強(qiáng)夯法加固濕陷性黃土地基的機(jī)理

摘要:文章闡述了濕陷性黃土特性、成因、危害及分布范圍,強(qiáng)夯法加固濕陷性黃土地基的機(jī)理及其施工要點(diǎn),分析了強(qiáng)夯法的施工參數(shù)設(shè)計(jì)選用,強(qiáng)夯法加固濕陷性黃土的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及需要注意的問題。

關(guān)鍵詞:濕陷性黃土;強(qiáng)夯;沖擊壓縮波

中圖分類號(hào):TU751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-1145(2009)20-0082-03

強(qiáng)夯法,即動(dòng)力固結(jié)法,是將夯錘通過吊車從高處自由落下給地基土以沖擊和振動(dòng),使上層致密,從而提高土層強(qiáng)度和降低其壓縮性。該方法首創(chuàng)于20世紀(jì)60年代末的法國,我國于70年代中期引進(jìn)強(qiáng)夯技術(shù)。由于強(qiáng)夯技術(shù)經(jīng)濟(jì)易行、效果顯著、設(shè)備簡單、施工便捷、適用范圍廣泛,一經(jīng)引進(jìn)我國便得到迅速推廣。加固濕陷性黃土地基是強(qiáng)夯法在我國的最早應(yīng)用。近年來,強(qiáng)夯法在濕陷性黃土地基處理中也得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。

法國人L.Menard根據(jù)飽和黏土受到強(qiáng)夯作用后產(chǎn)生的一系列物理力學(xué)現(xiàn)象提出了新的動(dòng)力固結(jié)模型和解釋了強(qiáng)夯加固效應(yīng),強(qiáng)夯法本身是一個(gè)沖擊動(dòng)力學(xué)過程,復(fù)雜多變的土體結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)對沖擊荷載的響應(yīng)是比較復(fù)雜的問題,這對強(qiáng)夯技術(shù)的理解、應(yīng)用和效果評(píng)價(jià)產(chǎn)生了直接影響。

一、濕陷性黃土

(一)黃土的濕陷性特征

濕陷性黃土具有如下特征:(1)顆粒組成以粉粒為主,含量占60%以上;(2)天然孔隙比較大,一般在1.0~1.1之間;(3)天然含水量較低,飽和度在15%~50%之間;(4)地下水位埋藏較深。

黃土的相對濕陷系數(shù)隨干容重的增大而減小,當(dāng)黃土干容重<1.3g/cm³時(shí),相對濕陷系數(shù)>0.06,最大可達(dá)到0.18左右;當(dāng)干容重為1.3 g/cm³~1.4g/cm³時(shí),相對濕陷系數(shù)在0.06~0.03之間;當(dāng)干容重>1.5g/cm³時(shí),相對濕陷系數(shù)<0.015,可視作不濕陷黃土。

黃土的相對濕陷系數(shù)也會(huì)隨著孔隙率的增大而增大,當(dāng)黃土孔隙率大于40%時(shí),相對濕陷系數(shù)一般>0.02;當(dāng)孔隙率>50%時(shí),其相對濕陷系數(shù)為0.06~0.18。由于黃土表層孔隙率較大,因此其相對濕陷系數(shù)也較大。

(二)濕陷性黃土的成因分析

黃土是第四紀(jì)干旱和半干旱氣候條件下形成的一種特殊沉積物。顆粒組成以粉土粒為主,黃土的結(jié)構(gòu)特征及其物質(zhì)組成是產(chǎn)生濕陷的內(nèi)在因素。而水的浸潤和壓力作用僅是產(chǎn)生濕陷的外部條件。黃土的結(jié)構(gòu)是在形成黃土的整個(gè)歷史過程中造成的,干旱和半干旱的氣候是黃土形成的必要條件。季節(jié)性的短期降雨把松散的粉粒黏結(jié)起來、而長期的干旱氣候又使土中水分不斷蒸發(fā),于是少量的水分連同溶于其中的鹽分便集中在粗粉粒的接觸點(diǎn)處?？扇茺}類逐漸濃縮沉淀而成為膠結(jié)構(gòu)。隨著含水量的減少土粒彼此靠近,顆粒間的分子引力以及結(jié)合水和毛細(xì)水的聯(lián)結(jié)力也逐漸加大,這些因素都增強(qiáng)了土粒之間抵抗滑移的能力,阻止了土體的自重壓密,形成了以粗粉粒為主體骨架的多空隙結(jié)構(gòu)。黃土結(jié)構(gòu)中零星散布著較大砂粒。附于砂粒和粗粉粒表面的細(xì)粉粒和黏粒等膠體以及大量集合于大顆粒接觸點(diǎn)處的各種可溶鹽和水分子形成膠結(jié)性聯(lián)結(jié),從而構(gòu)成了礦物顆粒的集合體。周邊有幾個(gè)顆粒包圍的空隙就是肉眼可見的大空隙。當(dāng)黃土受水浸濕時(shí),結(jié)合水膜增厚楔入顆粒之間,于是,結(jié)合水聯(lián)結(jié)消失,鹽類溶于水中,骨架強(qiáng)度隨著降低,土體在上覆土層的自重壓力或在自重壓力與附加壓力共同作用下,其結(jié)構(gòu)迅速破壞,土粒向大孔滑移,粒間孔隙減小,從而導(dǎo)致大量的附加沉陷,這就是黃土濕陷現(xiàn)象的內(nèi)在過程。

