強夯置換法處理軟土地基的模型試驗研究

徐玉勝，趙有明，高明顯

(中國鐵道科學研究院，北京 100081)

強夯置換是近年來在夯法的基礎上發展起來的一種適用于處理高飽和度、低透水性、低強度、高壓縮性軟土的地基處理方法。強夯置換法采用在夯坑內回填塊石、碎石等粗顆粒材料，用夯錘夯擊形成連續的強夯置換墩。強夯置換法具有加固效果顯著、施工期短、施工費用低等優點，目前已用于堆場、公路、機場、房屋建筑、油罐等工程，效果良好［1］。

劉天 韻［2］、黃 海［3］、郭 文 東［4］、任 繼 榮［5］、李 煒東［6］、蘇文峰等［7-8］通過現場試驗和工程實例對強夯置換機理進行了研究和闡述，得出了一些有益的結論。但由于現場試驗成本大、受工期影響等原因，針對不同強夯參數對置換效果的影響等方面的研究很少，至今尚未形成系統性結果，強夯置換法的參數設計還高度依賴經驗和現場試驗。

而室內模型試驗可以選擇多種試驗參數并且可以方便地取得試驗數據，同時可以低成本地進行系列試驗。韓文喜等［9-12］通過室內模型試驗對強夯法的機理進行了研究，但到目前為止，尚未有人通過室內模型試驗對強夯置換法機理進行研究。本文針對深圳地區軟土的特性，在室內建立與實體模型存在相似性的小比例尺寸模型對強夯置換法處理軟土地基機理進行了嘗試性研究，以期結合數值模擬給出針對強夯置換法的設計依據。

1 模型試驗設計

1.1 試驗相似律原理

與動力學研究中的落錘實驗類似，現場原型受速度為V，質量為M物體的撞擊，與幾何相似的小尺寸模型受到速度為v，質量為m的撞擊，它們之間的各種參量關系遵循一定的相似率［13］。由于小尺寸模型與原型的自重應力雖不類似，但由于模型受到很大的沖擊應力的作用，重力的影響可以忽略。

對于物理模型試驗來說，存在一個現場原型與室內模型的相似律問題。根據文獻資料［13］，試驗采用表1縮放律。

1)幾何相似，為保證室內模型與現場原型在幾何上相似，將模型夯錘直徑、夯點間距、淤泥層厚度、碎石墊層厚度以及碎石粒徑等按比例縮小20倍。

2)材料相似，取與現場原型相同的材料制作室內模型的材料。模型試驗是由現場淤泥直接裝箱，工作墊層采用按上述等比縮放的碎石。

3)夯擊能量，夯錘起吊高度按比例縮小20倍。

1.2 試驗目的

通過室內模型試驗，獲得系列數據，研究一定條件下夯擊過程中置換體的發展過程。分析夯錘直徑、夯擊能量等因素對置換效果的影響，探討夯擊過程中地面變形規律及超靜孔隙水壓力變化規律。以期對強夯置換法處理軟土地基的機理有更全面深入的認識，并為后期數值模擬提供可靠的驗證資料。

1.3 試驗裝置及參數

1)試驗裝置

模型試驗在自制的模型箱中進行，共制作兩個尺寸為260 cm×150 cm×100 cm的模型箱。1#模型箱用來模擬置換體發展過程，2#模型箱用來模擬多種強夯工藝參數與置換體形態的對應關系以及夯擊過程中地面變形和孔壓發展的規律。圖1為強夯置換模型試驗裝置示意。

圖1 強夯置換模型試驗裝置示意(單位:cm)

試驗裝置分固定和活動兩部分，箱體為固定部分，模型箱內部作防滲處理，箱體頂部側邊設角鋼滑道，方便活動門架沿箱體頂部邊緣橫向移動;支架頂部的橫梁設定位孔、滑片及滑輪，方便夯錘的起吊和夯點的雙向定位。

2)試驗參數

試驗用淤泥直接取自現場，其含水量94.0%，孔隙比2.51，固結不排水強度指標 c、φ分別為13.9 kPa和25.0°;工作墊層材料為商品碎石，碎石粒徑1～2 cm，強度指標 φ 為36.9°。

