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1、工程硕士论文发表摘 要工程实践证明，强夯法是一种非常有发展潜力的地基处理方法，同时也存在着一些加固机理上和施工方法上的问题。工程技术人员在进行强夯地基处理设计时常为夯后场地平均沉降和夯后地基在场地使用荷载作用下的沉降计算问题而烦恼，所以有必要通过具体实例对沉降计算方法深入研究，本文将以此为目标来开展研究。本文主要结合作者负责从工程设计投标到初步设计和施工图设计的厦门航空港区港联动区与货运配套区围填工程（二标段）为例，探讨和研究了以下几方面的内容：（1）本文借鉴国内外的研究成果，对强夯技术加固地基土的机理进行系统分析，并扼要地论述了国内外发展现状，总结了强夯技术的特点和应用范围。（2）提出了应用

2、多目标模糊数学优选理论来评价和选择地基处理方案，给出该方法的原理、模型及应用步骤，并结合了工程实例进行检验。结论为：强夯法相对于其它地基处理方法的优势，进一步说明了进行强夯法加固地基沉降计算方法研究的必要性。（3）在强夯法加固地基土的作用机理系统分析基础之上，并结合我国目前各工程实践和现行规范，探讨了强夯加固地基土设计的方法，提出了强夯法施工过程中各参数的选择方法，将该强夯加固地基土设计方法用于地基处理工程实践，以本人负责设计的厦门航空港区港联动区与货运配套区围填工程（二标段）为例，结合强夯法加固理论对强夯设计中参数选择进行深入的探讨，并通过对传统分层总和法的地基沉降量计算方法研究，确定了沉降

3、量计算的地基沉降计算深度，计算基底附加应力，各分层的顶、底面处自重应力平均值和附加应力平均值, 值得一提的是分层总和法并不太适用于强夯后地基的沉降计算，因为地基在受到大能量的夯击后，一定深度内的分层已经受到完全破坏，在这种情况下如果还用分层总和法来计算沉降必然引起较大的误差，从而导致沉降预测失败。（4）本论文以厦门航空港区港联动区与货运配套区围填工程（二标段）强夯地基处理为例，采用线弹性模型、非线性弹性模型（邓肯-张模型）、弹塑性模型（莫尔库仑、屈雷斯卡、拉德-邓肯、剑桥粘土、修正剑桥模型）等三种类型的七个模型进行强夯处理后场地工后沉降二维有限元分析。得出在小应变条件下进行工后沉降计算采用线弹

4、性模型、邓肯-张非线性弹性模型以及莫尔库仑弹塑性模型能取得比较符合实际的结果；大应变的条件下，则建议采用修正剑桥粘土模型或邓肯-张非线性弹性模型进行分析更为合理。关键词：强夯法，模糊数学，沉降量，分层总和法，本构模型AbstractEngineering practice has proved that the dynamic compaction method is a very promising foundation treatment methods, there are also some strengthening mechanism and construction method

5、 of the problem. Engineering and technical personnel in the design of dynamic compaction foundation treatment for ramming average settlement and ramming after field after in the foundation of load and settlement calculation, so it is necessary to settlement by specific examples, this paper further s

6、tudies calculation method for target will conduct research.What this paper has studies is as follows：1.Based on the domestic and foreign research results,the dynamic compaction reinforcement soil mechanism to undertake systems analysis, and briefly discusses the development status at home and abroad

7、, summarizes the strong ramming technology characteristics and application range.2.Puts forward optimum multi-objective fuzzy mathematics is applied to evaluate and select theoretical foundation treatment scheme, the method is presented, the principle of the model and the application procedure, and

8、combined with engineering examples, the inspection. Conclusion: the dynamic compaction method for other foundation for further treatment method, the advantages of heavy tamping method settlement calculation method of study.3.In the soil heavy tamping method based on analysis of mechanism system, com

9、bining the engineering practice in our country at present, discusses the current specification and foundation soil consolidation, puts forward the design method of dynamic compaction method of the parameters in the process of construction, the choice method of foundation soil consolidation design me

