静动联合排水固结法及其在填海工程中的应用.pdf
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1、第 2 9卷第 3期 2 0 1 2年 9月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t V 0 l _ 2 9 No 3 S e p 2 0 1 2 静动联合排水固结法及其在填海工程中的应用 刘祖德 , 杜 斌 , 司马军 , 邹 勇 ( 1 武汉大学土木建筑工程学院, 捌北武汉4 3 0 0 7 2 ; 2 中工武大设计研究有限公司,湖北武汉4 3 0 0 7 2 ) 摘要: 首先介绍了静动联合排水固结工法及其特点, 并着重说明了其与传统强夯法的区别, 然后介绍了静动
2、 联合排水固结法的核心机理及该工法的设计要点。结合厦门集美大桥高崎侧接线一、 二期工程饱和吹填软土 的地基处理设计和检测, 分析了静动联合排水固结法在处理填海造地工程上的一些优势, 可供类似工程应用时 参考。 关键词 : 静 动联合 ; 排水固结 ; 强夯 ; 吹填 软土 ; 地基处理 中图分类号: T U 4 7 2 3 文献标识码: A 文章编号: 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 2 ) 0 3 -00 6 7 -0 6 S t a t i c Dy n a mi c Co mb i n e d Co n s o l i d a t i o n M e t h o d
3、a n d I t s App l i c a t i o n i n t h e S e a Ba c k f i l l i ng En g i ne e r i ng U Zu d e ,DU B i n ,S I MA J u n , ZOU ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g , Wu h a n U n i v e r s i t y ,Wu h a n 4 3 0 0 7 2 ,C h i n a ; 2 C A MC E WHU D e s i g n&R e s e a r c h C o L t d , W
4、u h a n 4 3 0 0 7 2 , C h i n a ) Abs t r a c t :Fi r s t l y i n t r o d u c e s t h e s t oi c d y n a mi c c o mb i n e d c o n s o l i d a t i o n t e c h n o l o g y a nd i t s c h a r a c t e ris t i c s, hi g h l i g h t i n g t h e d i f f e r e n c e f r o m t h e t r a d i t i o n a l d y
5、n a mi c c o mpa c t i o n t e c h n o l o gy ,t h e n d e s c rib e s t h e c o r e t h e o r y o f t h e t e c h n o l o g y,i l l u s t r a t e s t h e de s i g n a n d c o n s t r u c t i o n f e a t u r e s s i mu l t a n e o u s l y F i n a l l y, t h e d e s i g n a n d t e s t i n g o f t h
6、e X i a me n J i me i B ri d g e c o n n e c t i o n p r o j e c t O ff G a o q i s i d e ( 1 s t a n d 2 n d s t a g e s )i s i n t r o d u c e d ,i n w h i c h s a t u r a t e d h y d r a u l i c f i U s o ft s o i l fo u n d a t i o n t r e a t me n t p e r f o r m e d ,a r e f e r e n c e f o r
7、s i mi l a r e n g i n e e rin g a p p l i c a t i o n s Ke y wo r d s:s t a t i c d y n a mi c c o mb i ne d;d r a i n a g e c o n s o l i d a t i o n;d y n a mi c c o mp a c t i o n;s o f t b a c k fil l i n g s o i l :fou n d a t i o n di s po s a l 静 动联 合排 水 固结法 ( S D C C M-S t a t i c D y n a m
