论动力固结法在软土地基加固中的应用效果
摘要：国内外地基处理实践表明，动力固结法(强夯法)可高效而经济的改良填土、碎石土、粉砂、粉土和低含水量粘性土等地层，还可用来消除黄土的湿陷性和饱和粉土、粉砂的液化。本文作者对动力固结法在我国的应用进行了探讨，以供参考。
关键词：动力固结法；地基加固；应用
Abstract: The domestic and foreign foundations processing practice shows that the dynamic consolidation method (dynamic compaction) can be efficient and economic improvement of fill, gravel, soil, silt, silt and low water content cohesive soil strata, it can also be used to eliminate the loess collapsible and saturated silt, silt liquefaction. The author discussed on the dynamic consolidation method in our application for reference.Key words: dynamic consolidation method; foundation reinforcement; application
中图分类号：TU471.8 文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）03-0020-02
含水量较高的饱和粘性土能否适用，在国内外有很大争议。很多观点认为对饱和粘性土强夯要持慎重态度。这主要是因为饱和粘性土含水量高，透水性差，使用传统的动力固结法工艺会造成孔隙水压力急聚上升，高孔压持续不消散，在后续夯击能作用下会造成软土大量侧向挤出，土体强度丧失且难以恢复，从而形成难以处理的橡皮土。
为了避免上述现象的产生，使之也能够用于处理饱和粘性土地基，人们在保留动力固结法经济、快捷等特点的同时，开始着手于改进传统的动力固结法，取得了许多有益的探索成果。
动力固结法国内外研究概况
动力固结法处理地基是1968年法国Menard技术公司首创的。由于动力固结法方便简单、经济、施工快捷，所以国外应用已经十分普遍。关于动力固结法的适用范围，Smoltczvk在第8届欧洲土力学及基础工程会议上的深层加固总报告中指出，动力固结法适用于塑性指数Ip < 10的土。Cambin也承认在软粘土上直接使用动力固结法的效果是值得讨论的。
在国内，于1978年11月至1979年初首次由交通部一航局科研所及其协作单位在天津新港三号公路进行了动力固结法的试验研究。在初步掌握了这种方法的基础上于1979年8月至9月又在秦皇岛堆煤场细砂地基进行了试验，其效
果显著。该码头堆煤场的地基采用了动力固结法进行加固，共节省了150余万元。
中国建筑科学研究院及其协作单位于1979年1月在河北廊坊该院机械化研究所宿舍楼工程中进行了动力固结法处理可液化砂土和轻亚粘土地基的野外试验研究，取得了较好的加固效果。于同年6月正式用于工程施工。通过上述试验研究及实际工程的应用，总结出一套适合我国国情的强夯工艺，在我国地基加固领域里填补了一项空白。
近年来，岩土工程界对将经济易行的动力固结法应用于饱和软粘土进行了很多有益的探索，1984年，华东水利学院的赵维炳教授对饱和软粘土在设置砂井的条件下推导了动力固结法理论计算数学模式。太原大学范维垣提出结合袋装砂井用动力固结法加固饱和软粘土地基。1998年中国科学院武汉岩土力学研究所利用动力排水固结法实现了对某大型仓库群的饱和软粘土地基的加固，通过检测和后期观察，加固效果很好。但对于动力固结法结合其他方法处理饱和软粘土，目前国内外仍存在很大的争议。有成功的经验，也有失败的例子。山西某化肥厂在饱和软粘土中设置排水通道再强夯，夯后再堆载预压仍有300多毫米的沉降。