另外,黃土在某一壓力作用下變形達(dá)到穩(wěn)定后,由于含水量增加而產(chǎn)生附加變形稱之為增濕變形。增濕變形的定義要比濕陷變形的定義廣泛的多,它包括了濕陷性黃土在壓力作用下由于含水量增大而產(chǎn)生的全部變形性狀。實(shí)際上,濕陷變形就是土體浸水飽和時(shí)產(chǎn)生的增濕變形,濕陷性黃土在增濕時(shí)其強(qiáng)度將明顯降低,增濕變形的產(chǎn)生多為人為因素造成的。

(三)濕陷性黃土的危害性

由于濕陷性黃土的特殊性,在地基處理上較膨脹土地基、軟土地基、季節(jié)性凍土地基處理更為重要,否則將出現(xiàn)不可想象的后果。據(jù)資料記載,70年代寧夏同心揚(yáng)水工程的龍灣泵站,由于對濕陷性黃土的危害性缺乏認(rèn)識(shí),施工中沒有采取有效的工程處理,工程投入運(yùn)行后,發(fā)生地基沉陷,導(dǎo)致泵站下陷傾斜,工程無法正常運(yùn)行。同樣,該工程的金雞溝渡榜至龍灣泵站段渠道工程也多處發(fā)生濕陷,致使渠道工程毀壞嚴(yán)重,多處決口,不得不反復(fù)維修,耗資很大。70年代末到80年代初修建的固海揚(yáng)水工程,由于吸取了同心揚(yáng)水工程的教訓(xùn),對泵站、渠道建筑物的濕陷性黃土地基分別作了工程處理,效果明顯。但是由于渠道線路長,處理難度大,未進(jìn)行全面處理,試水后渡槽進(jìn)出口處發(fā)生險(xiǎn)情,反復(fù)維修,耗資很大,給國家和地區(qū)造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

(四)濕陷性黃土的分布

濕陷性黃土在我國分布較廣,面積約45萬km²。按工程地質(zhì)特征和濕陷性強(qiáng)弱程度,可將我國濕陷性黃土分為7個(gè)分區(qū):(1)隴西地區(qū)。濕陷性黃土層厚度通常大于10m,地基濕陷等級(jí)多為三四級(jí),對工程危害性大。(2)隴東陜北地區(qū)。濕陷性黃土層厚度通常大于10m,地基濕陷等級(jí)多為三四級(jí),對工程危害性大。(3)關(guān)中地區(qū)。濕陷性黃土厚4~12m,對工程有一定危害。(4)山西地區(qū)。濕陷性黃土厚2~16m,地基濕陷等級(jí)一般為二、三級(jí),對工程有一定危害。(5)河南地區(qū)。濕陷性黃土厚4~8m,一般為非自重濕陷性黃土,對工程危害性不大。(6)冀魯?shù)貐^(qū)。濕陷性黃土厚2~6m,非自重濕陷性黃土,地基濕陷等級(jí)為一級(jí)。(7)北部邊緣地區(qū),包括晉陜寧區(qū)與河西走廊區(qū)。非自重濕陷性黃土。地基濕陷等級(jí)為一二級(jí)。

(五)濕陷性黃土地基的處理方法

濕陷性黃土地基處理的方法有很多,如換填法、預(yù)壓法、強(qiáng)夯法、深層擠密法、化學(xué)加固法、托換法以及土工合成材料的運(yùn)用。進(jìn)行地基處理時(shí),必須結(jié)合具體情況,慎重選擇,必要時(shí)應(yīng)作方案比較,找出最佳途徑。在此,僅介紹強(qiáng)夯法在濕陷性黃土地基處理中的應(yīng)用。

二、強(qiáng)夯的加固機(jī)理與實(shí)施要點(diǎn)

