強(qiáng)夯法加固砂卵礫石層壩基及其應(yīng)用

朱紅興, 張國林, 劉君榮

(云南建工水利水電建設(shè)有限公司, 云南 昆明, 650041)

強(qiáng)夯法加固砂卵礫石層壩基及其應(yīng)用

朱紅興, 張國林, 劉君榮

(云南建工水利水電建設(shè)有限公司, 云南 昆明, 650041)

強(qiáng)夯法作為一種高效經(jīng)濟(jì)的地基加固處理方法，被廣泛應(yīng)用于地基沉降處治工程中. 介紹了強(qiáng)夯對地基的加固機(jī)理、強(qiáng)夯參數(shù)的設(shè)計、強(qiáng)夯的施工工藝以及強(qiáng)夯施工控制，并以具體壩基工程為實(shí)例，通過試驗分析研究了強(qiáng)夯對砂卵礫石層壩基的加固效應(yīng). 試驗結(jié)果表明： 應(yīng)用強(qiáng)夯法加固處理砂卵礫石層壩基，對進(jìn)一步提高壩基土強(qiáng)度，降低壓縮性，消除不均勻沉降，改善土的物理力學(xué)性質(zhì)和工程特性具有明顯的效果.

強(qiáng)夯法；砂卵礫石層；動力觸探；效果檢測

強(qiáng)夯法[1-2]又稱動力固結(jié)法[3]，是利用起重設(shè)備將大噸位重錘提升到一定高度后自由落下，在極短的時間內(nèi)對地基土施加巨大的沖擊能量，沖擊產(chǎn)生的壓縮波、剪切波和瑞利波反復(fù)使土體受到瞬時加荷、卸荷和剪切的作用，使土顆粒之間原有的連接形式破壞而產(chǎn)生位移，形成新的較為穩(wěn)定的形式，從而達(dá)到減小孔隙比、增加土體密度、提高土體強(qiáng)度的目的[4].

我國自1975年開始介紹并引進(jìn)強(qiáng)夯技術(shù)，1978年開始在工程中試用，曾叫做“超重錘夯實(shí)”. 由于我國地震高烈度區(qū)、濕陷性黃土區(qū)和軟粘土區(qū)分布廣泛，因此，作為一種適用性廣、經(jīng)濟(jì)有效的地基處理方法，強(qiáng)夯技術(shù)在我國得到比較廣泛的推廣，強(qiáng)夯法的應(yīng)用在深度和廣度上都在進(jìn)一步迅速發(fā)展中. 當(dāng)前應(yīng)用強(qiáng)夯法處理地基的工程范圍極廣，已付諸實(shí)踐的有工業(yè)與民用建筑、重型構(gòu)筑物、機(jī)場、堤壩、公路和鐵路路基、貯倉、飛機(jī)場跑道及碼頭、核電站、油庫、油罐、人工島等. 近年來強(qiáng)夯法在工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)方面己發(fā)展應(yīng)用于垃圾填埋場、沙漠地基、核廢料場等的處理[5]. 總之，強(qiáng)夯法在某種程度上比其它機(jī)械的、化學(xué)的或力學(xué)的加固方法使用更為廣泛和有效, 對青山嘴水庫砂卵礫石層壩基強(qiáng)夯加固便是成功例證.

1 工程概況

青山嘴水庫位于云南省楚雄市西北東瓜鎮(zhèn)青山嘴村旁的龍川江上，水庫樞紐由粘土心墻石碴主壩、右岸粘土均質(zhì)副壩、右岸溢洪道及輸水隧洞、導(dǎo)流泄洪隧洞組成. 主壩最大壩高41.5 m，總庫容10 805.2×104 m3，為大型水庫，工程等別為II等.

壩基地形及地質(zhì)：主壩壩址處地形開闊，河段為“Z”型，河谷為“U”型寬谷，兩岸為侵蝕岸坡，河床為河谷階地，壩軸線較長. 右岸山坡較陡，局部陡崖，左崖相對較緩，上覆殘坡積層厚0～5 m，為砂質(zhì)粘土、壤土、砂壤土夾碎石. 河床灘地面積較大，廣泛分布第四系沖洪積層，具二元結(jié)構(gòu)，上部為粉土、粉細(xì)砂層，結(jié)構(gòu)松散，高壓縮性，強(qiáng)度低；下部為砂卵礫石、漂石層，夾有孤石及粉細(xì)砂、粘土透鏡體，巖性成分不均勻，局部有架空現(xiàn)象，中～高壓縮性. 河床第四系沖洪積層存在地震液化及壓縮變形問題. 心墻強(qiáng)～弱風(fēng)化巖體(含長石石英砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖)強(qiáng)度較高，其中強(qiáng)風(fēng)化巖體低壓縮性，不存在壓縮變形，但存在滲漏問題. 心墻壩基F2-1、F2-2斷層帶構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈，斷層面不連續(xù)，構(gòu)造節(jié)理密集，斷層帶內(nèi)巖石破碎、糜棱巖、碎裂巖，巖體中等～強(qiáng)透水，存在滲漏問題.

