為土的浮重度。經(jīng)該公式計(jì)算得到的有效強(qiáng)夯有效加固深度在7 m左右，符合本文的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。

對(duì)于本工程，已知夯擊能為2 000 kN·m，重點(diǎn)是有效加固深度系數(shù)α的確定。

5.2 有效加固深度系數(shù)的確定

對(duì)于不同的工程，有效加固深度系數(shù)α取值不同，它主要與土的力學(xué)參數(shù)有關(guān)。由本文通過(guò)超孔隙水壓力變化規(guī)律獲得的有效影響深度在 6～8 m之間，根據(jù)式（1），可推算出試驗(yàn)區(qū)α=0.134～0.179。

為了驗(yàn)證試驗(yàn)獲得的有效加固深度系數(shù)的正確性，筆者還曾嘗試采用量綱分析和Flac軟件中的動(dòng)態(tài)分析模塊計(jì)算相結(jié)合的方法，獲得了有效加固深度系數(shù)α與土體力學(xué)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式。計(jì)算過(guò)程中的基本原理為：假設(shè)強(qiáng)夯之后土體中各力學(xué)參數(shù)自上而下按線性規(guī)律變化，并且假設(shè)土的阻尼參數(shù)保持不變，則求得α與各力學(xué)參數(shù)的關(guān)系可以表達(dá)如下式：

式中：E0、c0、φ0、ρ0分別為路堤表面土體的變形模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角及濕密度，量綱分別為[力][長(zhǎng)度]-2、[力][長(zhǎng)度]-2、1、[質(zhì)量][長(zhǎng)度]-3；δE、δc、δφ、δρ為各參數(shù)的變化梯度，量綱分別為[力][長(zhǎng)度]-3、[力][長(zhǎng)度]-3、[長(zhǎng)度]-1、[質(zhì)量][長(zhǎng)度]-4；D為夯錘的直徑，量綱為[長(zhǎng)度][11]。

利用平均豎向殘余應(yīng)變來(lái)界定影響深度，分析可以最終求得與本試夯路基相關(guān)的各系數(shù)如下：

結(jié)合表 1中的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察得到的各土層參數(shù)，按此公式計(jì)算出α=0.154，與由試驗(yàn)獲得孔隙水壓力分布規(guī)律推求出的α（0.134～0.179）較為一致。驗(yàn)證了本文通過(guò)超孔隙水壓力變化確定有效加固深度的可行性。

6 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)區(qū)在2 000 kN·m夯擊能的作用下，第1～2遍夯擊時(shí)最佳夯擊數(shù)為8～9擊，第3遍夯擊時(shí)最佳夯擊數(shù)為6～8擊。

（2）夯擊后，淺層的超孔隙水壓力基本均大于深層的超孔隙水壓力，其超孔隙水壓力消散至低值的時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，并且淺層孔隙水壓力受夯擊影響的水平距離較深層的大。在超孔隙水壓力消散過(guò)程中，應(yīng)注意避免動(dòng)荷載在表層的震動(dòng)干擾，防止粉土液化。

（3）該地區(qū)在2 000 kN·m夯擊能的作用下，強(qiáng)夯最大影響深度為 8～9 m，有效加固深度 6～8 m。試驗(yàn)區(qū)有效加固深度系數(shù)α=0.134～0.179。α與土的各力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系可用式（4）表示。

（4）2 000 kN·m的夯擊能對(duì)6～7 m深處孔隙水壓力水平最大影響距離小于10 m，有效影響寬度基本為5～7 m。因此，建議強(qiáng)夯施工時(shí)，同遍各夯點(diǎn)間距取5～7 m。

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