高能级强夯处理深厚湿陷性黄土地基的应用研究
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摘要
湿陷性黄土是一种形成于第四纪的特殊性土,其广泛分布于我国西北、华北及鲁、辽等地,约45万平方公里。随着西部大开发的推进和西部重大能源工程项目的建设,如何经济、高效、环保的处理深厚湿陷性黄土地基,改变传统地基处理法造价高、工期长的缺点,已成为亟待解决的、有着重大理论和现实意义的问题。
本文依托中石油某石化搬迁改造项目中约80万平方米强夯地基处理工程(同时也是我国首次选用15000kN.m超高能级强夯法处理深厚湿陷性黄土场地工程),讨论和分析了高能级强夯地基处理法中的强夯参数、施工要求,以及夯前夯后室内土工试验与现场原位测试的结果。推导出了高能级强夯法有效加固深度的预估值计算方法和夯击动应力的简易物理解。此结论可为高能级强夯法在湿陷性黄土地区推广和现行地基处理规范中强夯部分的修订提供参考。
在上述研究基础上,本文建立了适用于强夯分析ABAQUS有限元数值模型。该模型为显式动态分析模型,能够准确求解类似于强夯等复杂非线性动力学问题。模型中将强夯简化为轴对称问题,考虑了大变形效应,采用了自适应网格划分法,以确保计算过程中网格的稳定性,消除单元网格畸变的影响。模拟得到了强夯作用的瞬时应力、变形、速度时程关系,锤重和落距组合对加固效果的影响。从而系统地研究了高能级强夯加固深厚湿陷性黄土的特征。
Collapsible loess, a special kind of soil, is widely distributed in Northwest, North China, Shandong, Liaoning Province and other areas, which accounts about 450,000 square kilometers. With the advance of western development and construction of major energy engineering projects in western China, it has become an urgent issue to treat deep collapsible,loess economically and efficiently and to change the traditional layer-wise dynamic compaction, rolling compaction, lime-soil compaction pile and other foundation treatment with high cost and long construction time. Based on this, the present study has a theoretical and practical significance.
The paper is based on a 800,000-square kms dynamic compaction foundation treatment in a moving and reconstruction project of CNPC(China National Petrolem Corporation),which is the first project to use the 15000kN.m-ultra-high dynamic compaction to treat deep collapsible loess. The paper introduces the dynamic compaction parameter, construction requirements, laboratory test, the static load test, cone penetration test, permeability test before and after compaction, which reaches a good achievement. And it also derives the predicted formula of high energy dynamic compaction in effective depth consolidation. It aims to provide experiences to promotion of dynamic compaction in loess areas and reference data to revise of dynamic compaction in the present foundation treatment norms.
On the base, the paper builds a finite element numerical model, ABAQUS analysing the stress and strain of soil and effect of foundation solidation. This model is a explicit dynamic analysis model and can precisely solve problems similar to dynamic compaction and other complex problems of non-linear dynamics. In this model, the dynamic compaction is simplified into an axisymmetric problem. It considers the large-deformation effect and applies the analysis of erosion units to make sure the stability of meshing in computation process and remove the influence of unit distortion.
本文依托中石油某石化搬迁改造项目中约80万平方米强夯地基处理工程(同时也是我国首次选用15000kN.m超高能级强夯法处理深厚湿陷性黄土场地工程),讨论和分析了高能级强夯地基处理法中的强夯参数、施工要求,以及夯前夯后室内土工试验与现场原位测试的结果。推导出了高能级强夯法有效加固深度的预估值计算方法和夯击动应力的简易物理解。此结论可为高能级强夯法在湿陷性黄土地区推广和现行地基处理规范中强夯部分的修订提供参考。
在上述研究基础上,本文建立了适用于强夯分析ABAQUS有限元数值模型。该模型为显式动态分析模型,能够准确求解类似于强夯等复杂非线性动力学问题。模型中将强夯简化为轴对称问题,考虑了大变形效应,采用了自适应网格划分法,以确保计算过程中网格的稳定性,消除单元网格畸变的影响。模拟得到了强夯作用的瞬时应力、变形、速度时程关系,锤重和落距组合对加固效果的影响。从而系统地研究了高能级强夯加固深厚湿陷性黄土的特征。
Collapsible loess, a special kind of soil, is widely distributed in Northwest, North China, Shandong, Liaoning Province and other areas, which accounts about 450,000 square kilometers. With the advance of western development and construction of major energy engineering projects in western China, it has become an urgent issue to treat deep collapsible,loess economically and efficiently and to change the traditional layer-wise dynamic compaction, rolling compaction, lime-soil compaction pile and other foundation treatment with high cost and long construction time. Based on this, the present study has a theoretical and practical significance.
