动力排水固结法处理软土地基孔压和变形问题研究

第22卷 第10期
岩石力学与工程学报 22(10)：1738～1741
2003年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2003
2002年1月30日收到初稿，2002年3月14日收到修改稿。

作者　孟庆山　简介：男，28岁，1997年毕业于武汉科技大学资源工程系，现为博士研究生，主要从事地基处理和软土力学及工程特性方面的研究工作。

动力排水固结法处理软土地基孔压
和变形问题研究
孟庆山 汪 稔 王吉利
(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室 武汉 430071)
摘要 通过动力排水固结法处理饱和软粘土地基现场试验测试数据，寻求动荷载作用下饱和软粘土的孔压和变形的发展规律，发现同一深度土体超静孔隙水压力的消散与变形具有一致性关系。

对动力排水固结法加固淤泥类软土地基的作用机理研究和工程实践具有指导意义。

关键词 土力学，动力排水固结法，饱和软粘土，孔隙水压力，变形
分类号 TU 441+.6，TU 441+.8 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)10-1738-04
STUDY ON PORE WATER PRESSURE AND DEFORMATION OF SOFT CLAY COMPACTED WITH DYNAMIC CONSOLIDATION BY
DRAINAGE
Meng Qingshan ，Wang Ren ，Wang Jili
( Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics ，Institute of Rock and Soil Mechanics ，
The Chinese Academy of Sciences ， Wuhan 430071 China )
Abstract According to the experimental data of soft clay foundation treated with dynamic consolidation by drainage ，the laws of pore water pressure and deformation of saturated soft clay under dynamic loading are discussed. The relation between the excess pore water pressure dissipation and vertical settlement incresement is founded. These discussions provide some useful conclusions for study on the principle of soft clay compacted with dynamic consolidation by drainage ，and it is significant to engineering projects.
Key words soil mechanics ，dynamic consolidation by drainage ，saturated soft clay ，pore water pressure ，deformation
1 前 言
强夯法自法国工程师M énard 提出之后，在国内外许多地基处理工程中得到了广泛的应用。

学者们普遍认为，强夯法适合于加固填土、碎石土、粘性土、砂土及湿陷性黄土。

对于饱和软粘土成功和失败的报道均有，应谨慎采用。

通过研究表明，只
要方法得当并且注意加固过程中的排水，用强夯法
加固饱和软粘土地基是可行的，并给出了强夯法加固饱和软粘土地基的作用机理和施工工艺[1]；另外， 通过室内试验，对饱和软粘土的重塑试样在冲击荷载作用下孔压和变形规律加以研究，并且提出用 “动静结合排水固结法”处理饱和软土地基[2]；同时，强夯法(插塑料排水板)加固饱和软粘土地基在工程实践中也得到了成功的应用[3～8]。

在饱和软粘
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土中插塑料排水板(或袋装砂井)，并在软粘土上铺设砂垫层，挖盲沟与集水井相连，砂垫层上填土作为静载，以强夯冲击作为动荷载加固饱和软粘土的方法被称为动力排水固结法。

本文从动力排水固结法加固软基现场试验的角度出发，通过对现场测试的孔隙水压力和土体变形数据分析，得到了孔隙水压力长消和土体变形规律，发现超静孔隙水压力的消散与有效应力的增长及土体的变形具有一致性的关系，这对于动力排水固结法加固软基的机理研究以及信息化指导施工具有重要意义。

2 地基处理工程概况
2.1场地工程地质条件
场地位于濒海地区，其构成由上而下描述为：第1层为素填土，主要由结构松散的砂、页岩风化残积物组成；第2层为淤泥及淤泥质粘土，主要由粘性土组成，软塑～流塑，为高压缩性土；第3层为强风化泥质砂岩夹页岩，裂隙发育，母岩因风化结构已被破坏，内部联结力差。

赋存于填土及淤泥层中的上层滞水，主要由大气降水及海水补给，水量一般。

2.2处理方案
本场地采用中粗砂垫层内设盲沟、集水井作为水平排水体，插设塑料排水板作为竖向排水体的排水系统，砂垫层与淤泥层以上的早期素填土共同形成静力加压系统，以高能级强夯作为动力荷载对软土地基进行动力排水固结处理。

强夯分3遍点夯和1遍满夯。

第1遍点夯夯点为6 m×6 m的正方形布置，夯击能量为2 000 kJ，每点7击；第2遍点夯夯点也为6m×6m的正方形布置，插在第1遍夯点中间，夯击能量为2 000 kJ，每点7击；第3遍点夯夯点为梅花形布置，插于前两遍夯点之间，夯击能量为1200 kJ，每点5击；第4遍为满夯，锤印搭接1/3，夯击能量为800 kJ，每点2击。

