CN106326552B - 一种提高灌注桩塌孔稳定性的强夯加固方法 - Google Patents
一种提高灌注桩塌孔稳定性的强夯加固方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种提高灌注桩塌孔稳定性的强夯加固方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：地基易塌孔土层层位深度、厚度及相关参数的测定；步骤二：钻孔灌注桩塌孔层位致塌力与抗塌力的确定；步骤三：强夯加固测试试验与塌孔层内摩擦角
及黏聚力ci′的测定；步骤四：塌孔失稳判据准则与砂性土层塌孔临界内摩擦角
的确定；步骤五：黏性土层黏聚力ci′与内摩擦角
定量关系的确定及相关可靠性检验；步骤六：强夯参数与相应塌孔层内摩擦角
定量关系的确定及相关可靠性检验；步骤七：地基强夯抗塌稳定性加固方法与参数的确定。本发明方法不仅有效地解决孔壁稳定性问题，而且确保了大型钻孔灌注桩施工质量、满足施工工期要求和降低施工成本。
Description
技术领域
本发明涉及地基稳定性评价及加固领域，具体涉及一种防治灌注桩钻孔塌孔的强夯加固测定设计方法。
技术背景
桩基础是增加地基整体稳定性与提高地基承载力的主要基础加固工程之一。按照桩的施工方法可以分为挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩。其中，非挤土桩中的钻孔灌注桩以其承载力高、无挤土、施工时无震害、噪音小和宜于在城市建筑物密集地区使用等优点被广泛应用。但是钻孔灌注桩在施工过程中往往会发生孔壁坍塌、缩颈等孔壁稳定性问题，经常造成成桩质量缺陷，严重影响地基承载力，因此有效解决钻孔灌注桩尤其在大孔径条件下的孔壁稳定性问题已成为目前亟待解决的问题。
目前，国内外针对钻孔灌注桩孔壁稳定性研究和分析主要评价方法可以分为三类：一是力学分析方法，基于弹塑性理论建立力学模型，对孔壁稳定性进行力学分析和安全系数的推算；二是数值分析方法，采用有限元软件进行数值模拟，分析土体性质、泥浆相对比重、孔深、孔径等影响因素与钻孔灌注桩孔壁稳定性的关系；三是工程经验分析方法，工程技术人员根据已有施工经验，在桩基础施工规范规定的范围内调节泥浆比重、护筒高度等参数。虽然上述三种方法能够在一定程度上解决孔壁稳定性问题，但是其也具有各自的局限性，例如，力学分析方法往往局限在理论层面对孔壁稳定性的分析，没有提出很好的防治措施，很难应用于工程实践；数值分析方法计算过程较复杂，对孔壁土体的边界条件、本构关系要求比较严格，并受地质模型、简化的力学模型和力学参数的影响，计算结果较难做出准确的评价，也不易于应用到工程实践；而工程经验分析方法缺乏理论基础，其分析方法尚无统一和明确的规定，不能在灌注桩工程的钻孔施工中广泛的推广和应用。
钻孔灌注桩孔壁稳定性受多种因素与条件的影响和控制，如地层结构与性质、地下水渗流作用、护壁泥浆、成孔工艺与施工机械等因素。其中，地层结构与性质作为灌注桩孔壁稳定性的基础性关键因素，若在成孔工艺、泥浆护壁与施工机械一定的条件下，则改良和加固地基土层结构与性质就可以有效的提高孔壁稳定性与防治塌孔灾害。而目前改良加固土层结构与性质最为常用的方法为强夯法。强夯法作为一种改良地基性质的主要方法，它不仅能提高地基的强度并降低其压缩性，而且还能改善其抵抗振动液化的能力和消除土的湿陷性，对进一步提高地基土强度和均匀性，消除不均匀沉降，改善土的物理力学性质和工程特性都具有明显的效果。因此利用强夯技术去改良加固地基性质已成为解决钻孔灌注桩孔壁稳定性问题与防治塌孔灾害的重要途径。
发明内容
