碎石土回填地基強(qiáng)夯加固現(xiàn)場試驗(yàn)研究與應(yīng)用

池 海，劉燕才

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

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碎石土回填地基強(qiáng)夯加固現(xiàn)場試驗(yàn)研究與應(yīng)用

池 海，劉燕才

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

摘要：地基加固處理中應(yīng)用強(qiáng)夯法，具有工期短、施工工藝簡單、工程造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合“中國石油大連石化長興島煉化項(xiàng)目地基處理工程”系統(tǒng)介紹了強(qiáng)夯加固碎石土回填地基的試夯與試驗(yàn)方案，通過孔隙水壓力觀測、靜力載荷試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、瑞利波測試以及加固前后土體指標(biāo)的對(duì)比，對(duì)各強(qiáng)夯能級(jí)強(qiáng)夯加固效果進(jìn)行了定性和定量的評(píng)價(jià)，確定了合理的施工控制參數(shù)，可為類似碎石土回填地基加固設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：碎石土；強(qiáng)夯法；夯擊能；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

引 言

強(qiáng)夯法亦稱為動(dòng)力固結(jié)法，自1969年問世以來經(jīng)歷了30年的發(fā)展，引入我國也有20年的歷史，其間經(jīng)歷了成功、失敗諸多事例，到目前為止可以認(rèn)為它是一種技術(shù)上比較成熟、經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的地基加固處理方法。由于強(qiáng)夯法處理地基基礎(chǔ)具有效果顯著、設(shè)備簡單、施工方便、適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)易行和節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)，因此越來越廣泛地被應(yīng)用于工民建、公路路基、鐵路路基、機(jī)場跑道、碼頭等地基處理工程。實(shí)踐中強(qiáng)夯法要求的控制參數(shù)很多，如：錘重、落距、夯擊遍數(shù)、夯點(diǎn)間距等，必須根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件合理的選擇設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，一般正式施工前需要選定典型施工區(qū)進(jìn)行試夯，通過試夯取得相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，確定最終合理的設(shè)計(jì)控制要求。本文以長興島某工程廠區(qū)地基處理工程為例，通過現(xiàn)場綜合試驗(yàn)研究，確定合理的施工控制參數(shù)，對(duì)加固效果做出客觀的評(píng)價(jià)。

1 工程概況

示例場區(qū)占地面積約為5.5 km2，位于濱海區(qū)域，場地由海灘及淺海經(jīng)人工回填形成，地形大部分相對(duì)較為平坦，局部起伏較大。依據(jù)勘察資料，場地地層指標(biāo)如表1。

表1 各土層指標(biāo)

2 使用要求及地基處理方法

1）地基處理設(shè)計(jì)要求

工后地基承載力≥250 kPa，壓縮模量≥25 MPa。

2）地基處理方法

本工程上部主要為新近回填碎石土，主要以劈山塊石、碎石為主，巖性為石英砂巖、板巖、片巖、輝綠巖，骨架粒徑含量占60 %～80 %以上，余為粘性土、礫石等?；靥钔辆鶆蛐圆?，欠固結(jié)，未經(jīng)處理，不宜做天然地基,擬采用強(qiáng)夯法對(duì)回填碎石土進(jìn)行地基處理。

3 試夯參數(shù)

目前強(qiáng)夯法尚無成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如有效加固深度、夯擊能、夯擊次數(shù)、夯擊遍數(shù)、間隔時(shí)間、夯擊點(diǎn)布置和處理范圍等都是根據(jù)規(guī)范或工程經(jīng)驗(yàn)初步選定，其中有些參數(shù)還應(yīng)通過試夯進(jìn)行驗(yàn)證，并經(jīng)必要的修改調(diào)整，最厚確定適合現(xiàn)場土質(zhì)條件的設(shè)計(jì)參數(shù)。

夯擊能確定：

根據(jù)《港口工程地基規(guī)范》(JTS147-1-2010)，強(qiáng)夯法有效加固土層可按下式驗(yàn)算：

式中：α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.4～0.7；M為夯錘的重量，kN；h為夯錘落距，m。

表2 強(qiáng)夯有效加固深度計(jì)算

本工程碎石土填土厚度平均為13.0 m，場地碎石土厚度分布差別較大，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)化考慮，本次試夯場地?cái)M設(shè)置不同夯擊能的6塊場地，試夯參數(shù)如表3。

表3 試夯參數(shù)

