强夯法加固湿陷性黄土地基的机理

摘要:文章阐述了湿陷性黄土特性、成因、危害及分布范围,强夯法加固湿陷性黄土地基的机理及其施工要点,分析了强夯法的施工参数设计选用,强夯法加固湿陷性黄土的优点、缺点及需要注意的问题。

关键词:湿陷性黄土;强夯;冲击压缩波

中图分类号:TU751 文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)20-0082-03

强夯法,即动力固结法,是将夯锤通过吊车从高处自由落下给地基土以冲击和振动,使上层致密,从而提高土层强度和降低其压缩性。该方法首创于20世纪60年代末的法国,我国于70年代中期引进强夯技术。由于强夯技术经济易行、效果显著、设备简单、施工便捷、适用范围广泛,一经引进我国便得到迅速推广。加固湿陷性黄土地基是强夯法在我国的最早应用。近年来,强夯法在湿陷性黄土地基处理中也得到了愈来愈广泛的应用。

法国人L.Menard根据饱和黏土受到强夯作用后产生的一系列物理力学现象提出了新的动力固结模型和解释了强夯加固效应,强夯法本身是一个冲击动力学过程,复杂多变的土体结构和物理力学性质对冲击荷载的响应是比较复杂的问题,这对强夯技术的理解、应用和效果评价产生了直接影响。

一、湿陷性黄土

(一)黄土的湿陷性特征

湿陷性黄土具有如下特征:(1)颗粒组成以粉粒为主,含量占60%以上;(2)天然孔隙比较大,一般在1.0~1.1之间;(3)天然含水量较低,饱和度在15%~50%之间;(4)地下水位埋藏较深。

黄土的相对湿陷系数随干容重的增大而减小,当黄土干容重<1.3g/cm³时,相对湿陷系数>0.06,最大可达到0.18左右;当干容重为1.3 g/cm³~1.4g/cm³时,相对湿陷系数在0.06~0.03之间;当干容重>1.5g/cm³时,相对湿陷系数<0.015,可视作不湿陷黄土。

黄土的相对湿陷系数也会随着孔隙率的增大而增大,当黄土孔隙率大于40%时,相对湿陷系数一般>0.02;当孔隙率>50%时,其相对湿陷系数为0.06~0.18。由于黄土表层孔隙率较大,因此其相对湿陷系数也较大。

(二)湿陷性黄土的成因分析

黄土是第四纪干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物。颗粒组成以粉土粒为主,黄土的结构特征及其物质组成是产生湿陷的内在因素。而水的浸润和压力作用仅是产生湿陷的外部条件。黄土的结构是在形成黄土的整个历史过程中造成的,干旱和半干旱的气候是黄土形成的必要条件。季节性的短期降雨把松散的粉粒黏结起来、而长期的干旱气候又使土中水分不断蒸发,于是少量的水分连同溶于其中的盐分便集中在粗粉粒的接触点处。可溶盐类逐渐浓缩沉淀而成为胶结构。随着含水量的减少土粒彼此靠近,颗粒间的分子引力以及结合水和毛细水的联结力也逐渐加大,这些因素都增强了土粒之间抵抗滑移的能力,阻止了土体的自重压密,形成了以粗粉粒为主体骨架的多空隙结构。黄土结构中零星散布着较大砂粒。附于砂粒和粗粉粒表面的细粉粒和黏粒等胶体以及大量集合于大颗粒接触点处的各种可溶盐和水分子形成胶结性联结,从而构成了矿物颗粒的集合体。周边有几个颗粒包围的空隙就是肉眼可见的大空隙。当黄土受水浸湿时,结合水膜增厚楔入颗粒之间,于是,结合水联结消失,盐类溶于水中,骨架强度随着降低,土体在上覆土层的自重压力或在自重压力与附加压力共同作用下,其结构迅速破坏,土粒向大孔滑移,粒间孔隙减小,从而导致大量的附加沉陷,这就是黄土湿陷现象的内在过程。

另外,黄土在某一压力作用下变形达到稳定后,由于含水量增加而产生附加变形称之为增湿变形。增湿变形的定义要比湿陷变形的定义广泛的多,它包括了湿陷性黄土在压力作用下由于含水量增大而产生的全部变形性状。实际上,湿陷变形就是土体浸水饱和时产生的增湿变形,湿陷性黄土在增湿时其强度将明显降低,增湿变形的产生多为人为因素造成的。