鉴于上述方法在灌注桩钻孔施工和稳定性问题评价与防治中存在的局限性，本发明在充分考虑区域内影响钻孔灌注桩孔壁稳定性的众多因素的基础上，系统的分析与研究了钻孔灌注桩孔壁失稳的力学机理与规律，将强夯技术与钻孔灌注桩桩基有效结合，通过一定程度的强夯加固，改善土的物理力学性质和工程特性，进而提高钻孔灌注桩孔壁稳定性，提高地基承载力与孔壁抗塌能力。
本发明在系统研究和分析钻孔灌注桩孔壁稳定性基础上，根据弹塑性理论建立了塌孔层位塌孔力学评价模型，并依次确定该孔位的致塌力p塌与抗塌力p抗；在钻孔灌注桩地基一定范围内进行一定量的强夯试验与测试，测定塌孔层内摩擦角
与黏聚力ci，以塌孔土层的内摩擦角
为抗塌补偿性物理力学指标与参数值，建立塌孔临界失稳判据准则P抗≥P塌；依据塌孔临界失稳判据准则，采用一元多项式回归分析，确定夯击能量Qi与内摩擦角
的回归方程；根据塌孔层内摩擦角与夯击能量的回归方程和塌孔临界失稳判据准则，确定强夯临界夯击能量Qmin；以塌孔层位抗塌补偿性指标值为依据，确定地基强夯抗塌设计方案与强夯参数。提出了一种提高灌注桩塌孔稳定性的强夯加固方法，本发明的具体步骤如下：
步骤一：地基易塌孔土层层位深度、厚度及相关参数的测定
根据工程勘察资料与钻孔灌注桩试验资料，确定待加固处理地基(钻孔灌注桩地基)的易塌孔土层层位深度z(m)；厚度hi(m)；天然重度γi(地下水位以下取浮重度γi')(KN/m3)；黏聚力ci(kPa)；内摩擦角
第i层土的泊松比μi；地下水埋深Δl(m)；测定钻孔桩机活动半径R(m)；钻孔设计直径D0(m)；钻孔桩机钻杆直径D(m)；钻孔桩机整机工作重量M1(kg)及钻孔弃土质量M2(kg)；钻孔桩机工作时的平均提钻速度vz(m/s)；测定护壁泥浆重度γx(KN/m3)；泥浆液面高出水平地面的高度h(m)；提钻过程中泥浆液面下降最大高度Δh(m)。
步骤二：钻孔灌注桩塌孔层位致塌力与抗塌力的确定
根据大孔径径长及塌孔层分布，建立该场地塌孔层位塌孔力学评价模型，根据式(1)、(2)分别确定塌孔层位致塌力与抗塌力(原理1、原理2)：
式中：γx----护壁泥浆重度(KN/m3)
γw----水的重度(KN/m3)
vz----钻杆提升的平均速度(m/s)
h----泥浆液面高出水平地面的高度(m)
Δh----提钻过程中泥浆液面下降最大高度(m)
Δl----地下水埋深(m)
D0----钻孔设计直径(m)
D----钻孔桩机钻杆直径(m)
z----塌孔深度(m)
式中：γj，γi----分别为第j层与第i层土的重度(kN/m3)，其中j＝i+1
hj----第j层土的厚度(m)
M1----桩机整机工作重量(kg)
M2----钻孔弃土质量(kg)
R----钻孔桩机活动半径R(m)
ci----第i层土的黏聚力(kPa)
g----重力加速度，一般取值为10m/s2
步骤三：强夯加固测试试验与塌孔层内摩擦角
及黏聚力c′i的测定
(1)在待加固处理地基范围内确定至少3个强夯试验区，不同试验区的地层情况相似，并将试验区整平；为每个试验区确定不同的点夯夯击能量Qi，任意两个不同夯击能量Qi之间差值不低于1000kN·m；
(2)进行第一遍点夯，夯点等间距分布，每次落锤后测量夯沉量，确保每个夯点最后两锤的平均夯沉量不大于h沉；当夯击能≥8000kN·m时，h沉＝200mm；当夯击能<8000kN·m时，h沉＝100mm；夯坑回填及平整；
(3)进行第二遍点夯，夯点等间距分布，且不与第一遍点夯的夯点重合，每次落锤后测量夯沉量，确保每个夯点最后两锤的平均夯沉量不大于h沉；当夯击能≥8000kN·m时，h沉＝200mm；当夯击能<8000kN·m时，h沉＝100mm；夯坑回填及平整；
