韓云山， 劉小梅， 吳 晗， 王元龍

(中北大學(xué) 理學(xué)院， 山西 太原 030051)

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平底夯錘和異形夯錘強(qiáng)夯效果的對(duì)比研究

韓云山， 劉小梅， 吳 晗， 王元龍

(中北大學(xué) 理學(xué)院， 山西 太原 030051)

對(duì)夯錘底面的形狀進(jìn)行改進(jìn)， 在夯錘底面增加4個(gè)半球， 形成了異形夯錘， 開展1∶8黃土模型試驗(yàn). 從夯坑深度、 加固深度、 平均應(yīng)變以及孔隙比四個(gè)方面研究了在異形夯錘作用之下強(qiáng)夯加固效果， 并與普通平底夯錘強(qiáng)夯加固效果進(jìn)行了對(duì)比. 結(jié)果表明： 在能級(jí)和夯擊次數(shù)相同的情況下， 平底夯錘重錘低落距的夯坑深度深于輕錘高落距的夯坑深度， 異形夯錘輕錘高落距的夯坑深度深于重錘低落距的夯坑深度. 在質(zhì)量、 高度和夯擊次數(shù)相同的情況下， 平底夯錘的加固深度深， 加固效果均勻， 異形夯錘的加固深度淺， 加固效果不均勻， 且集中在較淺的深度范圍內(nèi). 在加固深度范圍內(nèi)， 異形夯錘作用下土體的平均應(yīng)變大于平底夯錘作用下土體的平均應(yīng)變. 試驗(yàn)結(jié)果揭示了異形夯錘和平底夯錘在黃土地區(qū)加固時(shí)的特點(diǎn)， 為黃土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)和施工提供了有益的參考.

強(qiáng)夯； 平底夯錘； 異形夯錘； 黃土； 加固

強(qiáng)夯法是1969年法國(guó)Menard[1]技術(shù)公司發(fā)明的一種新型的提高地基承載力的方法[2-4]. 夯錘是強(qiáng)夯主要設(shè)備之一， 現(xiàn)有夯錘按形狀分為方形、 圓柱形或圓臺(tái)形； 按材料分為混凝土錘、 澆鑄鋼錘； 按結(jié)構(gòu)分為整體式、 組裝式、 透孔式或封閉式.

迄今為止， 國(guó)內(nèi)外實(shí)際工程普遍采用的夯錘形狀為平底夯錘， 異形夯錘的強(qiáng)夯效果尚未深入研究， 在實(shí)際工程中更沒有得到廣泛的應(yīng)用. 王穎蛟， 鄭小艷[5]通過模型試驗(yàn)得出結(jié)論： 球底錘比平底錘對(duì)橋臺(tái)的振動(dòng)影響小， 且球底錘比平底錘的夯沉量更大， 有利于增大夯實(shí)效果. 劉俊[6]通過江西某公司在多處施工場(chǎng)地用新型柱狀夯錘對(duì)施工場(chǎng)地的加固實(shí)踐， 得到新型柱狀夯錘加固的深度及其影響范圍特點(diǎn). 閻風(fēng)翔， 鞏天真[7]對(duì)3種夯錘( 半球型、 橢球型、 錐型)施工的試樁區(qū)進(jìn)行了復(fù)合地基載荷試驗(yàn)， 對(duì)樁間土和樁體土樣的基本物理性質(zhì)進(jìn)行了分析， 綜合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析結(jié)果和動(dòng)力有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 橢球型錘貫入效率最高； 半球型夯錘夯填效果最好， 承載力提高率最大且擠密效果最均勻. 然而在以往的研究中， 大多數(shù)的學(xué)者僅研究了異形夯錘的加固特點(diǎn)， 并未與傳統(tǒng)的平底夯錘進(jìn)行對(duì)比研究. 本文在平底夯錘底部增加4個(gè)半球形成異形夯錘， 并與普通平底夯錘的加固效果進(jìn)行對(duì)比研究， 為今后強(qiáng)夯時(shí)根據(jù)施工的特點(diǎn)選擇合適的夯錘形狀提供參考.

1 模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)主要設(shè)備

直徑為320 mm的平底夯錘和異形夯錘如圖 1 所示.

圖 1 夯錘形狀Fig.1 Shape of hammer

1.2 模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚8-9]及夯擊功能按幾何相似、 運(yùn)動(dòng)相似以及力的相似規(guī)律[10]進(jìn)行設(shè)計(jì).

試驗(yàn)采用山西省太原市尖草坪區(qū)典型的濕陷性黃土作為土樣， 以80 cm模擬現(xiàn)場(chǎng)6.4 m的填筑厚度， 分層填筑并均勻夯實(shí)至初始干密度為1.43 g/cm3左右， 含水量在14.8%左右. 模型如圖 2 所示， 模型土體每層厚度10 cm， 共8層， 夯點(diǎn)下從土體表面算起， 層間埋置環(huán)刀(V=60 cm3)， 編號(hào)①～⑨.

