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2016-12-01 09:24:19.0 责任编辑:崔玮娜

孟海li  zhangzhiyi  杨年华  薛  里  dengzhi勇

(中guo铁道科学研究院,bei京,100081)

摘要:爆zha加固软土地ji是一种新型de软ji处理技术,对qi进行深入细zhide研究具有重要de理论意义和实践意义。本wen采yong模型试验对爆zha加固软土地jipaishui固结yuan理进行了研究,对饱和软黏土de爆zha效应研究,得出了zha药zai饱和软黏土中爆zhade不同作yong区域,试验结果可yi看出爆zha可yi加速饱和软黏土depaishui固结,对深层de软ji作yong效果更明显。另外该技术zai两he线、ning启铁路、佛山和顺-bei滘公路进行了实际应yong,取得了良haode效果,qi优势得到了充fendeti现。

关键词:爆zhadong力固结法;软土地ji;超静孔xishui压;沉降

 

1yinyan

zai我guo沿海地区、内he两岸yiji有湖泊fen布de地方广泛fen布着软土[1]。软土一般具有高含shui量、大孔xi比、低强度、高压suo性、ling敏性和触bian性等特点,qi物理力学性zhibian化较大,并且各地区de软土性zhi也不尽相同[2,3]。zai软土上修建公路、铁路、高层建zhu、机场、码头jishui库等建(gou)zhu物时,会出蟴hi鷛iangbian形不均、bian形趋于稳定de时间长、工后沉降tu出等问题。 yinci,zai软土地ji上施工时,必xu采取一定措施对qi进行加固处理。

目前,无论采yong何种措施秠un硗恋豭i进行处理,如何控zhi软土地jide稳定性和bian形量,yicheng为工程界普bian关注de问题。秠un硗恋豭i加固处理方法做出正确dexuan择,快速有效地提高软土de承载力,不仅关系到整ge建设工程dezhi量、进度,也是降低工程zaojiade重要途径之一。

近年纁i孀殴こ探ㄉ鑔exun猛发展,需要不断寻求新de、高效de软ji处理方法。bet98zhuan家和土力学zhuan家各自发挥qizhuan业特长,将爆zha和软土地ji处理紧mi结heqi来,提出了一种新型de软ji处理方法——爆zhadong力固结法[4]

爆zha法处理软土地jideji本思路如图1所示[5,6]。首先zai软ji表面铺设shadian层,作为shui平paishui通道;然后zai软土内部设置竖xiangpaishui通道(如塑liaopaishuifan、袋zhuangshajing、sha桩等),使地ji内部gouchengwan整chang通depaishui网路;zai填土至絟uaiっ鎎iao高(含yu留沉降量),作为爆zha处理de上覆荷载;待you填土chan生de沉降ji本稳定后,zai深层软ji中钻取深孔,将zha药置于需加固处理de深度,并xuan择爆zha参数,进行一ci或数ci爆zha,zhuang药结gou采yong导爆suo串联间隔zhuang药方式;土tizai爆zha荷载作yong下chan生超静shui压力,加之上覆荷载de约shu,使部fen孔xishuiliyongyu先设置depaishui通道paichu土ti,zaiciguo程中,进行地表沉降、软土强度等土工观测;待地jida到稳定要求,爆zha处理wancheng。

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长期yi来,中guo铁道科学院一直zhi力于爆zha加固软黏土地jide机理研究,通guo一系列模型和现场试验,发现通guogaibian软黏土depaishui条件,liyongzha药爆zhachan生de高能量shunbiandong荷载yinqi软土扰dong,并结he一定de上覆荷载,可降低软土层de压suo性,减少zai设计荷载作yong下de沉降量,同时又能提高软土层de抗剪强度,da到软土地ji固结de效果,爆zhadong力固结是一种有效de软ji处理方法[7,8]

2模型试验研究

2.1试验de实现方法

试验是zaigang筋hun凝土爆zhachi中进行de,使yongde软土为海相淤泥。爆zhachi形zhuang为圆柱形,内径2.0m,壁厚30cm,净高2.4m。gang性爆zhachi可yi保证土ti沉降是tibian而不是形bian。

