強(qiáng)夯法在吹砂填海地基加固中的應(yīng)用分析

曾力娟,李 強(qiáng),于元峰

(北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司,北京 100144）

強(qiáng)夯法在吹砂填海地基加固中的應(yīng)用分析

曾力娟,李 強(qiáng),于元峰

(北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司,北京 100144）

通過強(qiáng)夯法在首鋼京唐曹妃甸鋼鐵公司吹填砂地基處理工程中的應(yīng)用情況和成功經(jīng)驗(yàn),對(duì)強(qiáng)夯設(shè)計(jì)、施工參數(shù)、加固效果進(jìn)行了分析,為相似工程提供參考。

吹填砂;強(qiáng)夯法;地基處理;曹妃甸

0 引言

首鋼搬遷方案于2005年年初獲國務(wù)院批準(zhǔn),并被列為國家“十一五”重點(diǎn)工程項(xiàng)目,河北省重點(diǎn)工程項(xiàng)目一號(hào)工程。擬建工程填海面積達(dá)20萬km2,填海規(guī)模居我國首位。

為加快鋼鐵廠建設(shè)的工程進(jìn)度,采取邊吹填、邊開發(fā)的模式進(jìn)行建設(shè)。場(chǎng)地上部吹填形成厚度約5 m左右的海砂,由于吹填時(shí)間短,沒有經(jīng)過排水壓密,為欠固結(jié)土,工程力學(xué)性質(zhì)差、承載力低,并且臨近無工程資料可供參考。為了不影響后續(xù)工程建設(shè)的開展,選擇加固效果好、工期短和造價(jià)低廉的地基處理方案尤為重要。

根據(jù)曹妃甸鋼鐵廠建設(shè)場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的特點(diǎn),在前期進(jìn)行了真空動(dòng)力固結(jié)和強(qiáng)夯法進(jìn)行試驗(yàn),兩種方法地基加固效果明顯,但相對(duì)真空動(dòng)力固結(jié)法,強(qiáng)夯法造價(jià)低,工期短,因此被推薦為首選方案。通過2006年以來3年多的道路區(qū)域及工業(yè)廠區(qū)地基處理工程實(shí)踐,強(qiáng)夯法取得了明顯的效果,現(xiàn)對(duì)取得的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié),以求對(duì)今后的工程施工起到一定的指導(dǎo)作用。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

擬建廠區(qū)地貌上屬于濱海淺灘。曹妃甸一帶為灤河三角洲平原海岸,具有雙重岸線特征,其中內(nèi)側(cè)大陸岸線為沿灤河古三角洲前沿發(fā)育的沖積海積平原。沿岸多鹽田,潮灘發(fā)育。外側(cè)島嶼岸線與大陸岸線走向基本一致,由蛤坨、腰坨和曹妃甸沙島群構(gòu)成沙質(zhì)海灘,其南端的曹妃甸島由12個(gè)沙島組成,西南端最大,最高處有少量沙生植物,內(nèi)外岸線間為寬闊的淺水海灘,低潮時(shí)部分出露,且地形平坦,東西兩側(cè)潮溝最大水深為2～5 m,曹妃甸沙島位居渤海灣北岸岸線轉(zhuǎn)折處,尤如磯頭和岬角緊貼渤海灣深槽(深槽的水深20～30 m）。

場(chǎng)地進(jìn)行人工吹填后,地形基本平坦,地面高程2.70～4.23 m,平均3.52 m。

1.2 地層巖性

根據(jù)勘察結(jié)果,曹妃甸地區(qū)在深度20.0 m范圍內(nèi)的地層主要為人工吹填砂(Q4ml）和第四系全新統(tǒng)海相沉積(Q4

m）的砂類土,具體的地層主要特征見表1。

1.3 地下水

地下水位埋深0.5～1.5 m,平均為1.02 m。

2 強(qiáng)夯試驗(yàn)

2.1 試夯參數(shù)

為了獲取曹妃甸地區(qū)強(qiáng)夯參數(shù),在吹填工作完成后,在工程場(chǎng)地分別進(jìn)行了1500、2000、3000和4000 kN·m四個(gè)不同夯擊能的強(qiáng)夯試驗(yàn),試夯參數(shù)見表2。2.2 試驗(yàn)結(jié)論

表1 地層巖性主要特征一覽表

表2 試夯參數(shù)

(1）通過強(qiáng)夯試驗(yàn)夯后標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探、面波、淺層平板載荷以及強(qiáng)夯振動(dòng)地面加速度測(cè)試等試驗(yàn),夯后效果明顯,各參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 夯后各指標(biāo)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

(2）通過各夯擊能下地基土中孔隙水壓力觀測(cè),夯后0.5 h內(nèi)可消散超靜孔隙水壓力的65%～80%,在夯后4 h內(nèi)已基本消散。因此建議強(qiáng)夯每遍間隔時(shí)間不宜少于4 h。

(3）通過場(chǎng)區(qū)標(biāo)貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算,強(qiáng)夯影響深度范圍內(nèi)砂層夯后液化現(xiàn)象消除。

