預(yù)排水動力固結(jié)法處理吹填粉土地基的試驗研究

1、Journal of Engineering Geology工程地質(zhì)學報10049665/2010/18(4-0575-06預(yù)排水動力固結(jié)法處理吹填粉土地基的試驗研究*聶慶科王國輝李友東陳軍紅(河北建設(shè)勘察研究院有限公司石家莊050031(河北省巖土工程技術(shù)研究中心石家莊050031摘要為加固新近吹填的處于流塑狀態(tài)的粉土地基,首先采用輕型井點降水和動力碾壓的方法使地基具有一定的初始承載力。然后,施加較大的強夯動力荷載,從而使地基承載力得到顯著提高。這一新的綜合加固技術(shù)稱之為“預(yù)排水動力固結(jié)法”。通過現(xiàn)場測試,研究了施工過程中諸如井點降水的影響范圍、強夯時孔隙水壓力的變化范圍、深層沉降的變化等問

2、題。同時,對強夯夯擊遍數(shù)、每點夯擊次數(shù)、遍與遍之間的間隙時間等有關(guān)問題進行討論。研究表明,預(yù)排水動力固結(jié)法可顯著提高吹填粉土地基的承載力。關(guān)鍵詞輕型井點預(yù)排水動力固結(jié)法孔隙水壓力現(xiàn)場測試中圖分類號:TU443文獻標識碼:AIN-SITU TESTS ON TREATMENT OF SOFT HYDRAULIC FILL GROUND USING DYNAMIC CONSOLIDATION WITH PRE-DEWATERINGNIE QingkeWANG GuohuiLI YoudongCHEN Junhong(Hebei Research Institute of Construction

3、and Geotechnical Investigation CoLtd,Shijiazhuang050031(Hebei Research Center of Geotechnical Technology,Shijiazhuang050031Abstract This paper presents the in-situ tests for improving saturated soft soil ground formed by hydraulic fill methodThe well-point dewatering method and roller compaction met

4、hod are used firstly in order to obtain initial bearing capacityAfter this,the bearing capacity can be advanced obviously by dynamic compaction methodThis new method is named as“dynamic compaction method with pre-dewatering”in this paperAccording to a large number of in-situ test results,this paper

5、studies the problems such as the affecting scopes of well-point dewatering, pore water pressure induced by dynamic compaction,deep settlements of soil layersIn the meantime,number of passes,number of drops per pass,duration time between various passes,and other factors are also discussedThe studies

6、show that the bearing capacity of soft soil ground can be greatly increased using dynamic consolidation with pre-dewatering methodKey words Dewatering,Dynamic consolidation,Pore water pressure,In-situ tests,Hydraulic fill,Ground treatment*收稿日期:20080920;收到修改稿日期:20091028第一作者簡介:聶慶科,現(xiàn)主要從事巖土工程設(shè)計、施工與理論分析研

7、究Email:nieqingke126com1引言動力固結(jié)法(即強夯法無論在理論上還是在工程實踐方面均取得長足的進展。Menard等1關(guān)于動力固結(jié)法理論的闡述具有開拓性。Thilakasiri 等2利用自行設(shè)計的一套動力固結(jié)設(shè)備對土體表面的接觸動應(yīng)力及內(nèi)部動應(yīng)力進行了量測,有重要的參考價值。錢家歡等3是國內(nèi)較早對動力固結(jié)理論進行深入研究的學者之一。孔令偉等4進行了大量的理論探索,研究了強夯時地基土的應(yīng)力場分布特征,并就成層彈性地基空間軸對稱動力問題進行研究,提出了強夯作用下邊界接觸應(yīng)力的理論計算方法。這些研究主要針對碎石、砂土、黃土等粗顆?；蚍秋柡偷鼗?。近年來,通過改進傳統(tǒng)的施工工藝,例如增