试验采yongde方法和步骤与现场处理软jide工法ji本相同,即zai软土地ji上设置paishui通道,施紋ou细埠稍兀⑹筿izaici荷载作yong下chan生固结,然后zai软土中mai设zha药进行爆zha,使软土地ji进一步paishui固结。整ge试验zhuang置如图2和图3所示。

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2.2试验测试内容

模型试验共进行yi下四ge方面de测试。

(1)zha药zai软土中爆zha后,形chengde冲击荷载对周wei土tichan生强烈deji压作yong,土ti将shou到严重de扰dong:为了反ying爆zha荷载对饱和软土de作yong强度,zai药包周weimai设加速度传感器,对爆zha荷载yinqi饱和软土de加速度进行测试。

(2)采yongyuan位测试de方法观测爆zha前后土ti强度debian化情况。yuan位测试包括十字ban剪切和静力触探两种。

(3)观测爆zha法处理软土地jiguo程中孔xishui压力debian化情况。yin爆zha处理guo程软土中孔xishui压力经历了高速bian化簍u簃an消散两geguo程,故xuanyong了dong、静态两套测试系tong。孔xishui压力de测试采yongKY-2型压阻式孔xishui压传感器,dong态shui压信号de采集使yongUB0X-1型zhendong记录仪,静态de数据采集则使yongDTC-20lOA型多通道测试数显仪。

(4)观测地甚处理guo程中不同时刻de沉降量,沉降羕e╣uo观测yu先mai设zai土ti表面de沉降biao得到。

2.3试验方案

试验采yong普通导爆suo作为条形药包,8号电雷guan从ding部yin爆。共进行羢hun煌瑉ha药量。不同上覆荷载、不同爆zhaci数yiji多孔爆zha等20yu组模拟试验。从fen析机理角度上讲,mei组试验结果所得结论是相同de,yinci,下面只给出羢hun煌瑉ha药单耗de试验参数(见表1)

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2.4试验结果jifen析

2.4.1  爆zha荷载下饱和软土debian化特征

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zha药zai软土中爆zha后,距药包不同区域de土tidebian化特征不同。炮孔周weide土tiyou于shou到爆zha冲击波和爆生qitide径xiangji压作yong,内瞜ao讀i被压suo,形cheng一ge爆zha空腔。图4所示为yin爆一根半导爆suozai淤泥中形chengde空腔,。空腔直径平均约15cm。

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空腔yi外一定区域内de软蚻i醙ou遭到po籨an硐殖鲆禾卣鳌M5所示为yin爆一根半导爆suo,距li药包40cm处测得de加速度波形,这与shui中和含shui量200﹪de泥浆中爆zha测得de加速度波形图(如图6和图7所示)极为相似,表明软土zai爆zha荷载作yongshun间呈现流ti特征。土tichan生de加速度与药量有关,药量越大,相同位置处土tichan生de加速度越大。yuan位测试结果表明爆后该区域软土de强度明显降低,说明该区域软土de结gou性shou到较大程度de损伤,dan随着孔xishuidepai出,软土强度得到粃hi矗钪战琯uoyuan来de强度值。我们将该区域定义为触bian损伤区。

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触bian损伤区yi外一定范weide软蚻i瑈ou于shoubet98地震波deyingxiang,强度也有所降低,dan也没有触bian损伤区那么明显。该区域测得de加速度波形如图8所示,表明软土zaibet98地震波de作yong下做弹性zhendong。

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根据yi上fen析,饱和软土中de爆zha效应可yifen为3ge区域,如图9所示,即空腔区、触bian损伤区和zhendongyingxiang区。空腔区是爆zhachan生de高温高压de作yong结果,空腔de直径与药量cheng正比,约为20倍de药包直径,爆zha空腔zai后期压力作yong下将huisuo;触bian损伤区是shou冲击扰dongde主要作yong范wei,损伤区半径与药量之间de关系为R=0.123 1129145431.jpg  ,这一区域是爆zha加固软土地jide主要作yong区域;zhendong区则shou地震波yingxiang,范wei较大。

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2.4.2  爆zha荷载作yong下孔xishui压debian化规律

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图10给出了爆zhashun间dong态shui压典型波形图。可yi看出zai爆zha荷载作yongdeshun间,孔xishui压力骤然升高,大约是爆前de2~3倍,you于爆zha荷载是一geshun间dedong荷载,礲ei瑉ha荷载消失后,孔xishui压力xun速下絛an鹓eguo程所yong时间穛ian6蹋鲇屑甘撩搿?讀ishui压下降后hui落不到爆前de数謉an潜缺坝辛私洗骹u度de提高,并能维持一段时间。

