曹妃甸吹填砂土地基強(qiáng)夯施工工藝試驗研究

郭玉彬，李虹

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實驗室，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實驗室，天津 300222；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

強(qiáng)夯法加固地基具有設(shè)備簡單、施工方便、經(jīng)濟(jì)易行、效果顯著等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在實踐中被證實是一種很好的地基處理方法，尤其是對砂土地基，其經(jīng)濟(jì)性和加固效果更為顯著，但對軟黏土地基，一般教科書或工程標(biāo)準(zhǔn)中都明確規(guī)定不宜或不能采用強(qiáng)夯[1]。曹妃甸圍海造陸過程中采用的吹填土以粉細(xì)砂為主，但由于造陸規(guī)模巨大，受工藝、環(huán)境、資源和經(jīng)濟(jì)多方面影響和制約，目前的吹填土中多混有淤泥、淤泥質(zhì)土等軟黏土，由此形成的陸域地基會存在黏土夾層甚至較厚的軟黏土層，對這類地基土采用強(qiáng)夯法加固效果如何，以及如何選取合理的強(qiáng)夯施工工藝和施工參數(shù)等值得研究。本文結(jié)合曹妃甸礦石碼頭二期工程堆場地基強(qiáng)夯試驗區(qū)的施工過程及監(jiān)測和檢測

結(jié)果，對強(qiáng)夯法加固存在黏土夾層的吹填粉細(xì)砂土

地基的施工工藝進(jìn)行研究和分析。

1 場地地質(zhì)條件

曹妃甸礦石碼頭二期工程堆場場地原始地基為淺海及灘涂，通過吹填外海海底粉細(xì)砂土形成陸域，場地地下水位較高，一般埋深在1.5 m左右，最高處埋深僅0.4 m。受原始地基地形影響，整個工程場地吹填土厚度不均勻，最厚處約13.0 m左右、最薄處僅5.0～7.0 m左右，且吹填土土質(zhì)也不均勻，以粉細(xì)砂為主，夾淤泥質(zhì)黏土薄層，局部黏性土呈層狀或與粉細(xì)砂呈互層狀分布。典型的工程場地地質(zhì)剖面見圖1。

2 強(qiáng)夯試驗

2.1 試驗區(qū)布置

根據(jù)場地地質(zhì)情況，本次試驗選擇有代表性的場地布置了兩塊試驗區(qū)（面積均為28.0 m×28.0 m），其中，第一塊試驗區(qū)（薄夾層區(qū)）吹填土層厚度6.5 m左右，地下水位埋深約1.0 m，主要土層為吹填粉細(xì)砂（夾淤泥質(zhì)黏土薄層或淤泥質(zhì)黏土層）、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等；第二塊試驗區(qū)（厚砂層區(qū)）吹填土層厚度12.0 m左右，地下水位埋深約1.5 m，主要土層為吹填粉細(xì)砂（夾淤泥質(zhì)黏土薄層）、淤泥質(zhì)黏土、第四系海陸交互相沉積層（粉細(xì)砂）等。兩塊試驗區(qū)夯點(diǎn)布置示意見圖2。

圖1 場地典型地質(zhì)剖面圖Fig.1 Typical geological section map of the site

圖2 試驗區(qū)夯點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Sketch map of the arrangement of tamping pointsin test area

2.2 強(qiáng)夯機(jī)具與施工參數(shù)

本次試驗薄夾層區(qū)采用50 t履帶式夯機(jī)、自動脫鉤裝置，點(diǎn)夯夯錘底面直徑2.2 m、錘重15.2 t，普夯夯錘底面直徑2.3 m、錘重11.5 t；厚砂層區(qū)采用門架式夯機(jī)、自動脫鉤裝置，點(diǎn)夯夯錘底面直徑2.5 m、錘重27.2 t，普夯夯錘底面直徑2.3 m、錘重11.5 t。

根據(jù)梅納經(jīng)驗公式[2]，結(jié)合各試驗區(qū)地質(zhì)條件和處理要求，經(jīng)經(jīng)驗計算，擬定各試驗區(qū)強(qiáng)夯主要施工參數(shù)見表1。

表1 強(qiáng)夯試驗主要施工參數(shù)Table1 Main construction parametersof the dynamic consolidation test

2.3 試驗施工情況

由于場地地下水位較高，施工前場地整平過程中，整平機(jī)械的振動引起淺層砂土出現(xiàn)液化現(xiàn)象并有地下水涌出。為此，在正式點(diǎn)夯之前先在場地兩側(cè)開挖排水溝，并用推土機(jī)進(jìn)行振動碾壓排水，然后再按照擬定的施工參數(shù)強(qiáng)夯。夯擊過程中，對每擊夯沉量、隆起量、孔隙水壓力變化等均作詳細(xì)記錄；強(qiáng)夯施工完成后采用標(biāo)貫試驗對強(qiáng)夯加固效果進(jìn)行檢測。

