基于孔壓監(jiān)測(cè)的強(qiáng)夯置換和砂井-強(qiáng)夯處理飽和軟土地基試驗(yàn)研究

劉紅軍， 吳 騰， 馬 江， 王 虎

(1.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；3.青島時(shí)代建筑設(shè)計(jì)有限公司， 山東 青島 266500)

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技術(shù)報(bào)告

基于孔壓監(jiān)測(cè)的強(qiáng)夯置換和砂井-強(qiáng)夯處理飽和軟土地基試驗(yàn)研究

劉紅軍1,2， 吳 騰2， 馬 江3， 王 虎2

(1.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；3.青島時(shí)代建筑設(shè)計(jì)有限公司， 山東 青島 266500)

在青島某飽和軟土場(chǎng)區(qū)采用強(qiáng)夯置換和砂井-強(qiáng)夯2種不同方案進(jìn)行試夯試驗(yàn)。在試驗(yàn)區(qū)距夯點(diǎn)不同距離、不同深度的土層中埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)，通過觀測(cè)，分析試夯過程中超孔隙水壓力的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：2000～2500kN·m夯擊能作用下，點(diǎn)夯試驗(yàn)最佳夯擊數(shù)為強(qiáng)夯置換14擊、砂井強(qiáng)夯16擊，且2種方案強(qiáng)夯有效加固深度均可達(dá)6m；強(qiáng)夯置換區(qū)塊距離夯點(diǎn)越近，超孔隙水壓力累積幅值越大，而砂井-強(qiáng)夯區(qū)塊這一趨勢(shì)則不明顯；砂井-強(qiáng)夯區(qū)塊較強(qiáng)夯置換區(qū)快地基具有更好的均勻性，但其夯后超孔隙水壓力消散速度比后者慢；孔壓監(jiān)測(cè)是確定強(qiáng)夯參數(shù)，了解加固深度，評(píng)價(jià)加固效果的有效手段。

超孔隙水壓力；砂井；強(qiáng)夯；強(qiáng)夯置換

1969年法國工程師L.Menard提出使用強(qiáng)夯法[1]加固地基以來，隨著實(shí)踐和研究的發(fā)展，該技術(shù)取得不斷完善。1978年，中國引進(jìn)該技術(shù)并在工程實(shí)踐中予以研究，許多學(xué)者在強(qiáng)夯機(jī)理[2]、模型計(jì)算[3-4]等方面做了大量工作，同時(shí)也對(duì)強(qiáng)夯法的工藝做出一定改進(jìn)和補(bǔ)充，例如1986年煙臺(tái)大學(xué)文8樓地基處理率先使用了不斷填碎石-夯擊的強(qiáng)夯置換技術(shù)；朱文凱、趙建國對(duì)設(shè)置砂井與強(qiáng)夯法聯(lián)合法加固軟黏土地基機(jī)制的初探[5]。研究表明，強(qiáng)夯置換法尤其適用于淤泥質(zhì)地基和軟土地基，而砂井-強(qiáng)夯則在地下水位埋深較淺、地基土含水率較高時(shí)效果突出，但目前對(duì)同一飽和軟土地基采用以上兩種處理方式的對(duì)比試驗(yàn)還鮮有研究。本文依托青島某化工場(chǎng)區(qū)地基處理實(shí)例，通過對(duì)試驗(yàn)區(qū)超孔隙水壓力的觀測(cè)和分析，為強(qiáng)夯施工方案的選擇提供依據(jù)。

工程擬建化工原料儲(chǔ)罐，根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地地層以飽和粉砂粉土為主，綜合分析決定在試驗(yàn)區(qū)采用強(qiáng)夯置換和砂井-強(qiáng)夯兩種地基處理方式，并進(jìn)行孔隙水壓力監(jiān)測(cè)。根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理：

μ=σ-σ′

(1)