8、設(shè)豎向排水體或與其它加固方法相結(jié)合(所謂復(fù)合式的加固技術(shù),已使動力固結(jié)法推廣到飽和黏性土地基的加固中。白冰等5,6通過改善地基土的排水條件,將強夯法和填土預(yù)壓法相結(jié)合,發(fā)展了動靜結(jié)合排水固結(jié)法的基本思想,并強調(diào)了預(yù)壓荷載的重要意義。姜志全等7對動力固結(jié)法加固軟土路堤軟土內(nèi)的孔隙水壓力增長與消散、軟土的分層沉降、路堤的表層沉降等進行了現(xiàn)場測試分析。孟慶山等8通過淤泥質(zhì)飽和軟黏土的三軸固結(jié)不排水剪切試驗,研究了海相沉積原狀土、重塑土以及超固結(jié)土在動力固結(jié)后的應(yīng)力-應(yīng)變性狀,研究了強夯法加固飽和軟土地基的機理。周健等8結(jié)合上海市某集裝箱堆場工程中上部為吹填細砂、下部為飽和軟黏土的地基進行了現(xiàn)場試驗研

9、究,對加固過程以及加固后的土體變形、孔壓變化、工藝參數(shù)等進行了分析。但是,這些方法對于高含水率的幾乎處于流塑狀態(tài)的吹填土類地基的加固尚不能滿足要求。本文所提出的“預(yù)排水動力固結(jié)法”是將輕型井點降水、動力碾壓及強夯法等多種加固方法聯(lián)合的一種軟土地基加固技術(shù)。該法充分利用輕型井點降水、動力碾壓和強夯法各自的技術(shù)優(yōu)勢且相互作用,從而形成一種獨特的軟土地基加固技術(shù)。該法已在山東大唐東營電廠飽和吹填軟土地基加固中獲得成功的應(yīng)用。本文針對該法進行了現(xiàn)場試驗研究,并就其加固效果和機理進行探討。2現(xiàn)場試驗勘察表明,場地上部地層主要為吹填的粉土,灰色,均勻,區(qū)域內(nèi)積水較多。該層吹填土搖振反應(yīng)迅速,厚度一般在3.

10、0 3.5m之間,平均厚度約3.3m。其塑限、液限和塑性指數(shù)分別為wP=20.2%,wL=28.9%,IP=8.7,土粒比重為Gs= 2.70,含水率為w=31.8%,重度為21.2kN·m3。結(jié)合液塑限試驗結(jié)果,可以得到液性指數(shù)I L=1.33,為流塑狀態(tài)。通過對吹填軟土層土樣進行的常水頭滲透試驗,測定的滲透系數(shù)為k=1.8104 cm·s1,滲透性一般。2.1試驗方案試驗?zāi)康氖谴_定強夯參數(shù)、強夯影響范圍(包括影響深度、水平范圍,并對加固效果進行檢測。試驗區(qū)面積為30m40m,首先用水沖法沖孔埋設(shè)井點管,然后再鋪設(shè)地面集水系統(tǒng)。井點管直徑為32mm,橫向排水管直徑為63m

11、m。井點管排距為2m,井點深度為4m,外包裹2層120目有紡濾布,然后用砂袋包裹。2.2傳感器布設(shè)考慮強夯夯點的實際施工次序,對分層沉降管、孔隙水壓力計、水位管等各種傳感器進行了布設(shè)(圖1 。圖1傳感器布置Fig1Laying sketch of transducers in field tests2.3測試方法(1地表沉降在加固區(qū)域的代表性點處設(shè)置沉降標進行試驗區(qū)的地表沉降變化監(jiān)測。精密水準儀測量,精確到0.1mm。(2地層深層沉降(分層沉降675Journal of Engineering Geology工程地質(zhì)學報2010在加固區(qū)域的代表性點處設(shè)置分層沉降觀測點,沿深度方向分別為1m,2

