水氣分離集成井降水強(qiáng)夯法試驗(yàn)研究

劉 偉，陳慧剛，李 平，3，陸 海

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京210098;2.平湖市建筑工程管理處，浙江 平湖314200;3.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，江蘇南京210098;4.江蘇誠(chéng)豐建設(shè)有限公司，江蘇江陰214400)

降水強(qiáng)夯由于其工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低、施工速度快等特點(diǎn)已經(jīng)成為我國(guó)軟土地基處理的一種常用方法。但是它也存在著不足，如井點(diǎn)降水深度較淺，從而會(huì)影響到強(qiáng)夯的加固效果;而管井降水強(qiáng)夯法降水深度雖然較深，可是其耗時(shí)較長(zhǎng);再者針對(duì)于真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯法在水位下降的過(guò)程中，會(huì)有空氣從水位之上的濾孔進(jìn)入，使真空度下降，從而影響其降水效率。針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)降水強(qiáng)夯法進(jìn)行了改進(jìn)，周?。?－3］較早的提出了低能量強(qiáng)夯與井點(diǎn)降水的結(jié)合，利用真空井點(diǎn)降水技術(shù)，提高了軟粘土的固結(jié)速率，但是其降水深度又限制了強(qiáng)夯的作用，從而制約了其加固深度;劉嘉［4］、徐敏生［5］、林佑高［6］對(duì)井點(diǎn)降水強(qiáng)夯法都進(jìn)行了改進(jìn)和應(yīng)用，但是受限于傳統(tǒng)井點(diǎn)降水深度的影響，僅適用于淺層基礎(chǔ)的加固;劉寶臣［7］、張群［8］采用強(qiáng)夯法與管井降水的結(jié)合，利用管井降水技術(shù)加大了降水深度，有效的阻止了“橡皮土”現(xiàn)象，但是管井降水時(shí)間長(zhǎng)限制了其在工程上的應(yīng)用;蘭韡［9］、馮建斌［10］分別采用超強(qiáng)真空井點(diǎn)降水和高真空井點(diǎn)降水使降水深度取得了不錯(cuò)的進(jìn)步，可是隨著空氣的滲入，會(huì)影響其真空效果，對(duì)降水速度依舊沒(méi)有很大的提升。在此基礎(chǔ)上，本文開(kāi)發(fā)了一種水氣分離集成井降水與強(qiáng)夯相結(jié)合的工藝，結(jié)合揚(yáng)中灝港通用碼頭軟土地基處理工程，對(duì)試驗(yàn)區(qū)分別采用常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯工藝和水氣分離集成井降水強(qiáng)夯工藝進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)地基加固效果現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、檢驗(yàn)的對(duì)比分析，從而為今后類(lèi)似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于江蘇省揚(yáng)中經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)三躍鎮(zhèn)石城村。擬建碼頭上游距泰州大橋約4.3 km，下游與鎮(zhèn)江興隆港碼頭相鄰。試驗(yàn)區(qū)原為灘地、農(nóng)田等，采用吹填砂填筑，其土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)區(qū)總面積約4.5×104m2，分為水氣分離集成管井降水強(qiáng)夯區(qū)(1號(hào)區(qū)，面積約 2.3×104m2)和常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯區(qū)(2號(hào)區(qū)，面積約2.2×104m2)兩個(gè)部分，設(shè)計(jì)夯擊能為 2 500 kN·m。強(qiáng)夯要求擊穿②粉質(zhì)粘土層，使吹填土層與粉細(xì)砂層貫通，達(dá)到加固目的。

2.1 真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯

常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯即運(yùn)用真空井點(diǎn)降低地下水位，并聯(lián)合強(qiáng)夯工藝對(duì)地基進(jìn)行加固。在試驗(yàn)區(qū)布置網(wǎng)絡(luò)為4 m×4 m的真空輕型井點(diǎn)進(jìn)行降水。在水位下降至地表以下3 m時(shí)，拔除夯點(diǎn)間井點(diǎn)管，進(jìn)行第一遍強(qiáng)夯，夯點(diǎn)間距為5 m×5 m，呈正方形布置，夯擊能為2 500 kN·m，每點(diǎn)4～5擊。夯后推平，連接未拔井點(diǎn)管，繼續(xù)進(jìn)行降水。當(dāng)孔壓消散至90%以上時(shí)，進(jìn)行第二遍強(qiáng)夯，夯點(diǎn)呈梅花形布置與第一遍相交叉，夯擊能不變。第二遍夯后再次連接未拔井點(diǎn)管，繼續(xù)進(jìn)行降水，在孔壓再次消散到90%以上時(shí)，進(jìn)行滿(mǎn)夯。滿(mǎn)夯夯印搭接1/4，夯擊能為1 000 kN·m，每點(diǎn)2擊，夯后推平。