10、thod is used in engineering practice, the foundation treatment with air harbor port area WeiTian reclamation engineering（II）for example, combined with the theory of dynamic compaction method to design parameter selection.Based on traditional layerwise summation method foundation settlement calculati

11、on method, the settlement of foundation settlement depth calculated, calculation of additional stress, the basal layer at the top, bottom of additional stress and gravity stress average value.4.This thesis by xiamen port area and air port freight area matching with reclamation engineering（II）, found

12、ation treatment 1b dynamic blocks of layerwise summation method foundation settlement calculation theory of ground settlement calculation and application. The linear-elastic model, nonlinear elastic model(Duncan-Chagn Model) and elastic-plastic model (mohr-Coulomb model , Tresca model, Lade- Duncan

13、model, Cambridge clay model and modified Cambridge clay model) are adopted to simulate the settlement after dynamic consolidation method.Keywords: dynamic consolidation，fuzzy mathematics，settlement，layerwise summation method, constitutive model目录第1章 引言 11.1 研究背景 11.2 国内外研究现状 21.2.1 强夯技术在工程实践中的应用现状 2

14、1.2.2 强夯技术加固地基理论的研究现状 31.2.3 夯后地基沉降计算方法的研究现状 71.3 研究目的与主要内容 91.3.1 研究目的 91.3.2 主要内容 9第2章 模糊数学优选理论在地基加固处理中的应用 112.1 前言 112.2 多目标系统模糊优选模型的建立 122.2.1 建立原则 122.2.2 确定各指标的权重 122.2.3 多目标系统模糊优选模型的建立 122.3 模糊数学优选理论进行方案优选工程实例分析 152.3.1 工程实例概况 152.3.2 各指标权重参数的确定方法 212.3.3 模糊数学优选理论进行方案优选 222.4 结语 24第3章 强夯技术应用及

15、常规的沉降计算方法局限性分析 263.1 前言 263.2 强夯设计实例 273.2.1 强夯参数选择 273.2.2 强夯设计方案 343.2.3 强夯施工方案 353.3 夯后地基在场地使用荷载作用下的沉降计算 543.3.1 分层总和法计算方法 543.3.2 工程实例 583.4 结语 61第4章 几种常用本构模型进行沉降计算的对比研究 634.1 前言 634.2 本构模型研究 634.2.1 土的本构模型的建立方法 634.2.2 土的本构模型建模理论的研究进程 644.3 不同土的本构模型的沉降计算对比 644.3.1 有限元模型建立 654.3.2 数值模拟结果 674.3.3

16、 七种不同土的本构模型对比 824.4 结语 83第5章 结论与展望 845.1 结论 845.2 进一步工作的方向 85参考文献 86第1章 引言1.1 研究背景强夯法又称动力固结法，是上个世纪60年代末70年代初由法国梅纳(Menard)技术公司首创的一种地基加固方法，它通过830t的重锤(最重可达200t)在820m的落距（最高可达40m）的情况下，对地基土施加能够使其产生动应力和冲击波的巨大冲击能（一般能量为5008000kNm），从而达到降低土的压缩性、消除湿陷性黄土的湿陷性、增加地基土的强度、改善砂土的抗液化条件等目的；同时，夯击能还可以改善土层力学性质的均匀性，减少工程使用期的不

17、均匀沉降和最终沉降量。目前，强夯法己广泛地应用于工业厂房、设备基础、民用建筑、港口码头、机场、铁路、公路等工程的地基加固。工程实践表明，强夯法在某种程度上比其他诸如机械的、化学的和其它力学的加固方法更为广泛和有效。总体而言，强夯技术在用于加固各类粉土、砂性土、一般粘性土、黄土、人工填土，特别是加固一般处理方法难以加固的大块碎石类土以及建筑、生活垃圾或工业废料等组成的杂填土等大多数土层情况下具有以下特点12345：(1)加固效果显著：地基通过强夯法处理后，可明显提高地基承载力、压缩模量、减少孔隙比、降低压缩系数、增强干重度、消除湿陷性、增加场地均匀性、膨胀性、防止振动液化等优点。地基经强夯加固处