8、i c C o mb i n e d C o n s o l i d a t i o n Me t h o d ) 是在堆载预 压排水 固结法和强夯法的基础上发展起来的一种 新型地基 处理方法。强夯法 主要适用于加 固填 土、 碎石土 、 黏性土、 砂土及湿陷性黄土, 对饱和度 较高的粉士和黏性土地基 , 强夯法处理效果不显 著 , 甚 至有 人把 在 淤 泥地 基 上 强夯 视 为 “ 禁 区” 。S D C C M 工法在处理淤泥质 土, 淤泥 ( 含 吹 填材料) 等饱 和度较高的粉土和黏性土时 , 具 有 处理效果好 , 固结速度快等优点 , 特别适合于处理 填海造地工程 中的软弱淤泥
9、地基 。S D C C M 工法 的基本思想是 , 通过设置排水通道 , 改善地基土的 竖向排水条件 , 结合强夯法和堆载预压法的优点 , 使两者互相补充和促进 , 即利用静载进行初始 固 结 , 利用动荷载的强大 冲击能激发较高 的孔隙水 压力 , 并使其在静荷载作用下逐渐消散 , 从而达到 固结效果 , 提高土体强度。 1 9 9 4年 , 刘祖德教授在主持设计厦门高崎国 际机场跑道延长段填海工程中, 首次提 出并成功 应用动静联合排水 固结法 , 取得了 良好 的社会效 益和经济效益 , 其后该工法在较多的填海工 程中得到推广 , 如深圳 市宝安新 中心区裕安路软 土路基处理工程 , 西
10、部通道填海及地基处理工 程 j , 广州南沙泰山石化仓储区 1期淤泥质地基 处理工程 。 。 等。 收稿 日期 : 2 0 1 2 - 0 2 1 5 作者简介:刘祖德( 1 9 3 2 一 ) , 男 , 江苏元锡人 , 教授 , 研究方 向为地基处理 , 纠偏托换( E ma i l : p o n y 4 0 8 s o h u t o m) 6 8 土木工程与管理学报 2 0 1 2年 静动联合排水 固结法 S D C C M工法主要从改善土体渗透性、 静力固 结 、 动力固结等方面促进土体 固结 , 提高土体物理 力学性质 , 但并不是静动两种固结模式 的简单叠 加 , 它具有其 自
11、身明显的特点 。 1 1 改善土体渗透性 一 般地 , 天然沉积的软土地基土层都是交替 出现 , 各土层渗透系数不 同, 水平方 向的渗透系数 按照各土层厚度进行加权平均 , 即为: k h =( k l h 1 +k 2 h 2 +k 3 h 3 ) ( h 1 + h 2 十h 3 ) 垂直渗透系数为 : k =( h 1 +h 2 +h 3 ) ( h i k l + 2 2 + 3 k 3 ) 经推导可看出加权平均后的等代水平渗透系 数大于竖 向渗透系数 , 但是水平渗透并不能直接 把孔隙水排出来 , 而必须借助竖 向排水体系实现 排水 固结 。这个结论 同样也适用于吹填土。 为了提高
12、土体的竖向排水能力 , S D C C M工法 要求在地基中埋设较密的竖 向排水体( 如塑料排 水板 ) 以提高宏观 k , 而砂垫层具有加强水平排 水作用两者同时作用 , 构成软弱淤泥 良好的 自排 水体系。 1 2静 力 固结 根据静力固结理论 , 软土固结所需时间与排 水距离的平方成反 比, 插打塑料排水板可以增加 土层 的排水途径 , 缩短排水距离 , 在压缩性高 、 含 水量 大、 孔隙 比大 、 软土较厚 的土层 中效果更 明 显 。 插打排水板后 , 在软弱地基表面均布地堆载 , 按序铺设水平砂层和填土。在该静荷 载作用下 , 加固土体中产生附加应力 , 引起 的超静孔隙水压 力
13、 , 在静置期( 如 7天至 1个月 ) 内, 土颗粒 间的 水通过排水板排 出地层以外 , 超静孔隙水压力逐 渐消散 , 地基完成初步固结。 1 3静动联合固结 当堆载引起的超静孑 L 压大部分消散之后进行 强夯 , 强夯激发附加动态超静孔 隙水压力使静载 引起的残余孔压值 + 激增到相当高的+ 。 。 这种 + 。 并 不会 随夯击 动能的移去而 自动消 除, 反而会受到动载的“ 激励” 触发软土颗粒结构 排列进一步定 向移动或转动而具 有长效 固结效 果 , 促成了第二轮渗透固结过程 , 使土体中更多的 孔隙水排出, 达到进一步固结压密的效果 , 较之单 纯 的静力固结 , 压密效果往往
14、更加明显。 1 4 S D C C M工法的特点 相对 于经典 的静力 固结模 型 , 1 9 5 6年 法 国 Me n a r d教授所创建的动力 固结模 型具有 以下特 点: 土体中含有少量气泡的可压缩液体; 固结时土 体中排出液体的小孔 的孔径是变化 的; 弹簧刚度 为变数 ; 活塞有摩阻力。 基于以上模型, 动力 固结主要通过 以下几种 方式完成 : ( 1 ) 饱 和土的压缩性 。强夯时 , 气体体 积压 缩 , 孔压增大 , 随后气体有所膨胀 , 孔隙水排 出的 同时, 孔压就减少。 ( 2 ) 产生液化 。土体中气体体积百分 比为零 时 , 就变成不可压缩 的。相应于孔隙水压力
