強(qiáng)夯法處理黃泛區(qū)粉土地基試驗(yàn)研究

王同福

(德州市德商高速公路項(xiàng)目建設(shè)管理辦公室,山東德州 253006)

強(qiáng)夯法處理黃泛區(qū)粉土地基試驗(yàn)研究

王同福

(德州市德商高速公路項(xiàng)目建設(shè)管理辦公室,山東德州 253006)

針對黃泛區(qū)上部粉質(zhì)黏土、下部粉砂的不良地基條件,通過現(xiàn)場試驗(yàn),監(jiān)測夯擊過程中超孔隙水壓力在不同深度土層中的增長與消散規(guī)律,計(jì)算了有效加固范圍和有效加固系數(shù),提出了確定夯坑間距、強(qiáng)夯間歇時(shí)間、單點(diǎn)夯擊次數(shù)的方法。利用分層總和法計(jì)算了橋頭高填土總沉降,分析了加固效果,論證了該地區(qū)強(qiáng)夯加固技術(shù)的可行性和有效性。

黃泛區(qū)；粉土；地基處理；強(qiáng)夯；現(xiàn)場試驗(yàn)

0 引言

魯西北黃泛沖積平原為較為穩(wěn)定的工程地質(zhì)區(qū),地質(zhì)條件良好,兼之地勢較為平坦,路基穩(wěn)定性問題基本上能夠得到保證,適宜公路工程建設(shè)。但是,另一方面,該地區(qū)由于黃河多次決口、改道和沉積,地質(zhì)變異現(xiàn)象較為顯著；沿線土層以粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉砂、細(xì)砂為主,質(zhì)地松散,固結(jié)程度低；局部軟土、粉性土及上部表土因地下水位埋深較淺,性質(zhì)偏軟。因此,根據(jù)工程路段的地質(zhì)條件和建設(shè)情況,進(jìn)行相應(yīng)的地基和路基處理以控制路基變形,是該地區(qū)高速公路建設(shè)過程中的重要一環(huán)。

對于高速公路工程中的橋頭地基,填方一般較高,因此必須進(jìn)行有效的路基處理,方能有效控制橋頭地基工后沉降,防止橋頭跳車現(xiàn)象的出現(xiàn)。強(qiáng)夯法具有工期短、施工簡便、經(jīng)濟(jì)節(jié)省等突出優(yōu)點(diǎn),在引入中國后［1］,得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。不少學(xué)者根據(jù)不同的地質(zhì)條件和工程實(shí)際,從理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)方面分別得出了一定的研究成果［2-6］。然而,強(qiáng)夯的壓實(shí)效果、施工工藝與實(shí)體工程的土質(zhì)條件、氣候條件緊密相關(guān),目前國內(nèi)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此,本研究依托德商高速公路建設(shè)工程,擬在橋頭填方處對地基土進(jìn)行強(qiáng)夯處理,確定魯西北黃泛沖積平原地區(qū)強(qiáng)夯工藝的流程、參數(shù)和施工方法。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

本研究選用德商高速公路五合同段的典型橋頭地基。經(jīng)勘查,在試驗(yàn)期間,試驗(yàn)段的地下水位穩(wěn)定在3 m左右。根據(jù)該區(qū)鉆探結(jié)果以及結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析,該區(qū)域揭露深度內(nèi)的地層為第四系全新統(tǒng)地層,主要巖性特征為沖積層,主要地質(zhì)條件狀況如表1所示。

表1 土層條件

根據(jù)現(xiàn)場試夯情況發(fā)現(xiàn),點(diǎn)夯后孔隙水壓力上升不明顯,地下水位抬升不顯著,夯坑并沒有出水情況,并且單點(diǎn)試夯結(jié)果表現(xiàn)為孔隙水壓力消散迅速,有的甚至大于后幾擊的提升量。因此,為了使地基加固效果更為顯著,盡可能減少橋頭地基的工后沉降,試驗(yàn)區(qū)夯擊方案采取不跳夯的策略,采取兩遍點(diǎn)夯,一遍滿夯,點(diǎn)夯的夯點(diǎn)間距為6 m,滿夯夯印搭接1/4,點(diǎn)夯夯點(diǎn)布設(shè)方案如圖1所示。強(qiáng)夯的參數(shù)選擇如下：夯錘重15.6 t,提升高度為8 m,單點(diǎn)夯擊能約為1 200 kN·m,單點(diǎn)夯擊10下,夯擊能總和約12 000 kN·m,滿夯夯擊能為800 kN·m。