12、m,3m,4m,5m,6m 處布置沉降磁環(huán)。采用ABS分層沉降管(70以及70沉降磁環(huán)。采用鋼尺沉降儀進行探測。采用水沖法沖孔進行埋設(shè),水力沖孔后將沉降管置入孔中,定位到預(yù)定深度,然后將中砂或現(xiàn)場粉土充滿管周圍的空隙,保證沉降磁環(huán)與周圍土層緊密貼合。(3孔隙水壓力圍繞某典型夯擊點(圖1,夯點1,在不同的徑向距離和不同的地層深度處布設(shè)孔隙水壓力傳感器。傳感器布設(shè)時,考慮夯擊點的施工次序,以及對孔壓的累積作用。徑向距離每間隔1.5m,2m或4m布置一個孔,共9個孔,測試范圍14m。深度方向每間隔1m或2m布置一個孔隙水壓力傳感器,測試深度6m。采用水沖法沖孔進行埋設(shè)。采用振弦式頻率測定儀測定孔隙水

13、壓力變化,測量范圍為300 6000Hz,分辨率為0.1Hz?？紫端畨毫τ嬎憔葹?.1kPa。(4地下水位水位測試孔位置見圖1,深度6m。分別在距離試驗區(qū)域不同的距離處布置。采用PVC水位管(53mm,用水沖法沖孔進行埋設(shè)。3排水及強夯試驗過程首先進行水位、孔隙水壓力、分層沉降磁環(huán)等的初始值的量測,然后開始抽水。1h后開始對出水量、水位、孔隙水壓力以及分層沉降進行全面觀測。抽水5d后,用14t履帶式挖掘機進行了第一次碾壓。抽水8d后,又用16t輪胎式鏟土機進行了碾壓。抽水11d后,進行了第3次碾壓。從現(xiàn)場加固效果來看,經(jīng)過5d抽水后,無論是14t履帶式挖掘機,還是后面的16t輪胎式鏟土機均可

14、在試驗區(qū)內(nèi)安全行走。因此,降水過程對于加固淺層地基土的強度有明顯的效果。抽水5d后,用14t履帶式挖掘機進行了第一次碾壓,其后測得的單位時間出水量迅速增大,為1.67m3·h1,但持續(xù)時間并不長(大約4h即恢復(fù)到碾壓前的狀態(tài),單位時間出水量0.71m3·h1。結(jié)合場地淺層的壓密情況,認為碾壓效果是明顯的,除可顯著改善場地的出水量外,也明顯增加了軟土地基硬殼層的厚度。8d輪胎式鏟土機又進行了連續(xù)兩次碾壓(記為第2次碾壓,然后進行量測,結(jié)果單位時間出水量也有增大,但增加量不大(為0.83m3·h1。這表明,第2次碾壓也有一定效果。抽水11d后,進行了第3次碾壓,但從場

15、地的變化情況和出水量來看,無明顯的變化,碾壓效果不明顯?？梢?從單位時間出水量變化和場地的壓密效果來看,進行兩遍碾壓是合適的,過多的碾壓遍數(shù)意義不大。經(jīng)過井點降水及碾壓后(大約15d后,進行了第一遍強夯。夯錘直徑為2.25m,夯錘高度為0.7m,夯錘重量為10t。第一遍強夯的夯擊能量為800kN·m,每個點夯擊兩次?，F(xiàn)場試驗表明,采用該能量(800kN·m和夯擊次數(shù)(2次進行強夯是合適的。第1擊的夯坑深度一般為20 30cm,第2擊的累積夯坑深度一般為45 55cm,而夯坑周圍并沒有明顯的隆起(隆起量小于10cm。因此,第2擊的夯擊效果是明顯的。按照上述夯擊能量(800kN

16、 ·m,對個別夯點進行了3次夯擊,但產(chǎn)生了較大的隆起。第一遍強夯后經(jīng)過2d,進行了第二遍強夯。夯擊能量提高到1000kN·m,每個點夯擊兩次。從夯擊效果來看,兩次夯擊后,夯坑累積深度一般為40 50cm,隆起量小于10cm,效果明顯。第二遍強夯后經(jīng)過3d,進行了第三遍滿夯,夯擊能量為600kN·m,此時土層的表層密實程度又得到顯著提高。4孔隙水壓力測試結(jié)果4.1強夯過程中孔壓隨時間變化過程圖2給出降水后強夯過程中(包括第1,2,3遍強夯荷載作用,由于強夯動力荷載作用引起的超孔隙水壓力的變化過程。第1遍強夯荷載作用前,地下水位為2.57m。由圖2可以看出,強夯荷載作

