动力排水固结法的研究及应用概况

第13卷第4期土　工　基　础Vol.13No.4

动力排水固结法的研究及应用概况

雷学文*　白世伟

(中国科学院武汉岩土力学研究所　武汉　430071)

摘　要　本文简要综述了动力固结排水法的研究现状及工程应用情况,并提出了在该领域中值得进一步研究的问题。

关键词　动力固结排水法　应用

1　引　言

在软基处理工程中,我国岩土工程界根据饱

理论研究,取得了一些有价值和实际意义的成

果。本文谨就其理论研究成果和实际应用状况作和软粘土的工程特性,开创了“动力排水固结法”一综述。这项新技术,该法的基本特点为:根据场地条件,工程情况与技术要求进行排水体系的设计,视需要设置水平排水体(通常铺设砂垫层)与竖向排水体(可选择塑料排水板、砂袋或打设砂井),然后根据交工面高程填土至预定标高,再进行夯击;利用逐遍加大的动力荷载及填土静载促使软土加速排水固结,排出的孔隙水经塑料排水板或砂井向上至砂垫层,然后排至指定位置。由于动载的多次作用及排水条件的改善,软土之上的人工排水体及覆土层(静载)又使动载作用产生的附加压力保持一定时间,促使地层中孔隙水快速消散且不断地排出,主固结变形加速完成,地基强度提高。据此特点,白冰博士将其称为“动静结合排水固结法”。一般而言,动力排水固结法在工期上要比堆载法短,在造价上要比块石强夯法、粉喷桩法低,在使用范围上要比传统的强夯法宽,故该法的使用前景较广阔。

自动力排水固结法提出以来,岩土工程界已将其成功地用于许多软基加固工程,许多专家学者对该法的加固机理和加固效果进行了广泛的

　:*2　理论研究方面的主要成果

为探索动力排水固结法的加固机理和评价其加固效应,许多专家学者分别通过室内试验或数值分析进行了大量研究,并取得了一些有价值的成果。

2.1室内试验方面

钱家欢教授[1]和他的研究生们早在1980年初就利用自行设计的动力固结仪(一维变形)对软粘土动力固结的机理进行了室内试验研究,得出了一些有益的结论,为理论计算提供了可靠参数。

在刘祖德教授指导下,白冰博士利用自行设计改造的允许试样有侧向变形的动力排水固结装置,对冲击荷载作用下饱和粘土的变形、孔隙水压力的增长和消散、再固结体应变的发生和强度增长等有关问题进行了大量室内试验。得出了如下极有理论价值的结论:

1)冲击荷载作用下孔隙水压力增长机理[2]饱和软粘土在轴向冲击荷载作用下会产生较大的动球应力,主要表现为动孔隙水压力增加。动球应力达到峰值后随之下降,动孔隙水压力也达到峰值,并随土体的卸荷膨胀而下降到某

10　　　　　　　　　　　　　　　　土　工　基　础　　　　　　　　　　　　　1999年Ures。由于试样处于不排水状态,孔隙水压力不会立即消散。在后续的冲击荷载作用下孔压不断积累,当Ures累积达到一定值时,在排水条件下孔压消散,试样排水固结。

2)轴向应变和孔隙水压力发展规律[3]

通过分析在不同冲击荷载作用下和不同围压下土样轴向应变和孔隙水压力的试验成果,得出在同一围压下,随冲击次数N的增加,轴向应变和孔隙水压力均有上升趋势,且较大的冲击能对应较大的轴向应变和较大的孔隙水压力。在不

的软粘土进行了强夯数值分析。由此可求得土体

的动力反应并按照某种标准来确定加固深度和相应的土性的变化程度。

冯光愈等利用修正的剑桥模型与比奥固结理论相耦合的方法,用等效系数方法将三维排水问题简化为二维问题,对插板排水地基进行了有限元分析计算。

赵维炳等[15]从巴隆理论出发,既考虑涂抹作用又考虑地基的侧向变形和竖向渗流的影响,得到砂井地基平面应变问题和轴对称问题的等

[5]

通过适当地调整渗透系数即可对砂井地排水条件下较大的轴向应变有较大的剪切变形。效方法。

另一方面,冲击能大小对孔隙水压力的影响在N基进行平面应变有限元计算。

[7]、[13]