碾壓排水后按第一遍點(diǎn)夯的技術(shù)要求先進(jìn)行單點(diǎn)夯擊試驗，結(jié)果薄夾層區(qū)僅夯3擊、厚砂層區(qū)僅夯1～2擊就出現(xiàn)嚴(yán)重吸錘現(xiàn)象，提錘后，由于地基砂土內(nèi)超靜水壓力的浮托作用，夯坑坑底隆起與原地面平齊，并有大量地下水涌出，同時夯點(diǎn)周圍5 m范圍內(nèi)砂土也出現(xiàn)液化現(xiàn)象。針對這種情況，現(xiàn)場決定點(diǎn)夯之前，在第一、二遍夯點(diǎn)上再進(jìn)行一遍排水點(diǎn)夯，夯擊能1 500～2 000 kN·m、單點(diǎn)擊數(shù)3～5擊，以促使地基排水，待孔隙水壓力消散達(dá)到75%以上后再進(jìn)行正式點(diǎn)夯施工。

薄夾層區(qū)排水點(diǎn)夯完成后正式點(diǎn)夯過程中沒有再出現(xiàn)吸錘及液化現(xiàn)象；厚砂層區(qū)吹填土層較厚，單擊夯擊能5 000 kN·m才能滿足加固深度要求，但由于吹填砂土太過松散，正式點(diǎn)夯時雖然沒有出水現(xiàn)象，但點(diǎn)夯僅夯2～3擊夯坑深度就達(dá)到1.0 m左右，造成起錘困難。為此，現(xiàn)場及時調(diào)整試驗施工工藝，在夯點(diǎn)間距和布置不變的情況下增加夯擊遍數(shù)，同時減少單點(diǎn)擊數(shù)，即將第一遍點(diǎn)夯分解為兩遍夯，先整體夯3～4擊，場地整平后再在一遍夯點(diǎn)上進(jìn)行夯擊，但實際結(jié)果第二遍仍然只夯3～4擊即起錘困難。鑒于此，現(xiàn)場施工工藝最終改為兩遍夯均邊填料邊強(qiáng)夯，填料采用場地內(nèi)試驗區(qū)外的吹填砂，同時調(diào)整單點(diǎn)夯的終錘控制標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)計要求的第一、二遍夯最后兩擊夯沉量之和分別小于20 cm、15 cm調(diào)整為分別不大于22 cm和17 cm。

3 強(qiáng)夯施工工藝與加固效果分析

3.1 單點(diǎn)擊數(shù)與夯擊能量

強(qiáng)夯單點(diǎn)夯擊次數(shù)（夯擊能量）的確定一般以夯坑的壓縮量最大、夯坑周圍隆起量最小為原則，同時還要滿足最后兩擊夯沉量之和、之差的限值控制。本次試驗兩塊試驗區(qū)典型的夯點(diǎn)擊數(shù)與夯沉量及夯點(diǎn)周圍隆起量關(guān)系曲線見圖3、4。

從圖中可以看出，兩塊試驗區(qū)單點(diǎn)累計夯沉量曲線均隨擊數(shù)增加而增加，薄夾層區(qū)的夯沉量曲線逐漸趨于平緩，說明隨夯擊數(shù)（夯擊能量）的增加地基土均衡下沉、越壓越密實，夯擊數(shù)達(dá)到7～8擊左右時，最后兩擊夯沉量之和小于12 cm、之差小于4 cm，累計夯沉量已達(dá)到1.0 m左右，距夯點(diǎn)中心3.0 m左右的地基隆起量也不再增加，說明再夯擊對地基土的壓縮效果已不明顯；厚砂區(qū)雖然采用了邊填料邊夯擊的方式，但夯擊數(shù)到12擊左右時夯沉量曲線仍呈下降趨勢，最后兩擊夯沉量之差小于4 cm、之和仍達(dá)到17 cm左右，夯點(diǎn)周圍隆起量持續(xù)增加，說明強(qiáng)夯造成地基土側(cè)向擠出效應(yīng)明顯，而對地基土的壓縮效果不明顯，相應(yīng)的強(qiáng)夯施工工藝需要調(diào)整。

3.2 夯擊遍數(shù)與間歇時間

夯擊遍數(shù)和間歇時間與地基強(qiáng)夯過程中超靜孔隙水壓力消散速度有關(guān)，本次試驗兩塊試驗區(qū)典型的超靜孔隙水壓力消散時程曲線見圖5。

圖3 單點(diǎn)夯擊累計夯沉量曲線Fig.3 Cumulativesettling amount curvesof point compaction

圖4 單點(diǎn)夯擊夯點(diǎn)周圍隆起量與擊數(shù)關(guān)系曲線Fig.4 The upheaval amount around the tamping points and tamping number relation curves