15、上升 到覆盖压力相等 的能量级 , 土体 即产生液化 。但 若继续施加能量 , 则 除了使土起重塑 的破坏作用 外 , 能量纯属是浪费。 ( 3 ) 渗透性变化。超孔压大于颗粒 间的侧 向 压力时, 土颗粒间 出现裂 隙, 形成排水 通道。此 时, 土的渗透系数骤增 , 孔隙水得 以顺利排出。孔 压消散到小于颗粒间的侧 向压力时 , 裂隙即 自行 闭合。 ( 4 ) 触变恢复。土体 的强度逐渐减低 , 当出 现液化或接近液化时, 强度达到最低值 。此时土 体产生裂隙, 而吸附水部分变成 自由水 , 随着孔压 的消散 , 土的抗剪强度和变形模量都大幅度增长。 与 Me n a r d理论 相 比
16、, S D C C M 中的“ 强夯机 理” 与 1 9 5 6年法 国 Me n a r d教授所创建 的动力 固 结的四点基本原理有着较大 的区别 , 主要可概括 为以下几点 : ( 1 ) S D C C M可 以兼 收夯 实堆载三相 土体效 果之利 , 但对下卧软黏土淤泥来说 , 其压密必须经 过排水 固结 的过程 , 在压 密的动力 源 中, 静载为 主、 动载为辅。静载为内因, 动载为外 因, 没有静 载存在 , 动载稍纵即逝 , 不能产生长效渗透固结过 程 , 而强夯压密效果也必须在堆载压下逐渐发挥 完成 , 因此关键问题在于如何使动载在黏土中激 发产生的超静孔压激增 , 形成第
17、二轮的渗透 固结 过程 , 只有这样 , 静 、 动荷载才能相辅相成 , 充分转 化 能量 。 ( 2 ) S D C C M 强夯加 固对象 应包括堆 载土体 和下卧淤泥层 。但实际上, 软黏土淤泥中, 不太可 能出现 Me n a r d动力 固结作用所强调 的可提供排 水通道的土 中直 通裂隙 , 故 S D C C M工 法要求事 先加强淤泥的自排水能力 , 保证在静 、 动荷载作用 下产生 的孔 隙水压 力能 迅速消散 , 这是 S D C C M 工法与一般强夯法的区别 。 ( 3 ) 由于软土地基必须先堆载, 然后强夯 , 故 第3期 刘祖德等 : 静动联合排水固结法及其在填海工
18、程中的应用 6 9 该工法能使经典意义上的动力固结作用得到充分 发挥 , 即动力八面体压缩应力作用下孔压增长 明 显 , 而动力八面体偏应力幅值相对较小 , 使土体 固 结得更彻底 , 相当于较大的静力超载预压 _ 1 J 。 ( 4 ) S D C C M通过填土及其填料控制, 避免夯 锤直接接触软土 , 砂垫层同时具有加强水平排水 作用 , 同时强调创造有效强夯的作业场地 , 满足施 工机械 和夯锤存放迁移 、 夯坑限制坑深等要求。 同时由于砂垫层及堆载的扩散作用, 避免冲击荷 载对浅层软土造成结 构破坏 , 浅层土体强度难 以 提高甚至降低 。 ( 5 ) 堆载结束后, 要求静置一段时间
19、, 使静渗 透 固结完成大半之后才能施夯 , 以充分发挥动力 固结作用。 ( 6 ) 夯击单击 能一定要 与影 响深度 匹配, 分 级堆载强夯时, 夯能应逐渐增加。 ( 7 ) S D C C M 有效程度取决 于动载传递 路径 和传播深度 , 一般要求锤形为扁平圆锤。 2 S D C C M主要工作机理 在 S D C C M工法 中, 强夯不 是靠其 瞬时动力 即刻压密下卧饱和淤泥地基土体 , 其动渗透 固结 过程与强夯夯实三相填土 的机理完全不 同, 而是 先借助强夯 动力 引起 淤泥土孔 隙水压力 骤然升 高 , 土骨架内结构和组构发生调整 , 只是有少量形 变 ( 畸变 ) , 基本
20、无体变 , 但是瞬间过后 , 在这种 已 有插板使之加强了 自排水功能的淤泥内部就立 即 启动了新一轮的“ 动渗透固结” 过程 , 而且这种动 渗透固结过程 的规律与常规 的 T e r z a g h i 渗透固结 过程也有所不同, 历时缩短 , + 。 更易消散 。 在相 当长的一段 时期 内, 国内外对动力 固结 的研究主要集 中在如何使大功率的强夯或重锤击 实加速软黏土淤泥的固结。大部分研究者将夯击 能量做功分解为弹性振动消耗、 畸变消耗、 热能转 化消耗 、 颗粒破碎消耗 ; 但加起来还是小于强夯动 能 , 我院土工试验室进行近半年 的特种试验研究 表 明, 饱和二相土的有效应力转化
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- 联合 排水 固结 及其 工程 中的 应用
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