圖1 夯點(diǎn)布置圖

2 監(jiān)測結(jié)果與效果評價(jià)

2.1 地下水位

實(shí)驗(yàn)過程中,定期測量地下水位變化情況,繪制成地下水位變化圖(見圖2)。地下水位相對較低,穩(wěn)定在地表以下約3 m的深度,而第一遍點(diǎn)夯施工過程中,地下水位迅速上升了約30 cm,至地表下275 cm的深度,在一晝夜時(shí)間內(nèi)回落到298 cm,消散程度約為70%。點(diǎn)夯完成后2 d時(shí)間內(nèi),地下水位能夠基本回落到地表下300 cm,消散程度為95%。第二遍點(diǎn)夯施工后,地下水位上升了約20 cm,且地下水位在兩晝夜時(shí)間內(nèi)能基本完全回落。滿夯施工作業(yè)是在填筑了約50 cm厚度的建筑磚渣后,因此滿夯作業(yè)期間,地下水位僅能夠上升約10 cm,影響較弱。

圖2 地下水位變化圖

2.2 超孔隙水壓力

單點(diǎn)試夯時(shí),超孔隙水壓力增長情況如圖3所示?？梢?隨著點(diǎn)夯的作用,地下水位迅速通過地下孔隙上升,超孔隙水壓力也因此得到顯著上升。在單擊夯擊能1 200 kN·m作用下,距離地表6 m以內(nèi)的超孔隙水壓力隨著夯擊次數(shù)的增加上升明顯,而距離地表10 m以下的超孔隙水壓力隨著夯擊次數(shù)的增加上升幅度較為不明顯。

圖3 單點(diǎn)試夯超孔隙水壓力增長圖

夯點(diǎn)正下方處孔隙水壓力增長情況于距離夯點(diǎn)正下方2 m處孔隙水壓力增長情況如圖4所示?？芍?在單擊夯擊能為1 200 kN·m時(shí),距離夯點(diǎn)0～2 m范圍內(nèi)超孔隙水壓力都會隨著夯擊次數(shù)而增長,但是在2 m外的范圍夯擊能的影響十分微小,因此有效的加固范圍在2 m以內(nèi)。當(dāng)夯點(diǎn)間距為6 m時(shí),單點(diǎn)夯擊時(shí),對周邊的夯點(diǎn)影響十分微小,可以忽略不計(jì),故認(rèn)為實(shí)際工程進(jìn)行時(shí)可按6 m的夯點(diǎn)間距,不必跳夯。

圖4 單點(diǎn)試夯超孔隙水壓力增長圖

第二遍點(diǎn)夯完后地表出現(xiàn)出水現(xiàn)象,多處地表出現(xiàn)彈簧土,夯擊無法進(jìn)行作業(yè),加之多日的陰雨天氣,使得翻曬工作無法開展,故采取鋪設(shè)50 cm磚渣的處理方式,在磚渣上進(jìn)行滿夯作業(yè)。相對應(yīng)的超孔隙水壓力變化如圖5所示。由于夯擊能的減少以及磚渣厚度的影響,滿夯過程中超孔隙水壓力的峰值小于點(diǎn)夯時(shí)的峰值,夯后5 h內(nèi)迅速消散,24 h候趨于穩(wěn)定。

圖5 滿夯超孔隙水壓力累計(jì)與消散規(guī)律

2.3 地基沉降

在單點(diǎn)夯擊過程中,隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn),利用水準(zhǔn)儀測量其每一擊的夯沉深度,得到的數(shù)據(jù)取平均值,繪制單點(diǎn)夯擊沉降圖和累計(jì)夯擊沉降圖(見圖6)。可知,隨著單點(diǎn)夯擊擊數(shù)的增加,單點(diǎn)夯沉量的總體呈現(xiàn)減小的趨勢,說明夯錘下方的土體得到了有效的壓實(shí)。同時(shí),最后兩擊總體上滿足止夯條件,即最后兩擊平均夯沉量不大于5 cm。單個(gè)夯坑累計(jì)的夯沉量平均為80.2 cm。每一擊的沉降只有第一擊較大,之后每一擊沉降量逐漸減小,穩(wěn)定在4～7 cm之間。

