强夯法加固无粘性土路基有效加固深度的研究

强夯法加固无粘性土路基有效加固深度的研究STUDYOFTHEDYNAMICCOMPACTIONEFFECTIVEREINFORCEMENTDEPTHOFCOHESIONLESSSOILSUBGRADE

杨阳

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300381）

（NorthChinaMunicipalEngineeringDesignResearch&Institute,Tianjin300381,China）

YANGYang

【摘要】有效加固深度是强夯法设计施工的重要参数之一，目前尚缺乏深入的理论研究。文中结合现场试验，通过FLAC3D建

立了强夯加固无粘性土的数值计算模型，分析了夯锤落距、锤重、锤底面积以及土体参数等因素对强夯有效加固深度的影响，并通过正交设计法进行了土体参数多因素敏感性的分析。根据分析结果以及结合有效加固深度的传统经验公式，提出了针对无粘性土的有效加固深度的计算公式。工程验证表明，所建立的计算公式预估结果比较可靠，对强夯法的设计与施工具有一定的指导作用。

【关键词】强夯法；有效加固深度；数值模拟；无粘性土【中图分类号】TU472

【文献标志码】A

【文章编号】1001-68（2019）01-0105-04

Abstract:Theeffectivereinforcementdepthisoneofthemostimportantparametersofdynamiccompactionmethoddesignandconstruction,sofaritisstilllackofin-depththeoreticalstudy.Inthispapercombinedwiththefieldtest,FLAC3Dwasusedtodothenumericalsimulationofdynamiccompactionreinforcementtocohesionlesssoil.Bythesimulation,thispaperanalyzedthefactorswhichmayinfluencetheeffectivereinforcementdepth,suchasthehammer'sweight,dropdistance,basearea,andthesoilparameters.Theorthogonaldesignmethodwasusedtoanalyzethesoilparameters'sensitivitytotheeffectivereinforcementdepth.Combinedwiththeresultsofnumericalanalysisandthetraditionalempiricalformulae,theeffectivereinforcementdepthcalculationformulawasestab原lishedforcohesionlesssoil.Theengineeringverificationshowsthattheestablishedcalculationformulaismorereli原ableandhasacertainguidingeffectonthedesignandconstructionofthedynamiccompactionmethod.Keywords:dynamiccompaction；effectivereinforcementdepth;numericalsimulation;cohesionlesssoil.

0引言强夯法加固地基因其设备简单、施工方便、节省材料、经济易行、适用面广、效果显著等诸多优点而得到广泛应用。虽然在实践中被证实是一种好的地基处理方法，然而到目前为止强夯法加固地基的有效加固深度还没有一套成熟完善的理论和设计计算方法[1]。本文主要讨论强夯法处理无粘性土地基的有效加固深度的影响因素，并根据分析结果建立了无粘性土有效加固深度的计算公式。有效加固深度是强夯现场工程中的一项重要设计参数，也是反映强夯处理效果的重要参数。强夯有效加固深度是指地基土经强夯加固后能够满足特定工程要求的深度，与加固目标值紧密相连的，它的值根据被加固地基土的不同要求和判别方式的不同而不同。目前，尚没有一个统一的判别有效加固深度大小的标准。1105

1.1现场试验现场试验区域有大量堆积一年多的铁矿渣，可就地利用作为路基填料，能有效缩短工期，降低工程造价。铁矿渣饱和度较低，渗透性好，强夯时不会产生明显的超孔隙水压力，非常适合采用强夯法加固处理。试验施工参数如下：履带式起重机，起重能力为16～25t；圆形夯锤，20t重，直径为2.5m。试验槽长12m、宽12m、深4m。将土压力计分七层埋设至试验槽中。分布如图1、图2所示。数值计算模型的建立图1土压力计埋设位置俯视图（单位：m）