17、用下,孔隙水壓力的上升量是十分明顯的。第1遍(夯擊能量為800kN·m,每點夯擊次數(shù)一般為2次強夯作用下,夯點下深度2m處的孔隙水壓力峰值分別為65.8kPa,而距離夯點水平距離2m,4.5m處的孔隙水壓力也有明顯的增大。觀測結(jié)果表明,第1遍強夯作用后,經(jīng)過48h后,孔隙水壓力消散很快。例如,夯點下2m處孔壓水壓力消散至5.7kPa(圖2 (a,消散率為91.4%其它各孔的孔隙水壓力也77518(4聶慶科等:預(yù)排水動力固結(jié)法處理吹填粉土地基的試驗研究 圖2強夯過程孔隙水壓力隨時間變化Fig2Variations of pore water pressure with time dur

18、ingdynamic compactiona孔壓觀測孔K1(夯點下;b孔壓觀測孔K2(夯點下均消散到90%以上。由圖2可以看出,第1遍強夯作用下,孔隙水壓力在深度5m 范圍內(nèi)的反映是明顯的,而深度6m 處孔壓幾乎為零。因此,可以認為強夯的影響深度在5m 以內(nèi)。關(guān)于這一點將在后面孔隙水壓力的影響范圍中給予詳細說明。第2遍(夯擊能量為1000kN ·m ,每點夯擊次數(shù)一般為2次適當增大了夯擊能量,結(jié)果孔隙水壓力仍然有較大的上升,離夯點較近處的孔隙水壓力峰值可上升至55.9kPa ,而其影響深度一般也在5m 以上。在第2遍強夯作用后,經(jīng)過約72h (約3d ,孔壓也消散至95%以上,表明消

19、散速率很快。但相比第一遍夯擊后,孔隙水壓力消散速度減弱。第3遍為滿夯,夯擊能量為600kN ·m ,目的是提高表層土的密實程度。夯擊中發(fā)現(xiàn),孔隙水壓力仍然較大(可達到61.5kPa 。之后,由于已經(jīng)停止抽水,因此孔壓消散相對慢些。經(jīng)過140h (大約6d 后,孔隙水壓力最終穩(wěn)定在10 15kPa (實際上已為靜水壓力作用。 為詳細分析每點夯擊次數(shù)對孔隙水壓力的影響,圖3給出孔壓觀測孔K1(第1個夯點下面和孔壓觀測孔K2(夯點下,距離第1個夯點水平距離為14m 在第1遍強夯后的孔隙水壓力增長以及消散過程。由圖3a 可以看出,第1擊及第2擊作用下,深度2m 處的孔隙水壓力分別為46.7k

20、Pa 和53.8kPa 。其中,第2擊的增量為7.1kPa ,有一定程度增大。而孔壓觀測孔K2的孔隙水壓力相對小得多(第1擊和第2擊的孔壓累積值分別為4.3kPa 和9.1kPa ,圖3b ,而第2擊對于第1擊的增量更小。圖3夯點下不同深度土層孔隙水壓力隨時間變化Fig3Variations of pore water pressure with timeunder the pounder point十分有意義的是,在第3夯點第1擊作用下(夯點布置見圖1,深度4m 處的孔壓值反而比深度2m 處有更大的增加量。這是由于,根據(jù)夯擊的動應(yīng)力影響范圍,對于夯點1(距離夯點3的水平距離為4m ,深度4m

