CN108229050B - 一种简便计算强夯作用下相邻夯点间土体加固效果的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土体加固技术领域，尤其是一种简便计算强夯作用下相邻夯点间土体加固效果的方法，包括以下步骤：获得应用强夯加固区内的土体参数以及强夯设计参数；根据所述土体参数和强夯设计参数并结合强夯数值模型图，得到不同深度处土体相对密实度增量比与每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数的函数关系；根据所述的不同深度处土体相对密实度增量比，建立相邻夯点中间点处相对密实度增量比随深度变化关系。本发明方法原理简单，能够科学简便的计算和预测土体的强夯法施工的加固效果，节约施工成本，提高强夯施工参数估算值的科学性和准确性。

Description

一种简便计算强夯作用下相邻夯点间土体加固效果的方法

技术领域

本发明涉及土体加固技术领域，尤其是一种简便计算强夯作用下相邻夯点间土体加固效果的方法。

背景技术

强夯法被广泛用于对土质较差的地基土体进行加固。相较于其它土体加固方法，具有施工方便、成本优势显著等特点。现阶段，强夯设计主要根据工程师的经验或经验公式估算施工参数，并通过现场试夯进行确定。而现有经验公式主要侧重于对强夯加固范围大小与单夯点相关施工参数的定量分析，对多夯点相关施工参数的定量研究关注较少，而且并未涉及对强夯加固范围内土体加密程度的评估，因此对强夯加固范围内土体土体压密程度关系进行定量研究就非常有必要。

经对现有国内外技术文献的检索，Wang, W.Chen, J.J, Wang,J.H.在2017年SoilDynamics and Earthquake Engineering发表"Estimation method for grounddeformation of granular soils caused by dynamic compaction."提出了基于数值计算结果提出了一种估算强夯地表变形量方法，并分别给出了归一化的每锤夯击能、夯击冲量、夯锤尺寸以及夯击次数与归一化的地表变形量的关系曲线。姚仰平和张北战在2016年《岩土力学》"基于体应变的强夯加固范围研究."提出基于数值模型计算结果建立了强夯加固范围大小与每锤夯击冲量、夯击次数、夯锤尺寸的无量纲关系式，计算公式考虑了地基土体初始干密度的影响。

现有经验公式主要侧重于对强夯加固范围大小与单夯点相关施工参数的定量分析，对多夯点相关施工参数的定量研究关注较少，而且仅局限于对强夯有效加固深度或夯坑深度与施工参数之间关系的定量研究，而强夯并非只对夯点底部土体进行加固，同时对夯点四周一定范围内的土体进行加固，因此在强夯设计中应用现有经验公式选择施工参数的准确性较差，需反复试夯以修正施工参数，造成施工成本的浪费。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种简便计算强夯作用下相邻夯点间土体加固效果的方法，通过提出一个计算相邻夯点的中间点处土体压密程度随深度变化的公式，从而能够更科学地、简便地评价强夯法施工的加固效果，节约施工成本，提高强夯施工参数估算值的科学性和准确性。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

第一步，充分收集工作区已有地质资料和现有设备资料，掌握场地土体参数，包括有：各层土壤类别及其厚度（h/m），初始相对密实度（Dr0）以及塑性指数（Ip）；根据强夯施工计划和方案，确定强夯设计参数，包括有：夯锤重量（Wt/ T），夯锤落距（H/m），夯锤半径（r/m），夯击次数（Ni）；夯点间距（Sd/m）。

第二步：根据所述的土体参数和强夯设计参数并结合强夯数值模型图；得到不同深度处土体相对密实度增量比与每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数的函数关系。

根据所述的不同深度处相对密实度增量比，在考虑夯坑深度和有效加固深度的基础上，建立相邻夯点中间点处相对密实度增量比随深度变化关系。

所述强夯数值模型，是将相邻夯点的中间区域可分为三部分（松弛扰动区、强加固区、弱加固区），在夯坑深度范围内为松弛扰动区，由于该区的土体在振松作用下处于剪胀状态，密实度降低，因此本发明不考虑松弛扰动区，主要对强加固区和弱加固区的在内的加固区域进行研究，该区的土体在强夯作用下被压实。总结分析得出各部分土体压密程度与深度关系，建立直角坐标。