18、理后，除含水量过高的软粘土外，一般均可在夯后投入使用。(2)应用范围广泛：可应用于民用建筑、工业厂房、设备基础、公路、铁路、机场、港口码头、堆场等工程的地基加固。(3)适用各类土层：前已提及，强夯技术可用于加固各类粉土、人工填土、砂性土、一般粘性土、黄土等，特别是适宜加固一般处理方法难以加固的大块碎石类土以及建筑、生活垃圾或工业废料等组成的杂填土，结合其它技术措施亦可用于加固软土地基。(4)节省工程造价：由于强夯工艺无需添加建筑材料，节省了建筑材料的购置、运输、制作、打入费用，成本低。1994年左右建设的茂名30万吨乙烯工程，回填土地基原设计采用分层碾压，没有达到设计的加固效果，如采用挤密碎石

19、桩方案加固费用按当时市场价格将达250元/m2以上，最后采用强夯工艺仅需3050元/m2；差不多同期建设的北京乙烯工程若采用挤密碎石桩方案按当时市场价格造价将达200元/m2以上，而采用强夯处理方案仅需30元/m2；且加固效果明显，工期大大缩短。(5)有效加固深度较大：一般能量强夯处理深度在68m；高能量强夯处理深度达12m；如果采用多层强夯处理，则深度可达2454m。(6)施工机具简单：强夯机具主要为履带式起重机。当机械设备困难时，还可以因地制宜地采用打桩机、龙门吊、桅杆等简易设备。当起吊能力有限时可辅以龙门式起落架或其它设施，加上自动脱钩装置。 (7)施工快捷：只要工序安排合理，强夯施工周

20、期相对较短，特别是对粗颗粒非饱和土的强夯。同时，强夯法与分层碾压、挤密碎石桩、钻孔灌注桩等其他常用方法相比更为快捷，间接经济效益更为显著。(8)节省材料：强夯处理是对原状土施加能量，无需添加建筑材料，从而节省了材料。若辅以砂井、挤密碎石工艺配合强夯施工，其加固效果将更好，且比砂井、挤密碎石桩处理方法的材料用量更少，费用更低。虽然强夯技术具有上述诸多优点，且在我国得到广泛而迅速的推广应用，但是对其机理仍在研究之中，其理论研究也远远落后于工程实践，到目前为止还没有一套成熟、完善的理论和设计计算方法，更多的还是依赖于工程经验，这就要求我们在深入总结工程实践经验的基础上，充分运用高速发展的计算机编程和

21、数学方法等技术，尽早完善对强夯机理的理论研究并得出一套完整、合乎实际情况的设计计算方法，从而用来指导工程实践，减少实践中的盲目性、人力和物力的浪费，让工程建设更安全、经济、高效。为此，我们有必要继续大力研究和推广这项地基处理技术，这也是本文研究的意义和目的所在。1.2 国内外研究现状1.2.1 强夯技术在工程实践中的应用现状强夯技术起源于古老的夯实方法，它是建立在重锤夯实基础上发展起来，而在原理、加固效果、适用范围和施工工艺等方面又与重锤夯实法迥然不同的一项近代地基处理新技术。上世纪60年代末期，强夯法由法国工程师路易斯.梅纳(Louis Menard)率先应用6。开始时仅用于处理碎石土和砂土

22、地基，之后随着施工方法的改进及排水条件的改善，逐步应用于细粒土地基。目前，强夯法己广泛应用于处理各类碎石土、砂性土、湿陷性黄土、人工填土、低饱和度的粉土与一般粘性土，特别是处理一般方法难于加固的大块碎石类土及建筑、生活垃圾或工业废料组成的杂填土。由于强夯法处理地基设备简单、施工方便、原理直观、适用范围广泛，并且加固效果好、施工期短、节约材料、施工文明和施工费用低等优点，很快就推广到世界各地。事实证明，对于上述土类为主体的大面积地基处理，强夯法往往被作为优先、有时甚至是唯一的处理方法予以考虑，具有良好的技术经济效果。我国于1975年开始引进强夯技术，1978年底开始在工程试用，并分别在山西、河北