郑颖人等[6]、根据大量工程实践和测试≤8时较为显著,当N>8时,孔压增长趋势平缓并向某一极限值发展,而对同一冲击能,较大的围压对应较小的轴向应变和较大的归一化孔隙水压力。

3)孔压升高与再固结体应变间的唯一性关系[4]

大量试验表明,无论土体在多大的冲击能下作用和经过多少次冲击,其孔压升高值与再固结体应变之间有较好的相关性,并可由Ev-U/R3c关系来归一。这一规律为软土地基经多遍冲击后的再固结计算提供了可能和方便,可根据实测的孔压上升值预测地基的附加沉降量,从而可避开复杂的动力荷载作用本构模式,便于信息化施工。

冯光愈等利用离心模型试验研究了软土地基的应力和应变,如通过试验可得到极限填土高度准确值,并得出与土层透水性及加荷速率有关的参数B值,进而据此B值可得出软土的固结沉降规律。另外,在离心模型试验中,可用微型十字板剪力仪测量强度随固结度的增长值,该测量值比一般计算值更可靠。2.2数值分析方面

与动力排水固结法有关的代表性的数值分析工作有:

钱家欢教授和他的研究生们依据室内试

[1]

[5]

数据提出了强夯的物理模型,并在比奥固结理论的基础上,结合土动力学理论提出了进行数值计算的数学模型,进而开发了相关的强夯数值分析程序,该程序能较准确地模拟强夯中土体质点的位移变化,进而据位移量的变化推算承载力等改进值,以便正确评价强夯效果。

3　现场试验及工程应用概况

郑颖人等在分析软粘土强夯机理特点的基础上,提出了适用于软粘土地基的强夯工艺,并通过某工程试验,结果证明所选工艺的正确合理性。

叶为民等[8]结合上海某工程,对饱和软粘土地基在不同排水条件下的强夯加固效果进行了对比,结果表明,动力排水固结法对于改善软粘土地基的加固效果是非常明显的。

李彰明等[9]在深圳市某软基处理试验区段动力排水固结法施工中,进行了孔隙水压力的全面监测,获得了宝贵的第一手资料及淤泥中孔隙水压力变化的基本规律:

a)地基土不同深度处孔隙水压力随施工的进行而趋于一致;b)夯击能大小与孔隙水压力消散时间有一定关系;c)夯击动荷载作用后一定时间,孔隙水压力值会低于夯前填土压力下的

[6][13]

验成果建立了冲击荷载作用下土的应力～应变、孔隙水压力值。并发现了两个重要现象:1)软土孔隙水压力和渗流的经验方程,修正了Scott接地基夯击时土体中孔隙水压力增长量与地表夯

第4期　　　　　　　　　雷学文　白世伟:动力排水固结法的研究及应用概况　　　　　　　11　基动力固结法中,夯击瞬间从仪器观察到出现孔压负增长现象。

丘建金等通过初步认识动力排水固结法机理,提出了相应的施工工艺和现场监控措施,将该法用于珠海市红旗区观湖小区和深圳市皇岗口岸商业服务区的软基加固工程,通过合理使用夯击能和进行严密的现场监控,不仅达到了满意的加固效果,而且大大加快了工程进度。李彰明等成功地将动力排水固结法应用于深圳市城市道路软基处理工程中。

徐金明等结合某地基加固场地,选取两个试验区,从孔隙水压力的消散、土体位移、静力触探、标准贯入试验、荷载试验及室内土工试验等方面对动力排水固结法加固软基的效果进行了现场对比试验,试验表明:动力排水固结法可以较好地改善地基土的工程性质。朱爱民等成功地进行了动力排水固结法加固某机场试验,

[16]

[12]

[11]

[10]

向,进一步的工作应该建立合理的分析模型,特别要注意软粘土在瞬态动荷作用下流固耦合的问题。

总之,随着理论研究的不断完善和工程实践经验的不断积累,在造价、施工、工期诸方面具有明显优势的动力排水固结法必将在软基处理工程中取得更好的效果。

参　考　文　献

1　钱家欢等.动力固结的理论与实践.岩土工程学报,8

(6),1～17,1986

2　白冰等.冲击荷载作用下饱和软粘土孔压增长与消

散规律.岩土力学,19(2),33～38,1998

3　白冰等.动静结合法处理软基室内试验研究.第三届

全国青年岩土力学与工程会议论文集.南京.1998.44　白冰等.冲击荷载作用后软粘土的再固结.长江科学

院院报,15(3):50～53,1998

5　冯光愈等.高速公路软土地基处理研究.长江科学院

院报,13(4),37～40,1996

6　郑颖人等.软粘土地基的强夯机理及其工艺研究.岩

石力学与工程学报,17(3):571～580,1998

7　周良忠等.强夯过程数值模拟技术.第五届全国土动

力学学术会议论文集.大连:1998.6

8　叶为民等.强夯法加固软粘土地基效果研究.岩土力

学,19(3):72～76,1998

9　李彰明等.软基处理中孔隙水压力变化规律与分析.