所述坐标系，坐标原点为相邻夯点中间线与地表面的交点，纵坐标向下为正，横轴表示土体的压密程度，即相对密实度增量比，在深度方向取5个特征点(P1，P2，P3，P4，P5)，分别取(Dre1, d1)、(Dre2,d2)、(Dre3,d3)、(Dre4,d4)、(Dre5, d5)。P1和P2确定土体相对密实度增量比随深度变化曲线的第一部分；曲线的第二部分与纵轴平行，由P3确定；曲线的第三部分由P4和P5确定。

为夯坑深度，是松弛扰动区与加固区的分界；

为有效加固深度，与每锤夯击能存在经验关系，式中为每锤夯击能，n为夯击次数，n'为与土质情况有关的经验系数，一般取0.35-0.6；Dre1=0，Dre5=0，Dre2、Dre3、Dre4分别为距地表0.2d5、0.4d5、0.8d5深度处的相对密实度增量比。

所述不同深度处土体相对密实度增量比与每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数的函数关系根据研究总结得出：

P2处相对密实度增量比公式：

P3处相对密实度增量比公式：

P4处相对密实度增量比公式：

式中，内摩擦角ϕ ₁、ϕ ₂可反映每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数对土体加固效果的影响，e为孔隙率，具体表达式如下：

式中，δ是与每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数有关的参数，本公式中δ取1.8。此外，Pa是标准大气压强，仅用于构造参数。

所述相邻夯点中间点处相对密实度增量比随深度变化的计算公式，具体为以下表达式：

所述的相邻夯点中间点处相对密实度增量比随深度变化的计算公式，由

可知，相邻夯点中间点处相对密实度增量比随内摩擦角ϕ1的增加，即随着每锤夯击能、夯点间距、夯击次数的增加以及夯锤半径的减小，P2处土体的相对密实度增量比逐渐趋近于零。如果P2处土体的相对密实度增量比太小或者夯坑深度趋近于d2,则计算曲线的第一部分将由P1、P3确定，此时相邻夯点中间点处相对密实度增量比随深度变化的计算公式为：

式中：d12是分段曲线第一、二部分交点的纵坐标值，d23是分段曲线第二、三部分交点的纵坐标值，具体如下：

本发明的优点是：能更科学有效地评价强夯法施工的加固效果，大大提高确定强夯施工参数的效率，进一步完善现有强夯施工技术和分析方法，具有较强的实用性和广泛的工程运用前景。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中确定土体相对密实度增量比随深度变化关系的坐标系；

图3为现场实测的比贯入阻力以及通过换算得到的相对密实度随深度变化曲线；

图4为夯点间土体相对密实度增量比与实测数据随深度的变化曲线；

图5为某一场地地基强夯施工参数。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5所示，图中标号1-7分别表示为：地面1、夯锤2、夯击位置3、加固范围4、松弛扰动区5、强加固区6、弱加固区7。

实施例：本实施例中简便计算强夯作用下相邻夯点间土体加固效果的方法，涉及需要土体加固的工作区。如图2所示，采用夯锤2对工作区的地面1上的夯击位置3处分别进行夯击以对工作区内的土体进行加固，夯锤的夯击所能产生的土体加固范围为加固范围4。

如图1所示，本实施例中的方法具体包括以下步骤：

第一步，充分收集工作区已有地质资料和现有设备资料，掌握场地土体参数，包括有：各层土壤类别及其厚度（h/ m），初始相对密实度（Dr0）以及塑性指数（Ip）；根据强夯施工计划和方案，确定强夯设计参数，包括有：夯锤重量（Wt/ T），夯锤落距（H/ m），夯锤半径（r/ m），夯击次数（Ni）；夯点间距（Sd/m）。

第二步：根据所述的土体参数和强夯设计参数并结合强夯数值模型图；得到不同深度处土体相对密实度增量比与每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数的函数关系。

如图2所示，将相邻的夯击位置3的中间区域可分为三部分（松弛扰动区5、强加固区6、弱加固区7），在夯坑深度范围内为松弛扰动区5，由于该区的土体在振松作用下处于剪胀状态，密实度降低，因此本实施例不考虑松弛扰动区，主要对强加固区6和弱加固区7的在内的加固区域进行研究，该区的土体在强夯作用下被压实。总结分析得出各部分土体压密程度与深度关系，建立直角坐标系。