其中：μ為孔隙水壓力；σ為總應(yīng)力；σ′為有效應(yīng)力，總應(yīng)力不變時(shí)有效應(yīng)力和孔隙水壓力可以相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)土體受到外力擠壓時(shí)，土中原有水壓力也會(huì)上升，上升的這部分壓力就是超孔隙水壓力，簡(jiǎn)稱超孔壓。地基內(nèi)部超孔壓在強(qiáng)夯作用下會(huì)迅速增長(zhǎng)并隨著強(qiáng)夯結(jié)束而消散，其消散過程與土體壓縮排水應(yīng)力轉(zhuǎn)移以及土體強(qiáng)度的增大同時(shí)發(fā)生。所以對(duì)超孔壓的監(jiān)測(cè)是控制軟基施工進(jìn)度的基本依據(jù), 亦是了解加固深度、評(píng)價(jià)加固效果的有效手段[6-7]。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

工程場(chǎng)地原為養(yǎng)蝦池、鹽池，場(chǎng)區(qū)以粉砂和粉土為主，地下水形態(tài)類型為第四系孔隙潛水，勘察期間為青島地區(qū)的豐水期，地下水穩(wěn)定水位埋深在2.0m左右，根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)區(qū)地層在勘察深度范圍內(nèi)可分為6層，各土層性質(zhì)及力學(xué)指標(biāo)見表1。

2 試驗(yàn)方案

試夯方案設(shè)計(jì)了兩塊試驗(yàn)區(qū)，基本情況如下：I區(qū)：布置在場(chǎng)地西南側(cè)，面積20m×25m=500m2。將場(chǎng)地整平至標(biāo)高3.0m，夯點(diǎn)按正方形布置，夯點(diǎn)間距5m，采用2000～2500kN·m的單擊夯擊能，錘重19T，夯錘直徑1.5m；夯點(diǎn)間預(yù)先施工排水砂井，井徑300～350mm，井間距5.0m，井深6m。

II區(qū)：布置在場(chǎng)地中部，面積30m×30m=900m2，將場(chǎng)地整平至標(biāo)高3.0m，夯點(diǎn)按按正方形布置，夯點(diǎn)間距5m，采用2000～2500kN·m的單擊夯擊能，錘重19T，夯錘直徑1.5m，采用強(qiáng)夯置換法，夯填料采用碎石、建筑垃圾等硬質(zhì)材料。

為了對(duì)方案的選擇做出依據(jù)，觀測(cè)2個(gè)夯點(diǎn)之間范圍內(nèi)土體超孔壓變化情況。設(shè)置測(cè)點(diǎn)位于距夯錘邊緣1、2m處一條直線上，如圖1所示。

表1 試驗(yàn)區(qū)各土層性質(zhì)及力學(xué)指標(biāo)

圖1 測(cè)點(diǎn)布置平面圖Fig.1 Plane figure of the measuring point

為了充分觀測(cè)強(qiáng)夯加固范圍內(nèi)各土層的超孔壓變化情況，孔隙水壓力計(jì)的布設(shè)深度選取有代表性的2、4和6m，其剖面圖如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置剖面圖Fig.2 Cross-section of the measuring point

孔隙水壓力計(jì)為KYJ型振弦式，精度0.1kPa。在埋設(shè)前24h將孔隙水壓力計(jì)在水中浸泡排氣，在透水石上包裹兩層紗布以防泥漿堵塞。將孔隙水壓力計(jì)放入鉆孔中達(dá)到預(yù)定深度，通過數(shù)據(jù)線連接到地面以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在孔隙水壓力計(jì)附近上下0.5m內(nèi)加入中砂以保持滲透性，2個(gè)探頭之間加入0.5m厚的黏土球以隔絕探頭之間的水力聯(lián)系，防止孔隙水壓力沿著鉆孔方向滲透。

本次試夯孔壓監(jiān)測(cè)共埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)4組，其中強(qiáng)夯置換區(qū)塊兩組分別為ZH1、ZH2，砂井-強(qiáng)夯區(qū)塊2組分別為SJ1、SJ2，每組3個(gè)孔隙水壓力計(jì)，共計(jì)埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)12個(gè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 超孔壓隨夯擊數(shù)的變化規(guī)律

圖3～8列出了試驗(yàn)區(qū)不同深度和距離的測(cè)點(diǎn)超孔壓隨夯擊次數(shù)的變化曲線,分析曲線特點(diǎn)可以得出以下規(guī)律：

圖3 夯點(diǎn)1 ZH1超孔壓隨夯擊數(shù)變化規(guī)律Fig.3 Curves of relationship between excess pore waterpressure and compacting number (ZH1, No. 1 tamping point)