动力固结法在我国当前建设领域的应用意义
我国改革开放后许多重大项目都集中在沿江、沿海建设，受标高所限，这类项目一般都需要吹填造陆。在二元结构地层之上吹填造陆后，就会形成一种典型地层结构，其上部和下部都为粗颗粒土，而中部为饱和软粘土，类似一种夹心饼干或三明治的典型软土地基。这类地基采用动力固结法的机理、改良效果、设计方法和施工工艺等方面的问题，现有文献很少提及。作为一类典型软土地基，借鉴既有经验开展强夯动力固结法的试验研究有着重大的理论意义和实践意义。
从国内外概况看，对于粗颗粒土、Ip < 10的土或含水量较低的非饱和粘性土、填土、湿陷性土等，强夯动力固结法有特别显著的效果。人们虽然对饱和软粘土进行了许多有益的探索，尤其在设置排水通道后取得了不少成功的应用，但动力固结法处理饱和粘性土仍属于探索阶段，还没有一套成熟的理论和设计计算及施工方法，所以还需要不断的在实践中总结并不断的提高。而动力排水固结法用于类似夹心饼干或三明治的典型软土地基，则更需针对地层特点，开展有针对性的研究工作。
动力固结法加固地基的机理
关于动力固结法加地基的机理，目前国内外的看法还不一致，Menard, Scott, Skipp, jessberger, Kotlyarevskii，Gambin，Godecke，Lenards，Lukas，Fang, Smo-ltczvk, Leon，潘千里、坂口旭、钱征、高宏兴、张永钧、钱学德、尚世佐、王钟琦以及太原工业大学等从各个角度对动力固结法的机理进行了研究，并提出了各自的看法。Mitchell指出：“当强夯法应用于饱和土时，压密过程基本上同实验室中的击实法(普氏击实法)相同。在饱和无粘性土的情况下，可能会产生液化，压密过程同爆破和振动压密的过程相似” 。他认为：动力固结对饱和细颗粒土的
效果尚不明确，成功和失败的例子均有报道。对于这类饱和细颗粒土，需要破坏土的结构，产生超孔隙水压力以及通过裂隙形成排水通道，孔隙水压力消散，土体才会被压密。颗粒较细的土还达不到颗粒较粗的土那样的加固程度。软粘土层和泥炭土由于其柔性阻止了邻近的无粘性土的充分压密。
动力固结法的机理首先应该分为宏观机理和微观机理。其次，对饱和土与非饱和土应该加以区分，而在饱和土中，粘性土与无粘性土还应该加以区别。另外对于特殊土，如湿陷性黄土等，应该考虑它的特征。再次，在研究动力固结法机理时应该首先确定夯击总能量中真正用于加固地基的那一部分，而后再分析此部分能量对地基土的加固作用。范维垣等曾提出用“爆炸对比法”来确定用于加固地基的能量。
关于影响动力固结法的加固机理的因素，Leonards曾指出，当地基中有粘性土层存在时，将减小有效击实深度，它既依赖于每锤的夯击能量，同时也依赖于各夯点的夯击顺序以及每一夯点的锤击数，而两者的效应用每单位加固面积上的夯击能量来衡量是合理的。
动力固结的效果是与每锤的夯击能量(即Mh)、每单位加固面积上承受的夯击能量、排水效果紧密相连的。Leonards认为：似乎有一个强夯加固的上限值，其数值相当于静力触探比贯入阻力ps=15Mpa，或标贯值N63.5=30-40。
Leon认为，考虑到动力固结法加固地基的方式，则加固作用与土层在被处理过程中三种明显不同的机理有关。即：
1. 加密作用，指空气或气体的排出；
2. 固结作用，指的是水或流体的排除；
3. 预加变形作用，指的是各种颗粒成分在结构上的重新排列，还包括颗粒组构或形态的改变。
基于以上论点，Leon指出动力固结法应该叫做“动力预压处理法”，这样才能把上述三种机理全包括进去。显然，因为这种方法处理的对象〔即地基)是非常复杂的，所以Leon认为不可能建立对各类地基具有普遍意义的理论。
但对于地基处理中经常遇到的几种类型的土，还是有些规律的。动力固结法是在极短时间内对地基土体施加一个巨大的冲击能量，加荷历时时间以秒为单位（几秒到几十秒），对含水量较大的土层，可达100ms左右。根据对山西潞城湿陷性黄土用高能量动力固结加固地基时土体动应力的实测结果，锤底动应力最大值与土的坚硬程度有关，实测值为2-9MPa。夯击能的效率系数值，一般为0.5-0.9。