(4)进行第一遍满夯，每夯点两击，夯点与夯点锤印搭接1/4-1/2，夯击能量采用1000-2000kN·m，夯坑回填及平整；
(5)进行第二遍满夯，每夯点两击，夯点与夯点锤印搭接1/4-1/2，夯击能量采用1000kN·m；
(6)强夯施工结束14-28天后，测定强夯后塌孔层位的内摩擦角
与黏聚力c′i:
步骤四：塌孔失稳判据准则与砂性土层塌孔临界内摩擦角
的确定
根据塌孔层的致塌力与抗塌力，确定土层的内摩擦角
为抗塌补偿性物理力学指标与参数值，并建立其塌孔失稳判据准则，即当P抗≥P塌时，钻孔灌注桩孔壁稳定，当P抗＜P塌时，钻孔灌注桩孔壁破坏；对于砂性土，黏聚力c′i＝0，为保证钻孔灌注桩孔壁稳定，由P抗≥P塌可确定砂性土层塌孔临界内摩擦角
符号同式(1)和(2)。
步骤五：黏性土层黏聚力c′i与内摩擦角
定量关系的确定及相关可靠性检验
对于黏性土，黏聚力c′i≠0，先确定强夯加固后塌孔层黏聚力c′i与内摩擦角
的定量相关关系，进而确定其致塌力。
1)根据多项式回归分析，确定强夯加固后塌孔层黏聚力c′i与内摩擦角
的定量相关关系如下：
式中：a0、a1、…、am是与c′i无关的相关性系数；
m是大于等于2的正整数。
其中，多项式回归评价方程相关性系数的确定步骤如下：
强夯可以有效改变土体内摩擦角与粘聚力，且土体内摩擦角与粘聚力具有某种非线性定量相关关系，该定量关系可用多项式回归分析处理。根据多项式回归分析原理，对于非线性问题，不论因变量与其自变量的相关关系如何，总可以通过不断增加自变量的高次项对实测值进行逐渐逼近，直至回归方程精度满足评价要求。本发明针对土体粘聚力与土体内摩擦角的非线性关系，采用一元多项式回归分析，确定强夯加固后塌孔层黏聚力c′i与内摩擦角
的定量关系。其定量关系的确定方法与具体步骤如下：
①假设内摩擦角与黏聚力的多项式回归评价方程为：
式中：a0、a1、…、am，σ2都是与c′i无关的未知参数。
②令
则上述非线性的多项式模型转化为多元线性模型，即：
式中：a0、a1、…、am，σ2都是与c′i1、c′i2、…、c′im无关的未知参数。
③利用多元线性回归分析的方法解决上述问题，为此，引入矩阵：
则可写成：
CTCA＝CTφ (10)
④由式(10)两边左乘CTC的逆矩阵(CTC)-1，得式(11)的解为：
⑤将a0、a1、…、am代入式(5)得回归方程为：
2)多项式回归评价方程相关可靠性分析如下：
相关指数0≤r2≤1，其值越接近于1，说明方程预测精度越高。当m＝2时，若r2≥α，方程符合精度要求，若r2＜α时，方程不符合精度要求，取一元多项式回归方程次幂m＝3，重新计算回归方程，若方程仍不符合精度要求，取一元多项式回归方程次幂取m+1，依次循环计算直至其相关指数大于α为止，α为设定值，一般α≥0.9。
步骤六：强夯参数与相应塌孔层内摩擦角
定量关系的确定及相关可靠性检验
1)根据多项式回归分析，确定内摩擦角
与夯击能量Qi的变化规律与定量关系如下：
式中：b0、b1、…、bp都是与
无关的相关参数；
p是大于等于2的正整数。
其中，多项式回归评价方程相关系数的确定步骤如下：
强夯夯击能的改变可以有效改变土体内摩擦角，且提高塌孔层内摩擦角可以提高地基承载力与孔壁抗塌能力，强夯夯击能越大，土体内摩擦角越大，因此强夯夯击能与土体内摩擦角具有某种正相关非线性定量关系，该定量关系可用多项式回归分析处理，对于非线性问题，不论因变量与其自变量的关系如何，通过不断增加自变量的高次项对实测值进行逐渐逼近，直至回归方程评价精度满足要求。本发明针对强夯夯击能与土体内摩擦角的非线性关系，采用一元多项式回归分析，确定内摩擦角
与夯击能量Qi的变化定量关系与相关性系数。
