强夯法夯击时接地应力的影响因素综述

邵建辉

中国联合工程公司浙江杭州310052

【摘要】强夯法对软土地基进行加固，其加固效果不仅与强夯的施工参数有关，还与被加固地基的工程地质条件密切相关。不同的夯击能、布点方式、排水条件、单点击数以及土层结构等条件下，地面的接触应力的大小和分布均会出现较大差异，本文在综合了国内外各种理论以及技术的前提下从力学理论推导和原理阐述等方面对接地应力的特征和各种影响因素进行了归纳和总结。

【关键词】强夯；应力；夯击能；土体特性参数；接地应力；夯击数。

1.前言：

自从强夯法1969年由L.Menard首次应用于废弃石料地基加固，多年来，国内外许多研究者对强夯时土体动应力及加固体强度的时空变化进行了测试和数值模拟，通过引进和修正打桩动力分析的一维波动方程模型求得了强夯地基土的应力与位移，运用展动波理论分析了强夯机理。但由于土的分散性、复杂性和易变性，尤其是地区性的多孔多相的弹塑性土受到瞬间高强冲击荷载作用后的动力反应及冲击形成土的性状极其复杂，相应的作用机理、数学模型和求解方法尚不完善，其设计计算仍处于经验和定性阶段。强夯法的效果主要取决于强夯的表面接触应力，可以说，强夯的表面接触应力特性是决定强夯理论分析与数值模拟可靠性的关键。近年来，国内外许多研究者从各个角度和采用各种方法对强夯的表面接触应力与沉降特性进行了深入探讨，但常常是假设表面接触应力沿锤底均匀分布，若要完全模拟强夯的效果仍存在较大困难。现在，强夯法主要适用于加固砂土和碎石土、低饱和度粉土与粘性土、湿陷性黄土、砸填土和素填土等地基。

2强夯法机理简述：

要讨论强夯夯击的接地应力，就不能不先对强夯法的机理有一个较为全面的认识。国内外学者从不同角度进行了大量的研究和分析，总体来看动力固结理论和震动波压密理论可以较好地分析强夯加固机理。

1.动力固结理论。动力固结理论是梅那（L．Menard）基于饱和粘性土强夯瞬间产生数十厘米沉降的现象而提出的，而原有的固结理论认为饱和粘性土在瞬时荷载作用下，由于渗透性低，孔隙水无法在瞬间排除，因而被看作是不可压缩体；而强夯由于其巨大的冲击能量使土体产生强烈的振动和压力，导致土中孔隙压缩，土体局部液化，夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水迅速逸出，土体得以固结，从而能减少沉降并提高承载力。即强夯施工过程中，土体承载力的提高，是靠动力固结，其过程可分为以下几步：

1）.饱和土的压缩

2）.土体液化

3）.土体渗透性增大

4）.触变的恢复

2.震动波压密理论。在强夯法施工过程中，落锤冲击地面后，其能量是以应力波的形式在地基内传播，因此可从波动的角度探讨强夯的机理。强夯的特点是将机械能转换为势能，再变为动能作用于土体。在重锤作用于地面的一瞬间，强夯使得土体产生强烈的振动，在土体中产生振动波，从震源向四周传播。若把土体看成弹塑性材料，在巨大的冲击能量作用下，质点在连续的介质内振动，其振动的能量可以传递给周围的介质，而引起周围介质的振动。这个振动过程形成波，根据其作用、性质和特点可分为面波和体波。强夯主要是由体波起加固作用，体波又可分为纵波和横波。其中纵波是由震源向外传递的压缩波，质点的振动方向与波的前进方向一致，同时伴随着体积的变化，一般周期小，振幅小；横波是由震源向外传递的剪切波，质点的振动方向与波的前进方向垂直，不产生体积的变化，一般周期长，振幅较大。横波只能在固体中传播，而纵波在固体、液体里都可以传播。在实施强夯时，夯击能量释放于一定范围内，使土体得到不同程度的压密加固。由于强大的夯击能使得土体产生剪切压缩和侧向挤压，一般地面以下0．5m范围内土体为扰动松弛区，0．5～5．Om范围内为压密加固区。如果将地基视为弹性半空间体，夯锤自由落下，这是由势能转化为动能的一个过程，在夯击地面的瞬间，动能的一部分以声波的形式向四周扩散，一部分由于夯锤与土体摩擦而变成热能，其余大部分动能则使土体产生自由振动，并以压缩波（纵波）、剪切波（横波）和瑞利波（表面波）三种波形在地基内传播。在夯击地面的瞬间，波在层状地基中从一个弹性介质传播到另一介质，同时，波能反射回第一个介质。传播到另一个介质的波能起到了强夯加固的作用，反射回的波能则使得地表土层松动。

