土动力学42.pptx

2024/8/9 周五土动力学第四章 土的动力指标及其测定第四节 强夯法处理湿陷性黄土地基的模型试验研究2024/8/9 周五土动力学n黄土是第四纪形成的一种特殊的土状堆积物。颜色主要呈黄色或褐黄色，以粉土颗粒为主，富含碳酸盐，具有大孔隙，垂直节理发育，具有湿陷性。凡具备上述全部特征的土即为典型黄土，与之类似但有的特征不明显的土称为黄土状土。n黄土在一定的压力作用下受水浸湿，土结构迅速破坏而发生显著附加下沉的性质，叫做黄土的湿陷性。n在我国西北地区大面积分布的黄土中约占总数四分之三的是具有湿陷性的黄土。2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学n强夯法（Strong compact)是利用重锤的自由落体运动，对地基土体反复施加强大的夯击能，这种夯击能以冲击波的形式向土体深部传播，是地表以下一定深度范围内的土体得到夯实。n强夯改善了黄土的物理力学性质，增强了地基遇水后的稳定性，使一定深度内地基土的湿陷性得以消除。2024/8/9 周五土动力学研究问题n怎样确定强夯消除黄土地基湿陷性的有效深度n怎样确定强夯的主要参数n强夯消除湿陷性的机理2024/8/9 周五土动力学研究方法n通过室内模型试验研究强夯变量与有效深度之间的关系n强夯变量包括夯锤重量W、落距H、夯锤半径r、夯击次数N、地基土的干容重d、地基土的含水量wn对现场强夯试验数据进行数理统计分析，得出有效深度与夯沉量之间的经验关系n通过对强夯前后黄土的应力应变关系的研究和微观结构分析，探讨强夯消除黄土湿陷性的机理2024/8/9 周五土动力学一、物性指标与湿陷系数的关系n黄土的物质构成和基本性质，影响着它的湿陷性大小和敏感程度n黄土的颗粒成分、水溶盐含量、显微结构和物理力学性质等与黄土湿陷性有密切的关系2024/8/9 周五土动力学n湿陷系数大致上随干容重的增大而减小n干容重相同的试样，含水量越高，湿陷系数越低n干容重小时，含水量的变化对湿陷系数的影响很大。干容重大时，含水量的变化对湿陷系数的影响减小。n强夯使土的干容重有很大的增加，这是强夯消除黄土湿陷性的一个重要因素2024/8/9 周五土动力学n黄土的湿陷性受多种因素的影响，湿陷系数与物性指标之间不存在确定性的数学关系仅存在某种相关关系。n多元回归分析有助于了解物性指标与湿陷系数的相关关系2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学湿陷系数与干容重、含水量的关系2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学 地区性质兰州枢纽兰州西站牟家庄桃树坪东 岗含水量8.10-28.75.10-30.913.1-29.26.60-17.211.3-31.0容 重1.59-2.011.31-2.031.42-19.921.40-1.861.34-1.93干容重1.40-1.671.20-1.761.26-1.581.22-1.611.20-1.51孔隙比0.582-0.9270.715-1.1510.713-1.1360.685-1.0030.815-1.135饱和度26.9-81.512.9-86.336.5-82.613.3-63.422.6-91.1液 限20.8-31.221.1-30.224.4-32.523.8-26.824.6-38.3塑性指数6.2-12.95.2-11.28.2-13.67.8-9.37.6-12.9液性指数-0.691.10-0.761.12-0.830.73-0.851.19压缩系数0.02-0.1270.021-0.1240.019-0.1310.019-0.123湿陷系数0-0.0730-0.0950.003-0.1050.001-0.1240-0.1122024/8/9 周五土动力学n统计结果表明，黄土物性指标多呈正态分布n从以上五个场地中筛取230组试验数据，构成一个三元正态分布的样本，通过计算机分析可得出兰州地区黄河南岸黄土的湿陷系数预测模型2024/8/9 周五土动力学n根据黄土地基规范，当湿陷系数小于0.015的黄土为非湿陷性黄土n湿陷性黄土的饱和度一般为30-80%，当湿陷系数等于0.015时，地基消除湿陷性的最小干容重为1.44-1.50kN/m3.当干容重大于1.50kN/m3时，地基土不再具有湿陷性n因此，干容重可以作为检验强夯效果的重要指标2024/8/9 周五土动力学二、夯沉量与夯击能的关系n地基表面在重锤作用下的夯击下沉量称为夯沉量（S）n夯沉量随夯击次数的增加而增加n单击夯沉量（S)随击次的增加而减小，表明地基土体越夯越密实n夯沉量是加固效果的直观反映n夯沉量的大小与锤重W、落距H、击次N有关2024/8/9 周五土动力学研究思路n夯锤在空中具有一定的势能n夯锤在自由落体运动的过程中获得动能n夯锤撞击地面后与地面一起朝下运动一段距离n能量守恒定律和撞击理论是强夯法的理论基础n据此可以建立夯沉量和夯击能之间的关系2024/8/9 周五土动力学n定义每一击的锤底单位面积上的夯击能为单击夯击能2024/8/9 周五土动力学根据曲线的形状可以采用自然对数曲线S=a+blnEg或指数曲线S=aeb/Eg方程来拟合2024/8/9 