21、 處比深度2m 處將有更大的動應(yīng)力,所引起的孔隙水壓力相應(yīng)也大。4.2強夯過程中孔壓的影響范圍分析圖4給出孔隙水壓力沿夯擊點處不同的徑向距離的分布特征?？梢?在水平距離6m 的范圍內(nèi),超孔隙水壓力上升比較明顯,如在水平距離6m 處為8kPa 。在此范圍內(nèi),孔隙水壓力隨著徑向距離的增大逐漸減小。圖5給出強夯中心點下以及離開強夯點水平距離2m 處,孔隙水壓力沿深度方向的分布規(guī)律?？梢钥闯?在深度5m 范圍內(nèi),孔壓上升比較明顯(如深度5m 處的孔壓為10 15kPa ,這一深度可作為本次試驗的強夯作用的影響深度。圖5還給出第1遍強夯作用完畢后,消散過程中不同階段的孔隙水壓力沿著深度的分布?？梢?隨著

22、時間的增長,孔隙水壓力逐漸趨于平緩。875Journal of Engineering Geology 工程地質(zhì)學報2010 圖4孔隙水壓力沿徑向距離分布Fig4Distributions of pore pressure along radial distances圖5孔隙水壓力沿深度分布Fig5Distributions of pore pressure along depth of soilsa強夯中心點下;b離開強夯點水平距離2m5變形和沉降5.1分層沉降測試結(jié)果圖6給出強夯過程中不同深度沉降隨時間變化。可見,每遍夯擊后不同深度土層均有不同程度的沉降,而在其后,由于孔隙水壓力的消散,不

23、同深度的沉降仍在持續(xù)發(fā)展(此即固結(jié)過程。值得注意的是,第3遍(滿夯夯擊作用下,夯擊前、后的沉降量(大致為4.5 8cm 比第1,2遍強夯夯擊前、后的沉降量要大(大致為1 2cm 。這是由于滿夯 時,夯錘直接靠近沉降管的原因。由圖6可以看出,深度4.處的沉降量累積圖6土層深層沉降隨時間變化過程Fig6Variations of deep settlement of soli layers with time可以達到10.4cm ,說明強夯荷載作用下的壓密效果可以達到4.6m 以上,加固效果明顯。5.2地表沉降表1給出降水及碾壓以及每遍強夯并整平場地后,地表沉降量變化情況。可見,每個階段所引起的地

24、表沉降量是顯著的。經(jīng)過預(yù)降水強夯法加固后,地表的最終沉降量為50.8cm ,表明地層的密實程度得到顯著提高,加固效果十分令人滿意。6現(xiàn)場荷載板試驗本次荷載試驗所用荷載板為圓形荷載板,其直徑為0.8m ,面積為0.5m 2。荷載板試驗結(jié)果見圖7。根據(jù)預(yù)估的承載力特征值,設(shè)定施加的每級荷載增量為30kPa 。圖7給出5個典型試驗點的試驗結(jié)果。由圖7可以看出,在施加荷載范圍內(nèi),5個試驗點的荷載-沉降曲線并未出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(比例極限荷載,而呈現(xiàn)沉降速率逐漸增大的連續(xù)變化過程。按照“建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB50007-2002”的規(guī)定,可按一定的地基沉降值(如可取沉降值s =0.01b ,b 為承壓

25、板直徑所對應(yīng)的荷載作為承載力特征值。97518(4聶慶科等:預(yù)排水動力固結(jié)法處理吹填粉土地基的試驗研究580 Journal of Engineering Geology 工程地質(zhì)學報 2010 （ 6 ） 地表沉降觀測資料表明， 預(yù)排水、 碾壓以及 2， 3 遍強夯作用所引起的地表沉降量是顯著 第 1， 表明地層的密實 的。地表的最終沉降量為 50. 8cm， 加固效果十分明顯。 程度得到顯著提高， （ 7 ） 根據(jù)現(xiàn)場荷載板試驗結(jié)果， 采取“預(yù)排水動 力固 結(jié) 法 ”加 固 后， 地基承載力特征值可達到 135kPa。 圖7 Fig 7 s 曲線 荷載試驗 p- 參 考 文 獻 Curve