3 強(qiáng)夯方案選擇及施工參數(shù)

3.1 強(qiáng)夯方案選擇

根據(jù)強(qiáng)夯試驗(yàn)結(jié)果和場(chǎng)地建筑物荷載情況,場(chǎng)區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域在消除液化后進(jìn)行復(fù)合地基和樁基施工,地基承載力提高至220 kPa,因此場(chǎng)地主要采用3000 kN·m夯擊能進(jìn)行處理。

道路區(qū)域荷載較小,承載力達(dá)200 kPa即可,因此采用2500 kN·m夯擊能。

3.2 強(qiáng)夯施工

由于上部吹填土形成時(shí)間短、含水量大且地下水埋深淺,其天然地基承載力很小,部分區(qū)域夯機(jī)進(jìn)入即陷沉,給施工造成極大困難。因此對(duì)該土層進(jìn)行強(qiáng)夯處理,必須首先解決降水、排水問題。

前期場(chǎng)地通過開挖明溝、強(qiáng)力擾動(dòng)進(jìn)行排水,地下水經(jīng)過強(qiáng)力擾動(dòng)涌出后,場(chǎng)地表層強(qiáng)度便提高很多,然后采用超濕地180推土機(jī)進(jìn)行橫縱交錯(cuò)的強(qiáng)力碾壓2～3遍。以上步驟完成,經(jīng)過1～2天的晾曬后,再碾壓一遍,即可達(dá)到夯機(jī)進(jìn)入不下陷。

另外現(xiàn)場(chǎng)施工中,由于場(chǎng)地是圍海造地,水力分選作用導(dǎo)致圍堰出水口處積聚了有限范圍的厚層粘性土,該范圍內(nèi)吹填土以淤泥質(zhì)粘性土為主,含水量大,大于液限,水分難以排出。根據(jù)此種情況,現(xiàn)場(chǎng)采用了山皮石修道擠入、換土混砂后強(qiáng)夯的方案,較好地解決了地表吹填形成的淤泥質(zhì)土問題。

強(qiáng)夯參數(shù)如下:

(1）夯錘底直徑2000～2500 mm,高度1000 mm,夯錘質(zhì)量20 t;單擊夯擊能2500～3000 kN·m,提升高度15.0～18.0 m[1]。

(2）主夯

夯點(diǎn)間距:5 m×5 m;四個(gè)點(diǎn)夾一個(gè)點(diǎn)形成梅花形布置,見圖1。

圖1 主夯點(diǎn)示意圖

夯擊遍數(shù):點(diǎn)夯2遍。

夯擊擊數(shù):第一遍點(diǎn)夯8～10擊,第二遍點(diǎn)夯7～9擊。

夯錘落距:落距=夯擊能/錘重。

停錘標(biāo)準(zhǔn):最后兩擊夯沉量之和不大于10 cm。

(3）滿夯

滿夯搭界:1/4錘底面積,夯擊能1000 kN·m;夯擊遍數(shù):1遍;

夯擊擊數(shù):1擊;

每遍夯后間歇時(shí)間:3天。

4 強(qiáng)夯檢測(cè)結(jié)果及分析

4.1 夯前指標(biāo)

根據(jù)各場(chǎng)地夯前場(chǎng)地勘察報(bào)告綜合統(tǒng)計(jì),上部各層土力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 夯前土層力學(xué)參數(shù)

由夯前各地層物理力學(xué)指標(biāo)可以看出,①層吹填土處于松散狀態(tài),③層粉細(xì)砂處于松散～稍密狀態(tài),并且壓縮模量較小,地基承載力較低。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2001）計(jì)算,①層、③層粉細(xì)砂處于中等～嚴(yán)重液化狀態(tài)。

4.2 強(qiáng)夯處理

經(jīng)3000 kN·m夯擊能處理后,場(chǎng)地②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土厚度小于1.5 m區(qū)域各地層力學(xué)參數(shù)見表5。

表5 3000 kN·m夯擊能處理后土層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)夯前勘察和3000 kN·m夯擊能處理檢測(cè)報(bào)告統(tǒng)計(jì),按各參數(shù)夯后和夯前比率繪制柱形圖2。

圖2 夯前夯后各地層參數(shù)比率柱形圖

由表4、表5和圖2可以看出:采用3000 kN·m夯擊能時(shí),各層土的力學(xué)性能比未處理前均有明顯提高,尤其是①層吹填土提高幅度最大,標(biāo)貫擊數(shù)和靜探錐頭指標(biāo)提高了150%,地基承載力提高了160%,壓縮模量增加了3倍;②層粉粘和③層粉細(xì)砂地基承載力提高了90%以上;同時(shí)①層吹填土和③層粉細(xì)砂消除了液化。

經(jīng)2500 kN·m夯擊能處理后,場(chǎng)地②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土厚度小于1.5 m區(qū)域各地層力學(xué)參數(shù)見表6。