地基土强度增长规律与土体中孔隙水压力的状态有关。在孔压增长阶段，土的强度逐步降低；在液化阶段，土的强度降到零；在孔压消散阶段，为土的强
度增长阶段，该阶段也为土的触变恢复阶段。经验表明，如果以孔隙水压力消散后测得的数值作为新的强度基值(一般在夯后一个月)，则6个月后，强度平均增长20-30%，变形模量增加30-80%。
在某地长江江边的地基加固试验情况
该工程是利用长江滩涂建设一个原料堆场，其北邻长江老大堤，南至长江。场地原为岸涂滩地和鱼塘，现已吹沙回填，地面高程一般为5.11m～7.83m之间，场地东部分布一条南北向排水河沟，沟底标高为2.58m～3.50m之间。地貌上属于长江河漫滩相冲积平原。
据地调勘探揭露，试验场地地表为吹填砂性土，天然地基表层主要是较厚粘性土层，多夹粉土薄层，下部为粉砂层，属于类似夹心饼干或三明治的典型软土地基。试验区代表性地质剖面图如图3-1所示，各层具体分述如下：
根据设计目标，料条地基目标承载力首先要求达到140kPa（一次性施加堆料荷载），地基不会失稳；然后在首次堆料自重预压下，地基排水固结，强度实现增长，地基承载力提高；经过堆料、固结、再堆料、再固结的循环往复，即可在规定时间内使得地基最终目标承载力达到300kPa；
考虑到场地地层结构总体类似夹心饼干或三明治型，在地层0.0~4.2m范围内为吹填的0层粉砂或粉土，天然地基中的硬壳层②1层厚约2m，而其下伏也是②2层粉砂，粉砂层底埋深在7.5m左右。经方案比较，综合考虑经济、技术和工期要求，决定采用动静联合法（强夯动力固结法+堆载预压法）处理料场地基。
将强夯试验分3个区作试验，各区强夯设计参数和效果检验手段具体如下表：
注：三个实验区统一采用15m长C型排水板，双向间距1m。
根据现场水压力、水位、沉降观测以及静力触探和载荷板的测试，最终
试验结果如下：
1．1000kN.m、1500kN.m和1800kN.m夯击能下，夯坑边主要表现为隆起，隆起量在1500kN.m夯击能下达最大。3000kN.m夯击能下，夯坑边主要表现为沉降。水平变形主要表现为径向远离坑心挤出。
2．1000kN.m夯击能的影响半径为5~6m，夯击次数3~5击为宜；1500kN.m夯击能影响半径为8~9m，夯击次数4~6击为宜；1800kN.m夯击能影响半径为8~9m，夯击次数5~6击为宜；3000kN.m夯击能影响半径为9~11m，夯击次数5~6击为宜。
3．通过CPT曲线的对比综合分析：1000kN.m能级强夯有效影响深度约为4.0m，1500kN.m和1800kN.m能级强夯有效影响深度约为5~6.0m，3000kN.m能级强夯有效影响深度约为10.0m，本次试验中强夯夯击能越高，影响深度越大。
4．1000kN.m能级强夯有效影响深度仅在0层吹填土中，对天然地基部分改良效果很小；1500kN.m和1800kN.m能级强夯有效影响深度刚超过天然地基硬壳层（主要是②1层粉质粘土），天然硬壳层的存在阻挡了能量向②2砂层中的传播；3000kN.m能级强夯有效影响深度达到了②4层粉砂层顶，该能级已经能对②3层淤泥质粉质粘土产生有效影响。
5．1000kN.m夯击能6击的夯坑沉降量小于0.5m，1500kN.m和1800kN.m夯击能6击的夯坑沉降量在0.5~0.9m，3000kN.m夯击能6击的夯坑沉降量大于0.9m。
6．强夯试验区浅层载荷板试验结果显示，A区处理后承载力特征值为145kPa，B区处理后承载力特征值为149kPa，C区处理后承载力特征值为157kPa，均由处理前的100kPa提高到145kPa以上，强夯对中上部土层的加固效果比较显著。但对于深层土的承载力加固效果由于未作深层土平板载荷试验，具体承载能力还有待后续的工作来进一步检验。
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