26、s ps in field bearing tests 1 Menard L， Broise Y Theoretical and practical aspects of dynamic compaction Journal of Geotechnical Engineering， 1975， 25（ 1） ： 3 18 2 Thilakasiri H S，Gunaratne M ， Mullins G， Stinnette P， Jory B Investigation of impact stress induced in laboratory dynamic compaction of

27、soft soil Int J Numer Anal Methods Geomech ， 1996 ， 20 （ 10 ） ： 753 767 17 根據(jù)上述試驗結(jié)果， 可確定采取“預(yù)降水強夯 法” 加固地基后， 地基承載力特征值可達到 135kPa。 7 結(jié) 論 3 錢家歡，錢學德， 巖土 趙維炳 動力固結(jié)的理論與實踐J 1986 ， 8（ 6） ： 1 工程學報， Qian Jiahuan， Qian Xuede， Zhao Weibin. Stress field distribution characteristics offoundation during dynamic conso

28、lidation and its application. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 1986 ， 8 （ 6） ： 1 17 23 4 孔令偉，袁 建 新 強 夯 時 地 基 土 的 應(yīng) 力 場 分 布 特 征 及 應(yīng) 用 J 巖土力學， 1999 ， 20 （ 3 ） ： 13 Yuan Jianxin. Stress field distribution characteristics Kong Lingwei， offoundation during dynamic consolidation and its applic

29、ation. Rock 1999 ， 20 （ 3 ） ： 13 and soil Mechanics， 5 Bai Bing 23 Consolidation characteristics and undrained shear 297 64 （ 1 ） 現(xiàn)場試驗表明， 經(jīng)過“預(yù)排水動力固結(jié)法 ” 加固后， 地基的加固效果明顯， 所擬定的降水參數(shù)及 措施、 強夯夯點布置及能量設(shè)計是完全可行的 ， 達到 。 了預(yù)期的效果 （ 2 ） 改進的 “輕型井點” 預(yù)排水方法對滲透性一 場地 般的新近吹填土地基是可行的。一般在 3h 內(nèi)， 內(nèi)的 水 位 即 由 降 水 前 的 1. 5m 降 至 3.

30、 0m， 再經(jīng)過 72h（ 3d） 水位可降至 4. 5m。 但由于上部土層滯水 淺層的含水率仍然比較高。因此， 建議當水 的存在， 位降至一定深度后， 繼續(xù)抽水一段時間再進行后續(xù) 的強夯。 （ 3 ） 強夯荷載作用下， 孔隙水壓力的上升量十 分明顯。第 1 遍（ 夯擊能量為 800kN · m， 每點夯擊 第 2 遍 （ 夯擊能量為 1000kN · 次數(shù)一般為 2 次 ） 、 m， 每點夯擊次數(shù)一般為 2 次 ） 、 第 3 遍 （ 滿夯， 夯擊 能量為 600kN·m ） 強夯作用下， 夯點下深度 2m 處 64. 8 kPa， 61. 6 的孔隙水壓力峰值

31、分別為 65. 8kPa， kPa。而距離夯點 2m，4. 5m 處的孔隙水壓力也有 明顯的增大。 （ 4 ） 觀測結(jié)果表明， 第 1 遍強夯作用后， 經(jīng)過 48h（ 約 2d） 后， 孔隙水壓力均消散到 90% 以上。 第 2 遍強夯作用后， 經(jīng)過約 72h（ 約 3d） ， 孔壓也消散至 95% 以上， 消散速率很快。第 3 遍強夯作用后， 經(jīng)過 140h（ 大約 6d） 后， 孔隙水壓力最終穩(wěn)定。 （ 5 ） 分層沉降觀測資料表明， 在預(yù)排水、 碾壓以 2， 3 遍強夯作用下， 及第 1 ， 不同深度的土層均有明 （ 顯的沉降 特別是在強夯荷載作用下 ） ， 說明土體的 深層得到明顯的壓密， 影響深度可達 4. 6m 以上， 加 固效果明顯。 strength under repeated impact loading Geotechincal testing Jour2006 ， 29 （ 4 ） ： 289 nal， 2003 ， 24