2.2 水氣分離集成井降水強(qiáng)夯

水氣分離集成井降水技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備如圖1所示，設(shè)備管蓋連接有排水管、抽真空吸氣管和壓力檢測(cè)管，其中抽真空吸氣接管直接連接真空泵，在真空泵作用下，集成井內(nèi)部會(huì)形成負(fù)壓，使周?chē)馏w中的水和氣通過(guò)滲透孔進(jìn)入管井，由管井內(nèi)部連接抽水管的潛水泵將其排出，形成主動(dòng)降水，從而達(dá)到降低水位的目的。檢測(cè)管中安置真空表和水氣分離平衡閥。該設(shè)備的優(yōu)勢(shì)所在是由真空泵直接連接管井，減少了真空度的損耗，由水氣分離平衡閥控制管井內(nèi)部的真空度也避免了能源的浪費(fèi)。

改進(jìn)降水強(qiáng)夯法的水氣分離集成井布置設(shè)外圍管井和內(nèi)層管井，管井直徑為250 mm，管井入土深度為10 m，內(nèi)置0.75 kW潛水泵。外圍管井井距10 m，布置在需加固區(qū)域周邊;內(nèi)層管井設(shè)置在中部，井距15 m，梅花形布置。

在設(shè)置管井過(guò)程中，充分考慮需加固區(qū)域地下水及土質(zhì)分層條件，管井濾水器設(shè)置在滲透系數(shù)較小的②粉質(zhì)粘土上。強(qiáng)夯方案與常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯區(qū)域相同，在進(jìn)行最后一遍滿(mǎn)夯時(shí)，需用振搗器對(duì)管井回填土進(jìn)行搗實(shí)，并要求在滿(mǎn)夯時(shí)遇到管井點(diǎn)采取1 000 kN·m的夯擊能，每點(diǎn)補(bǔ)打5～6擊。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical indicators of soil

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)方案項(xiàng)目

為比較兩種處理方法的加固效果異同，在施工過(guò)程中預(yù)埋一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)儀器分析各加固區(qū)的表面沉降、孔隙水壓力、地下水位等變化規(guī)律。每個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)孔壓計(jì)共埋設(shè)3組，采用1孔1計(jì)的方法埋設(shè)，布置沉降板10塊，水位觀(guān)測(cè)管2個(gè)。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 超孔隙水壓力變化

圖2和圖3為試驗(yàn)區(qū)超孔隙水壓力的變化曲線(xiàn)，可以看出在強(qiáng)夯期間超孔隙水壓力上升明顯，同時(shí)由兩圖的孔隙水壓力消散、增長(zhǎng)過(guò)程對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，采用水氣分離集成井降水技術(shù)夯后超孔隙水壓力的消散僅為1～2天，明顯少于常規(guī)降水技術(shù)。從全程的加固效果比較，除強(qiáng)夯期間，改進(jìn)降水強(qiáng)夯技術(shù)的超孔隙水壓力一直處于較低水平，表面加固效果明顯，孔隙水壓力消散速度較快。由10 m處的超孔隙水壓力比較可以看出，改進(jìn)降水強(qiáng)夯技術(shù)的超空隙水壓力大部分處于負(fù)壓狀態(tài)，表明加固深度要比常規(guī)方法要深。

3.2.2 地下水位變化

圖4為地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中水位點(diǎn)1位于常規(guī)降水強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)，水位點(diǎn)2位于水氣分離集成井降水強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，在降水初期兩種工藝水位下降速度都較快，水位點(diǎn)1的水位整體穩(wěn)定在地下深度3 m左右，而水位點(diǎn)2的水位穩(wěn)定在5～6 m左右，最深達(dá)到了6.012 m，這表明水氣分離集成井降水深度要明顯大于常規(guī)井點(diǎn)降水。在土體經(jīng)受強(qiáng)夯加固后水位都有明顯的上升，由對(duì)比可見(jiàn)在隨后的二遍、三遍降水中，水氣分離集成井降水工藝在1～2天就可以降到5 m以下，明顯要快于常規(guī)井點(diǎn)降水。此外，地下水位變化曲線(xiàn)中還存在多處波動(dòng)，這主要是由于在監(jiān)測(cè)期間降水較為頻繁和地處江邊地下水位變化較大的原因。