(1)從圖3～8可以看出，超孔壓隨著夯擊次數(shù)的增加而逐漸增大，其中前5擊迅速上升。置換區(qū)塊ZH1、ZH2在第10擊后上升趨勢(shì)逐漸趨于平緩；砂井區(qū)塊SJ1、SJ2第10擊后開始出現(xiàn)緩慢下降。表明超孔壓升高主要發(fā)生在單點(diǎn)夯擊前期沉降量較大階段，單點(diǎn)夯擊后期超孔壓上升已經(jīng)開始趨于緩慢，砂井區(qū)塊甚至已經(jīng)出現(xiàn)消散。

(2)從圖3、4、6可以看出，置換區(qū)塊ZH1、ZH2中2和4m處超孔壓上升幅值與變化趨勢(shì)均較為一致，并且明顯高于6m處超孔壓幅值，表明6m處土層具有較大的滲透性，2和4m處滲透性相對(duì)較差，這與勘察報(bào)告中6m處松散粉砂、2～4m處粉土的地質(zhì)條件較為一致。

圖4 夯點(diǎn)1 ZH2 超孔壓隨夯擊數(shù)變化規(guī)律Fig.4 Curves of relationship between excesspore water pressure and compactingnumber (ZH2, No. 1 tamping point)

圖5 夯點(diǎn)2 ZH1 超孔壓隨夯擊數(shù)變化規(guī)律Fig.5 Curves of relationship between excess pore waterpressure and compacting number (ZH1, No. 2 tamping point)

圖6 夯點(diǎn)2 ZH2 超孔壓隨夯擊數(shù)變化規(guī)律Fig.6 Curves of relationship between excesspore water pressure and compactingnumber (ZH2, No. 2 tamping point)

圖7 SJ1超孔壓隨夯擊數(shù)變化規(guī)律

圖8 SJ2超孔壓隨夯擊數(shù)變化規(guī)律

(3)從圖3、4可以看出，與夯點(diǎn)的距離對(duì)于超孔壓累積幅值具有較為明顯的影響。距離夯點(diǎn)越近，超孔壓累積幅值越大：距離夯錘邊緣1m的ZH1最大超孔壓接近20kPa，而距離夯錘邊緣2m的ZH2處最大超孔壓僅有10kPa左右。(4)從圖3～6可以看出，經(jīng)歷了對(duì)夯點(diǎn)1的夯擊，超孔壓上升并消散之后，在夯點(diǎn)2處夯擊時(shí)，超孔壓累積幅值已經(jīng)有所下降，并且不再超過第一次夯擊時(shí)的累積幅值，考慮到監(jiān)測(cè)點(diǎn)距夯點(diǎn)2為4～5m，與5m夯點(diǎn)距較接近，說明夯點(diǎn)距的設(shè)置是較為合適的。

(5)從圖7、8中可以看出，砂井區(qū)塊SJ1、SJ2在6m處超孔壓累積幅值最小，4m最大，其原因同(2)分析。而2m處幅值處于中間，相比置換區(qū)塊有所下降，體現(xiàn)了砂井向上排水的作用，2m處滲透路徑短，孔壓消散快。這與夯擊過程中觀察到的砂井冒水現(xiàn)象較為一致。

(6)與夯點(diǎn)的距離對(duì)砂井區(qū)塊SJ1、SJ2的影響不是很明顯，最大孔壓幅值均在15kPa左右，表明砂井復(fù)合地基各向異性減小，具有較好的均勻性。

(7)在試夯過程中，埋置于ZH1的6m處孔壓計(jì)在第20擊、埋置于SJ1的4、6m處孔壓計(jì)在第25擊時(shí)損壞無法繼續(xù)讀數(shù)，反映了強(qiáng)夯影響深度已達(dá)到6m。由于強(qiáng)夯擠壓作用導(dǎo)致的填料置換作用已經(jīng)達(dá)到夯點(diǎn)之外1m范圍之內(nèi)。

3.2 超孔壓消散規(guī)律

超孔壓隨時(shí)間變化規(guī)律如圖9～12所示。分析曲線特點(diǎn)可以得出超孔壓隨時(shí)間變化規(guī)律如下：

(1)不同深度處超孔壓都能夠較快消散，從圖9、10可以看出，ZH1、ZH2在夯點(diǎn)1夯擊完成后15h內(nèi)超孔壓消散幅度均已超過90%。表明試驗(yàn)區(qū)塊場(chǎng)地土層具有較好的滲透性，動(dòng)力固結(jié)作用較快。