2 壩基強(qiáng)夯處理

2.1 強(qiáng)夯加固機(jī)理

強(qiáng)夯對壩基的加固機(jī)理可概括為加密作用、液化作用、固結(jié)作用和時效作用[6].

a. 加密作用：所夯之處液體和氣體的體積都有所減少，土體得到加密，根據(jù)試驗每夯擊一遍氣體體積可減少40%.

b. 液化作用：在巨大的沖擊壓力作用下，土中孔隙水壓力迅速提高，當(dāng)土中孔隙水壓力上升到與覆蓋壓力相等時，土體即產(chǎn)生局部液化，土的強(qiáng)度喪失，土?？勺杂膳帕?

c. 固結(jié)作用：當(dāng)強(qiáng)夯在壩基中產(chǎn)生的超孔隙水壓力大于土粒間的側(cè)向壓力時，土粒便會出現(xiàn)裂隙，形成排水通道，此時土的滲透性改變，滲透系數(shù)劇增，孔隙水得以順利排出，加速了土的固結(jié)，當(dāng)孔隙水壓力消散到小于土粒間的側(cè)向壓力時，排水的裂隙即自行閉合，土中水的運(yùn)動又重新恢復(fù)常態(tài).

d. 時效作用：隨著時間的推移，孔隙水壓力消散，土顆粒又重新組合緊密接觸，自由水也重新被土顆粒吸附而變成吸附水，土的強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，稱為時間效應(yīng).

2.2 強(qiáng)夯參數(shù)設(shè)計

考慮到砂卵石層深度有限，強(qiáng)夯效果較好，可采用梅那(L. Menard)公式[7]進(jìn)行估算：

式中：H為強(qiáng)夯加固地基影響深度(m)；a為修正系數(shù)，范圍0.38～0.8；M為夯錘重量(kN)；h為落距(m). 根據(jù)公式(1)，當(dāng)修正系數(shù)a取0.6、錘重20 t、落距18 m時，估算的最大加固深度為11.4 m.

強(qiáng)夯能級確定(指單點(diǎn)夯擊)，公式[8]為：式中：E為單擊強(qiáng)夯能級(kN·m)；W為夯錘重量(kN)；h為落距(m).

經(jīng)過現(xiàn)場試夯, 本壩基工程強(qiáng)夯確定采用帶有自動脫鉤裝置的QUY50A履帶式起重機(jī)，最大吊高27 m，夯錘重W=200 kN，夯錘底面對稱設(shè)置4個與其頂面貫通的排氣孔，孔徑300 mm. 點(diǎn)夯3遍，每遍 12擊，落距h=20 m，根據(jù)公式(2)，單擊夯擊能E=W·h=200 kN· 20 m=4 000 kN· m ; 滿夯一遍，每遍10擊，錘印彼此搭接35 cm. 夯錘重W=200 kN，落距h=5 m，單擊夯擊能E=W·h=200 kN· 20 m=4 000 kN· m, 在滿足設(shè)計的夯擊次數(shù)，并應(yīng)滿足最后2擊的平均夯沉量≤50 mm，夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)現(xiàn)過大的隆起及不應(yīng)夯坑過深而發(fā)生提錘困難情況下可以收錘.

強(qiáng)夯采用正方形布置夯點(diǎn)，遍數(shù)為點(diǎn)夯三遍，滿夯一遍. 第一遍強(qiáng)夯時，夯點(diǎn)位于正方形的頂點(diǎn)強(qiáng)夯，第二遍強(qiáng)夯時夯點(diǎn)布置在第一遍夯點(diǎn)組成的正方形的形心處，第三遍強(qiáng)夯的夯點(diǎn)布置在第二遍夯點(diǎn)組成的正方形形心處. 第一遍夯點(diǎn)間距離6 m，采用逐漸加密法施工，強(qiáng)夯夯點(diǎn)具體布置如圖1所示. 強(qiáng)夯處理范圍為上、下游壩殼(包括下游貼坡排水)基礎(chǔ)輪廓線外加一排夯點(diǎn)(6 m). 處理從砂卵礫石、漂石層到河床第四系底界，深度為1.2～9.4 m，其中砂卵礫石層厚度為1.3～11.8 m.