(三)湿陷性黄土的危害性

由于湿陷性黄土的特殊性,在地基处理上较膨胀土地基、软土地基、季节性冻土地基处理更为重要,否则将出现不可想象的后果。据资料记载,70年代宁夏同心扬水工程的龙湾泵站,由于对湿陷性黄土的危害性缺乏认识,施工中没有采取有效的工程处理,工程投入运行后,发生地基沉陷,导致泵站下陷倾斜,工程无法正常运行。同样,该工程的金鸡沟渡榜至龙湾泵站段渠道工程也多处发生湿陷,致使渠道工程毁坏严重,多处决口,不得不反复维修,耗资很大。70年代末到80年代初修建的固海扬水工程,由于吸取了同心扬水工程的教训,对泵站、渠道建筑物的湿陷性黄土地基分别作了工程处理,效果明显。但是由于渠道线路长,处理难度大,未进行全面处理,试水后渡槽进出口处发生险情,反复维修,耗资很大,给国家和地区造成了很大的经济损失。

(四)湿陷性黄土的分布

湿陷性黄土在我国分布较广,面积约45万km²。按工程地质特征和湿陷性强弱程度,可将我国湿陷性黄土分为7个分区:(1)陇西地区。湿陷性黄土层厚度通常大于10m,地基湿陷等级多为三四级,对工程危害性大。(2)陇东陕北地区。湿陷性黄土层厚度通常大于10m,地基湿陷等级多为三四级,对工程危害性大。(3)关中地区。湿陷性黄土厚4~12m,对工程有一定危害。(4)山西地区。湿陷性黄土厚2~16m,地基湿陷等级一般为二、三级,对工程有一定危害。(5)河南地区。湿陷性黄土厚4~8m,一般为非自重湿陷性黄土,对工程危害性不大。(6)冀鲁地区。湿陷性黄土厚2~6m,非自重湿陷性黄土,地基湿陷等级为一级。(7)北部边缘地区,包括晋陕宁区与河西走廊区。非自重湿陷性黄土。地基湿陷等级为一二级。

(五)湿陷性黄土地基的处理方法

湿陷性黄土地基处理的方法有很多,如换填法、预压法、强夯法、深层挤密法、化学加固法、托换法以及土工合成材料的运用。进行地基处理时,必须结合具体情况,慎重选择,必要时应作方案比较,找出最佳途径。在此,仅介绍强夯法在湿陷性黄土地基处理中的应用。

二、强夯的加固机理与实施要点

由于强夯法在施工时噪音大,振动大,而且对附近的建筑物有影响,所以在人口和建筑物稠密的城市地区不宜使用,而在建筑物稀少的市郊,如机场跑道、高速公路等地基处理使用强夯法非常适合。

(一)强夯加固机理

强夯加固地基的机理,与重锤夯实法有着本质的不同,一般的重锤夯实是通过浅层振密作用加强土体表层的强度;而强夯则是通过巨大的冲击能量加强土体深层的强度。强夯主要是将机械能转化为势能,再由势能转化为夯击能(即动能),在地基中产生强大的动应力和冲击波,对土体作用的结果。这种作用可概括为加密作用、液化作用、固结作用和时效作用。

1.加密作用:土体中大多数都含有以微气泡形式出现的气体,其含量大约1%~4%。强夯时的强大夯击能,使气体压缩、孔隙水压力升高,随后在气体膨胀、孔隙水排出的同时,孔隙水压力减小。这样,每夯一遍液体和气体的体积都有所减小,土体便得到加密。根据试验,每夯击一遍气体体积可减少40%。

2.液化作用:在巨大的冲击应力作用下,土中孔隙水压力迅速提高,当孔隙水压力上升到与覆盖压力相等时,土体即产生液化,土的强度丧失,土粒可进行自由排列。应当指出,强夯时所出现的液化,只是土体的局部液化。

3.固结作用:当强夯在地基中所产生的超孔隙水压力大于土粒的侧向压力时,土粒间就会出现裂隙,形成排水通道。此时,土的渗透性改变,渗透系数骤增,孔隙水得以顺利排出,加速了土的固结。当孔隙水压力消散到小于土粒间的侧向压力时,排水的裂隙即自行闭合,土中水的运动又重新恢复常态。有规律布置夯点,可在夯坑四周产生有规则的垂直裂隙,促进土的固结;而无规则的紊乱夯击,则可破坏这些天然排水通道的连续性。