如图2所示，坐标原点为相邻夯点中间线与地表面的交点，纵坐标向下为正，横轴表示土体的压密程度，即相对密实度增量比，在深度方向取5个特征点(P1，P2，P3，P4，P5)，分别取(Dre1, d1)、(Dre2,d2)、(Dre3,d3)、(Dre4,d4)、(Dre5, d5)。P1和P2确定土体相对密实度增量比随深度变化曲线的第一部分；曲线的第二部分与纵轴平行，由P3确定；曲线的第三部分由P4和P5确定。

为夯坑深度，是松弛扰动区与加固区的分界；

为有效加固深度，与每锤夯击能存在经验关系，式中为每锤夯击能，n为夯击次数，n'为与土质情况有关的经验系数，一般取0.35-0.6；Dre1=0，Dre5=0，Dre2、Dre3、Dre4分别为距地表0.2d5、0.4d5、0.8d5深度处的相对密实度增量比。

不同深度处土体相对密实度增量比与每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数的函数关系根据研究总结得出：

P2处相对密实度增量比公式：

P3处相对密实度增量比公式：

P4处相对密实度增量比公式：

式中，内摩擦角ϕ ₁、ϕ ₂可反映每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数对土体加固效果的影响，e为孔隙率，具体表达式如下：

式中，δ是与每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数有关的参数，n为夯击次数，M·h是每锤夯击能，Pa是标准大气压强, Rh是夯锤半径，Sd是夯点间距。

第三步：根据所述的不同深度处相对密实度增量比，在考虑夯坑深度和有效加固深度的基础上，建立相邻夯点中间点处相对密实度增量比随深度变化关系。

当

时，

；

当

时，

；

当

时，

，

式中d是所述相邻夯点中间点处某一点的深度；Dre是该点的相对密实度增量比，ϕ1、ϕ2可反映每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数对土体加固效果的影响。

由

可知，相邻夯点中间点处相对密实度增量比随内摩擦角ϕ1的增加，即随着每锤夯击能、夯点间距、夯击次数的增加以及夯锤半径的减小，P2处土体的相对密实度增量比逐渐趋近于零。如果P2处土体的相对密实度增量比太小或者夯坑深度趋近于d2,则计算曲线的第一部分将由P1、P3确定，此时相邻夯点中间点处相对密实度增量比随深度变化的计算公式为：

式中：d12是分段曲线第一、二部分交点的纵坐标值，d23是分段曲线第一、二部分交点的纵坐标值，具体如下：

以马来西亚Kampung Pakar场地地基强夯加固工程为例，马来西亚Kampung Pakar场地地基为厚度14m疏松砂，其中10-12m为粉质黏土夹层，地下水位埋深约3m，对该场地进行强夯处理。

现场试验采用15t重、1.8m×1.8m (等效半径 R_h=1.03m)的夯锤，夯点采用6m×6m的正方形网格布置，夯锤落距20m，夯击10次(如图5所示)。在网格边的中点处进行静力触探试验(CPT)，因为其它夯点离网格边中间距离较远，因此仅受边线上的两夯点的影响，而在其它夯点处进行夯击无法使网格边线中点处的土体进一步压密。

通过相关经验公式(

和

)将静力触探试验测得的比贯入阻力q_c（单位MPa）换算成相对密实度。图3为现场实测的比贯入阻力以及通过换算得到的相对密实度随深度变化曲线。

强夯施工前土体的平均比贯入阻力为5.5MP。夯坑深度可由单点试夯的实测数据得到，夯坑深度为1.43m。估算有效加固深度的经验公式系数为0.40，有效加固深度为6.93m。

通过相邻夯点中间点处相对密实度增量比随深度变化的计算公式

，

，

分别计算P2，P3，P4处相对密实度增量比。

由于计算得出P2处相对密实度增量比趋近于零，因此采用由P1、P3确定曲线的计算公式

，

及

计算得到夯点间土体相对密实度增量比随深度的变化曲线，并与实测数据进行对比分析，如图4。

从图中可以看出，相对密实度增量比计算曲线与现场实测值吻合得较好，两者之间最大值相差8.63%。

从实例可以看出，计算曲线可以较好地描述土体加密程度随深度变化的规律，验证了本实施例所提计算相邻夯点中间点处土体加密程度公式的可靠性。

虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims (7)