23、、天津等地进行了试验研究，取得了较好的效果，后来很快在全国各地推广开来。80年代中期，我国采用强夯法处理填海地基获得成功，并在沿海地区进行了推广应用，取得了良好的经济效益和社会效益。我国强夯法工程应用经历了以下几个发展阶段：第一阶段，1975引进至80年代初，本阶段以处理浅层人工填土为主，工程应用的强夯能级一般为1000kNm，处理深度5m左右。第二阶段，80年代初至90年代初，本阶段在兴建国家重点工程山西化肥厂项目中，为了消除黄土地基的湿陷性，国家化工部组织开发了6250kNm能级强夯，使强夯的有效处理深度提高到了10m左右。第三阶段，90年代初至2002年，本阶段以兴建国家重点工程三门峡火

24、力发电厂为契机，成功开发了8000kNm能级强夯，使强夯消除黄土湿陷性的深度达到15m，此后，高能级强夯技术发展迅速，应用范围进一步扩大，包括茂名30万吨乙烯工程、贵阳龙洞堡机场、上海浦东机场、广西防城港9#、10#泊位陆域工程在内的许多国家重点工程都采用了强夯地基处理技术，取得了良好效果，为国家节省了大量投资。第四阶段，为2002年底至今，为了处理高填方地基，试验开发了10000kNm能级强夯，经检测，10000kNm能级强夯有效处理深度超过了12m，强夯技术取得了较大突破，缩小了与国外先进技术的差距7。目前强夯工程最高应用能级己经达到10000kNm。为了更进一步扩大强夯的应用范围，在强夯

25、技术的基础上，还形成了强夯置换和柱锤冲扩等新技术。1.2.2 强夯技术加固地基理论的研究现状太沙基（K. Terzaghi）于1923年提出了土力学区别于其他力学的一个重要原理，即有效应力原理的基本概念，阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力应变关系上的重大区别，是使土力学成为一门独立学科的重要标志。大家都知道一般土属三相体系，而对饱和土来说则是二相体系。在外荷载作用下土中应力被土骨架和土中的水气共同承担，但是只有通过土颗粒传递的有效应力才会使土产生变形，具有抗剪强度。而通过孔隙中的水气传递的孔隙压力对土的强度和变形没有贡献。这可以通过一个试验理解：比如有两组土试样，一个加水超过土表面若干，我

26、们会发现土样没有压缩；另一个表面放重物，很明显土样被压缩了。尽管这两个试样表面都有荷载，但是结果不同。原因就是前一个是孔隙水压，后一个是通过颗粒传递的，为有效应力。就是饱和土的压缩有个排水过程(孔隙水压力消散的过程),只有排完水后土才压缩稳定；再者在外荷载作用下，土中应力被土骨架和土中的水气共同承担,水是没有摩擦力的,只有土粒间的压力(有效应力)产生摩擦力(摩擦力是土抗剪强度的一部分)。Terzaghi从试验中观察到在饱和土体中土的变形及强度与土体中的有效应力密切相关,并建立了有效应力原理: （1.1）式中:为平面上法向总应力, kPa；为平面上有效法向应力, kPa；为孔隙水压力, kPa。

27、有效应力原理阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力应变关系上的重大区别,有效应力原理表示研究平面上的总应力、有效应力与孔隙水压力三者之间的关系:当总应力保持不变时,孔隙水压力与有效应力可以相互转化,即:有效孔隙水压力减小等于有效应力的等量增加。1935年，伦杜立克 (Rendulic)将太沙基一维固结理论推广到二维、三维情况，提出Terzaghi-Rendulic固结理论。1940年，比奥（Biot）进一步研究了三向变形材料与孔隙压力的相互作用，导出比较完善的三向固结方程。1956年，比奥（Biot）将其固结理论推广到动力问题。1957年开始，一批力学专家提出混合物理论。还发展了考虑土体的大变