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图11所示为爆zha荷载作yong后,土tichan生de超静孔xishui压力debian化情况。从图1l中可yi看出,爆后土tichan生了超静孔xishui压力,并且距li药包越近,超静孔xishui压力越大。超静孔xishui压力随时间de推移而逐渐消散,最终消散至零。整ge消散guo程fen两ge阶段:一是快速消散阶段,zai超静孔xishui压力大于10kPa时,消散速度较快,大约yong时为100~120h;二是缓man消散阶段,zai超静孔xishui压力小于10kPa后,消散逐渐bian缓,占整ge消散guo程de2/3。,爆zhashun间chan生de超静shui压力与药量和距lide关系为   1129145432.jpg  

2.4.3  爆zha荷载下沉降量debian化规律

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图12给出了爆zha前后土ti沉降量debian化曲线。可yi看出土tizai40kPade上覆荷载作yong下da到平衡,然后实施爆zha,土tizai一cichan生沉絛an獗砻鱶ai相同de上覆荷载作yong下,爆zha可使土tichan生二ci沉降。莥e两盗棵飨浴S氤部讀ishui压de消散规律相对应,爆后土tide沉絛eng俣纫瞗en为两ge阶段,前5~8天沉絛eng俣冉峡欤两盗看螅焖俪两到锥危缓蟪两deng俣萣ianman,沉降量逐渐减小,形cheng缓man沉降阶段,该阶段持续时间较长。单药包爆zha后,距li药包越近,软土de沉降量越大,zhi使土ti断面沉降呈蟴hi仔巍

2.4.4爆zha作yong下软土地ji强度bian化规律

fen别zai距爆源25cm和75cm处测定爆前ji爆后不同时刻de贯入阻力ps,贯入阻力随时间ji土层深度debian化曲线如图13所示。

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you图13可zhi,zai爆源近区,爆后shun间土tide强度急剧降低,表现为静力触探贯入阻力几乎为0,随着时间de增加,zai爆后11天和25天,贯入阻力较爆前都明显增强;zai爆源yuan区,爆zhashun间软土de强度shouyingxiang较小,表现为静力触探贯入阻力较爆前bian化不大,随着时间de增加,zai爆后11天和25天,贯入阻力较爆前也都有明显de提升。总之,土ti承载力随着爆后固结时间de增加而逐渐增强。

3现场试验研究

3.1xi(安)一he(肥)铁路试验段

xihe线DK299+500~DK299+550段爆zha处理深层软土地jide试验场地长30m、kuan20m、下覆深度为7.5mde含淤泥zhi土。试验guo程如下:首先zai试验场地yumai沉降ban和孔xishui压力传感器,地表zai覆盖3m厚填蚻i瑉ha孔和paishuishajing呈梅花形布置,炮孔至paishuishajingde间距为1.5m,炮孔内间隔不耦簒ian耙(总药量2kg),逐縵hui謈iqi爆。爆后进行了孔xishui压力测量、蚻ie锢砹ρ匝椤iao准贯入试验、静力触探试验簍ong两盗抗鄄猓橹け瑉ha处理效果(见表2)。

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3.1.1  单孔爆zhade作yong效果

三ci单孔爆zha试验显示,爆后shajing中均有快速paishui和冒泡现象,约持续15min。炮孔de平均空腔ti积为yuan孔de8.8倍,半径为爆前de3.0倍。youci可zhi,单孔爆zha对周边软土具有一定dejimipo坏作yong,爆zhachan生de冲击波扰dongyingxiang范wei也较大。

3.1.2爆后孔xishui压力bian化情况

zai爆zha场地中心距li炮孔 1.5m、mai深7.5m处布设了gang铉式孔xishui压力传感器,实际测得爆zha后孔xishui压力bian化曲线如图14所示。图14中两ge峰值为两ci爆zhachan生,you图可zhi孔xishui压力zai4Oh内有明显衰减,danzai很长一段时间内仍保持较高超静孔xishui压力,能chan生硓hi胮aishui固结沉降。zai爆后12h之内,孔xishui大量涌出地表或流xiang袋zhuangshajing,qi孔xishui压衰减很快;随后进入孔xishui缓manpaichu阶段,孔xishui压也缓man降低。孔xishui压力debian化guo程从yuan理上充fen证明爆zha作觤ei蒫hun进、加快固结沉降。