4 試夯施工工序

設(shè)備進(jìn)場→設(shè)備安裝→試夯區(qū)確定→測量場地標(biāo)高→夯點(diǎn)測定→設(shè)備就位→落距調(diào)整→第一遍點(diǎn)夯→推平夯坑、場地平整→第二遍點(diǎn)夯→推平夯坑、場地平整→測量場地標(biāo)高→第三遍點(diǎn)夯→推平夯坑、場地平整→測量場地高程→滿夯→第三方檢測→試夯結(jié)束參數(shù)確定。第三方檢測內(nèi)容主要包括孔隙水壓力消散觀測、靜力載荷試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、瑞利波檢測。其中點(diǎn)夯第三遍降低夯擊能，滿夯第一遍2 000 kN·m；第二遍1 000 kN·m。實(shí)測結(jié)果見表4。

表4 點(diǎn)夯實(shí)測主要成果

5 孔隙水壓力消散觀測

一般強(qiáng)夯施工兩遍夯擊之間應(yīng)有一定的時(shí)間間隔，以利于土中超靜孔水壓力的消散。所以夯擊間隔時(shí)間取決于超靜孔水壓力的消散時(shí)間，土中超靜孔水壓力的消散塑料與土的類別、夯點(diǎn)間距等因素有關(guān)。

表5 孔隙水壓力消散統(tǒng)計(jì)值

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)資料可知，12 000 kN·m、15 000 kN·m夯擊能加固深度較深，加固深度達(dá)到素填土以下的粉砂層和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，孔壓的增長與消散存在滯后性，間隔時(shí)間較長，另外也顯示夯點(diǎn)間距越大，孔壓消散越快。3 000 kN·m、6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m夯擊能主要加固深度范圍內(nèi)碎石土，土體滲透性好，孔壓相應(yīng)快，顯示為孔壓消散均較快。

綜合以上可知，如果采用12 000 kN·m、15 000 kN·m夯擊能建議間隔時(shí)間為6天；如果采用3 000 kN·m、6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m夯擊能建議間隔時(shí)間為3天。

6 靜力載荷試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置由加載穩(wěn)壓系統(tǒng)、反力裝置與變形觀測3部分組成。加載穩(wěn)壓裝置包括剛性承壓板、壓力傳感器、千斤頂與應(yīng)變儀等，反力為堆載重物，變形觀測系統(tǒng)包括固定支架及百分表。

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，處理后的場地承載力特征值不小于250 kPa，按規(guī)范要求，實(shí)際加載不應(yīng)低于承載力特征值(250 kPa)的2倍，即按500 kPa進(jìn)行加載。圓形承載板直徑1 600 mm，實(shí)際加荷為500 kPa×2 m2＝1 000 kN。為保證試驗(yàn)安全，反力荷載至少應(yīng)為試驗(yàn)荷載的1.2倍，即為1 200 kN。

6.2 試驗(yàn)終止條件

1）承壓板周圍的土明顯的側(cè)向擠出；

2）沉降s急劇增大，荷載－沉降曲線出現(xiàn)陡降段；

3）在某一荷載下，24 h沉降速率不能達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；

4）s/b≥0.06。

6.3 測試結(jié)果及其分析

根據(jù)現(xiàn)場觀測資料6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m、12 000 kN·m、15 000 kN·m夯擊能區(qū)在500 kPa與3000 kN·m夯擊能區(qū)在400 kPa的試驗(yàn)荷載內(nèi)既沒有出現(xiàn)屈服極限也無比例界限，說明強(qiáng)夯場地淺層承載力特征值不小于250 kPa與200 kPa。

場地淺層變形模量E0可取p~s曲線的初始直線段，按下式計(jì)算：

式中：I0為剛性承載板的性狀系數(shù)，圓形取0.785，方形取0.866；μ為泊松比，碎石土取0.27；d承載板直徑或邊長，m。

經(jīng)計(jì)算與理論分析，6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m、12 000 kN·m、15 000 kN·m試夯壓縮模量不小于25 MPa，3 000 kN·m試夯區(qū)壓縮模量不小于20 MPa，強(qiáng)夯對(duì)于提高素填土的壓縮模量效果顯著。

7 動(dòng)力觸探試驗(yàn)

對(duì)素填土層采用N120超重型動(dòng)力觸探測試，對(duì)粉砂層采用N63.5重型動(dòng)力觸探測試，對(duì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。