28、形、非Darcy定律和非饱和土体的固结理论。由于各类地基土间存在显著差别，强夯技术加固地基所适用的地基土范围广泛，致使迄今为止在国内外关于强夯法加固地基土的机理方面尚未形成统一的认识。现行对强夯技术加固地基土的作用机理大致有三种理论：动力固结机理，是指强夯法加固细粒饱和土时，即使用强大的冲击能和冲击波来破坏土的结构，使土体局部液化并产生许多裂隙，作为排水通道排出孔隙水，达到土体固结，从而土体触变恢复压密土体。动力密实机理，是指强夯法加固非饱和土时，即使用强大的冲击能强制压密地基，大幅度减少土体中的气相体积，改变土体颗粒骨架结构，压缩其孔隙从而提高地基土密实度。动力置换机理，是指强夯法加固淤泥为

29、动力置换机理，即使用强大的冲击能强制将碎石整体挤入淤泥形成整式置换或间隔夯入淤泥成桩式碎石墩。建筑地基处理技术规范(JGJ 79-91)中规定，对于粉土、饱和粘性土地基应用强夯法时，可用夯坑内回填块石、碎石或其它粗颗粒的方法来解决。Leon9认为加固作用应与土层在被处理过程中三种明显不同的机理有关：固结作用，是指液体或水的排出；压密作用，是指土中气体的排出；预加变形作用，是指颗粒成份在结构上重新排列，还包括颗粒形态粒度或粒度的改变。Mitchell8认为当强夯技术应用于饱和无粘性土可能会产生液化，压密过程同爆破和振动压密的过程相似；在应用于非饱和土时，压密过程基本上与实验室中的普氏击实法相同。

30、对饱和细颗粒土的加固效果尚不明确。他同时提出，对饱和颗粒土需要破坏土的结构，产生超孔隙水压力并通过裂隙形成排水通道，产生孔隙水压力消散从而土体才会被压密。影响强夯法加固机理和加固效果的因素包括土的物理力学参数、物质成份、结构构造、单位面积夯击能、击数和夯击顺序、单击夯击能量等等。Menard6认为似乎存在有一加固的上限值，其值相当于静探比贯入阻力Ps=15MPa或标贯值N63.5=3040。万来玉、张利军 11认为以土的固有特性(特别是结构特征)决定了土的最大密实度及粘性土含水量所制约的密实度为标准，提出夯实后孔隙比应介于两个极限孔隙比之间，其中e1=0.40.05，e230(e1为土层结构所

31、决定的孔隙比，e2为土层含水量所决定的孔隙比,0为初始含水量)。强夯法在极短的时间内对地基土施加了巨大冲击能，加载历时很短，夯击能主要以振动波的形式在地基土内传播，另一部分将消耗于摩擦热、空气中传播的声波及锤底气流阻力等，并非所有的振动波能量都真正起到了加固作用，故有必要分析夯击能量中的有效比例，这种比例用效率系数表示，值一般为0.509。范维垣12等曾提出爆炸对比法来确定加固地基所用能量。严人觉13研究等效集总体系的单自由模型的竖向振动结果，与Gutzwiller弹性半空间碰撞理论进行了广泛对比，模型与理论非常吻合。前期强夯研究过程中，由于实际需要将研究的重点放在对有效加固深度的讨论上，很少

32、讨论对径向土体压密效应，且对强夯影响深度和有效加固深度之间的区分并没有严格的定义，一般认为其区别是：前者指强夯后地表下土体发生物理力学变化的某一深度，而后者指出地基土经强夯加固后能够满足特定工程要求的深度。对被加固的地基土有不同要求，采用不同的判定方式，则得出的有效加固深度便不同。可以认为强夯影响深度对不同工程标准相对统一，便于理论分析，而有效加固深度的工程实际意义更大，但概念上存在较大的模糊性。而现有计算理论对两种深度均有讨论。Menard10强夯影响深度公式为： M夯锤质量，H夯锤高度。由于该式考虑因素很少，Menard本人也未给出其理论解释，用该式计算所得结果普遍偏大，但由于该式形式简单，工程初步设计中仍广泛采用，其特点是将上式乘以一修正系数，从而得到了所谓改进的Menard公式：，对于系数的取值也是极不统一，几乎每一篇涉及加固深度的工程实录都会给出一个针对具体工程的值，Gambin、Fang