高能級強夯法在地基加固處理中的應(yīng)用與探討

梁雪梅 王連軍

1 工程概況

本工程為10萬m3/d污水處理廠地基加固項目，處理面積約3.3萬m2。場地屬海岸地貌單元，后經(jīng)回填整平，地層由上至下分為:①碎石素填土()。②黏性土素填土()。③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土()。④粉細砂()。⑤細砂()。⑥礫碎石()。

設(shè)計要求處理后的地基承載力特征值 fak≥200 kPa，變形模量應(yīng)大于18 MPa。

2 強夯參數(shù)的確定

2.1 夯擊能

根據(jù)地勘資料，整個場地分3個區(qū)，夯擊能的確定參考了文獻[1]～[3]:A區(qū)加固深度8.0 m～11.2 m，平均為10.2 m，采用8 000 kN?m。目前強夯法尚未有成熟的設(shè)計計算方法，在夯擊能方面，主要參考文獻[1]中的表6.2.1進行設(shè)計，該表給出了夯擊能8 000 kN?m以下的有效加固深度預(yù)估值，本工程要求處理的最大深度達17.5 m，根據(jù)文獻[2][3]給出的經(jīng)驗公式:

其中，α為修正系數(shù);Z為加固深度，m;M為夯錘重，kN;h為落距，m。

根據(jù)地質(zhì)情況，取α=0.4，B區(qū)加固深度為11.6 m～13.5 m，平均為12.9 m，C區(qū)加固深度為14.2 m～17.5 m，平均為15.9 m，夯擊能分別采用12 000 kN?m和15 000 kN?m。

2.2 夯點間距

本工程采用的夯錘有兩種，A區(qū)和B區(qū)夯錘直徑為2.50 m，C區(qū)夯錘直徑為2.80 m，根據(jù)文獻[1]，第一遍夯點間距分別可取8.75 m和9.98 m。施工采用的第一遍夯點間距為:A區(qū)和B區(qū)10 m，C區(qū)12 m。

2.3 夯擊遍數(shù)

采用點夯3遍，第1遍點夯，夯點間距為:A區(qū)和 B區(qū)10 m，C區(qū) 12 m，正方形布點。第 2遍點夯、第 3遍點夯，第4遍為滿夯，錘印搭接錘徑的1/3，由于本工程的地基土顆粒較粗，滲透性好，并經(jīng)試夯中的孔隙水壓力測試，可連續(xù)進行夯擊。

2.4 夯擊次數(shù)

本工程主要以強夯影響深度為關(guān)鍵性指標，對最后一擊點夯的夯沉量和最后兩擊點夯的平均夯沉量進行控制，并根據(jù)現(xiàn)場實際夯沉量情況動態(tài)確定，但必須保證最低夯擊次數(shù)。綜上所述，強夯施工參數(shù)見表1。

3 強夯效果檢測

1)經(jīng)過強夯處理后的地基承載力fak=220 kPa(未加載到地基的極限荷載，實際承載力可能更高些)，高于設(shè)計要求的180 kPa。

表1 強夯施工參數(shù)匯總表

2)動力觸探(標貫)檢測結(jié)果見表2。

檢測結(jié)果表明:經(jīng)強夯處理后，地基承載力和地基加固的有效深度均達到了設(shè)計要求。需要說明的是:施工前后的測試結(jié)果表明②，③層土較地勘報告結(jié)果要好。

表2 各土層強夯前后DPT(SPT)統(tǒng)計結(jié)果對比表

4 關(guān)于高能級強夯的幾點討論

4.1 錘底靜接地壓力如何取值

關(guān)于錘底靜接地壓力值的選擇問題，規(guī)范規(guī)定“可取25 kPa～40 kPa”，但對于高能級強夯已經(jīng)不再適用。目前，實際施工實踐中，高能級強夯所用夯錘直徑比較多的介于2.0 m～3.5 m，夯錘重量在400 kN～800 kN之間，錘底接地靜壓力值介于60 kPa～135 kPa之間。相關(guān)研究表明:錘底接地靜壓力是影響有效加固深度的重要影響因素，且在夯擊能相同的條件下，靜壓力越大，加固深度越大。目前，隨著工程地基加固深度要求的不斷提高以及強夯設(shè)備大型化發(fā)展，有必要重新認識錘底接地靜壓力，既不要由于超出規(guī)范的范圍而在應(yīng)用中畏手畏腳，也不要認為越大越好，而應(yīng)該根據(jù)需要加固的地基土質(zhì)、加固深度來選擇合適的錘底接地靜壓力?？梢钥紤]在夯擊能難以再增大的情況下，選用錘底靜接地壓力較大的夯錘來達到有效加固深度增大的效果。建議在規(guī)范修訂時將該取值范圍進行修改，以適應(yīng)工程實踐的發(fā)展變化。

4.2 如何確定夯點間距

文獻[1]規(guī)定“第一遍夯擊點間距可取夯錘直徑的2.5倍～3.5倍，……，第一遍夯擊點間距宜適當增大?！钡绾巍斑m當增大”，并沒有明確的規(guī)定，基本上是根據(jù)經(jīng)驗和現(xiàn)場試夯確定。查閱了相關(guān)文獻，大多是對不同間距的強夯處理效果進行了對比分析，給出一些工程實例的參考，但對如何確定合適的夯點間距，沒有明確結(jié)論。