圖9 ZH1超孔壓隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.9 Relationships between excess porewater pressure and time(ZH1)

圖10 ZH2超孔壓隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.10 Relationships between excesspore water pressure and time(ZH2)

圖11 SJ1超孔壓隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.11 Relationships between excess porewater pressure and time(SJ1)

圖12 SJ2超孔壓隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.12 Relationships between excess porewater pressure and time(SJ2)

(2)從圖9～12可以看出不同深度處超孔壓消散速度以6m為最快，4m次之，2m最慢，分析認(rèn)為是由于在砂井施工中泥漿池及沖孔泥漿對(duì)于上部土層擾動(dòng)較大造成的。ZH1、ZH2曲線中出現(xiàn)稍小于0的負(fù)值，可能是由于置換作用造成的擠壓使孔壓計(jì)周邊土體向上隆起，孔壓計(jì)位置上升造成的。

(3)從圖11、12可以看出，砂井區(qū)塊SJ1、SJ2在4和6m處超孔壓消散較快，2m相對(duì)較慢，但經(jīng)過24h也已消散90% 以上。超孔壓消散過程中有輕微的波動(dòng)，可能是由于地下水位輕微變動(dòng)造成。

4 討論

4.1 最佳夯擊數(shù)

試驗(yàn)區(qū)單擊夯沉量隨夯擊次數(shù)變化曲線如圖13所示，置換區(qū)塊在第二次填料夯擊后墩底能夠穿透軟弱土層，第16擊和第17擊的單擊沉降量分別為40和50mm；砂井區(qū)塊第14擊和15擊的單擊沉降量分別為50，40mm。根據(jù)規(guī)范[8]，在2000～2500kN·m的單擊夯擊能下最后兩擊的平均夯沉量不宜大于100mm，故可以將最佳夯擊數(shù)確定為強(qiáng)夯置換區(qū)塊16擊、砂井區(qū)塊14擊。

圖13 單擊沉降量隨夯擊次數(shù)變化曲線Fig.13 Relationships between each settlement and compacting number

由于粉土在夯擊時(shí)容易發(fā)生液化，故不能簡(jiǎn)單的以最后兩擊夯沉量的平均值作為止夯標(biāo)準(zhǔn)[9]。根據(jù)超孔壓增加規(guī)律，置換區(qū)塊在第10擊后超孔壓增加趨于平緩，15擊之后增加量幾乎為零；砂井區(qū)塊要使超孔壓增加趨于平緩需要10～15擊，在16擊后甚至出現(xiàn)消散，說明兩個(gè)區(qū)塊的最佳夯擊數(shù)均在15擊左右，這與通過夯沉量確定的最佳錘擊數(shù)較為一致，證明根據(jù)超孔壓變化規(guī)律來輔助確定最佳夯擊數(shù)是可行的。

4.2 夯點(diǎn)距

點(diǎn)夯的夯點(diǎn)距通?？扇″N徑的2.5～3.5倍[9]。試驗(yàn)區(qū)夯錘直徑1.5m，則夯點(diǎn)距宜為3.75～5.25m。若夯點(diǎn)緊接，應(yīng)力疊加(見圖14(b))，效率降低，所以從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)應(yīng)按圖14(a)布置，夯點(diǎn)距取5m。

ZH2、SJ2與所在區(qū)塊夯點(diǎn)1的夯錘中心距離均為2.75m，可近似視為在2夯點(diǎn)中心，既2夯點(diǎn)在此處產(chǎn)生的超孔壓相同。ZH2與SJ2在6m處產(chǎn)生的最大超孔壓均可達(dá)到5kPa，足以說明夯點(diǎn)距設(shè)置為5m可以保證加固效果，且更加經(jīng)濟(jì)合理。

圖14 強(qiáng)夯效果示意圖

4.3 加固深度

強(qiáng)夯置換施工結(jié)束后，在夯點(diǎn)1中心位置通過鉆孔檢驗(yàn)擠入碎石深度，鉆孔取芯檢驗(yàn)情況如圖15所示，碎石擠入深度可以達(dá)4.4m，且根據(jù)表2所示原位測(cè)試結(jié)果，下部地層強(qiáng)度得到較大提高，加固深度可以達(dá)到6m以上。