圖 2 模型土體的具體尺寸及環(huán)刀埋置位置Fig.2 Soil size and position of ring cutter

1.3 模型試驗(yàn)的過程

試驗(yàn)分為A， B兩大組進(jìn)行， A組為平底夯錘強(qiáng)夯模型試驗(yàn)， B組為異形夯錘強(qiáng)夯模型試驗(yàn). 每組根據(jù)不同錘重分為4組， 每組20擊. 每次夯擊后人工測(cè)量夯坑深度， 每組20擊夯完后開挖測(cè)量夯點(diǎn)下各層環(huán)刀的下沉量. 由于實(shí)驗(yàn)中的夯錘為組裝夯錘， 因此兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)中的夯錘重量稍有偏差， 最大的偏差為6%， 可以忽略不計(jì)， 試驗(yàn)總方案如表 1 所示.

表 1 試驗(yàn)總方案

2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 夯坑深度分析

圖 3 和圖 4 分別為不同質(zhì)量平底夯錘和不同質(zhì)量異形夯錘的夯坑深度隨夯擊次數(shù)變化的曲線. 從圖中可以看出， 隨著夯擊次數(shù)的增加， 累計(jì)夯坑深度逐漸增加. 由圖3可以看出， 在20擊后， A1, A2, A3, A4組的夯坑深度分別為17.1, 17.9, 20.6, 20.7 cm， 即： 平底夯錘重錘低落距的夯坑深度深于輕錘高落距的夯坑深度. 而對(duì)異形夯錘， 由圖 4 可以看出， 在20擊后， B1, B2, B3, B4組的夯坑深度分別為20.4, 19.7, 19.4, 17.6 cm， 即： 異形夯錘輕錘高落距的夯坑深度深于重錘低落距的夯坑深度.

圖 3 不同質(zhì)量的平底夯錘的夯坑深度曲線 Fig.3 Depth curve of tamping pit under different weight of flat bottom hammer

圖 4 不同質(zhì)量的異形夯錘的夯坑深度曲線 Fig.4 Depth curve of tamping pit under different weight of special shaped hammer

2.2 加固深度分析

本實(shí)驗(yàn)中的加固深度是土體中下沉量為零的點(diǎn)到土體表面的距離. 圖 5 為不同錘重下的土體加固深度. 由圖 5 可知， 在同能級(jí)下， 平底夯錘的加固深度隨著夯錘的質(zhì)量提高而不斷增加， 異形夯錘則恰好相反. 就整體而言， 平底夯錘在加固深度方面比異形夯錘有優(yōu)勢(shì).

圖 5 試驗(yàn)A， B加固深度與錘重的關(guān)系Fig.5 Relationship of reinforcement depth and weight of hammer between test A, B

2.3 平均應(yīng)變分析

定義每擊后的累計(jì)夯沉量和加固深度的比值為平均應(yīng)變， 由此可得到每種組合不同夯擊次數(shù)下的平均應(yīng)變. 圖 6～圖 9 為相同錘重下， 平底夯錘和異形夯錘夯擊土體的平均應(yīng)變隨夯擊次數(shù)變化的曲線. 從圖中可以得出： 相同擊數(shù)下， 無論哪組錘重， 異形夯錘B的平均應(yīng)變均大于平底夯錘A.

圖 6 錘重為400 kN時(shí)不同形狀夯夯擊土體的平均應(yīng)變Fig.6 The average strain of the soil under the hammer of different shapes at 400 kN

圖 7 錘重為550 kN時(shí)不同形狀夯錘夯擊土體的平均應(yīng)變Fig.7 The average strain of the soil under the hammer of different shapes at 550 kN

圖 8 錘重為690 kN時(shí)不同形狀夯錘夯擊土體的平均應(yīng)變Fig.8 The average strain of the soil under the hammer of different shapes at 690 kN

圖 9 錘重為830 kN時(shí)不同形狀夯錘夯擊土體的平均應(yīng)變Fig.9 The average strain of the soil under the hammer of different shapes at 830 kN

圖 10 和圖 11 是同錘形不同質(zhì)量的夯錘隨著夯擊次數(shù)變化時(shí)土體平均應(yīng)變變化的曲線. 由圖可以看出， 在20擊之后， A1， A2， A3， A4組的土體平均應(yīng)變分別為： 0.22， 0.23， 0.23， 0.24； B1， B2， B3， B4組的土體平均應(yīng)變分別為： 0.29， 0.3， 0.32， 0.34. 由此可知， 無論是平底夯錘還是異形夯錘， 重錘加固的土體平均應(yīng)變大于輕錘加固的土體平均應(yīng)變， 說明夯錘形狀相同、 底面積相同時(shí), 夯錘越重， 即夯錘的高徑比越大,對(duì)土體的整體壓縮越劇烈.