2.3测试手段与方法
(1) 孔隙水压力观测
KY-1孔中埋设3个孔隙水压力测头；KY-2孔中埋设2个孔隙水压力测头；KY-3孔中埋设1个孔隙水压力测头。

孔隙水压力测头为电阻应变式传感器，采用JX-4型静态电阻应变仪进行观测。

(2) 土体分层沉降
钻孔中预埋分层沉降管和磁环(4个)，磁环置于土体不同深度作为测点，采用CT-1型分层沉降仪观测地基中各个测点的沉降变形。

(3) 土体侧向位移
钻孔埋设测斜管，采用CX-01型数字显示测斜仪观测地表以下不同深度土层相对于底端(视为不动点)的垂线偏斜量(土体水平位移)。

3 孔隙水压力和变形规律
3.1孔隙水压力长消规律
在夯击过程中，同一位置不同深度以及同一深度不同位置土体内孔隙水压力的长消情况如图1，2所示。

图1 同一位置(r = 2.1 m)不同深度土体内孔隙水压力时程曲线
Fig.1 Curves of pore water pressure with time at the same site (r = 2.1 m) in different depths
图2 同一深度(z = 5.0 m)不同位置土体内孔隙水压力时程曲线
Fig.2 Curves of pore water pressure with time at different site (z = 5.0 m) in the same depth
由图1可见，10.0 m深度处土体第1，2，3遍点夯和满夯时孔压分别增长12.4，13.5，4.8和3.3 kPa，说明同一能量下后一遍点夯比前一遍点夯孔压增幅大，夯击能量小则孔压增幅小。

5.0和7.0 m深度处土体也是如此，而且同一遍夯击作用下，浅部土体内孔压增幅大于深部土体。

另外，由图1可以明显看出，强夯的影响深度可以达到10.0 m。

由图2可以看出，同一深度不同位置土体孔压的长消基本一致，且在同一能量下后一遍点夯与前一遍点夯
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相比，孔压增幅大，消散慢，且消散速度随时间推移迅速减慢；小能量引起的孔压增幅小，消散快。

随着径向距离的增大，孔压增幅减小，同一遍内消散速率基本一致。

经过动力排水固结处理后，土体中孔压值低于初始孔压值。

3.2土体竖向变形
同一位置不同深度处土体的竖向变形如图3，4所示。

图3 同一位置不同深度土体内孔隙水压力时程曲线
Fig.3 Curves of deformation with time at the same site in
different depths
图4 同一深度不同位置土体内孔隙水压力时程曲线Fig.4 Curves of deformation with time at different site in the same depth
由图3可见，=
z 2.0～4.0 m为填土，且在地下水位(标高0.67 m)以上；=
z 4.0～6.0 m为填土与淤泥的交错层，部分土层在地下水位以下；=
z 6.0 ～8.0 m为淤泥层；=
z8.0 m以下为淤泥层。

2.0～4.0m填土的沉降量小于4.0～6.0m填土与淤泥的交错层的沉降量，说明只要注意排水，相同土层地下水位以下的土层压缩性更强，该段部分土层含水量接近最佳含水量，击实效果好。

相同厚度淤泥层压缩量小于填土层压缩量；而8.0m以下淤泥的压缩量亦在5.0 cm左右，说明塑料排水板对于淤泥层的排水固结起到了关键的作用。

土体竖向变形主要是由填土的压缩引起的，当然，淤泥层的压缩量也占有一定份额，而且动荷载作用对8.0m深度处的淤泥也有明显的影响，这与孔隙水压力的变化都说明了强夯的影响深度超过了8.0 m。

强夯使填土得到了充分密实，而淤泥层的固结仍将继续。

3.3　土体侧向变形
土体在动荷载作用下不仅发生竖向变形，并且伴随有侧向挤出。

夯点在距测斜管4～5 m远处受到夯击时，土体的侧向变形如图5所示。

由图可见，土体侧向变形在第1遍夯击时变化最大，且最大侧向变形发生在2～3 m深处。

图5 土体水平位移(δ)-深度(H )关系曲线
Fig.5 Curves of horizontal displacement with depth
3.4超静孔隙水压力消散与变形的一致性
通过对孔隙水压力长消和土体竖向变形规律的分析，发现土体超静孔隙水压力的消散与土体竖向变形的增量具有一定的关系，填土和淤泥中超静孔
隙水压力的消散量与土体沉降增量之比值(/
over
u
∆
s∆)随夯击遍数变化如图6，7所示。