試驗采用質量為4.0 kg的鑄鋼圓柱體夯錘4個，夯錘直徑分別為6 cm、8 cm、10 cm和12 cm。1#模型箱各夯點均采用8 cm夯錘，起吊高度120 cm，共布置31個夯點，針對表2中工況一所對應的土層參數。2#模型箱試驗針對不同型號的夯錘和不同起吊高度的組合條件，共布置24個夯點，分別針對表2所示的三種工況進行了系列試驗，其中工況一、二、三分別對應2#模型箱的 A、B、C區。

1.4 試驗數據的測量

1)置換體形態測量

每個夯點夯擊完成后，及時用對應碎石回填夯坑。在采取措施使淤泥含水量降低到一定程度后，人工分層挖出夯坑中的碎石，使置換體形狀(夯坑)完全暴露，用特制的卡尺測量夯坑的直徑和深度。從而獲得夯坑(即置換體)的剖面圖。

表2 模型試驗土層分布參數

2)地面變形的測量

用自制小型沉降板測量夯擊過程中夯坑周邊地面變形，沉降板布置在碎石墊層頂面。沿每個試驗夯點徑向距離布設10個沉降板，間距5 cm。

3)超靜孔隙水壓力的測量

為研究在夯擊過程中離夯點不同距離、不同深度的超靜孔隙水壓力隨時間的變化規律，在2#模型箱工況一對應的試驗區域選擇E3、E4兩個夯點作為孔壓監測夯點，按圖2所示的位置布置了2組6個孔隙水壓力傳感器。其中第1組 u11、u21、u31距淤泥頂面10 cm，第2組 u12、u22、u32距淤泥頂面25 cm。兩組測點距 E3、E4夯點的水平距離分別為 12 cm、19.5 cm、27 cm 和 8 cm、15.5 cm、23 cm。E3、E4 兩試驗點均采用直徑8 cm的夯錘，起吊高度分別為100 cm、120 cm，其它試驗參數相同。孔隙水壓力測量采用DYZ型微型孔壓計。在孔隙水壓力傳感器附近設置地下水位管，以監測地下水位，從而根據測得的孔隙水壓力和地下水位求得超靜孔隙水壓力。每次夯擊后測量一次，收錘后按一定時間間隔連續測量，直到超靜孔壓消散為止。

圖2 孔隙水壓力傳感器布置示意(單位:cm)

2 試驗結果分析

2.1 置換體發展過程

1#模型箱針對置換體發展過程方案共布設31個夯點，夯擊次數依次從1遞增到31擊，即夯點編號對應該夯點的夯擊次數。試驗采用直徑為8 cm的夯錘，落距120 cm。圖3給出了夯擊數與置換深度之間的關系。

圖3 夯擊數與置換深度的關系

從圖3(a)中可以看出，在試驗條件下，置換深度的發展可以分為三段:1～6擊為第一段，該段置換體快速增長，達到14.5 cm，占最大置換深度的38%;7～22擊為第二段，該段置換體增長速度較第一段慢，使置換深度增加了20 cm，占最大置換深度的52%;22擊以后為第三段，該段第26擊達到最大深度，之后置換深度不再隨擊次的增加而增加，但從總體趨勢看，該段屬于緩慢增加階段。

根據上述分析，提出極限置換深度的概念，指在相同條件下，某一夯擊能量對應的最大置換深度。在達到該深度后，增加夯擊次數對置換體的豎向發展沒有任何意義。由試驗數據的關系特征進行擬合，夯擊數與置換深度的關系近似地用式(1)表示

式中，h為對應于擊次N的置換深度，hc對應于夯擊能量的極限置換深度。圖3(b)是將38.5 cm作為極限深度時，根據式(1)繪制的夯擊次數與置換深度的關系曲線。可以看出，曲線能夠較好地擬合上述分析中提到的三個階段的特征，由于繪制曲線的前提是hc=38.5 cm，所以在26擊次時并沒有達到試驗值38.5 cm。但從試驗數據和擬合曲線都可以發現，在22擊以后，置換深度的增加幅度較之前明顯減小，要達到極限置換深度要再增加幾十擊。反映到施工現場，意味著工時和造價的大幅增加，與之相比，提高強夯能級具有明顯的技術經濟優勢。