①假设内摩擦角与夯击能量的多项式回归评价方程为：
式中：b0、b1、…、bp，σ2都是与
无关的未知参数。
②令
则上述非线性的多项式模型转化为多元线性模型，即：
式中：b0、b1、…、bp，σ2都是与
无关的未知参数。
③利用多元线性回归分析的方法解决上述问题，为此，引入矩阵：
则可写成：
ψTψB＝ψTQ (19)
④由式(18)两边左乘ψTψ的逆矩阵(ψTψ)-1，得式(10)的解为：
⑤将b0、b1、…、bp代入式(14)得回归方程为：
2)多项式回归评价方程相关可靠性分析如下：
相关指数0≤R2≤1，其值越接近于1，说明方程预测精度越高。当p＝2时，若R2≥β，方程符合精度要求，若R2＜β时，方程不符合精度要求，取一元多项式回归方程次幂p＝3，重新计算回归方程，若方程仍不符合精度要求，取一元多项式回归方程次幂取p+1，依次循环计算直至其相关指数大于β为止，β为设定值，一般β≥0.9。
步骤七：地基强夯抗塌稳定性加固方法与参数的确定
1)对于塌孔层为砂性土层，则以塌孔层位抗塌补偿性指标内摩擦角值为依据，根据步骤六中塌孔层内摩擦角与夯击能量的回归方程和塌孔临界失稳判据准则，确保塌孔层位内摩擦角需满足
即根据式(13)可确定临界内摩擦角
对应的强夯加固夯击能量Qmin；
2)对于塌孔层为黏性土层，则根据式(4)强夯加固后塌孔层黏聚力与内摩擦角的定量关系，可确定不同内摩擦角与相应黏聚力值，并依次将
与c′i值带入式(1)、(2)，经过试算直至满足P抗≥P塌时，此时内摩擦角可作为黏性土塌孔内摩擦角临界值
并依据其内摩擦角临界值
确定对应的强夯加固夯击能量Qmin；
3)根据步骤三中的强夯抗塌加固测定方法与相应抗塌强夯参数Qmin，对整个待加固地基进行强夯加固处理。
基本原理如下：
原理1：
钻杆的横截面积为：
钻杆横截面面积钻杆与孔壁间隙面积为：
式中：D0----钻孔设计直径(m)
D----钻孔桩机钻杆直径(m)
提钻时，随着钻头以下体积的增大，泥浆不断向下流动以填补钻具移出后孔内余出的空间。确定提钻过程中泥浆通过钻杆与孔壁间隙的速度vn(m/s)：
式中：vz----钻杆提升的平均速度
根据伯努利原理及能量守恒定律，钻孔深度z处的泥浆重力势能不变，则提钻时泥浆在孔壁某处产生的抽吸力fc等于该处泥浆的动能，则在孔壁某深度处横断面产生的抽吸力为：
式中：vn----提钻过程中泥浆通过间隙的速度
Sn----钻杆横截面面积钻杆与孔壁间隙面积
γx----灌注桩钻孔护壁泥浆重度
泥浆在孔壁某点引起的应力为：
σc＝fc/πD0 (26)
根据液体压强的物理学原理，确定在一定深度z处所产生的泥浆与地下水作用下压强表达式为：
p＝γx(h+z-Δh)-σc-γw(z-Δl) (27)
可确定抗塌力为：
式中γx----泥浆重度(KN/m3)
γw----水的重度(KN/m3)
h----泥浆液面高出水平地面的高度(m)
Δh----提钻过程中泥浆液面下降最大高度(m)
Δl----地下水埋深(m)
D0----钻孔设计直径(m)
D----钻孔桩机钻杆直径(m)
z----塌孔深度(m)
原理2：
测定钻孔桩机活动半径R(m)，将钻孔桩机工作面积简化为环形工作面，由式(28)确定旋挖桩机工作占用面积：
式中：s----钻孔桩机工作占用面积(m2)
D0----钻孔设计直径(m)
测定钻孔桩机整机工作重量M1(kg)及钻孔弃土质量M2(kg)；灌注桩钻孔孔口周围堆载简化为均布荷载，由式(29)确定孔口周围堆载对孔壁产生的竖向荷载q(kN)：
式中：g----重力加速度，一般取值为10m/s2
由侧压力系数与土体泊松比的关系式(30)确定第i层土的侧压力系数ki；