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3.1.3爆zha后沉降观测

根据试验场地fen区,本ci试验共mai设了10ge沉降ban,中间de4号点沉降时程曲线如图15所示,爆zhayinqide沉降十fen显著,爆zha后仍有3~5天de明显沉降期,di一天de沉降最为显著,这一guo程与超静孔xishui压力消散guo程相对应。另外爆zhaci数对沉降量deyingxiang尤为重要。

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3.1.4biao准贯入试验和静力触探试验

zai爆前和爆后45天进行了qing型biao贯试验对比,N10击数比爆前提高了1.8倍(见表3)。爆后静力触探试验zhibiao见表4,youci可zhi爆zha加固处理后,含淤泥zhi软弱土层de强度zhibiao有所提高,承载力提高20%,压suo模量提高了20%。

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3.2ning启铁路试验段

2003年zaining启铁路DK172+000~DK172+100里程段进行de爆zha加固软土地ji试验,地zhi条件为:表层ying壳厚度2~3m;下覆淤泥zhi软蚻i穸6~7m。为对比不同上覆荷载对爆zha加固软土地ji效果deyingxiang,试验区段被fen为四段:di一段为无上覆秠an厥匝槎危籨i二段表层秠an50cm厚蚻i籨i三段表层秠an100cm厚蚻i籨i四段表层秠an150cm厚土(如图16所示)。根据试验要求,铺设覆盖土前yu先设置袋zhuangshajing,shajing间距1.5m,深9m。

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di一段做小规模爆zha试验,胟ao讂huang药量1.5kg,di二段到di四段爆zha孔间距3m,深度9m,胟ao讂huang药量2.0~2.4kg,di三、四段按隔縵hui绞絝encheng两ci爆zha,爆zha间隔时间为l天。

3.2.1  爆zhachan生地表沉降

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you图17可见,四段试验地表沉降具有明显de共同特征:5天内地表沉降较显著,qi后为缓man持续沉絛an两盗肯喽越闲 an各试验段爆zha后沉降效果仍有不同:di四段3天内共沉降140mm,地表沉降量最大;di一、二、三段3天内各沉降80mm、83mill、103mm,说明上覆秠an亓吭酱螅瑉ha后地表沉降量也越大。

3.2.2shi内试验结果

本ci试验fen别zai爆前、爆后一周、爆后两ge月、爆后九ge月取蚻ie腸i,并对56ge试样进行剪切试验和压suo实验,结果见表5。对ci表明,蚻ie鵧e压suo系数zai爆zha16天后bian化穛ianC飨裕瑈i经从高压suo性土转化为中压suo性蚻i箂uo模量和压suo系数都有同样debian化情况,说明爆zha对chun进土ti固结作yong较显著。

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3.3佛山和顺一bei滘公路试验段

2004年5月zai佛山和顺一bei滘公路干线公路K3+550~K3+720段zaici进行爆zha加固软土地ji试验。根据勘cha报告,qi软弱地层发yu,主要是上覆2~4mdefen土或fensha层,下卧中粗sha层,中间为冲积形chengde淤泥和淤泥zhishi,整ti呈“夹心饼”zhuang。

爆zha试验段设计xuan取了170m长一段路ji进行对比试验。yi中间隔li带为fen界,qi中半fu45mkuan、170m长路ji进行爆zhadong力固结试验,相lin半fu路ji采yong秠an貀u压处理。实验段各fen区平面图如图18所示。

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试验地段路ji设计填土总高度3.0m,qi中shadian层厚度0.8m,填土1.7m,yu留沉降量填土0.5m。6-2号区段爆zha处理时共mai设90ge炮孔,qi中36ge炮孔间距为3.6m,单孔zhuang药量3.4kg,zha药单耗0.02kg/m3;54ge炮孔间距为5.4m,单孔实际zhuang药量为7.6kg,zha药单耗0.022kg/m3;8-2号区段爆zha处理时共mai设48ge炮孔,炮孔间距为4.m,单孔实际zhuang药量为6.2kg,zha药单耗0.03kg/m3。爆zhadong力固结典型断面如图19所示。

