軟土地基的強(qiáng)夯法處理分析

劉俊賢

(中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限公司西南分公司,成都 610000)

1 強(qiáng)夯法的加固機(jī)理

強(qiáng)夯機(jī)理研究主要側(cè)重于夯擊能對(duì)地基土所產(chǎn)生的作用及其在地基土體中的傳遞過(guò)程,這對(duì)強(qiáng)夯參數(shù)設(shè)計(jì)、優(yōu)化及施工都有直接的指導(dǎo)意義。但由于強(qiáng)夯法適用的地基土范圍廣泛,且不同地基土之間存在顯著差別,因此關(guān)于強(qiáng)夯法加固地基的機(jī)理,目前國(guó)內(nèi)外尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。但公認(rèn)的是,首先應(yīng)該區(qū)分宏觀機(jī)理和微觀機(jī)理,對(duì)飽和土與非飽和土加以區(qū)分,同時(shí)對(duì)飽和土中粘性土與無(wú)粘性土也應(yīng)該加以區(qū)別。對(duì)特殊土,如濕陷性黃土、膨脹土等,還應(yīng)考慮其特殊性,必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)分析。同時(shí),還要考慮強(qiáng)夯施工工藝,即單擊夯擊能量、單位面積平均夯擊能、夯擊次數(shù)以及夯擊遍數(shù)等。

強(qiáng)夯在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)地基土體施加一個(gè)巨大的沖擊能量,加荷歷時(shí)幾十至100ms,沖擊能轉(zhuǎn)化為各種波型傳遞到地基土體內(nèi)。由強(qiáng)夯產(chǎn)生的沖擊波按其在土中傳播和對(duì)土作用的特性可分為體波和面波。體波包括縱波(P波)和橫波(S波),從夯擊點(diǎn)沿著一個(gè)半球波陣面徑向向地基深處傳播,對(duì)地基土可起壓縮和剪切作用,引起地基土的壓密固結(jié)。面波(R波)從夯擊點(diǎn)沿地表傳播,其隨距離的增加而衰減的幅度比體波慢得多,對(duì)地基土不起加固作用,其豎向分量對(duì)表層土起松動(dòng)作用。因此,強(qiáng)夯的結(jié)果是在地基中沿深度形成性質(zhì)不同的3個(gè)區(qū),首先為地基表層松動(dòng)區(qū),當(dāng)松動(dòng)區(qū)下面某一深度,受到體波的作用,使上層產(chǎn)生沉降和土體的壓密,形成加固區(qū),加固區(qū)下面沖擊波逐漸衰減,不足以使土產(chǎn)生塑性變形,對(duì)地基土不起加固作用,即為彈性區(qū),如圖1。

2 強(qiáng)夯法在軟土處理中的應(yīng)用

2.1 現(xiàn)行強(qiáng)夯法對(duì)軟土處理失敗的原因分析

圖1 強(qiáng)夯法加固機(jī)理

現(xiàn)行強(qiáng)夯施工工藝,一般先進(jìn)行高能量的單點(diǎn)夯擊再用低能量的滿夯進(jìn)行處理,單點(diǎn)的夯擊能一般在1000～6000kN·m,夯擊次數(shù)一般在8～15擊,收錘標(biāo)準(zhǔn)為最后2擊累計(jì)沉降差小于5～10cm。這種方式考慮的是充分利用高夯擊能,但對(duì)土體的結(jié)構(gòu)破壞卻考慮不足。沈珠江教授曾在文章《軟土工程特性和軟土地基設(shè)計(jì)》中指出,天然粘土多具架空結(jié)構(gòu),大孔隙之間形成透水通道,因此在高孔隙比的同時(shí)必具有較強(qiáng)透水性。天然粘土的固結(jié)系數(shù)可以達(dá)到同樣條件下重塑土的10～15倍,滲透系數(shù)也可能達(dá)到重塑土的2～4倍。

根據(jù)其微觀結(jié)構(gòu),孔隙比大、含水量高、滲透性差、強(qiáng)度低的軟粘土,在強(qiáng)夯的高夯擊不能像其余粗顆粒非飽和土一樣瞬間排出大量的水,由于水來(lái)不及排出,隨著體積的縮小,孔隙水壓增高且短時(shí)間內(nèi)難以消散,土的抗剪強(qiáng)度大大降低,如連續(xù)夯擊,則會(huì)出現(xiàn)橡皮土。軟粘土所具有的結(jié)構(gòu)性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,在通常強(qiáng)夯法的處理下,地基表層土結(jié)構(gòu)受到破壞,既損失結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還大幅度下降影響其滲透性,導(dǎo)致工程處理失敗。在以往的工程施工中,均因如上原因?qū)е绿幚硎?不僅沒(méi)有起到加固作用還需要以高昂代價(jià)重新處理橡皮土。如天津在20世紀(jì)80年代的某工程,雖考慮到排水因素,采用了砂井排水結(jié)合進(jìn)行處理,但仍未達(dá)到處理效果,有大量剩余沉降沒(méi)有完成,導(dǎo)致強(qiáng)夯失敗。

2.2 對(duì)軟粘土處理的方法分析

2.2.1 合理排水體系分析

根據(jù)以上分析,結(jié)合軟粘土特性,大部分強(qiáng)夯處理軟粘土失敗的原因均產(chǎn)生于橡皮土,其中最重要的就是排水問(wèn)題沒(méi)有解決好。采取何種排水方式如砂井排水、預(yù)壓排水、插設(shè)塑料排水板、開(kāi)挖排水盲溝等均可起到一定排水作用。但在強(qiáng)夯的高夯擊能下,排水體系也將受到?jīng)_擊和破壞導(dǎo)致其排水作用大大降低。因此可采取多種方式結(jié)合的方法,如在豎向插設(shè)塑料排水板、橫向由塑料排水板排至地表或夯坑中,再用泵及時(shí)抽走的方式進(jìn)行處理。