圖6 單點(diǎn)夯擊沉降規(guī)律

以橋頭橫梁為基準(zhǔn)點(diǎn),在強(qiáng)夯作業(yè)面上選取24個(gè)點(diǎn),利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行地表的高程記錄,分別在點(diǎn)夯前、第一遍點(diǎn)夯、第二遍點(diǎn)夯以及滿夯后進(jìn)行測量,可以得知：第一遍點(diǎn)夯后,地表發(fā)生相對沉降18.7 cm,第二遍點(diǎn)夯后,地表發(fā)生相對沉降4.4 cm,兩遍點(diǎn)夯總沉降為23.1 cm。采用分層總和法計(jì)算橋頭填方6.53 m所能造成的天然地基的沉降約為66.91 cm。結(jié)合前兩遍點(diǎn)夯的沉降,根據(jù)分層總和法計(jì)算所得最終沉降,可以繪制圖7。

圖7 夯沉量分析結(jié)果圖

可知,兩遍點(diǎn)夯的沉降能達(dá)到總體沉降的35%,考慮到?jīng)]有納入計(jì)算的滿夯工序,同時(shí)也考慮到第二遍點(diǎn)夯后測量地表高程時(shí),地面出現(xiàn)了彈簧現(xiàn)象,地表并未達(dá)到嚴(yán)格的壓實(shí),因此整體測量所得的強(qiáng)夯總體夯沉量偏于保守,實(shí)際整平后的夯沉量應(yīng)大于35%。為了進(jìn)一步減少施工后的沉降,該橋頭將采取堆載預(yù)壓方式,因此可以認(rèn)為經(jīng)過強(qiáng)夯處理,能夠消除35%以上的地基沉降,同時(shí)繼續(xù)采用堆載預(yù)壓,能夠減少剩余沉降,起到很好的加固效果。

在相關(guān)研究和工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),強(qiáng)夯對于地基加固的顯著效果只能夠很明顯地反映在地表以下一定的深度范圍內(nèi),這也就是一般所謂的“有效加固深度”。影響強(qiáng)夯有效加固深度的因素很多,包括夯錘重量、夯擊遍數(shù)、夯點(diǎn)布置、落距、土體含水率、錘底靜壓力以及土體的物理力學(xué)性質(zhì)等。最初Menard［8］根據(jù)單點(diǎn)夯擊的夯錘重量和落距提出了最為簡單的強(qiáng)夯有效加固深度的計(jì)算公式：

式中：M為夯錘重量,t；H為夯錘落距,m。

后來在工程實(shí)踐中應(yīng)用較為廣泛的是Gambin［9］提出的修正Menard公式：

王成華［10］根據(jù)塑性能量守恒,采用等效擬靜力法估算加固深度,將強(qiáng)夯引起的擬靜附加應(yīng)力達(dá)到土體自重應(yīng)力的0.2倍處稱為加固深度。通過采用王成華的方法,如圖8所示,在單擊夯擊能為1 200 kN·m時(shí),強(qiáng)夯的有效加固深度約為6 m。同時(shí)可以推算出試驗(yàn)段的a=0.537,這可以為今后相同或者相似工況下的強(qiáng)夯設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

圖8 有效加固深度

3 結(jié)語

(1)試驗(yàn)段在1 200 kN·m的夯擊能作用下有效影響深度能夠達(dá)到6 m,有效加固深度系數(shù)為0.537,可以為相同或者相似條件下的實(shí)際工程提供依據(jù)。

(2)相鄰夯坑之間點(diǎn)夯孔隙水壓力相互影響非常小,間隔2 m 的夯點(diǎn)超孔隙水壓力僅為10 kPa,故認(rèn)為實(shí)際工程進(jìn)行時(shí)可按6 m的夯點(diǎn)間距,不必跳夯。

(3)該地區(qū)進(jìn)行點(diǎn)夯施工和滿夯施工,其地下水位和孔隙水壓力消散較為迅速。夯后1 d孔隙水壓力能夠消散70%以上,夯后2 d孔隙水壓力能夠消散80%以上。單從超孔隙水壓力消散考慮,夯擊間歇時(shí)間安排為2 d足夠。

(4)經(jīng)過強(qiáng)夯處理,能夠消除35%以上的地基沉降,大大減少了剩余沉降,起到了很好的加固效果。

［1］ 潘千里.國外一種經(jīng)濟(jì)而簡便的地基加固方法一強(qiáng)夯法［J］.建筑結(jié)構(gòu),1978,8(6)：6-8.

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U412.22+2

B

1009-7716(2015)09-0075-03

2015-07-15

王同福(1970-),男,山東武城人,工程碩士,高級工程師,從事路橋工程項(xiàng)目管理工作。