[發明專利]強夯法加固飽和砂土地基的有效加固深度設計方法

有效

• 申請號: 201910644013.5
• 申請日: 2019-07-17
• 公開（公告）號: CN110344387B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 董天文;劉偉;董鑫;趙顯濤;謝鵬;白天輝;楊俊嶺;崔曉亮;岳玉梅;敖然;趙朕;魏可峰;宋雪松
• 申請（專利權）人: 中冶沈勘工程技術有限公司
• 主分類號: E02D3/046
• 分類號: E02D3/046
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種強夯法加固飽和砂土地基的有效加固深度設計方法，其特征在于：該方法包括強夯振動產生的壓密殼最大深度的計算、壓密殼影響深度的計算和強夯加固飽和砂土地基有效加固深度的計算；

所述強夯振動產生的壓密殼最大深度的計算方法具體如下：

按下式計算強夯振動產生的壓密殼深度，

式中，J為飽和砂土地基動力響應特征參數；C_v為飽和砂土地基固結系數；t為地基中強夯作用時間；B為強夯飽和砂土地基地面的加速度振幅；g為重力加速度；z為強夯振動產生的壓密殼深度；

將飽和砂土地基動力響應特征參數J、飽和砂土地基固結系數C_v、重力加速度g，以及強夯作用時間t、強夯飽和砂土地基的地面加速度振幅峰值B₁＝max(B)，代入公式(27)，計算強夯振動產生的壓密殼最大深度z₁；

所述壓密殼影響深度的計算方法具體如下：

將夯錘施加的沖擊荷載通過擬靜力荷載施加于夯坑表面，如公式(28)，得到沖擊荷載作用于夯坑的擬靜力單位荷載；

式中，p₀為沖擊荷載作用于夯坑的擬靜力單位荷載，G_錘為夯錘重量，A_錘底面積為夯錘的投影面積；

按照夯錘的平面投影為圓形的荷載特征，通過圓形荷載施加于半空間彈性體的應力解，計算壓密殼最大深度位置的動力荷載形成動力附加應力，如公式(29)所示，

式中，σ_z1為p₀作用下壓密殼最大深度處的附加應力；z₁為壓密殼最大深度；r₀為夯錘底面投影直徑；

以計算的附加應力σ_z1為基準應力值，深度為起始數值零，采用半空間彈性體的應力解，求解該應力下，壓密殼作用下部地基的附加應力σ_y，如公式(30)所示，

式中，σ_y為σ_z1作用下壓密殼下深度h處地基的附加應力；h為壓密殼下部某一深度；r₀為夯錘底面投影直徑；

計算壓密殼深度為起始點的某深度自重應力，如公式(31)所示，

σ_h＝γ_yh_y (31)

式中，σ_h為壓密殼深度為起始數值零的深度為h處的自重應力，γ_y為h_y深度的重度加權值，h_y為夯擊動荷載作用下壓密殼作用于下部地基的壓密殼影響深度；

應用應力比法確定壓密殼影響深度，如公式(32)所示，

0.1σ_y＝σ_h (32)

式中，σ_y為σ_z1作用下壓密殼以下地基的附加應力，σ_h為壓密殼深度為起始數值零的深度為h處的自重應力；

所述強夯加固飽和砂土地基有效加固深度采用下式計算：

Z＝z₁+h_h+h_y (33)

式中，Z為強夯加固飽和砂土地基有效加固深度，z₁為強夯振動產生的飽和砂土地基壓密殼最大深度，h_h為產生壓密殼最大深度的夯坑深度，h_y為夯擊動荷載作用下壓密殼作用于下部地基的壓密殼影響深度。

2.根據權利要求1所述的強夯法加固飽和砂土地基的有效加固深度設計方法，其特征在于：所述計算強夯振動產生的壓密殼深度的具體方法為：

假定飽和砂土為各向同性的彈性材料，水的流動符合Darcy定律，壓縮系數為常數；按照強夯引起的飽和砂土臨界孔壓角度出發，考慮強夯為軸對稱問題，取過軸線的截面，按照平面問題研究，建立其理論模型；

設由強夯波動作用引起的土骨架變形的壓縮存在以下關系，

式中，ε為土骨架的應變，α為飽和砂土地基的壓縮系數；e為砂土地基土骨架的孔隙比，σ'_i為飽和砂土的微元體有效應力；dz為微元體z方向單位長度；t為地基中強夯作用時間；

根據Darcy定律，單位時間內水通過多孔介質的滲流量與過水斷面面積和總水頭損失成正比，與滲流路徑長度成反比，如下式所示，

Q＝kAh₁/L＝kAi (2)

式中，Q為過水斷面的單位時間流量；k為滲流系數；A為過水斷面面積；h₁為總水頭損失；L為多孔介質滲流路徑的長度；i為水力梯度；

將公式(2)應用于微元體的流量變化，得公式(3)，表示飽和砂土地基中某一深度的單位面積上、單位時間的單位長度dz的微元體的上下表面的流入和流出流量變化，

如果假定飽和砂土地基的微元體土骨架壓縮變形與流體的排出量相同，即：

則，

飽和砂土的微元體有效應力σ′_i與飽和砂土地基表面的加速度和孔隙水壓力有關，根據有效應力的概念，得到飽和砂土的微元體有效應力，即

式中，γ為飽和砂土容重；z為飽和砂土的壓密殼深度；B為強夯飽和砂土地基地面的加速度振幅；ω為強夯條件下的飽和砂土地基的圓頻率，ω＝2π/T，T為周期；p_f為孔隙水壓力；

將公式(6)代入公式(5)，得

對于在深度為z位置的微元體而言，其上下表面的水力梯度表示為

將公式(8)代入公式(7)，并令C_v為固結系數，化簡得到超孔隙水壓力的二階非齊次偏微分方程，如公式(9)所示，

采用分離變量法求解式(9)，強夯作用下飽和砂土地基孔隙水壓力函數為公式(18)，

式中，c₁、c₂、c₃、β為偏微分方程待求系數；

如果地基中強夯作用時間t＝t₁，能夠使飽和砂土地基出現z深度的液化現象，則z深度處孔隙水壓力與上部地基的總應力平衡，即

式中，g為重力加速度；

當t₁→∞，

c₃＝γzg (20)

當夯錘剛剛接觸飽和砂時，即t＝0時，飽和砂的孔隙水壓力為場地孔隙水壓力原始值，函數為

p_f＝c₁cosβz+c₂sinβz+γzg (21)

此時，在z＝0處，孔隙水壓力為零，即

c₁＝-c₃＝-γzg (22)

在z＝h處，強夯的P波形成壓密殼，該處的孔隙水壓力與其下部的飽和砂的靜水壓力平衡，即動水壓力為零，則c₂的解為：

將公式(20)、(22)、(24)代入公式(18)，得到

對于飽和砂土的壓縮殼的上表面，z＝h，其孔隙水壓力為p_f＝γhg，則

令且sinωt＝1，代入公式(26)，求解得到公式(27)所示的壓密殼深度z。