4.时效作用:随着时间的推移,孔隙水压力的消散,土颗粒又重新组合紧密接触,自由水也重新被土颗粒吸附而变成吸附水,土的强度便逐渐恢复。这种触变强度的恢复,称为时间效应,其作用叫做时效作用(或触变恢复作用)。土在触变恢复期间延续时间较长,有可能延续至几个月。因此强夯后质量检验工作至少宜在强夯施工后一个月再进行,不然得出的指标会偏小。

当强夯时的夯锤从高处自由落下夯击土层时,是一个由势能转化为动能的过程。在夯击地面的瞬间,能量的一部分以声波的形式向四周传播,一部分由于夯锤与土体间的摩擦而变成热量,一部分由于则由于夯锤与土层表面接触瞬间产生反射,而大部分能量则使土体产生振动,并以冲击压缩波的形式在土层内传播。冲击压缩波阵面压力使土体颗粒发生相对位移而重新排列,同时使土体中的孔隙体积缩小和气体排出,从而使土体致密。由于冲击压缩波阵面压力随着在土层的传播和遇到不同性质的介质产生反射而衰减,直到等于或小于土体强度值,此时的传播距离即为强夯的影响深度。由于在强夯实践中一般采用数次夯击加固地基上,因此除首次夯击外,以后的每一次夯击总是在上一次夯击的基础上进行,也就是说每一次夯击在土体中产生的冲击压缩波要通过上一次夯击压密的“加密带”而向深度传播。根据冲击压缩波的传播和衰减特征,波阵面压力经过见较高密度介质的衰减程度比在低密度介质中的衰减程度小,传播距离更远,但每一次增加的厚度是逐渐减小的,这是因为随着夯击数的增加,加密带厚度逐渐加大,冲击压缩波传播距离增加并由此导致能量损耗加大,与此同时,夯锤和土层表面接触瞬间产生的反射作用也随之增大,如随着夯击数增加而出现的“跳锤”以及夯坑周围出现的“隆起”现象便是如此。这样,就造成了夯击能向土层中传播比重的减少,由此出现夯沉量增量愈来愈小乃至于停止。

从上述机理可以看出,强夯过程实际上是冲击压缩波传播和衰减的过程。具有多孔隙、粗颗粒含量高的湿陷性黄土经强夯处理后,其内部孔隙受到强烈压缩,使体积减小、密实度提高,从而消除黄土的湿陷性并提高承载力和压缩模量。黄土湿陷系数可由行前的0.041~0.063降为夯后的0.003~0.013。强夯后地表形成的硬壳可起到保护下卧层的隔水作用。即使再下层有部分湿陷性,也可确保建筑物的安全。

然而,采用强夯法虽然可以消除黄土的湿陷性,但是,在消除湿陷性的同时,也带来了受水浸湿时的膨胀性,这种膨胀变形可能造成建筑物的不均匀上升。基于这一室外问题,在设计与施工时,必须充分注意,杜绝这种因受水而产生的膨胀。

(二)强夯的实施要点

强夯法处理地基时,为了达到预期的加固效果,一定要根据现场的地质条件和工程的使用要求,正确地选用强夯的参数。强夯参数包括夯击能量、夯击遍数、间歇时间、加固范围和夯点布置等。

当夯击能量确定后,可根据施工设备的条件选择锤重和落距,并通过现场试夯确定。夯击数和遍数按最佳夯击能的要求确定。最佳夯击能是指能使地基中出现的孔隙水压力达到土的自重压力时的夯击能。一般与土的种类有关。夯击时前几遍为“间夯”,即夯点按一定间距和排列布置。第一遍夯点距离不宜太小。约为夯锤直径的3~4倍,第二三遍的距离逐渐减小,最后一遍以低能量“满夯”,其目的是将松动的表层土夯实。

两遍夯击之间应有一定的时间间歇,使夯击后的孔隙水压力消散,若间歇时间不充分,孔隙水压力尚未消散,再夯击时势必破坏原有的排水通道,甚至形成“弹簧土”(或橡皮土)。

强夯时黄土的物理力学性质一定要适中,湿陷性黄土的饱和度不能太高,一般要求小于60%。

三、结语

采用强夯法加固湿陷性黄土可节约资金,加快施工速度,缩短建设周期,强夯法不仅可消除地基的湿陷性,而且可提高地基的承载力,但目前强夯法的理论并不成熟,必须采用现场试夯才能最后确定强夯参数,因此还必须对强夯法进行深入的研究,使强夯法的理论走向成熟化。基于强夯法的种种优点,相信在未来的软土地基处理技术中会被越来越多运用。

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作者简介:陈俊杰(1979-),男,河南人,山西省勘察设计研究院助理工程师,研究方向:岩土工程。