周五土动力学n分析结果表明，采用自然对数曲线对现场试验的 S-Eg曲线进行拟合，相关系数较大，标准离差较小n应用最小二乘法原理进行非线性回归来求夯沉量与夯击能之间的关系2024/8/9 周五土动力学n定义S=0时的夯击能为起始夯击能Eg0n起始夯击能小，表明土层容易夯实，地基加固效果好，n起始夯击能和系数b随单击单位面积上的夯击能的增加而增加2024/8/9 周五土动力学bEg0Eg10.65625.948450.57216.143350.43412.495300.34913.253250.2520.17912.3287.70815.612.52024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学夯沉量的预测模型n单击夯沉量随击次增加而减小。一般规定最后两击的单击夯沉量 S0.03m时结束夯击。这时的击次称为界限击次n可用上式来估算不同单击夯击能的界限击次n还可用上式进行强夯参数的最优组合设计，首先考虑提高落距，其次考虑增加锤重，确定了锤重和落距之后，再利用上式来选择界限击次2024/8/9 周五土动力学应用实例n兰州枢纽办公楼试验区采用锤重10t，落距10m，夯锤底面积为4m2，Eg125tm/m2，夯击次数为15次，夯沉量为1.115m。n夯后实测地基消除湿陷性的有效深度小于4.5mn统计兰州地区强夯试验资料可知，夯沉量达到1.5m时，有效深度可达5m以上2024/8/9 周五土动力学n更改设计参数，将落距提高至20m，则Eg150tm/m2，按模型预测，夯击5次，夯沉量为1.65m，有效深度将超过5m2024/8/9 周五土动力学地基土的性质对夯沉量的影响n当含水量小于10时，土体表层较坚硬，土颗粒之间摩阻力较大，妨碍夯击能量有效向纵深传递，不易压实，使夯沉量减小n若含水量过大，颗粒之间孔隙内自由水增多，夯击能量部分消耗于驱使自由水流动，表层土容易夯成橡皮土。土体往侧向挤出，夯坑周围的土隆起，夯沉量不能真实地反映土的垂向压密状态2024/8/9 周五土动力学n研究表明，含水量为1020时，夯实效果较好n当含水量小于10时，可在夯前进行预浸水处理n但要严格控制水量，不使表层土含水量过大，还应注意使整个场地浸水均匀2024/8/9 周五土动力学n天然孔隙比大的土结构疏松，夯沉量较大n回填土的夯沉量比天然地基土大2024/8/9 周五土动力学三、消除湿陷性的有效深度n法国L.Menard(1975)提出预估影响深度的经验公式为2024/8/9 周五土动力学室内试验模型n试验装置由试验圆桶、夯锤、导杆及垫板等组成n测试装置包括动静态电阻应变仪、预调平衡箱等n测试元件为纸基电阻应变片 2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学试样制备2024/8/9 周五土动力学试验操作情景2024/8/9 周五土动力学有效夯击能n通过垫板真正作用与土体的夯击能称为有效夯击能n质点系统的总动能为2024/8/9 周五土动力学夯实前后干容重的变化与体积应变的关系2024/8/9 周五土动力学相对深度与体积应变的关系2024/8/9 周五土动力学负指数回归方程2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学室内模型试验的回归模式2024/8/9 周五土动力学n室内试验的主要意义在于寻找夯击能量与土体应变之间的关系，观察含水量变化对强夯有效深度的影响2024/8/9 周五土动力学现场试验数据的整理2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学强夯前后的应力应变关系2024/8/9 周五土动力学n黄土的湿陷变形在一定程度上受土颗粒之间的抗剪强度所控制n黄土的抗剪强度受颗粒之间的凝聚力所左右n原始凝聚力n加固凝聚力2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学n抗剪强度的增加主要表现在土颗粒之间的凝聚力得到了提高这是因为动力压密作用使土颗粒之间趋于紧密镶嵌排列增大了分子引力的结果n夯前的三轴试验试样表现为塑性破坏，夯后的试样表现为脆性破坏，说明强夯作用是黄土的塑性变形减小n大孔结构的消除和土颗粒间抗剪强度的提高是强夯作用消除湿陷性的主要原因2024/8/9 周五土动力学强夯前后黄土的微观结构分析2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学n由显微结构分析可知，大孔结构的粒间接触点处的抗剪强度破坏，是产生湿陷的基本原因n大孔隙是产生湿陷必要条件n土颗粒之间的抗剪强度破坏是湿陷的内在原因n压力和水是引起湿陷的诱导因素2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学2024/8/9 周五土动力学n强夯使黄土的点接触大孔结构遭到破坏，颗粒充填到孔隙中，重新排列，变为超压密面接触镶嵌结构n强夯后大孔隙消除，土体失去了产生湿陷的空间条件n强夯后新的稳定排列，使颗粒之间的引力增大，凝聚力增强，从而使土体的抗剪强度得以增大2024/8/9 周五土动力学n大孔隙的消除和土颗粒间抗剪强度的改善，是地基土不再具有湿陷性。这就是强夯法消除黄土湿陷性的机理。