图2

土压力计埋设位置侧视图（单位：m）

对夯点A、B、C、D分别按2000、2250、2500、2800kN·m的夯击能进行夯击，使用动静态应变测试分析系统对强夯过程中土压力计的数值变化进行动态采集，从而计算出各监测点的动应力值。监测点位于夯点下沿深度2～8m和沿径向0～6m处的整点处[2]。1.2数值模型用FLAC3D对现场试验进行数值模拟。建模时模型要足够大，减少边界对计算精度的影响。模型分为土体和夯锤两部分。建立的模型尺寸为20m伊20m伊15m，网格划分如图3所示。图中模型中心处上方为高度0.25m的夯锤。将现场试验的圆形夯锤按照锤底作用面积大小相等原则简化为方锤，使夯锤的网格形状更加规则。采用Mohr-Coulomb弹塑性模型作为本构模型。将强夯过程中产生的冲击荷载简化为三角形单峰荷载，如图4所示，土体参数见表1。图3模型网格划分

图4锤底应力随时间变化示意图

表1

土体参数取值

名称厚度/m密度/压E缩模量泊松比粘（kg·m-3）C聚/kPa力内摩擦角

s/MPavφ（/°）矿渣

15

2000

10

0.3

0

35

取夯击能为2000kN·m的数值计算结果与现场试验结果进行对比。当夯击能为2000kN·m时，对应的Pmax=572000Pa，tN=0.1252s。从图5中可以看出，数值计算的结果曲线与现场观测曲线基本吻合，表明该数值模型可以准确地模拟强夯加固无粘性土的过程，可以利用该数值模型进行有效加固深度影响因素的研究。图5

动应力沿深度变化

2影响因素的数值分析卢廷浩在《土力学》中提到，对于以减小地基沉降为目的的地基，参照建筑地基规范关于压缩层厚度的规定。对于一般土，压缩层厚度自基础底面算起，算到附加应力与自重应力比值为0.2处，即滓z/滓c≤0.2处[2]。本文的现场和数值计算中将采取这种方法判别有效加固深度的大小。2.1土体参数的影响为研究土体参数对强夯有效加固深度影响的敏感性，本文采取正交分析法。正交分析是进行多因素敏感性分析的一种研究方法，它从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些点具有均匀、整齐的特点。表2

试验设计方案及相应的有效加固深度

序号压E缩模量

泊松s/MPa

v比籽土（/体kg·密m度内摩擦角有效加固

-3）（/°）深度H/m1100.21500255.942100.32000306.033100.42500356.454200.22000355.975200.32500256.236200.41500307.807300.22500305.988300.31500358.239

30

0.4

2000

25

7.40

106

文中用于敏感性分析的评价指标为有效加固深度。由于无粘性土的粘聚力C可以忽略不计，本次模拟对土体密度籽、压缩模型Es、泊松比v和内摩擦角进行分析。试验设计方案及数值计算所得的有效加固深度如表2所示，计算所得的各参数的极差如表3所示。表3

土体各参数的极差分析

参数压内摩擦角

E缩模量

泊松s/MPav比籽土（/体kg·密m度-3）（/°）K1j6.145.967.326.52K2j6.676.836.476.60K3j7.207.226.226.88Rj1.061.26

1.10

0.36

敏感性

v>籽>Es>

通过土体参数敏感性分析可知，对有效加固深度影响最大的因素是泊松比、密度，对有效加固深度影响最小的是内摩擦角。2.2夯击能的影响夯击能为锤重和落距的乘积。夯击能的影响主要表现为落距和锤重的影响。分别模拟锤重不变，落距分别为7.5、10、12.5和15m的工况观察落距的影响；落距不变，锤重分别为15、20、25和30t的工况观察锤重的影响；然后观察不同锤重落距组合的影响。各工况所得的有效加固深度数据如表4所示。表4

有效加固深度随夯击能的变化

工况锤重

落距

单击夯击能有效加固深度

/t/m/（kN·m）/m1207.51500

5.66

2201020006.3432012.525006.984201530007.365151015005.436201020006.347251025006.728301030007.23101612.520006.1311201020006.3412