圖1 強(qiáng)夯夯點(diǎn)布置圖

2.3 強(qiáng)夯施工工藝

a. 清除場地內(nèi)堆積物，整平施工場地，各區(qū)場地地坪標(biāo)高平整到起夯設(shè)計標(biāo)高；

b. 設(shè)置施工測量基點(diǎn)；

c. 測量整平場地起夯地坪高程，地坪標(biāo)高誤差在200 mm以內(nèi)；

d. 標(biāo)出第一遍夯點(diǎn)位置，校正夯錘、起重機(jī)位置，使夯錘對準(zhǔn)夯點(diǎn)；

e. 將夯錘起吊到預(yù)定高度，待夯錘脫鉤自由下落后，放下吊鉤，測量錘頂高程，若發(fā)現(xiàn)因坑底傾斜而造成夯錘歪斜時，及時將坑底整平；

f. 重復(fù)步驟d、e，按設(shè)計規(guī)定的技術(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)完成一、二、三遍每一個夯點(diǎn)的夯擊作業(yè)；

g. 換夯點(diǎn)，重復(fù)步驟c至f，完成第一至第三遍全部夯點(diǎn)的夯擊；

h. 用推土機(jī)將夯坑填平，并測量場地高程；

i. 進(jìn)行低能量滿夯，將場地表層松土夯實(shí)，并測量夯后場地高程.[9]

2.4 強(qiáng)夯施工控制

a. 每一錘在正式提升前，強(qiáng)夯機(jī)和夯錘就位，夯錘對準(zhǔn)夯點(diǎn)中心，誤差控制在±15 cm內(nèi)；

b. 每一錘都要提升到設(shè)計要求的高度；

c. 錘落下后，如夯坑底有傾斜，當(dāng)超過20°時，用土將坑底補(bǔ)平，再進(jìn)行下次夯擊；

d. 當(dāng)施工場地及夯坑由于降雨或地下水位上升等原因積水時，要及時采取排水措施，待水排干后，才能填坑；

e. 夯擊過程中，如遇到基土含水量過高，形成“橡皮土”，或夯坑周邊隆高過大等異?，F(xiàn)象時，應(yīng)停止作業(yè)，采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行處理；

f. 每夯擊完一遍，用新土或周圍土將夯擊坑填平，并測出本遍場地的平均標(biāo)高，求出沉降量；

g. 夯坑回填時需用推土機(jī)等略加壓實(shí)，并稍高于附近地面，以防止坑內(nèi)填土吸水過多；

h. 相鄰兩遍的間隔時間，要符合根據(jù)空隙水力消散要求的設(shè)計天數(shù).

2.5 強(qiáng)夯安全措施

a. 由于強(qiáng)夯機(jī)組高大，穩(wěn)定性較差，因此對施工場地要求較嚴(yán)，不得軟硬不勻，不得有虛填坑洞和淺層墓坑；

b. 強(qiáng)夯時有土塊石子等飛出，現(xiàn)場人員必須戴安全帽. 吊車上應(yīng)安裝防護(hù)網(wǎng)，非施工人員不得進(jìn)入現(xiàn)場；

c. 應(yīng)隨時注意檢查機(jī)具的工作狀態(tài)，經(jīng)常維修和保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)不安全之處應(yīng)及時處理；

d. 在強(qiáng)夯施工區(qū)附近有建筑物時，應(yīng)經(jīng)常觀察振動的影響，對較近的建筑物應(yīng)挖防震溝，其深度應(yīng)超過該建筑物的基礎(chǔ)深度；

e. 強(qiáng)夯機(jī)械使用交流電源時，特別注意各用電設(shè)施的接地防護(hù)裝置，施工現(xiàn)場附近有高壓線路通過時，必須根據(jù)機(jī)具的高度、線路的電壓，詳細(xì)測定其安全距離，防止高壓放電，發(fā)生觸電事故.

3 強(qiáng)夯效果檢測與分析

3.1 上游強(qiáng)夯效果檢測與分析

壩基強(qiáng)夯完成后，對上游壩基夯后重型動力觸探[10]、干密度、含水率、強(qiáng)夯面高程及夯點(diǎn)沉降量進(jìn)行了檢測，并與夯前各檢測項目比較，結(jié)果見表1.