圖15 鉆孔取芯情況

有效加固深度h通常按Menard公式計(jì)算，即:

(2)

式中：α為有效加固深度系數(shù)，與土的力學(xué)參數(shù)有關(guān)；MH為夯擊能，其中M為夯錘質(zhì)量，H為夯錘起吊高度。由通過大量工程實(shí)踐所得到的飽和粉土α=0.4[10]可以算出試驗(yàn)區(qū)有效加固深度為5.66～6.32m，而通過超孔壓變化規(guī)律獲得的影響深度可達(dá)6m，再結(jié)合鉆孔取芯情況，說明超孔壓監(jiān)測(cè)是了解加固深度、評(píng)價(jià)加固效果的有效手段。

表2 原位測(cè)試試驗(yàn)成果表Table 2 Result table of in-situ tests

5 結(jié)論

根據(jù)對(duì)2種強(qiáng)夯法處理飽和軟土地基的超孔隙水壓力變化規(guī)律的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)試驗(yàn)區(qū)在2000～2500kN·m夯擊能的作用下，強(qiáng)夯置換和砂井-強(qiáng)夯的最佳夯擊數(shù)分別為14，16擊。

(2)置換區(qū)塊距離夯點(diǎn)越近超孔壓累積幅值越大，而砂井區(qū)塊這一趨勢(shì)則不明顯，說明砂井強(qiáng)夯地基具有更好的均勻性；不同深度、與夯錘中心不同距離的孔壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，兩種地基處理方式點(diǎn)夯間距5m能夠達(dá)到加固效果，且更加經(jīng)濟(jì)。

(3)夯擊完成后置換區(qū)塊超孔壓消散速度比砂井區(qū)塊更快，但總體來說2種試夯方案超孔壓均能較快消散，說明工程場(chǎng)地土層滲透性較好，動(dòng)力固結(jié)作用能較快完成。

(4)該地區(qū)在2000～2500kN·m夯擊能作用下，兩種方案在6m處引起的超孔壓均可達(dá)5～6kPa，且6m處部分孔壓計(jì)出現(xiàn)了損壞，說明2種方案的影響深度均能達(dá)到6m。

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責(zé)任編輯 龐 旻

An Experimental Study on Saturated Soft Ground Improvement with
Dynamic Compaction Replacement and Dcm Combined with Sand-Drain Based on Monitoring of Pore Water Pressure

LIU Hong-Jun1,2，WU Teng2，MA Jiang3，WANG Hu2

(1.The Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology， Ministry of Education， Ocean University of China， Qingdao 266100， China； 2. College of Environmental Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China； 3.Qingdao Times Architectural Design Co.Ltd.， Qingdao 266500， China)

Dynamic compaction replacement and DCM(dynamic compaction method) combined with sand-drain were adopted to treat a saturated soft ground in Qingdao area. Pore water pressure gauges were embedded at different distances and depths in the experimental area. By analyzing the variation of excess pore water pressure，some conclusions were drawn as follows. When the study area was compacted under tamping enery level ranging from 2000 kN·m to 2500 kN·m，the best tamping number was 14 blows for dynamic compaction replacement and 16 blows for DCM combined with sand-drain during point compaction，the effective impacting depth was more than 6m. In the area of dynamic compaction replacement，the nearer to the tramping point，the higher the excess pore water pressure would accumulate，but this tendency was not significant in the other area. DCM combined with sand-drain can offer better uniformity than dynamic compaction replacement to the ground. In the area of dynamic compaction replacement，excess pore water pressure dissipated more quickly than the other area. Experimental results proved it an effective means to determine the parameters of dynamic compaction，judge the depth of reinforcement and evaluate the reinforcement effect by monitoring pore water pressure.

excess pore water pressure；sand-drain；dynamic compaction；dynamic compaction replacement

2013-08-28；

2013-12-15

劉紅軍(1966-)，男，教授，博導(dǎo)，主要從事環(huán)境巖土工程的教學(xué)科研工作。E-mail:hongjun@ouc.edu.cn

TU 443

A

1672-5174(2015)02-109-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20130290