ki＝μi/1-μi (30)
式中：μi----第i层土的泊松比
根据弹塑性理论，把钻孔灌注桩桩孔看作无限大平面内具有初始半径为r0的圆柱孔应力集中问题。根据弹性理论问题，将灌注桩孔壁某一深度z处的应力分布按照平面应变分析法来分析计算。钻孔的半径为r0，假设离孔壁较远处距离为r，考虑土体应力集中在孔壁处最为明显，应力最大，令r＝r0，根据土力学中应力的基本原理：
设泥浆液泥浆和地下水作用钻孔深度z处所产生的压强为p，泥浆和地下水作用引起孔壁竖向应力、径向应力、环向应力分别为：
σz1＝0 (31)
设孔口周围的堆载对孔壁深度z处某一点产生的竖向荷载为q，孔口周围堆载在钻孔深度z处所引起的孔壁竖向应力、径向应力、环向应力分别为：
σz2＝q (34)
土体自重在钻孔深度z处所引起的孔壁竖向应力、径向应力、环向应力分别为：
式中：γj----土层天然重度(地下水位以下取浮重度)
hj----第j层土的厚度，i＝j+1
灌注桩孔壁土体在自重应力、孔口均布荷载、孔内泥浆压力作用下重分布应力：竖向应力、径向应力、环向应力表达式分别为：
σz＝σz1+σz2+σz3 (40)
σr＝σr1+σr2+σr3＝p (41)
σθ＝σθ1+σθ2+σθ3＝2kiσz-p (42)
根据土力学中的摩尔—库仑(Mohr-Coulomb)强度理论和Mohr-Coulomb屈服准则，建立孔壁土体的极限平衡条件(如图4)：
其中，
为第i层土的内摩擦角，ci为第i层土的黏聚力。
令
则式(43)简化为：
σ1＝σ3A2+2ciA (44)
在实际施工中钻孔孔壁的破坏形式为坍塌破坏，因此仅以σr≤σθ时分析孔壁土体极限平衡应力状态。
孔壁土体发生坍塌破坏时土体的极限平衡应力状态有3种情况：
1)
2)
3)
孔壁土体坍塌破坏极限平衡应力状态下对应的泥浆临界压强p分别为：
式中
为第i层土体内摩擦角
ci----第i层土体黏聚力
σz----孔壁竖向重分布应力
实际施工中通常泥浆重度：10＜γx＜13(kN/m3)；地下水重度一般为10kN/m3，土体重度16＜γi＜20(kN/m3)；土体浮重度：8＜γi＜13(kN/m3)；侧压力系数：0.3＜ki＜0.7。将各参数代入上式中进行试算，在正常取值范围内第一种极限平衡应力状态式(45)满足实际情况，因此，根据式(45)可确定致塌力为：
式中γj，γi----分别为第j层与第i层土的重度(kN/m3)，其中j＝i+1
hj----第j层土的厚度(m)
M1----桩机整机工作重量(kg)
M2----钻孔弃土质量(kg)
ci----第i层土的黏聚力
本发明所阐述的方法，相比力学分析与数值分析方法，提出了防治措施，很好的应用于工程实践；相比工程经验方法，有明确的力学评价模型，能在灌注桩工程的钻孔施工中广泛的推广和应用。不仅有效地解决孔壁稳定性问题，而且确保了大型钻孔灌注桩施工质量、满足施工工期要求和降低施工成本。本发明在钻孔灌注桩孔壁失稳问题的防治领域具有重要的科学意义和实际应用价值。
附图说明
图1：本发明整体流程图；
图2：强夯加固测试的施工流程图；
图3：实施例中强夯试验区夯点分布示意图；
图4：莫尔-库伦极限平衡条件。
具体实施方式
为清晰的说明本发明的实施方式，下面以某重油加工项目灌注桩工程为例对该地区钻孔灌注桩塌孔问题进行分析与评价。
该工程项目区域内重要装置及管廊全部采用桩基基础，灌注桩大约2000根。但由于该工程区地基特殊的松散地层地质条件因素，在钻孔灌注桩施工中，砂层常常出现较为严重的塌孔问题。选取钻孔灌注桩工程场区进行一定量的强夯试验与测试，确定强夯方案和强夯参数与塌孔层物理力学指标的变化规律与定量关系，以塌孔层位抗塌补偿性指标值为依据，确定地基强夯抗塌设计方案与强夯参数。