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3.3.1  爆后表面效应观测

两ci爆zha后均出现了涌shui现象,部fen孔de出shui量很大,集shuijingshui量也有较大de增加,平时7min左觵e橐籧ishui,现zai2min左右jiuda到需进行抽shuideshui位。集shuijing内涌shui现象一直持续了5天左右。

3.3.2  沉降量

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you图20和图21可见,6-2号区段爆zha后lian续观测了两ge月,zaici期间沉降量不断增加,沉絛eng俾蕀ei天zai5mm之内,dan到di40天后,沉降量增加值逐渐bian小,60天时,沉降ji本稳定,最小值为162mm,最大值为200mm,平均沉降量180.2mm。8-2号区段zai爆后持续观测显示,到di55天后,沉降量ji本稳定,最大值维持zai256mm。

3.3.3  孔xishui压力

zai6-2号区段mai设了3ge孔xishui压力传感器(如图22所示),mai设位置fen别为yuan软土层下6m、9mji12m。1号和3号孔裧ou鄄獯衅鱠e超静孔压bian化曲线如图23所示。

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zai爆zha后de极短时间内(2h),超静孔xishui压力峰值上升很快,da到一ge最高点(73.27kPa),然后开始急剧下降(5~10天内)超静孔压值下降fu度很大,之后缓manhui落。

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图24所示为8-2号区段爆zha后超静孔xishui压力bian化曲线。1号、3号曲线正常,均zai爆zha后de极短时间内(约1h)超静孔xishui压力da到一ge最高点,然后开始急剧下絛an5天后超静孔压值下降到1kPayi下。

上述实验数据表明,爆zha后超静孔xishui压力峰值上升很快,1~4hji本da到最高点,之后开始急剧下絛an5~10天后超静孔压值下降fu度很大,之后缓manhui落。这与地表沉降de发展曲线进本一zhi,超静孔xishui压力急剧消散deguo程,糲i乇矸⑸本绯两礵eguo程。

3.3.4爆zha区与秠an貀u压区工程效果对比fen析

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对比图25和图26可见,6-1号区段实测沉降量355mm,6-2号区段平均沉降量为453mm。youci可得出如下结论:

(1)爆zha段de总沉降量大于秠an貀u压段,说明yin爆zhachan生de地ji沉降并不wan全等效于秠an貀u压。

(2)经guo爆zha后zai秠an兀瑉aici荷载作yong下,经爆zha后地jichan生de沉降要明显小于未经爆zha处理地段,说明爆zha对消chu沉降有明显de作yong。

4机理fen析

you模型和现场试验结果可yi看出,zha药zai软土地ji中爆zha,形chengde冲击波和爆轰qiti对周wei土tichan生强大deji压作yong,土tishou到ji压而chan生塑性bian形,根据有效应力yuan理,爆zhachan生de压应力主要you土ti中de孔xishui承dan,you于土ti中孔xishuide压suo性很小,且爆zha压力觶hi哂衧hun时性,孔xishui来不jixiang外流出,故shun间chan生较高de超静孔xishui压力。同蔮ei瑉ha对土ti扰dong后,软土结gou遭到po籨an慷让飨越档停行вα跣。细埠稍赜种匦伦鱵ong到孔xishui上,这蕅ian部讀ishui压力升高de另一ge重要yuanyin。zai爆zha冲击波de传播guo程中,you于土ti中deshui和土颗lide两种介zhiyinqi不同dezhendong效应,两zhededong应力cha大于土颗lidexi附能时,土颗li周weide弱结heshui从颗li间析出,chan生dong力shuiju集。you于土ti结gou遭到po籨an琉i之间de相对位置与li子jishuifen子de定xiangpai列被打乱,li间dexiyin作yong也被削弱,近似于形chengliexi,这jiu使得渗透系数骤增,形cheng良haodepaishui通道。zai超静孔xishui压力作yong下,土ti中de孔xishuixiang竖xiangpaishuishajing处流dong、ju集,并通guoshajingpai出地表,超静孔xishui压力不断消散,zai上覆荷裁作yong下,土ti也逐渐沉降固结,形cheng新de结gou,土tide强度得到粃hi春吞岣撸佣鴇a到加固软土地jide目de。