對(duì)比表4、5、6的數(shù)據(jù)可知:采用2500 kN·m夯擊能時(shí),各層土的力學(xué)性能比未處理前均有明顯提高,但相對(duì)3000 kN·m夯擊能提高幅度較小。根據(jù)標(biāo)貫數(shù)據(jù)計(jì)算采用2500 kN·m夯擊能夯后①層吹填土和③層粉細(xì)砂消除了液化。

表6 2500 kN·m夯擊能處理后土層力學(xué)參數(shù)

4.3 淤泥質(zhì)土影響

施工中發(fā)現(xiàn),同樣采用3000 kN·m夯擊能處理,局部區(qū)域由于②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土厚度較厚,對(duì)②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和③層粉細(xì)砂強(qiáng)夯效果影響較大。經(jīng)統(tǒng)計(jì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)礦石料場(chǎng)區(qū)②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土大于1.5 m強(qiáng)夯檢測(cè)結(jié)果,各地層力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表7。

表7 ②層厚度大于1.5 m區(qū)域夯后土層力學(xué)參數(shù)

由表7數(shù)據(jù)可以看出,經(jīng)3000 kN·m夯擊能處理后,各層土力學(xué)指標(biāo)相對(duì)夯前指標(biāo)都有提高,但相對(duì)②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土小于1.5 m區(qū)域,指標(biāo)提高幅度較小。

由于局部區(qū)域②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土厚度過大,消弱了夯擊能向③層粉細(xì)砂的傳遞,導(dǎo)致下部粉細(xì)砂強(qiáng)度提高受到影響。②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土由于其處在超飽和狀態(tài),粘粒含量較高,排水條件不好,強(qiáng)夯效果不理想。

5 結(jié)論及建議

(1）相對(duì)其它地基處理方法,強(qiáng)夯法具有設(shè)備簡單,施工方便、施工期短、施工費(fèi)用低等特點(diǎn),經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(2）通過場(chǎng)地強(qiáng)夯,加速了上部吹填土地基固結(jié),減少了工程建設(shè)周期,確保了土建工程的順利進(jìn)行;強(qiáng)夯施工應(yīng)在圍海造地6個(gè)月之后進(jìn)行,利于設(shè)備進(jìn)入,效果良好。

(3）通過夯前夯后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、面波測(cè)試結(jié)果的對(duì)比,淤泥質(zhì)土小于1.5 m的區(qū)域,強(qiáng)夯影響深度能達(dá)10 m,夯后影響深度范圍內(nèi)各地層力學(xué)指標(biāo)均有提高,地基承載力提高100%以上,同時(shí)消除了場(chǎng)地液化現(xiàn)象,強(qiáng)夯效果顯著,處理地基的均勻性較好。

(4）對(duì)于采用天然地基的料場(chǎng)等大范圍堆載區(qū)域,經(jīng)強(qiáng)夯處理后,應(yīng)該按照分級(jí)堆載的原則,待前期預(yù)壓荷載下地基土的強(qiáng)度增長滿足下一級(jí)荷載下地基的穩(wěn)定性要求后再加載,防止加載過快造成地基破壞。

(5）對(duì)于局部淤泥質(zhì)土較厚的區(qū)域,工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)荷載及建構(gòu)筑物情況考慮其不利影響:

①道路區(qū)域,可以采用換填法進(jìn)行處理;

②采用增加排水溝、袋裝砂井等方式增加排水通道,加速軟土固結(jié);

③可以通過復(fù)夯,即采用普通強(qiáng)夯錘2遍點(diǎn)夯后,填平夯坑再次進(jìn)行復(fù)夯,根據(jù)淤泥土厚度情況確定夯擊次數(shù),達(dá)到提高地基承載力的效果;

④也可采用真空堆載預(yù)壓法或真空動(dòng)力固結(jié)法進(jìn)行地基處理,能夠取得更好的效果。

[1] JGJ 79-2002,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 白李妍.強(qiáng)夯法和強(qiáng)夯置換法在深厚人工填土層中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2007,34(12）:39-41.

[3] 劉世奇,陳靜曦,潘冬子.強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基的效果分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2004,31(6）:19-21.

[4] 陳昌富,李樹偉,張曉欣.某試驗(yàn)區(qū)吹填軟基處理工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2009,36(7）:46-49.

Application and Research on Dynam ic Compaction M ethod to Hydraulic Fill Sand Foundation Bed Treatment

ZENG Li-juan,L I Q iang,YU Yuan2feng(Beijing Aidi Geotechnical Investigation&Foundation Engineering Company, Beijing 100144,China）

Analysiswasmade on the dynamic consolidation design,construction parameters and reinforcement effects by the application and successful experience of hydraulic fill sand foundation treatment with dynamic compaction method in Shougang Jingtang Caofeidian SteelUnited Company,which could be the reference for the similar projects.

hydraulic fill sand;dynamic compaction method(DCM）;foundation treatment;Caofeidian

TU472

:A

:1672-7428(2010）06-0067-04

2010-01-27;

2010-03-04

曾力娟(1982-）,女(漢族）,湖北天門人,北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司注冊(cè)巖土工程師,巖土工程專業(yè),從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作,北京市石景山區(qū)晉元莊路23號(hào),zenglijuanyu@126.com。