下面嘗試導出夯點間距公式。強夯時，夯點下的土體被夯擊壓縮到夯錘底部的土體，在夯錘底下一定深度內(nèi)的土體被加密，形成一個梨形加密土體，且周圍的土體被不同程度的擠密(見圖1)。以側(cè)向擠密的土體的范圍最大半徑所處橫剖面得圓，在夯擊數(shù)、夯擊能等其他條件相同的情況下，與加固土體的φ密切相關(guān)。土體被向下壓縮和側(cè)向擠密時，既要克服底部向上的阻力，也要克服側(cè)向土體的剪應(yīng)力，而剪應(yīng)力與土體的φ值密切相關(guān)，因此確定側(cè)向被有效擠密的土體范圍半徑，就可以確定夯點間距。

設(shè)需要加固的土體深度為Z，加固土體的內(nèi)摩擦角為φ(以主要被加固的土體的內(nèi)摩擦角φ值為主，綜合考慮被加固土體的整體 φ值)，夯錘直徑為D，夯錘底部夯擊形成的梨形加密土體的橫剖面圓的有效半徑為 R，則 R與φ相關(guān)，有:

由于梨形加密土體相切處的應(yīng)力較小，密實效果差，所以可以令:

則理論夯點間距:

在式(4)的右邊再加上 kD，k為夯點間距修正系數(shù)，取值范圍根據(jù)經(jīng)驗為 0～1，加固深度 Z大時取大值，Z小時取小值;加固土體內(nèi)摩擦角φ大時取大值，φ小時取小值;錘底接地靜壓力大時取小值，小時取大值。同時，在點夯過程中會形成不同深度的夯坑，所以，還需要對 Z進行修正，用 Z-ΔZ代替，ΔZ為夯坑深度。一般的，當夯坑大于2 m時，應(yīng)將夯坑填平后再繼續(xù)夯擊，所以ΔZ可取值0 m～2 m，這樣就得到比較實用的夯點間距公式:S=(Z-ΔZ)tanφ+(1+k)D (5)

式(5)中考慮了夯點間距與夯錘直徑、強夯加固土體的深度、土體內(nèi)摩擦角以及夯坑深度等因素，如果把式(1)中確定的Z代入式(5)中，則得出與夯擊能相關(guān)的夯點間距公式:

據(jù)文獻[11]工程地質(zhì)條件，查文獻[3]取 φ=20°，取 k=0.5，取ΔZ=2 m，查經(jīng)驗系數(shù)表得α=0.45，分別代入式(5)，式(6);據(jù)文獻[12]工程地質(zhì)條件，查得 φ=21°，取 k=0.5，ΔZ=2 m;查得α=0.35，分別代入式(5)，式(6);對本工程，取 φ=30°，取 k=0.8，ΔZ=2 m，α=0.40，分別代入式(5)，式(6)。計算后統(tǒng)計結(jié)果表明:文獻[11]中的案例處理效果較差。

與文獻[11]對比，文獻[12]中采用的夯擊能、夯擊遍數(shù)和夯擊次數(shù)是比較合理的。值得指出的是，在測量單擊夯沉量時應(yīng)考慮每次起錘后夯坑周圍的土塌落到夯坑內(nèi)對夯沉量的影響。

通過以上數(shù)據(jù)對比，并對加固效果進行了分析，結(jié)果表明兩公式是值得在今后的工程實踐中參考使用的。但對于如何在今后的實際應(yīng)用中，根據(jù)工程實際情況合理的選擇相關(guān)的 φ值、k值和α值是能否確定合適的夯點間距的關(guān)鍵。

4.3 關(guān)于有效加固深度

1)在設(shè)計要求一致的情況下，相同夯擊能對不同土質(zhì)的有效加固深度是不一樣的，有時可能差別很大，要區(qū)別對待。

2)在相同條件下，被加固土質(zhì)對夯擊能的吸收和傳遞對強夯有效加固深度的影響是明顯的，這方面有待進一步深入的研究。

3)建議在進行規(guī)范修訂時對表6.2.1增加高能級強夯部分。

影響強夯加固效果的因素很多，在具體的工程實踐中，應(yīng)根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件、設(shè)計要求、上部建筑物對地基承載力和變形要求等具體問題具體分析，采取針對性的、合適的加固參數(shù)。

5 結(jié)語

1)根據(jù)工程實際條件，結(jié)合設(shè)計要求的地基加固指標來確定高能級強夯施工參數(shù)，是達到良好加固效果的關(guān)鍵。2)本工程中滿足設(shè)計要求的，夯擊能為 8 000 kN?m，12 000 kN?m 和15 000 kN?m的強夯有效加固深度分別達到:10.5 m，13 m和16 m。3)在工程實際中，錘底接地靜壓力值可取25 kPa～135 kPa，在不發(fā)生起錘困難的條件下，可適當?shù)娜〈笾祦碓黾訌姾患庸躺疃取?)夯點間距式(5)和式(6)可供今后的工程實踐參考使用，根據(jù)工程實際選擇合適的φ值、k值和α值是確定合適的夯點間距的關(guān)鍵。

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