2.2.2 合理施工工序分析

現(xiàn)行強(qiáng)夯施工工藝的處理方式是先用高能量夯擊加固深層土體,再用低能量夯擊加固表層土體。但由于軟粘土的特殊性,如在一開(kāi)始就進(jìn)行高能量的夯擊,軟粘土中的水很難在短時(shí)間排出,同時(shí)導(dǎo)致孔隙水壓力增大卻又難以消散,土的抗剪強(qiáng)度大大降低,形成橡皮土。因此為適應(yīng)軟土的高含水量、低滲透性、低強(qiáng)度的方式,應(yīng)一開(kāi)始采取較小的夯擊能使表層土體先排水固結(jié),形成一個(gè)“硬殼層”。有了“硬殼層”以后就能承受更大的夯擊能,然后再逐漸增大夯擊能,向深層加固。為使軟粘土中的孔隙水壓能充分消散,不能采取以往累計(jì)沉降小于5cm的收錘標(biāo)準(zhǔn),而應(yīng)當(dāng)在夯2～5擊后就暫停,待孔隙水壓消散后再進(jìn)行夯擊,為達(dá)到處理效果應(yīng)采取多遍夯擊的方式。

2.2.3 單點(diǎn)夯擊次數(shù)的分析

由于軟粘土強(qiáng)度低,滲透性低的特點(diǎn),如采取以往通常的夯擊方式來(lái)進(jìn)行夯擊則土體結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞。強(qiáng)度很低、孔壓很高的軟粘土地基對(duì)夯擊次數(shù)的確定尤其重要,為避免土體的宏觀結(jié)構(gòu)遭到破壞,夯擊次數(shù)應(yīng)盡可能減少,同時(shí)增加夯擊遍數(shù),單點(diǎn)夯擊的收錘可參考如下標(biāo)準(zhǔn)。

(1)夯坑周?chē)汲霈F(xiàn)明顯隆起。

(2)出現(xiàn)過(guò)大的側(cè)向位移。

(3)后一擊夯沉量小于前一擊,如后一擊夯沉量大于前一擊,則說(shuō)明土體結(jié)構(gòu)遭到破壞。

(4)控制單點(diǎn)夯擊的夯坑深度,按通常經(jīng)驗(yàn)不能超過(guò)60cm。

2.2.4 滿夯的處理分析

由于采取的是先用低能量夯擊再用高能量夯擊,先加固表層土再加固深層土的方式對(duì)軟粘土進(jìn)行處理,對(duì)滿夯的要求不如低含水量粗顆粒土的要求高。但滿夯可以增強(qiáng)其壓實(shí)度與均勻度,因此滿夯也是必須進(jìn)行的,滿夯遍數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況如土含水量的變化、地層情況的變化、孔隙水壓力的變化等進(jìn)行調(diào)整,即信息化施工。

2.3 對(duì)軟粘土地基處理的機(jī)理分析

強(qiáng)夯法處理高含水量軟土地基與處理其余低含水量粗顆粒土、填土、濕陷性黃土地基其施工設(shè)備、方式、方法均有很多相同之處,僅施工工序有些許變化。但就是這些結(jié)合軟粘土特性而做出的些許變化,使強(qiáng)夯法處理高含水量軟土成功率得到了很大的提升。在以往的強(qiáng)夯處理中,強(qiáng)夯過(guò)程可劃分為能量轉(zhuǎn)換、液化破壞、壓密固結(jié)和觸變變化4個(gè)階段,隨著處理工序的改變,其處理機(jī)理也有變化?？煞譃槟芰哭D(zhuǎn)換與夯坑沖剪破壞,在這個(gè)階段中,由于采取了較小的夯擊能和較低的夯擊遍數(shù),坑壁四周土體遭受破壞較小,夯坑表面隆起也較小,并可杜絕丟錘現(xiàn)象;超孔隙水壓力上升與消散階段,因加強(qiáng)了排水體系的設(shè)置和夯能的降低,其孔隙水壓力增量較小,消散加快,且不會(huì)出現(xiàn)上層土體結(jié)構(gòu)的破壞與液化;固結(jié)壓密階段軟粘土地基固結(jié)過(guò)程相對(duì)較慢,因采取了排水體系的設(shè)置,縮短了孔壓消散時(shí)間加快了固結(jié)過(guò)程;觸變固化與強(qiáng)度提高階段,因較低的夯擊能消除了液化區(qū)和破壞區(qū),因而表層土體的強(qiáng)度提高較大,強(qiáng)夯效果明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

強(qiáng)夯對(duì)粗顆粒非飽和土、含水量不大的素填土和雜填土以及濕陷性黃土的處理已日趨成熟,但對(duì)于含水量高的軟土,一些教科書(shū)或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中都有明確規(guī)定不宜采用或不能采用強(qiáng)夯法進(jìn)行處理尤其是飽和粘性土,并存在一些失敗工程的例子。但強(qiáng)夯法所具有的設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)易行、處理迅速的優(yōu)點(diǎn)能成功地運(yùn)用于處理高含水量軟土中,則能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此,強(qiáng)夯加固軟土機(jī)理的研究在工程實(shí)際運(yùn)用中具有十分重要的意義。

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