2.2 夯錘直徑對置換深度影響

圖4給出了三種試驗工況在能量一定(落距為120 cm)的條件下，不同夯錘直徑與置換深度的關系。

圖4 夯錘直徑與置換深度的關系

從圖4可以看出，A、B、C三個試驗區各個夯點置換深度與錘徑之間的關系總體趨勢是一致的，即隨著夯錘直徑的增大，置換深度都隨之減小。

2.3 夯擊能量對置換深度的影響

圖5給出了三種工況條件下夯錘直徑一定(夯錘直徑為8 cm)，不同能量(落距)與置換深度的關系。從圖中可看出，A區、B區、C區存在相同的規律:置換深度隨著夯擊能量(落距)的增加而增加，均近似地符合對數關系。其中，A、C區的置換深度及其增長趨勢非常接近，而B區與其他兩個區相比置換深度明顯偏小，但置換深度隨能量的增長幅度較大，說明在墊層較厚的情況下，要獲得相同的置換效果，需要較高的能量才能達到。

圖5 夯擊能量與置換深度的關系

2.4 夯擊過程中超靜孔隙水壓力變化規律

1)夯點附近水平向超靜孔壓變化規律

在2#模型箱E4夯點周圍距淤泥頂面10 cm和25 cm的位置布置2組6個孔隙水壓力傳感器，E4夯點的工況為工作墊層厚10 cm，墊層碎石粒徑1～2 cm，夯錘直徑8 cm，落距120 cm。試驗時每次夯擊后記錄各個孔隙水壓力傳感器的讀數，圖6給出了淤泥頂面以下25 cm處u12、u22、u32的超靜孔隙水壓力隨夯擊數變化的情況。試驗曲線表明三個點的超靜孔壓都隨著夯擊次數的增加而增加，但距夯點中心軸線近者孔壓的增幅要大，u12、u22、u32三點強夯35擊過程中超靜孔壓的最大增幅分別為 1.8 kPa、1.5 kPa和 0.4 kPa。

圖6 水平向上超靜孔隙水壓力變化規律

2)夯點附近垂向上超靜孔隙水壓力變化規律

圖7給出了E3點強夯時垂向上超靜孔隙水壓力隨夯擊數變化的情況。

圖7 垂向上超靜孔隙水壓力變化規律

試驗表明，隨著夯擊數的增大，各個測點的超靜孔隙水壓力都相應增大，夯擊數相同時距離淤泥頂面越近，超靜孔隙水壓力增長幅度越大。

圖7還表明，靠近表層的u31點超靜孔隙水壓力在第8擊時接近峰值，然后略有下降，而后又開始緩慢上升，然后基本維持在2.3 kPa的水平;但深層點u32的超靜孔壓在第22擊時才達到峰值，之后穩定在2.0～2.2 kPa的范圍。這主要與置換體的形成及其起到的排水作用有關。根據相同條件下的強夯置換體形成過程試驗的相關數據，5擊次和20擊次對應的置換深度分別為14 cm和30 cm，置換體底部位置正好剛剛超過孔壓測頭埋置深度，充分說明了置換體形成后其顯著的排水作用。隨著夯擊次數的增加，超靜孔壓不斷的增加、快速消散，加速了樁間淤泥土的固結過程，將大大改善地基的性狀。

3 結論

1)強夯置換過程中，對應于每一單擊夯擊能存在某個極限置換深度，在達到極限深度后置換體的深度不再隨著夯擊次數的增加而增加。在極限深度范圍內，置換深度與夯擊數可近似地用公式 h=hc(1－e－0.074N)擬合。

2)強夯能量、地層條件相同，在試驗條件下置換深度隨夯錘直徑的增大而減小。

3)置換深度隨著夯擊能量(落距)的增加而增加，均近似地符合對數關系。

4)夯擊過程的動力作用產生的超靜孔隙水壓力隨著徑向距離的增大而減小，垂向上的超靜孔隙水壓力隨深度的增加而減小。置換體形成后超靜孔壓的消散速度明顯加快，說明其排水作用較為顯著。

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