1.一种简便计算强夯作用下相邻夯点间土体加固效果的方法，其特征在于：所述方法至少包括以下步骤：通过收集工作区已有地质资料和试验资料，获得应用强夯加固区内的土体参数以及强夯设计参数；根据所述土体参数和强夯设计参数并结合强夯数值模型，得到不同深度处土体相对密实度增量比与每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数的函数关系；根据所述的不同深度处相对密实度增量比，建立相邻夯点中间点处相对密实度增量比随深度变化关系；

所述强夯数值模型将相邻夯点的中间区域按深度方向分为松弛扰动区、强加固区以及弱加固区；以所述相邻夯点的中间线与地表面的交点为原点，纵坐标向下为正，横轴表示土体的压密程度，即所述相对密实度增量比建立坐标系；按深度方向取五个特征点（P1、P2、P3、P4、P5)，P1、P2、P3、P4、P5在所述坐标系内的坐标分别取(Dre1，d1)、(Dre2，d2)、(Dre3，d3)、(Dre4，d4)、(Dre5，d5),其中d1为夯坑深度，是所述松弛扰动区和加固区的分界；所述d5为有效加固深度，与每锤夯击能存在经验关系；Dre1=0；Dre5=0，Dre2、Dre3、Dre4分别为距地表0.2d5、0.4d5、0.8d5深度处的相对密实度增量比；P1和P2确定土体相对密实度增量比随深度变化曲线的第一部分；所述曲线的第二部分与纵轴平行，由P3确定；所述曲线的第三部分由P4和P5确定。

2.根据权利要求1所述的一种简便计算强夯作用下相邻夯点间土体加固效果的方法，其特征在于：所述土体参数至少包括所述工作区内的各层土壤类别及其厚度，初始相对密实度以及塑性指数。

3.根据权利要求1所述的一种简便计算强夯作用下相邻夯点间土体加固效果的方法，其特征在于：所述强夯设计参数至少包括：夯锤重量、夯锤落距、夯锤半径、夯击次数以及夯点间距。

4.根据权利要求1所述的一种简便计算强夯作用下相邻夯点间土体加固效果的方法，其特征在于：

所述P2处相对密实度增量比公式为：

；

所述P3处相对密实度增量比公式为：

；

所述P4处相对密实度增量比公式为：

，

式中，e为孔隙率，ϕ1、ϕ2可反映每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数对土体加固效果的影响。

5.根据权利要求1所述的一种简便计算强夯作用下相邻夯点间土体加固效果的方法，其特征在于：所述相邻夯点中间点处相对密实度增量比随深度变化的计算公式为：

当

时，

；

当

时，

；

当

时，

，

式中d是所述相邻夯点中间点处某一点的深度；Dre是该点的相对密实度增量比，ϕ1、ϕ2可反映每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数对土体加固效果的影响；d12是所述曲线第一、二部分交点的纵坐标值，d23是所述曲线第二、三部分交点的纵坐标值。

6.根据权利要求1所述的一种简便计算强夯作用下相邻夯点间土体加固效果的方法，其特征在于：若P2处土体的相对密实度正比小或者夯坑深度趋近于d2，则计算曲线的第一部分将由P1、P3确定，此时相邻夯点中间点处相对密实度增量比随深度变化的计算公式为：

当

时，

；

当

时，

；

当

时，

；

式中d是所述相邻夯点中间点处某一点的深度；Dre是该点的相对密实度增量比，ϕ1、ϕ2可反映每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数对土体加固效果的影响；d23是所述曲线第二、三部分交点的纵坐标值。

7.根据权利要求4、5或6所述的一种简便计算强夯作用下相邻夯点间土体加固效果的方法，其特征在于：

；

；

式中，δ是与每锤夯击能、夯锤半径、夯点间距以及夯击次数有关的参数，n为夯击次数，M·h是每锤夯击能，Pa是标准大气压强，Rh是夯锤半径，Sd是夯点间距。

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