3强夯时接地应力的影响因素：

3.1夯锤与土体接触后的瞬时速度

落距为H的夯锤，.自由落体在地表与地基半空间碰撞，然后在半空间表面做自由振动，简化成质量一阻尼一弹簧体系后夯锤的加速度为：

图3夯击能为840KN?M时10击产生的接地应力扩散情况

当等压线分布在10KPa以上时，动应力的衰减较快；当等压线分布在10Kpa以下时，特别是在1~2Kpa时，动应力在很大的一个范围内的衰减都较缓慢。

对于同一个夯点而言，其等压线图的分布规律为：上部密集、下部稀疏，整体等压线呈现出上小下大的梨型形状。而且随着夯击次数的增加，锤底有效加固范围内的动应力提高值相当明显，但在达到3一5击后就基本趋于稳定。对于同一个夯点而言，在竖直方向上，动应力的衰减速度相当快并与距离夯锤的距离成反比，且动应力值越大，衰减的速度也就越快，其影响深度较大。在水平方向上，动应力的衰减较慢，且影响范围也较小。同时，随着夯击次数的增加，在有效的加固范围内（动应力大于10Kpa时），动应力的增幅较为显著明显，反之则不然。而且同一种夯击能量作用下其加固的影响深度远大于有效影响深度。随着夯击能的增加，强夯加固的效果相当显著。

3.4夯击数

仍以红砂岩碎石土高填方路基强夯加固时的动应力扩散试验数据来描述夯击能为960KN?M时不同夯击数的接地应力，接地应力的等压分布曲线如图4所示：

图4夯击能为960KN?M时10击产生的接地应力扩散情况

由上图可知，当夯击数增加时，接地应力的扩散曲线在保持曲线形状基本不变的前提下，将会出现一定程度的偏差。

再以秦皇岛煤码头堆场工程的现场实际测试结果做补充说明，现场为人工回填细砂，锤重98kN，落距13m，锤底面积为4.0，平均夯击能为325，夯击后的变形模量与夯击次数的经验公式，泊松比取0.33，时间步长=1.0m，地基底部表面深度为14.0m。图5为各次夯击下最大接触应力沿锤底的分布规律，图6为地表面接触应力平均值的时程曲线，从图中可以看出，强夯接地应力最大值随夯击次数增大而增大，且接地应力沿锤底近似马鞍形分布。

结果表明：随着夯锤直径的增加，同一能量作用下的地基变形和应变都有所减小。同时由于夯锤直径增加，作用面积和土体变形范围增加。随着夯锤直径的减小，其强夯作用时间增加，中心点的沉降变形增加较大。同样重量情况下夯锤半径减小将增加对地基的单点强夯效果，提高接地应力，但其影响和加固范围将减小。

4.总结

强夯法夯击时接地应力的影响因素有很多，本文仅是搜寻了一部分国内外论文著作，并引用了其中的结论以及支持结论的经典工程实例。实际上，研究强夯的接地应力特性是决定强夯理论分析与数值模拟可靠性的关键。近年来，国内外许多研究者从各个角度采用各种方法对强夯夯击时的接地应力特性进行了深入探讨。用边界元法求解时虽然考虑了接地应力的非均匀分布特性，但未考虑夯锤的自重影响，因而只适用于均质地基，对于多层地基，目前难以普遍给出任意层数介质的动力基本解的解析表达式，若对每一层应用均质基本解的边界元法，在横向无限长的各层间的交接面上须划分单元，当地基层数较多时，计算工作量将十分庞大，实际上很难实现。在三维情况下，同时考虑接地应力的非均布和地基的非均质性的强夯接地应力特性，从目前文献看，弹性模型情况下的接地应力特性都没有得到解决，更不必说弹塑性模型。随着数值模拟、有限元方法的日益成熟，强夯法接地应力的影响因素将被更多的挖掘出来，各因素之间的内在联系以及重要性也将越来越清晰，这对强夯法理论的研究和实际工程中的运用将是极其有益的。

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