爆zha法加固软土地jideguo程实zhi上是爆zhadong力paishui固结deguo程。这一guo程可fen为如下两ge阶段:

(1)爆zha荷载作yong阶段。zai爆zhashun间,强大de冲击波和爆生qiti对周wei土tichan生作yong,zaili药包较近de波dongyingxiang范wei内,shun间chan生超静孔xishui压力,li药包越近,chan生de超静孔xishui压力越大。you于爆zha作yongpo坏了土ti结gou,使软土中de部fen弱结heshui转化为自youshui,同时也使土tide渗透系数增大,这为土ti快速paishui固结提供了条件。ci作yongguo程极为短暂。

(2)dong力paishui固结阶段。爆zhaguo后,土ti中保持一定de超静孔xishui压力,zaici压力作yong下,土ti中de孔xishuixun速汇集并pai出地表。zai这一阶段中,初期depaishui速度快,paishui量大,超静孔xishui压力消散也快,后期paishui速度和paishui量逐渐bian小,孔xishui压力消散缓man。与ci相对应,zai上覆荷载de作yong下,土ti沉降固结,先期沉降量大,后期逐渐减小。zaiciguo程中,土颗li之间de位置逐渐kao近,形cheng新de结heshui膜和结goulian接,土tide渗透系数逐渐bian小,you于黏性土具有触bian特性,土tide强度得到粃hi从胩岣摺H硗羋edong力paishui固结阶段大约持续30天左右。

5应yong前jing

目前,软土地ji加固处理方法很多,从yuan理上ji本可fen为两大类:一类是置huan法,即将软弱土全部或部fen移开,然后hui填更高强度de材liao,使地ji承载力提高,例如爆zhaji淤法、置huan拌入法等jiu蕅ian鋐enliyong了这一yuan理;另一类是压实法,即使软弱土yuan地固结mi蔰an瑈i提高承载力,ci类方法包括paishui固结法、强夯法等。对于qian层软土而yan,置huanhui填cheng本较低,常规de作yong力也能使qian层软土固结mi实。dan当软土厚度da到一定深度时,置huan法处理cheng本会显著增高;强夯法yinqi作yong力难yida到深部,固结效果较cha,而秠an貀u压又存zai处理周期长,大量秠an豤heng本高,后期huai需外运超载ti等问题。

爆zhapaishui固结法是zai爆zha荷载作yong下,并结he一定de上覆荷载和竖xiangpaishuishajing,使软土地jidong力paishui固结de方法。you于需要一定de上覆荷载,这与秠an貀u压法相近,同时它觶hi莦ai爆zha荷载下使软土dong力固结,这又与强夯法de作yongyuan理相似。秠an貀u压法加固软土地jide时间长,一般都zai6ge月yi上,且需要大量de秠an匚铮韏i处理wanbi后huai需将超载ti运走,cheng本高。强夯法de加固深度一般zai5myi内,对厚度大de软土加固效果较cha。与秠an貀u压和强夯法相比,爆zha法处理软土地ji具有yi下三ge显著特点:

(1)zha药zai设置有paishui通道de软土地ji中爆zhachan生高能量shunbian荷载使土ti结gou发生bian化,软土中超静孔xishui压力急剧上升、缓man消散,并与上覆荷载de作yong使土ti快速paishui固结,从而suo短软jide处理周期。

(2)药包布置cheng条形,并fen布zai整ge软土处理深度范wei,zha药爆zha后dedong载能量均yunfen布zai处理深度de土ti内部,不shou加固深度deyingxiang,yinci从理论上推断,爆zhadong力固结法de加固深度是不shou限zhide。

(3)zai相同上覆荷载下,采yong爆zha法处理de软土地ji比秠an貀u压法处理de地jide沉降量大。如果zai处理后de地ji上zai堆同样de荷载,经爆zha处理后de地jichan生de沉降要明显小于未经爆zha处理de地ji,这表明爆zha可yi代ti一定de超载。

ji于yi上三ge优点,爆zha法必将zai软土地ji处理工程中得到广泛de应yong,且能chan生巨大de经济效益和社会效益。

参考wenxian

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摘自《中guobet98新进展》