The paper is based on a 800,000-square kms dynamic compaction foundation treatment in a moving and reconstruction project of CNPC(China National Petrolem Corporation),which is the first project to use the 15000kN.m-ultra-high dynamic compaction to treat deep collapsible loess. The paper introduces the dynamic compaction parameter, construction requirements, laboratory test, the static load test, cone penetration test, permeability test before and after compaction, which reaches a good achievement. And it also derives the predicted formula of high energy dynamic compaction in effective depth consolidation. It aims to provide experiences to promotion of dynamic compaction in loess areas and reference data to revise of dynamic compaction in the present foundation treatment norms.
On the base, the paper builds a finite element numerical model, ABAQUS analysing the stress and strain of soil and effect of foundation solidation. This model is a explicit dynamic analysis model and can precisely solve problems similar to dynamic compaction and other complex problems of non-linear dynamics. In this model, the dynamic compaction is simplified into an axisymmetric problem. It considers the large-deformation effect and applies the analysis of erosion units to make sure the stability of meshing in computation process and remove the influence of unit distortion.
引文
[1]王铁宏.全国重大工程项目地基处理工程实录.北京：中国建筑工业出版社.2005
[2]贺建清,万文,地基处理.北京：机械工业出版社,2008
[3]徐至钧,强夯和强夯置换法加固地基.北京：机械工业出版社,2004
[4]中国建筑科学研究院.建筑地基处理技术规范JGJ79—2002.北京：中国建筑工业出版社,2002
[5]陕西省计划委员会.湿陷性黄土地区建筑规范GB 50025-2004.北京：中国建筑工业出版社,2004
[6]詹金林,水伟厚.高能级强夯在石油化工项目处理湿陷性黄土中的应用.岩土力学,2009,30(2)：469～472
[7]杨天亮,叶观宝.高能级强夯法在湿陷性黄土地基处理中的应用.长江科学院院报,2008,25(2)：54～56
[8]Leonands, G.A. et al. Dynamic Compaction of Granular Soils. Journal of the Geotechnical Engineering Division ASCE. Vol.106. NO.GT. Iproc. Paper 15144. Jan.1980.
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[10]范维桓等,史美绮,裘以惠.关于强夯法加固地基的几个问题.1980年地基处理学术会议论文选集.北京：中国建筑学会地基基础学术委员会,1980
[11]王钟琦,邓祥林,强夯机理及其环境影响.第四届土力学及地基基础工程学术会议论文选集,北京：中国建筑工业出版社,1986,554～563
[12]王成华.强夯加固深度估算的等效拟静力法.第六届土力学及地基基础工程学术会议论文选集,上海：同济大学出版社,1991,617～620
[13]张峰,碎石土的强夯模型试验研究.建筑科学,1992,(3)：25～28
[14]Y.K.Chow,D.M.Yong,K.Y.Yong,S.L.Lee.Numerical modeling of dynamic compaction Computer Methods and Advances in Geomechanics,Beer,1991,Vol.1,pp237～242
[15]徐至均,采用大夯击能强夯处理大块抛石填海地基.石油工程建设.1997,(1)：12～17
[16]陈伟军,海燕,钱尧锋.强夯效果影响参数及其回归分析.工程勘察,1998,(6)：12～15
[17]蒋鹏,李荣强,孔德坊.离散元法用于块石土强夯过程模拟.岩土力学,1999,20(3)：29～34
[18]罗嗣海,陈进平,龚晓南.无粘性土强夯加固效果的定量估算.工业建筑,2000,30(12)：26～29
[19]张利洁,聂文波,刘贵应,练操.强夯效果浅析.土工基础,2002,16(1)：24～27
[20]费香泽,王钊,周正兵.黄土强夯的模型试验研究.岩土力学,2002,23(4)：437～441
[21]解华明,丁华.偏最小二乘回归法在强夯置换深度估算上的应用.水文地质工程地质,2003,(6)：62～64
[22]滕凯.关于强夯置换深度估算公式的评价及改进.岩土工程学报,2008,30(7)994～997
[23]詹金林,水伟厚.高能级强夯法在石油化工项目处理湿陷性黄土中的应用.岩土力学,2009,30(2)469～472
[24]贺伟.高能级强夯在湿陷性黄土地区的应用研究.西安建筑科技大学硕士学位论文.2009
[25]韩晓雷,席亚军,水伟厚,刘坤.15000 kN·m超高能级强夯法处理湿陷性黄土的应用研究.水利与建筑工程学报,2009,7(3)：91～93
[26]东南大学,浙江大学,湖南大学,苏州科技学院.土力学(第二版).北京：中国建筑工业出版社,2005
[27]钱家欢,殷宗泽,土工原理,北京：中国水利水电出版社,2006
[28]28冶金工业部建筑研究总院.地基处理技术(1)—强力夯实法与振动水冲法.北京：冶金工业出版社,1986
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[32]邓聚龙.灰色系统理论教程.武汉：华中理工大学出版社,1992
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