具体步骤如下：
步骤一：地基的易塌孔土层层位深度、厚度及相关参数的确定
根据工程勘察资料与钻孔灌注桩试验资料，测定钻孔桩机活动半径R＝15m；钻孔设计直径D0＝0.8m；钻孔桩机钻杆直径D＝0.78m；钻孔桩机整机工作重量M1＝63000kg及钻孔弃土质量M2＝43000kg；钻孔桩机工作时的平均提钻速度vz＝0.08m/s；测定泥浆重度γx＝11.6kN/m；泥浆液面高出水平地面的高度h＝0.2m；提钻过程中泥浆液面下降最大高度Δh＝0.15m；确定处理地基的易塌孔土层深度z＝6m，为砂性土层；地下水埋深Δl＝1.0m；测定该区域各土层厚度Δhi、天然重度γi(地下水位以下取浮重度γi')；黏聚力ci；内摩擦角
第i层土的泊松比μi。测定数据如表1所示：
表1地基易塌孔土层相关参数
步骤二：塌孔层位的致塌力与抗塌力模型的确定
根据大孔径径长及塌孔层分布，建立该场地塌孔层位塌孔力学评价模型，确定塌孔层位致塌力与抗塌力：
步骤三：强夯加固测试方法与塌孔层内摩擦角
及黏聚力c′i的测定
(1)在待加固处理地基范围内确定4个50m×50m的强夯试验区，不同试验区的地层情况相似，并将试验区整平；为每个试验区确定不同的点夯夯击能量：Qi＝5000kN·m、8000kN·m、12000kN·m、15000kN·m，进行强夯试验与测试(步骤如图2所示)；
(2)进行第一遍点夯，夯点设计如图3所示，夯点以10m×10m方格网状等间距分布，每次落锤后测量夯沉量，确保每个夯点最后两锤的平均夯沉量不大于h沉；当夯击能≥8000kN·m时，h沉＝200mm；当夯击能<8000kN·m时，h沉＝100mm；夯坑回填及平整；
(3)进行第二遍点夯，夯点设计如图3所示，夯点以10m×10m方格网状等间距分布，且不与第一遍点夯的夯点重合，每次落锤后测量夯沉量，确保每个夯点最后两锤的平均夯沉量不大于h沉；当夯击能≥8000kN·m时，h沉＝200mm；当夯击能<8000kN·m时，h沉＝100mm；夯坑回填及平整；
(4)进行第一遍满夯，每夯点两击，夯点与夯点锤印搭接1/4，夯击能量采用2000kN·m，夯坑回填及平整；
(5)进行第二遍满夯，每夯点两击，夯点与夯点锤印搭接1/4，夯击能量采用1000kN·m；
(6)强夯施工结束14天后，测定夯后塌孔层位(即砂性土层)的内摩擦角
(砂性土层的黏聚力c′i＝0)，如表2所示。
表2强夯后内摩擦角
测定值
步骤四：塌孔失稳判据准则与砂性土层塌孔临界内摩擦角
的确定
为保证钻孔灌注桩孔壁稳定，由P抗≥P塌得：
步骤五：强夯参数与相应塌孔层内摩擦角
定量关系的确定及相关可靠性检验
1)根据多项式回归分析，确定强夯加固后塌孔层黏聚力c′i与内摩擦角
的定量关系如下：
①假设内摩擦角与夯击能量的关系为p＝2次的多项式，则：
式中：b0、b1、b2，σ2都是与
无关的未知参数。
②令
则上述非线性的多项式模型转化为多元线性模型，即：
式中：b0、b1、b2，σ2都是与
无关的未知参数。
③利用多元线性回归分析的方法解决上述问题，为此，引入矩阵：
则可写成：
ψTψB＝ψTQ
④由上式两边左乘ψTψ的逆矩阵(ψTψ)-1得：
⑤将b0、b1、b2带入
得回归方程为：
2)多项式回归评价方程相关可靠性分析
经过计算得出复相关指数R2＝0.9978。复相关系数大于0.9，说明该预测模型较为精确，内摩擦角
与夯击能量Qi之间的相关关系为高度相关。
步骤六：地基强夯抗塌设计方案与抗塌强夯参数的确定
以塌孔层位抗塌补偿性指标内摩擦角值为依据，根据步骤五中塌孔层内摩擦角与夯击能量的回归方程和塌孔临界失稳判据准则，为保证钻孔灌注桩孔壁稳定性，塌孔层位内摩擦角需满足