25

8

2000

6.55

从表4中可以看出，有效加固深度分别与落距和锤重成正比，重锤低落比轻锤高落的加固效果要好。2.3夯锤底面积的影响在保持其他参数不变的同时，分别模拟了夯锤锤底直径为2、2.5和3m时的工况，观察夯锤锤底面积对有效加固深度的影响，所得有效加固深度如表5所示。表5

有效加固深度随锤底直径的变化

锤底直径

单击夯击能夯沉量

有效加固深度

/m

（/kN·m）

/cm/m

2200020.327.452.52000116.343

2000

7.66

5.33

107

从表5中可以看出，有效加固深度与夯锤锤底面积成反比。综上所述，土体的泊松比、密度、夯锤的重量、锤底面积、落距均对有效加固深度有影响。通过数值计算得出如下结论，有效加固深度与夯锤重量、落距成正比，与夯锤底面积成反比。3有效加固深度的公式建立综合考虑数值模拟分析结果和传统经验公式[4-6]，确定夯锤重量M，夯锤落距h，夯锤底面积A以及土体的泊松比v和密度籽作为建立强夯加固深度H公式的基本因子。建立函数如下：（fM,h,A,籽,v,H）=0（1）初步建立如下公式：H=姨AMh籽v（2）式中，M为夯锤质量，kg；h为夯锤落距，m；A为夯锤底面积，m2，A=仔r2，r为夯锤锤底半径，m；籽为土体的密度，kg/m3；v为土体的泊松比。对公式进行量纲分析可得：[H]=2从式（蓘姨AMh籽v3）中可知蓡=，该公蓘姨mkg··kg/mm3式遵循了量蓡=[m]（3）纲统一的原则。将式（2）计算所得的有效加固深度值与数值模拟所得有效加固深度值相比较，给式（2）加上一个合适的修正系数琢。各个工况计算所得琢值如图6所示。图6修正系数琢散点图

从图6中可以看出，当修正系数琢取0.75时，能较好的反映各工况琢值的平均水平。故最终确立的公式形式如下所示：H=琢姨AMh籽v（4）式中，琢为修正系数，对于无粘性土取0.75进行计算。将式（4）计算所得的有效加固深度值与本文数值模拟计算所得的各工况的有效加固深度值相比较，如图7所示，与现场试验所得的各工况的有效加固深度值相比较，如图8所示。从图7和图8中可以看出，建立的公式计算出来的有效加固深度的值与数值模拟得到的值、现场试验测量的值基本吻合，最大偏差不超过6%。证明了该公式计算不同夯击能下有效加固深度值的准确性。图7（d）说明不能反应相同夯击能下不同锤重落距组合时有效加固深度的变化是该公式的局限性。图7数值与公式计算值的比较

图8现场与公式计算值的比较

4结语本文结合现场试验，通过FLAC3D建立了强夯加固无粘性土的数值计算模型，得出影响强夯有效加固深度的主要因素有夯锤落距、锤重、锤底面积以及土体参数。通过正交设计法进行了多因素敏感性分析，结果显示土体参数中土体密度和泊松比对有效加固深度影响最大。确定有效加固深度计算公式的主要因子为夯锤落距、锤重、锤底面积、泊松比和土体密度，在传统经验公式基础上，提出了无粘性土地基的有效加固深度计算公式。工程验证表明，该公式预估结果比较可靠，对强夯法的设计与施工具有一定的指导作用。参考文献1］叶观宝.强夯法地基处理有效加固深度的分析研究［J］.上海

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4］郝华庚.高能级强夯加固机理及环境影响数值分析［D］.上

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5］张平仓.强夯法施工实践中加固深度问题浅析［J］.岩土工程学

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6］费香泽,王钊.强夯加固深度的试验研究［J］.四川大学学报,

2002,7（4）:56-59.］2018-10-31］杨阳（19-），女，山东聊城人，工程师，从事市政道路设计工作。108

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