岩土工程学报,19(6):97～10,1997.2

10　丘建金等.动力排水固结法在软基加固工程中的应

用.工程勘察,NO.6:7～10,1995

11　李彰明等.动力排水固结法处理软弱地基.施工技

术.1998.NO.4

12　徐金明等.强夯法加固软土地基的现场对比试验研

究.工程勘察,NO.2:19～22,1996

13　郑颖人等.软粘土强夯机理及工艺特点的探讨,第

六届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集,广州:1998.8

14　程展林.高等级公路软粘土地基的沉降分析.第六

届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集.广州:1998.8

15　赵维炳等.平面应变有限元分析中砂井的处理方

取得令人满意的结果,并提出最佳夯击次数的确定标准和合理收锤标准。

工程实践表明,动力排水固结法适用于大型仓储区、场区、道路、低层建筑物地基等,该法具有施工简单、工期短、且经济等优点,应用前景广阔。

4　结　语

围绕动力排水固结法加固机理和加固效应这一课题,已经在室内试验、现场试验和数值分析诸方面开展了广泛的研究。然而,由于软粘土工程特性的特殊性和复杂性,加之这项技术应用时间并不长,以至该课题的研究还远未结束。今后应继续加强以下几方面的研究:

1)室内试验研究中继续重视软粘土在冲击荷载作用下的应力～应变特性、排水固结特性等,试验方法应紧密地与工程实践相结合,以便服务于工程。

2)现场试验中继续加强施工过程中的监测工作和施工前后的检测工作,并注意从试验成果中总结估算加固范围和加固程度的经验公式。

3)数值分析能较全面考虑地基条件和施工

12　　　　　　　　　　　　　　　　土　工　基　础　　　　　　　　　　　　　1999年

16　朱爱农等.软土地基强夯加固效果初探.土工基础,

13(1):11～14,1999

SummaryontheResarchand

PracticeofDynamicDrainageConsolidation

LeiXuewen　　　　　BaiShiwei

(InstituteofRockandsoilMechanics,TheChineseAcademyofSciences,Wuhan,430071)Abstract　Inthispaper,thestatusofresearchondynamicdrainageconsolidationandpracticalcasesofthismethodarebrieflysummarized.Someproblemswhichareneedtobefurtherstudiedinthisfieldarepresented.

Keywords　dynamicdrainageconsolidation,engineeringpractice

第八届全国土力学及岩土工程学术会议在南京召开

第八届全国土力学及岩土工程学术会议于1999年10月14日至18日在南京举行,出席会议的有来自全国各地的代表350余人,规模之大为历届会议之最。

大会有六个综合报告:(1)土的基本性质和测试技术;(2)基础工程;(3)构筑物及边坡;(4)地基工程;(5)土动力学与地震工程;(6)基坑开挖与地下工程。

六个分组报告会场,有100余人次在分组报告会上宣读了论文,交流了工程经验。

此外,还有八个专题报告:

　1.应力状态对水分特征和边坡稳定的影响;　2.土的本构关系多重势面理论;　3.STRAND7软件及工程应用;

　4.粉喷桩复合地基几个问题讨论;　5.数值分析在三峡围堰分析中应用;　6.土体地震永久变形;

　7.土与结构物非线性共同作用;

　8.河川堤防破坏机理及除险加固技术。

本次会议内容十分丰富,开得生动活泼。充分反映了我国土力学和岩土工程学科当前的发展水平。与会的青年专家多(约占80%以上),反映了该学科领域兴旺发达,后继有人。

会议期间还举行了学会理事会换届选举。张在明(北京市勘察设计研究院)教授级高工当选为新一届理事长。

本届学术会议的论文集已由万国学术出版社正式出版。

(浙江泛华工程有限责任公司　张美珍供稿)

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