由图6可见，在填土中，孔压上升快，增幅大，相对来说，填土的变形改变较小，因而形成填土内s
u∆
∆/
over
值较大，同一能量下，后一遍孔压消散慢，因而s
u∆
∆/
over
值比前一遍小，随着能量的减小，s
u∆
∆/
over
值是减小的。

而由图7可见，淤泥层中的
s
u∆
∆/
over
与填土中是有区别的，s
u∆
∆/
over
随冲击遍数的变化关系表现得更明显，而通过孔压的变化与分层沉降的变化可见，冲击能量相近时，孔压的
图6 5.0 m深度处填土超孔压与沉降比时程曲线
Fig.6 Curves of ratio of excess pore water pressure to
deformation in the depth of 5.0 m
∆
u
o
v
e
r
/
∆
s
水平位移δ/ mm
第22卷 第10期 孟庆山等. 动力排水固结法处理软土地基孔压和变形问题研究 • 1741 •
图7 8.0 m 深度处淤泥超孔压与沉降比时程曲线 Fig.7 Curves of ratio of excess pore water pressure to
deformation in the depth of 8.0 m
变化幅度较明显，由于淤泥层的排水固结有一定的时间效应，所以s ∆变化较小，因而表现出随冲击遍数增多，s u ∆∆/over 值有增大的趋势。

总的来说，填土层中的s u ∆∆/over 值比淤泥层中的偏高，说明填土中超孔压消散比淤泥层中的超孔压消散速度相对要快，这与土的物理力学性质相吻合。

不论在填土还是淤泥中，超孔压的消散和土体竖向变形具有一致性关系。

由此可以假设：(1) 忽略土体的侧向挤出，即土体为一维固结变形；(2) 强夯冲击土体产生的附加应力在夯击瞬间全部由孔隙水承担。

(3) 超静孔压消散量全部转化为有效应力增量。

4 成果分析
(1) 同一位置，夯击能量相同时，深部土体孔压比浅部土体增幅小，消散慢，同一深度土体后一遍夯击时孔压增幅比前一遍大；夯击能量不同时，能量大时孔压增幅大，消散慢。

(2) 施工过程中，填土在土体沉降中占较大份额。

在强夯夯击瞬间，填土固结表现突出；而在两遍点夯间歇填土沉降不明显，此时，主要为淤泥层的排水固结。

(3) 填土中s u ∆∆/over 值比淤泥层中的大，这与土的压缩性和渗透性有关，而且在填土中第1遍点夯s u ∆∆/over 大于第2，3遍点夯，可以理解为开始夯击时，填土结构松散，渗透性较压缩性更占有优势，填土与淤泥在压缩性上所表现出来的差异没有
在渗透性上所表现出的差异明显，因而填土中孔压消散快，随着土体的压密固结，这种优势则有所减缓。

夯击产生的超孔压的消散，促使有效应力增加，使土体产生固结沉降，强度提高。

(4) 夯击使土体产生侧向变形最大值发生在
2～3 m 深度处的填土内，不致严重破坏深部淤泥的结构。

(5) 强夯对淤泥的影响深度至少达到10.0 m 。

5 结 论
(1) 只要恰当地使用冲击能量，铺设完整的排水网络，运用合理施工工艺的动力排水固结法加固饱和软粘土是可行的。

(2) 通过对孔隙水压力的测试，可以随时掌握孔压的消散程度，从而估算固结度，信息化指导下一步施工。

(3) 超孔压的消散与土体竖向变形增量具有一致性关系。

在不同冲击击数下孔压与变形的发展模式及对应关系是一个值得深入研究的问题，作者拟将在室内试验的基础上对其作深入的研究。

参 考 文 献
1
郑颖人，李学志，冯遗兴等. 软粘土地基的强夯机理及其工艺研究[J]. 岩石力学与工程学报，1998，17(5)：571～580
2 白 冰，刘祖德. 冲击荷载作用下饱和软粘土孔压增长与消散规律[J]. 岩土力学，1998，19(2)：33～38
3 李彰明，冯遗兴. 动力排水固结法处理软弱地基[J]. 施工技术，1998，(4)：30～31
4 李彰明，冯遗兴，冯 强. 软基处理中孔隙水压力变化规律与分析[J]. 岩土工程学报，1997，19(6)：97～102
5 丘建金，张旷成. 动力排水固结法在软基加固工程中的应用[J]. 工程勘察，1995，(6)：7～10
6 姚海林，陈露春，金志宏等. 软土地区采用夯扩桩基础破坏原因初探[J]. 岩石力学与工程学报，1998，17(6)：696～700
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8 顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊等. 地基与基础[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1993
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