3.2.3 表面沉降變化

圖5為表面沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)在兩種工藝的加固作用下，降水期間沉降都較為穩(wěn)定但是速率緩慢，在強(qiáng)夯期間都會(huì)有大幅度的沉降。但是，水氣分離集成井降水強(qiáng)夯工藝試驗(yàn)區(qū)的沉降深度明顯大于常規(guī)井點(diǎn)降水強(qiáng)夯，水氣分離集成井降水強(qiáng)夯的最大沉降量為0.606 m。

4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

4.1 靜力觸探試驗(yàn)

表2 為靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果，可以看出經(jīng)過(guò)常規(guī)降水強(qiáng)夯(J8和J12孔)加固后表層吹填土比貫入阻力提高明顯，最小值為5.05 MPa，第二層粉質(zhì)粘土層的比貫入阻力尚可，最小值為2.14 MPa。同時(shí)經(jīng)過(guò)水氣分離集成井降水強(qiáng)夯法(J9和J10孔)處理后表層吹填土比貫入阻力相對(duì)增大更多，最小值達(dá)到5.56 MPa，第二層粉質(zhì)粘土層的比貫入阻力最小值也達(dá)到2.40 MPa。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

各試驗(yàn)區(qū)測(cè)點(diǎn)的N63.5標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。分析可知，常規(guī)降水強(qiáng)夯法加固后表層吹填土標(biāo)貫擊數(shù)由原來(lái)的最低2～3擊(詳見(jiàn)表1)提高到最低12擊，第二層粉質(zhì)粘土層的標(biāo)貫擊數(shù)由原來(lái)的最低2擊提高到最低6擊。同時(shí)水氣分離集成井強(qiáng)夯法加固后表層吹填土標(biāo)貫擊數(shù)同常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯，但第二層粉質(zhì)粘土層的標(biāo)貫擊數(shù)則提高幅度較大，由原來(lái)的最低2擊提高到了最低8擊。相比較可見(jiàn)，改進(jìn)的水氣分離集成井降水強(qiáng)夯法地基強(qiáng)度提高幅度更大，加固效果較為明顯。

4.3 平板靜載荷試驗(yàn)

平板靜荷載試驗(yàn)在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中1#、2#、3#點(diǎn)處于常規(guī)井點(diǎn)降水強(qiáng)夯加固區(qū)，4#、5#、6#點(diǎn)處于水氣分離集成井降水強(qiáng)夯區(qū)。采用相對(duì)沉降法計(jì)算地基承載力特征值，即在ps曲線(xiàn)中取s/b=0.01時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載為地基承載力特征值，由圖6可以看出，1#、2#、3#對(duì)應(yīng)的地基承載力特征值分別為153、163和159 kPa，而4#、5#、6#對(duì)應(yīng)的地基承載力特征值則分別為175、165和178 kPa。比較可見(jiàn)，水氣分離集成井降水強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)加固后地基承載力要明顯的高于常規(guī)井點(diǎn)降水強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)。

表2 靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The result of static penetration test

表3 N63.5標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The result of N63.5standard penetration test

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)地下水位的觀(guān)測(cè)，與常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯工藝相比，水氣分離集成井降水強(qiáng)夯法降水深度可達(dá)地表以下5～6m，突破了深層加固因降水深度限制的瓶頸，在夯擊過(guò)程中使夯擊能對(duì)土體的加固深度、效果明顯提高。

2)從表面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果看，常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯工藝的加固效果雖然能達(dá)到設(shè)計(jì)所需的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，但是工后沉降還是比水氣分離集成井降水強(qiáng)夯工藝要大。

3)與常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯工藝相比，采用水氣分離集成井降水技術(shù)夯后孔隙水壓力的消散僅為1～2天，時(shí)間明顯少于前者，而且由于工藝簡(jiǎn)單、投入設(shè)備及人力較少，可以大大加快軟弱地基加固處理速度。

4)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，采用水氣分離集成井降水強(qiáng)夯工藝對(duì)軟土地基進(jìn)行加固，在加固深度、土體強(qiáng)度和地基承載力方面均有較大幅度的提升，其中第二層粉質(zhì)粘土標(biāo)貫擊數(shù)由原來(lái)的最低2擊提高到了最低8擊，平板載荷試驗(yàn)地基承載力特征值最小值達(dá)到165 kPa，地基加固效果明顯。

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