考慮到試驗區(qū)存在黏土夾層，試驗方案設(shè)計時擬定的每遍夯間歇時間為7 d，但從圖5中曲線可以看出，孔壓消散時間一般在8～10 h，比一般的吹填粉細(xì)砂地基中3～5 h的孔壓消散時間[3]要長，但仍比設(shè)計擬定的間歇時間短，因此，為了加快施工進(jìn)度，實際強(qiáng)夯施工時每遍夯之間間隔10 h左右即可進(jìn)行下一遍夯擊。

由于強(qiáng)夯施工時每擊間隔時間僅幾分鐘，而每擊引起的超靜孔壓消散需要8 h左右，當(dāng)夯擊能量（擊數(shù)）逐漸增大時，地基土中孔隙水壓力因來不及消散而產(chǎn)生疊加，并逐漸趨于恒定值，從而造成繼續(xù)夯擊時的能量大部分由孔隙水承擔(dān)，而難以傳至土顆粒結(jié)構(gòu)上。為了使土顆粒壓密，確保強(qiáng)夯加固效果，必須間隔一段時間，以使孔隙水壓力消散。本次試驗過程中測得薄夾層區(qū)夯擊6～7擊、厚砂層區(qū)夯擊9擊左右后孔隙水壓力即趨近于恒值，因此，薄夾層區(qū)宜每遍夯6～7擊、厚砂層區(qū)宜每遍夯9擊左右，夯擊遍數(shù)可為 2～3遍。

圖5 超靜孔隙水壓力消散時程曲線Fig.5 Timetravel curveof excessporewater pressuredissipation

3.3 加固效果分析

強(qiáng)夯加固效果檢測采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，試驗采用63.5 kg重錘，落距76 cm、自動落錘方式。夯前數(shù)據(jù)采用試驗區(qū)所在位置處勘察孔的標(biāo)貫數(shù)據(jù)，每個試驗區(qū)1孔，夯后每個試驗區(qū)測試3孔。從標(biāo)貫曲線（圖6）可以看出，夯后地基土標(biāo)貫擊數(shù)顯著提高，薄夾層區(qū)和厚砂層區(qū)提高分別達(dá)到147%和295%，但結(jié)合地質(zhì)條件，強(qiáng)夯對存在黏土夾層的區(qū)域加固效果并不明顯。兩塊試驗區(qū)在標(biāo)高-5.0 m左右均存在黏土層，薄夾層區(qū)為較薄的黏土夾層，其標(biāo)貫擊數(shù)有所提高，但提高比例較小，厚砂層區(qū)為2～3 m的黏土層，其標(biāo)貫擊數(shù)較夯前反而有所降低，分析原因可能是軟黏土存在觸變性所致。

圖6 夯前夯后標(biāo)貫試驗曲線Fig.6 Standard penetration test curve before and after temping

根據(jù)標(biāo)貫試驗結(jié)果，結(jié)合孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果分析，本次試驗兩塊試驗區(qū)強(qiáng)夯有效加固深度分別達(dá)到8 m和10 m左右，加固深度范圍內(nèi)除表層1～2 m和存在黏土夾層的區(qū)域外，其余地層的地基承載力均達(dá)到250 kPa以上，強(qiáng)夯加固效果明顯。

4 結(jié)語

1）對存在較高地下水位的區(qū)域，可以先采用振動碾壓或低能量點(diǎn)夯的方式促使地基土液化、排水，然后再進(jìn)行正式點(diǎn)夯。

2） 對以粉細(xì)砂為主、存在薄黏土夾層的區(qū)域，采用本次試驗薄夾層區(qū)相應(yīng)的強(qiáng)夯施工工藝及施工參數(shù)是可行的，地基加固效果明顯；對吹填粉細(xì)砂較厚的區(qū)域，強(qiáng)夯施工工藝及參數(shù)需進(jìn)行調(diào)整，可采取降低夯擊能、增加夯擊遍數(shù)等措施，以確保地基加固效果；

3） 強(qiáng)夯對粉細(xì)砂土地基的加固效果是顯著的，但對存在黏土夾層的地層加固效果有限，甚至有可能因強(qiáng)夯擾動而造成軟黏土層的強(qiáng)度降低，在工程應(yīng)用時應(yīng)注意。

[1] 鄭穎人，陸新，李學(xué)志，等.強(qiáng)夯加固軟黏土地基的工藝研究[C]//第八屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會議論文集.中國土木工程學(xué)會，1999.ZHENG Ying-ren，LU Xin，LI Xue-zhi，et al.Research on technology of improvingsoft clay with DCM[C]//The eighth soil mechanics and geotechnical engineering academic conference proceedings.China Civil Engineering Society，1999.

[2]《地基處理手冊》編寫委員會.地基處理手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.The foundation treatment manual Compilation Committee.Foundation treatment manual[M].Beijing：China Architecture ＆ Building Press，1994.

[3] 王連新.珠海機(jī)場粉細(xì)砂地基強(qiáng)夯處理研究[J].人民長江，1999，30（5）：37-39.WANGLian-xin.Research on dynamic consolidation of fines sand foundation in Zhuhai airport[J].Yangtze River，1999，30（5）：37-39.