圖 10 不同質(zhì)量平底夯錘A夯擊土體的平均應(yīng)變對(duì)比Fig.10 Comparison of average strain of soil under flat bottom hammer of different weight

圖 11 不同質(zhì)量平底夯錘B夯擊土體的平均應(yīng)變對(duì)比Fig.11 Comparison of average strain of soil under special shaped hammer of different weight

2.4 土工試驗(yàn)分析

模型土體每層厚度10 cm， 共8層， 夯點(diǎn)下從土體表面算起， 每層層間埋置環(huán)刀， 編號(hào)①～⑨， 環(huán)刀體積V=60 cm3. 通過每層埋置的環(huán)刀依次取了A， B兩大組試驗(yàn)的土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)分析. 得到20擊之后每組試驗(yàn)土體中各個(gè)深度處的孔隙比如圖 12 和圖 13 所示.

圖 12 A組各層土樣孔隙比Fig.12 Pore ratio of each layer in A group

圖 13 B組各層土樣孔隙比Fig.13 Pore ratio of each layer in B group

由圖可知： A組平底夯錘夯點(diǎn)下土樣孔隙比曲線沿深度變化非常均勻， 說明加固效果均勻. B組異形夯錘夯點(diǎn)下土樣孔隙比曲線在較小深度范圍內(nèi)變化明顯， 在42 cm以下的深度范圍內(nèi)變化很小， 說明B組異形夯錘的加固效果不均勻， 且集中在較淺的深度范圍內(nèi).

3 結(jié) 論

1)相同能級(jí)下， 對(duì)平底夯錘而言， 相同的擊數(shù)之后， 重錘低落距的夯坑深度深于輕錘高落距的夯坑深度. 而對(duì)異形夯錘， 效果恰好相反.

2)相同能級(jí)下， 平底夯錘的加固深度隨著夯錘質(zhì)量的提高而不斷增加， 異形夯錘則恰好相反. 就整體而言， 平底夯錘在加固深度方面比異形夯錘有優(yōu)勢(shì).

3)夯錘形狀相同、 底面積相同時(shí), 相同能級(jí)下， 夯錘越重， 即夯錘的高徑比越大， 對(duì)土體的整體壓縮越劇烈.

4)平底夯錘的壓實(shí)效果均勻， 而異形夯錘的壓實(shí)效果不均勻， 且主要集中在土體的上層.

在以往的工程中進(jìn)行強(qiáng)夯的時(shí)候， 通常選取平底夯錘， 對(duì)于異形夯錘的應(yīng)用不多見. 本文的試驗(yàn)主要分析了異形夯錘在加固黃土地基時(shí)候的一些規(guī)律. 通過本文的研究成果， 為改進(jìn)和合理設(shè)計(jì)夯錘的形狀提供了一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 也可以為黃土地基的工程設(shè)計(jì)和施工提供有益的參考.

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A Comparative Study on the Effect of Dynamic Compaction by Flat Bottom Hammer and Special Shaped Hammer

HAN Yun-shan, LIU Xiao-mei, WU Han, WANG Yuan-long

(School of Science, North University of China, Taiyuan 030051, China)

On the improvement of the shape of bottom surface of hammer, the four hemispheres are added in the bottom surface of the hammer, the special shaped hammer is formed, and the 1∶8 loess model test is carried out. The effect of dynamic compaction is studied from four aspects of the depth of the pit, the depth of the reinforcement, the average strain and the void ratio, compared with that of the flat bottom hammer. The results show that for flat bottom hammer, the depth of tamping pit under heavy hammer is deeper than light hammer under the action of the same level and the same tamping blow number; for special hammer, which is contrary. With the same weight and temping number, the reinforced depth is deeper and the effect of reinforcement is even compared with special shaped hammer, and the effect of reinforcement focused on shallow soil. In the scope of the reinforcement depth, the average strain of the soil under the action of the special shaped hammer is larger than the average strain of the soil under the flat bottom. The test results reveal the characteristics of reinforcement under the special shaped hammer and flat bottomed hammer in the loess area, which provides useful reference for the engineering design and construction of the loess area.

dynamic compaction; flat bottom hammer; special shaped hammer; loess; reinforcement

1673-3193(2016)06-0654-05

2016-07-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208473)； 山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20130313010-3)

韓云山(1971-)， 男， 教授， 博士， 主要從事地基處理等方面的教學(xué)與研究.

TU472

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.06.017