根据式
确定
对应的强夯夯击能量Qmin＝16854kN·m。采用以下强夯抗塌设计方案与抗塌强夯参数Qmin＝16854kN·m对整个工程项目区域进行强夯处理：
(1)待加固处理地基场地平整；
(2)第一、第二遍点夯的夯击能量：Qi＝16854kN·m；
(3)夯点间距：10m×10m方格网状布置(如图3)；
(4)第一、第二遍夯点最后两锤的平均夯沉量不大于200mm；
(5)满夯两遍，每夯点两击，夯点与夯点锤印搭接四分之一，能量采用2000kN·m、1000kN·m各一遍；
地基经过该强夯方案后，灌注桩孔壁完整性良好，灌注桩钻孔孔壁的稳定性得到了明显的提高。根据高应变检测结果，所检测的10根灌注桩桩身完整或基本完整，均属Ⅰ类或Ⅱ类桩，无Ⅲ、Ⅳ类桩。
表3强夯后灌注桩桩基高应变动力检测结果
Claims (6)
1.一种提高灌注桩塌孔稳定性的强夯加固方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：地基易塌孔土层层位深度、厚度及相关参数的测定；
步骤二：钻孔灌注桩塌孔层位致塌力与抗塌力的确定；
步骤三：强夯加固测试试验与塌孔层内摩擦角
及黏聚力c′i的测定；
步骤四：塌孔临界失稳判据准则与砂性土层塌孔临界内摩擦角
的确定；
步骤五：黏聚力c′i与塌孔层内摩擦角
定量关系的确定及相关可靠性检验；
1)根据多项式回归分析，确定强夯加固后塌孔层的黏聚力c′i与塌孔层内摩擦角
的定量相关关系如下：
式中：a0、a1、…、am是与c′i无关的相关性系数，m是大于等于2的正整数；
其中，多项式回归评价方程相关性系数的确定步骤如下：通过不断增加自变量的高次项对实测值进行逐渐逼近，直至回归方程精度满足评价要求；
2)多项式回归评价方程相关可靠性分析如下：
相关指数0≤r2≤1，其值越接近于1，说明方程预测精度越高；当m＝2时，若r2≥α，方程符合精度要求，若r2＜α时，方程不符合精度要求，取一元多项式回归方程次幂m＝3，重新计算回归方程，若方程仍不符合精度要求，取一元多项式回归方程次幂取m+1，依次循环计算直至其相关指数大于α为止，α≥0.9；
步骤六：强夯参数与相应塌孔层内摩擦角
定量关系的确定及相关可靠性检验；
1)根据多项式回归分析，确定塌孔层内摩擦角
与夯击能量Qi的变化规律与定量关系如下：
式中：b0、b1、…、bp都是与
无关的相关参数，p是大于等于2的正整数；
其中，多项式回归评价方程相关系数的确定步骤如下：通过不断增加自变量的高次项对实测值进行逐渐逼近，直至回归方程评价精度满足要求；
2)多项式回归评价方程相关可靠性分析如下：
相关指数0≤R2≤1，其值越接近于1，说明方程预测精度越高；当p＝2时，若R2≥β，方程符合精度要求，若R2＜β时，方程不符合精度要求，取一元多项式回归方程次幂p＝3，重新计算回归方程，若方程仍不符合精度要求，取一元多项式回归方程次幂取p+1，依次循环计算直至其相关指数大于β为止，β≥0.9；
步骤七：地基强夯抗塌稳定性加固方法与参数的确定。
2.根据权利要求1所述的提高灌注桩塌孔稳定性的强夯加固方法，其特征在于，步骤一中测定的参数包括：待加固处理地基的易塌孔土层层位深度z；厚度hi；天然重度γi，地下水位以下取浮重度γi'；黏聚力ci；内摩擦角
第i层土的泊松比μi；地下水埋深Δl；测定钻孔桩机活动半径R；钻孔设计直径D0；钻孔桩机钻杆直径D；钻孔桩机整机工作重量M1及钻孔弃土质量M2；钻孔桩机工作时的平均提钻速度vz；测定护壁泥浆重度γx；泥浆液面高出水平地面的高度h；提钻过程中泥浆液面下降最大高度Δh。