由于強(qiáng)夯法在施工時(shí)噪音大,振動(dòng)大,而且對附近的建筑物有影響,所以在人口和建筑物稠密的城市地區(qū)不宜使用,而在建筑物稀少的市郊,如機(jī)場跑道、高速公路等地基處理使用強(qiáng)夯法非常適合。

(一)強(qiáng)夯加固機(jī)理

強(qiáng)夯加固地基的機(jī)理,與重錘夯實(shí)法有著本質(zhì)的不同,一般的重錘夯實(shí)是通過淺層振密作用加強(qiáng)土體表層的強(qiáng)度;而強(qiáng)夯則是通過巨大的沖擊能量加強(qiáng)土體深層的強(qiáng)度。強(qiáng)夯主要是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為勢能,再由勢能轉(zhuǎn)化為夯擊能(即動(dòng)能),在地基中產(chǎn)生強(qiáng)大的動(dòng)應(yīng)力和沖擊波,對土體作用的結(jié)果。這種作用可概括為加密作用、液化作用、固結(jié)作用和時(shí)效作用。

1.加密作用:土體中大多數(shù)都含有以微氣泡形式出現(xiàn)的氣體,其含量大約1%~4%。強(qiáng)夯時(shí)的強(qiáng)大夯擊能,使氣體壓縮、孔隙水壓力升高,隨后在氣體膨脹、孔隙水排出的同時(shí),孔隙水壓力減小。這樣,每夯一遍液體和氣體的體積都有所減小,土體便得到加密。根據(jù)試驗(yàn),每夯擊一遍氣體體積可減少40%。

2.液化作用:在巨大的沖擊應(yīng)力作用下,土中孔隙水壓力迅速提高,當(dāng)孔隙水壓力上升到與覆蓋壓力相等時(shí),土體即產(chǎn)生液化,土的強(qiáng)度喪失,土?？蛇M(jìn)行自由排列。應(yīng)當(dāng)指出,強(qiáng)夯時(shí)所出現(xiàn)的液化,只是土體的局部液化。

3.固結(jié)作用:當(dāng)強(qiáng)夯在地基中所產(chǎn)生的超孔隙水壓力大于土粒的側(cè)向壓力時(shí),土粒間就會(huì)出現(xiàn)裂隙,形成排水通道。此時(shí),土的滲透性改變,滲透系數(shù)驟增,孔隙水得以順利排出,加速了土的固結(jié)。當(dāng)孔隙水壓力消散到小于土粒間的側(cè)向壓力時(shí),排水的裂隙即自行閉合,土中水的運(yùn)動(dòng)又重新恢復(fù)常態(tài)。有規(guī)律布置夯點(diǎn),可在夯坑四周產(chǎn)生有規(guī)則的垂直裂隙,促進(jìn)土的固結(jié);而無規(guī)則的紊亂夯擊,則可破壞這些天然排水通道的連續(xù)性。

4.時(shí)效作用:隨著時(shí)間的推移,孔隙水壓力的消散,土顆粒又重新組合緊密接觸,自由水也重新被土顆粒吸附而變成吸附水,土的強(qiáng)度便逐漸恢復(fù)。這種觸變強(qiáng)度的恢復(fù),稱為時(shí)間效應(yīng),其作用叫做時(shí)效作用(或觸變恢復(fù)作用)。土在觸變恢復(fù)期間延續(xù)時(shí)間較長,有可能延續(xù)至幾個(gè)月。因此強(qiáng)夯后質(zhì)量檢驗(yàn)工作至少宜在強(qiáng)夯施工后一個(gè)月再進(jìn)行,不然得出的指標(biāo)會(huì)偏小。