表1 上游壩基強(qiáng)夯檢測

由表1我們可以得知，上游壩基重型動力觸探檢測28組，夯前14組，夯后14組，夯前重型動力觸探貫入10 cm最小擊數(shù)為1擊，最大大于50擊，其中大于50擊有6組，占總測點(diǎn)的42.85%；夯后最小擊數(shù)為15擊，最大大于50擊，其中大于50擊有14組，占總測點(diǎn)的100%，夯后較夯前提高了133.37%. 土體干密度檢測21組，夯前6組，夯后15組，夯前干密度最小為1.64 g/cm3，最大為2.18 g/cm3，平均干密度為1.973 g/cm3；夯后干密度為最小1.89 g/cm3，最大為2.43 g/cm3，平均干密度為2.077 g/cm3，夯后較夯前平均干密度提高了5.27%.土體含水率檢測21組，夯前6組，夯后15組，夯前含水率最小為6.2%，最大為21.3%，平均含水率為12.183%；夯后含水率最小為4.9%，最大為15.8%，平均含水率為9.888%，夯后較夯前平均含水率降低了23.21%. 強(qiáng)夯面高程檢測197組，夯前99組，夯后88組，強(qiáng)夯面平均壓縮量為564 mm. 強(qiáng)夯點(diǎn)累計沉降量檢測351組，平均累計沉降1 098 mm. 這充分說明上游基礎(chǔ)經(jīng)過強(qiáng)夯，土體內(nèi)孔隙被壓縮，水分和氣體被排除，土體得到緊密壓實(shí)，從而提高地基容許承載能力，強(qiáng)夯效果顯著.

表2 下游壩基強(qiáng)夯檢測

3.2 下游強(qiáng)夯效果檢測與分析

壩基強(qiáng)夯完成后，對下游壩基夯后重型動力觸探、干密度、含水率、強(qiáng)夯面高程及夯點(diǎn)沉降量進(jìn)行了檢測，并與夯前各檢測項目進(jìn)行比較，結(jié)果見表2.

由表2我們可以得知，上游壩基重型動力觸探檢測27組，夯前7組，夯后20組，夯前重型動力觸探貫入10 cm最小擊數(shù)為2擊，最大大于50擊，其中大于50擊有6組，占總測點(diǎn)的85.71%；夯后最小擊數(shù)為15擊，最大大于50擊，其中大于50擊有20組，占總測點(diǎn)的100%，夯后較夯前提高了16.67%. 土體干密度檢測17組，夯前7組，夯后10組，夯前干密度最小為1.95 g/cm3，最大為1.98 g/cm3，平均干密度為1.961 g/cm3；夯后干密度為最小1.87 g/cm3，最大為2.55 g/cm3，平均干密度為2.14 g/cm3，夯后較夯前平均干密度提高了9.13%. 土體含水率檢測17組，夯前7組，夯后10組，夯前含水率最小為8%，最大為9.5%，平均含水率為8.686%；夯后含水率最小為7.8%，最大為9%，平均含水率為8.37%，夯后較夯前平均含水率降低了3.78%. 強(qiáng)夯面高程檢測177組，夯前80組，夯后97組，強(qiáng)夯面平均壓縮量為608 mm. 強(qiáng)夯點(diǎn)累計沉降量檢測333組，平均累計沉降1 003 mm. 這充分說明下游基礎(chǔ)經(jīng)過強(qiáng)夯，土體內(nèi)孔隙被壓縮，水分和氣體被排除，土體得到緊密壓實(shí)，從而提高地基容許承載能力，強(qiáng)夯效果顯著.

4 結(jié)論

a. 通過對壩基重型動力觸探、干密度、含水率、強(qiáng)夯面高程及夯點(diǎn)沉降量進(jìn)行檢測，均得到了滿意的結(jié)果，表明砂卵礫石層壩基經(jīng)過強(qiáng)夯后得到了很好的加固效果，應(yīng)用強(qiáng)夯法加固砂卵礫石層壩基是切實(shí)可行的.

b. 由于壩基的復(fù)雜性，采用其它地基加固處理方法均具有局限性，而本工程采用強(qiáng)夯法加固，工藝簡單，工期較短，且造價較低，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性.

c. 通過強(qiáng)夯面高程的檢測，強(qiáng)夯面經(jīng)強(qiáng)夯均有顯著壓縮，很大程度地降低了壩基的壓縮性，消除了不均勻沉降.

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Application of dynamic compaction to reinforce dam foundation with sand gravel stratum

ZHU Hong-xing, ZHANG Guo-lin, LIU Jun-rong
(Yunnan Construction and Hydropower Engineering Co. Ltd., Kunming 650041, China )

As a kind of method effective and economic method of foundation reinforcement , dynamic compaction has been widely applied in treating foundation settlement engineering . This composition has introduced the reinforcement mechanism and the parameters design of dynamic compaction, and technology and control of dynamic compaction construction. As an example, by the dynamic compaction test, this composition has analyzed and researched reinforcement effects of dam foundation with sand gravel layer. The test results show that the effects of applying dynamic compaction to reinforce sand gravel stratum dam foundation on further increasing strength, reducing compressibility, eliminating non-uniform settlement, improving soil physical and mechanical properties of engineering characteristics are obvious.

dynamic compaction; sand gravel stratum; dynamic penetration; effect detection

TU 411.5

：A

1672-6146(2010)04-0074-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2010.04.020

2010-11-02

朱紅興(1972-), 男, 高級工程師, 主要從事水利工程研究.