3.根据权利要求1所述的提高灌注桩塌孔稳定性的强夯加固方法，其特征在于，步骤二中钻孔灌注桩塌孔层位致塌力与抗塌力的确定方法为：
式中：γx----护壁泥浆重度，单位KN/m3
γw----水的重度，单位KN/m3
vz----钻杆提升的平均速度，单位m/s
h----泥浆液面高出水平地面的高度，单位m
Δh----提钻过程中泥浆液面下降最大高度，单位m
Δl----地下水埋深，单位m
D0----钻孔设计直径，单位m
D----钻孔桩机钻杆直径，单位m
z----塌孔深度，单位m；
式中：γj，γi----分别为第j层与第i层土的重度，单位kN/m3，其中j＝i+1
hj----第j层土的厚度，单位m
M1----桩机整机工作重量，单位kg
M2----钻孔弃土质量，单位kg
R----钻孔桩机活动半径R，单位m
ci----第i层土的黏聚力，单位kPa
g----重力加速度，一般取值为10m/s2
4.根据权利要求1所述的提高灌注桩塌孔稳定性的强夯加固方法，其特征在于，步骤三中强夯加固测试试验步骤如下：
1)在待加固处理地基范围内确定至少3个强夯试验区，不同试验区的地层情况相似，并将试验区整平；为每个试验区确定不同的点夯夯击能量Qi，任意两个不同夯击能量Qi之间差值不低于1000kN·m；
2)进行第一遍点夯，夯点等间距分布，每次落锤后测量夯沉量，确保每个夯点最后两锤的平均夯沉量不大于h沉；当夯击能≥8000kN·m时，h沉＝200mm；当夯击能<8000kN·m时，h沉＝100mm；夯坑回填及平整；
3)进行第二遍点夯，夯点等间距分布，且不与第一遍点夯的夯点重合，每次落锤后测量夯沉量，确保每个夯点最后两锤的平均夯沉量不大于h沉；当夯击能≥8000kN·m时，h沉＝200mm；当夯击能<8000kN·m时，h沉＝100mm；夯坑回填及平整；
4)进行第一遍满夯，每夯点两击，夯点与夯点锤印搭接1/4-1/2，夯击能量采用1000-2000kN·m，夯坑回填及平整；
5)进行第二遍满夯，每夯点两击，夯点与夯点锤印搭接1/4-1/2，夯击能量采用1000kN·m；
6)强夯施工结束14-28天后，测定强夯后塌孔层内摩擦角
与黏聚力c′i。
5.根据权利要求1所述的提高灌注桩塌孔稳定性的强夯加固方法，其特征在于，步骤四中：根据塌孔层的致塌力与抗塌力，确定土层的内摩擦角
为抗塌补偿性物理力学指标与参数值，并建立其塌孔失稳判据准则，即当P抗≥P塌时，钻孔灌注桩孔壁稳定，当P抗＜P塌时，钻孔灌注桩孔壁破坏；
对于砂性土，黏聚力c′i＝0，为保证钻孔灌注桩孔壁稳定，由P抗≥P塌确定砂性土层塌孔临界内摩擦角
式(3)中所涉及到的符号同式(1)和式(2)。
6.根据权利要求3所述的提高灌注桩塌孔稳定性的强夯加固方法，其特征在于，步骤七的具体方法为：
1)对于塌孔层为砂性土层，则以塌孔层位抗塌补偿性指标内摩擦角值为依据，根据步骤六中塌孔层内摩擦角与夯击能量的回归方程和步骤四中塌孔临界失稳判据准则，确保塌孔层内摩擦角需满足
即根据式(13)确定临界内摩擦角
对应的强夯加固夯击能量Qmin；
2)对于塌孔层为黏性土层，则根据式(4)强夯加固后塌孔层的黏聚力与塌孔层内摩擦角的定量关系，确定不同内摩擦角与相应黏聚力值，并依次将
与c′i值带入式(1)、(2)，经过试算直至满足P抗≥P塌时，此时内摩擦角作为临界内摩擦角
并依据该临界内摩擦角
确定对应的强夯加固夯击能量Qmin；
3)根据步骤三中的强夯加固测试试验方法与强夯加固夯击能量Qmin，对整个待加固地基进行强夯加固处理。
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