當(dāng)強(qiáng)夯時(shí)的夯錘從高處自由落下夯擊土層時(shí),是一個(gè)由勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過程。在夯擊地面的瞬間,能量的一部分以聲波的形式向四周傳播,一部分由于夯錘與土體間的摩擦而變成熱量,一部分由于則由于夯錘與土層表面接觸瞬間產(chǎn)生反射,而大部分能量則使土體產(chǎn)生振動(dòng),并以沖擊壓縮波的形式在土層內(nèi)傳播。沖擊壓縮波陣面壓力使土體顆粒發(fā)生相對位移而重新排列,同時(shí)使土體中的孔隙體積縮小和氣體排出,從而使土體致密。由于沖擊壓縮波陣面壓力隨著在土層的傳播和遇到不同性質(zhì)的介質(zhì)產(chǎn)生反射而衰減,直到等于或小于土體強(qiáng)度值,此時(shí)的傳播距離即為強(qiáng)夯的影響深度。由于在強(qiáng)夯實(shí)踐中一般采用數(shù)次夯擊加固地基上,因此除首次夯擊外,以后的每一次夯擊總是在上一次夯擊的基礎(chǔ)上進(jìn)行,也就是說每一次夯擊在土體中產(chǎn)生的沖擊壓縮波要通過上一次夯擊壓密的“加密帶”而向深度傳播。根據(jù)沖擊壓縮波的傳播和衰減特征,波陣面壓力經(jīng)過見較高密度介質(zhì)的衰減程度比在低密度介質(zhì)中的衰減程度小,傳播距離更遠(yuǎn),但每一次增加的厚度是逐漸減小的,這是因?yàn)殡S著夯擊數(shù)的增加,加密帶厚度逐漸加大,沖擊壓縮波傳播距離增加并由此導(dǎo)致能量損耗加大,與此同時(shí),夯錘和土層表面接觸瞬間產(chǎn)生的反射作用也隨之增大,如隨著夯擊數(shù)增加而出現(xiàn)的“跳錘”以及夯坑周圍出現(xiàn)的“隆起”現(xiàn)象便是如此。這樣,就造成了夯擊能向土層中傳播比重的減少,由此出現(xiàn)夯沉量增量愈來愈小乃至于停止。

從上述機(jī)理可以看出,強(qiáng)夯過程實(shí)際上是沖擊壓縮波傳播和衰減的過程。具有多孔隙、粗顆粒含量高的濕陷性黃土經(jīng)強(qiáng)夯處理后,其內(nèi)部孔隙受到強(qiáng)烈壓縮,使體積減小、密實(shí)度提高,從而消除黃土的濕陷性并提高承載力和壓縮模量。黃土濕陷系數(shù)可由行前的0.041~0.063降為夯后的0.003~0.013。強(qiáng)夯后地表形成的硬殼可起到保護(hù)下臥層的隔水作用。即使再下層有部分濕陷性,也可確保建筑物的安全。

然而,采用強(qiáng)夯法雖然可以消除黃土的濕陷性,但是,在消除濕陷性的同時(shí),也帶來了受水浸濕時(shí)的膨脹性,這種膨脹變形可能造成建筑物的不均勻上升?；谶@一室外問題,在設(shè)計(jì)與施工時(shí),必須充分注意,杜絕這種因受水而產(chǎn)生的膨脹。

(二)強(qiáng)夯的實(shí)施要點(diǎn)

強(qiáng)夯法處理地基時(shí),為了達(dá)到預(yù)期的加固效果,一定要根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件和工程的使用要求,正確地選用強(qiáng)夯的參數(shù)。強(qiáng)夯參數(shù)包括夯擊能量、夯擊遍數(shù)、間歇時(shí)間、加固范圍和夯點(diǎn)布置等。

當(dāng)夯擊能量確定后,可根據(jù)施工設(shè)備的條件選擇錘重和落距,并通過現(xiàn)場試夯確定。夯擊數(shù)和遍數(shù)按最佳夯擊能的要求確定。最佳夯擊能是指能使地基中出現(xiàn)的孔隙水壓力達(dá)到土的自重壓力時(shí)的夯擊能。一般與土的種類有關(guān)。夯擊時(shí)前幾遍為“間夯”,即夯點(diǎn)按一定間距和排列布置。第一遍夯點(diǎn)距離不宜太小。約為夯錘直徑的3~4倍,第二三遍的距離逐漸減小,最后一遍以低能量“滿夯”,其目的是將松動(dòng)的表層土夯實(shí)。

兩遍夯擊之間應(yīng)有一定的時(shí)間間歇,使夯擊后的孔隙水壓力消散,若間歇時(shí)間不充分,孔隙水壓力尚未消散,再夯擊時(shí)勢必破壞原有的排水通道,甚至形成“彈簧土”(或橡皮土)。

強(qiáng)夯時(shí)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)一定要適中,濕陷性黃土的飽和度不能太高,一般要求小于60%。

三、結(jié)語

采用強(qiáng)夯法加固濕陷性黃土可節(jié)約資金,加快施工速度,縮短建設(shè)周期,強(qiáng)夯法不僅可消除地基的濕陷性,而且可提高地基的承載力,但目前強(qiáng)夯法的理論并不成熟,必須采用現(xiàn)場試夯才能最后確定強(qiáng)夯參數(shù),因此還必須對強(qiáng)夯法進(jìn)行深入的研究,使強(qiáng)夯法的理論走向成熟化?；趶?qiáng)夯法的種種優(yōu)點(diǎn),相信在未來的軟土地基處理技術(shù)中會(huì)被越來越多運(yùn)用。

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作者簡介:陳俊杰(1979-),男,河南人,山西省勘察設(shè)計(jì)研究院助理工程師,研究方向:巖土工程。