7.1 動(dòng)力觸探結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

不同土層不同能級(jí)各點(diǎn)位處的貫入度曲線見圖1~圖3。

圖1 素填土層貫入度曲線

圖2 粉砂層貫入度曲線

圖3 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層貫入度曲線

7.2 加固前后指標(biāo)對(duì)比

分析可以得出，15 000 kN·m、12 000 kN·m、10 000 kN·m試夯區(qū)的強(qiáng)夯影響深度較深，素填土層得到有效加固，粉砂層和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層表層承載力均得到有效提高；8 000 kN·m、6 000 kN·m試夯區(qū)素填土層得到有效加固，粉砂層表層承載力均得到有效提高；3 000 kN·m試夯區(qū)的強(qiáng)夯影響深度較淺，素填土層分布深度內(nèi)不能全部得到有效加固。

表6 各試夯區(qū)加固前后指標(biāo)

8 瑞利波檢測

強(qiáng)夯加固前后在試驗(yàn)場地分別進(jìn)行了瑞利波檢測，監(jiān)測結(jié)果如表7所示。

表7分別給出夯前與夯后實(shí)測特征深度處瑞利波波速，夯后瑞利波波速顯著提高，說明強(qiáng)夯加固效果較好。在特征深度內(nèi)，6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m、12 000 kN·m、15 000 kN·m夯擊區(qū)夯后實(shí)測瑞利波速平均值不小于260 m/s，依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》（DBJ 03-07-2006），表明強(qiáng)夯場地承載力特征值不小于250 kPa。3 000 kN·m試夯區(qū)，夯后實(shí)測瑞利波速平均值不小于240 m/s，表明強(qiáng)夯地基承載力特征值不小于200 kPa。說明強(qiáng)夯加固效果明顯。

表7 強(qiáng)夯加固前后在試驗(yàn)場地瑞利波檢測結(jié)果

9 強(qiáng)夯有效加固深度

結(jié)合以上強(qiáng)夯過程和強(qiáng)夯前后的試驗(yàn)結(jié)果，各夯擊能條件下場地的有效加固深度如表10。表中“有效加固深度”指夯后實(shí)測瑞利波速平均值不小于260 m/s或240 m/s的深度范圍。影響深度內(nèi)，土體基本都得到有效加固，滿足設(shè)計(jì)要求。

表10 各夯擊能條件下場地的有效加固深度

將試驗(yàn)所得的夯擊能和強(qiáng)夯有效深度帶入經(jīng)驗(yàn)公式，求得經(jīng)驗(yàn)系數(shù)如表11。

表11 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

根據(jù)以上分析結(jié)果，本工程區(qū)域有效加固深度經(jīng)驗(yàn)系數(shù)修正為0.35,另外采用較大的夯擊能情況下，有效加固深度以下3 m范圍內(nèi)土體可以得到較大改善。

10 結(jié) 語

從以上試夯區(qū)加固前后的指標(biāo)對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

1）強(qiáng)夯有效加固深度經(jīng)驗(yàn)系數(shù)需要根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件強(qiáng)夯確定，本工程區(qū)域建議為0.35。

2）12 000 kN·m、15 000 kN·m夯擊能加固深度較深，加固深度達(dá)到素填土以下的粉砂層和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，孔壓的增長與消散存在滯后性，間隔時(shí)間較長，另外也顯示夯點(diǎn)間距越大，孔壓消散越快。3 000 kN·m、6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m夯擊能主要加固深度范圍內(nèi)碎石土，土體滲透性好，孔壓相應(yīng)快，顯示為孔壓消散均較快。本工程如果采用12 000 kN·m、15 000 kN·m夯擊能建議間隔時(shí)間為6天；如果采用3 000 kN·m、6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m夯擊能建議間隔時(shí)間為3天。

3）能級(jí)越高，加固有效深度越深，對(duì)本場地目前回填厚度而言，8 000 kN·m和10 000 kN·m宜作為主要夯擊能，當(dāng)回填厚度較大時(shí)，宜采用12 000 kN·m 和15 000 kN·m的高能級(jí)強(qiáng)夯。

4）強(qiáng)夯法對(duì)上部回填碎石土層加固效果良好，采用較大的夯擊能對(duì)下部粉砂層和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層的土體指標(biāo)也起到一定的改善作用，但是由于下部軟土層分布厚度較大，如果本工程對(duì)基礎(chǔ)的沉降控制有嚴(yán)格的要求，還應(yīng)考慮采用復(fù)合地基等方案對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行處理，以減少使用期沉降變形帶來的不利影響，保證結(jié)構(gòu)安全。

強(qiáng)夯法雖然已在工程中得到廣泛應(yīng)用，有關(guān)強(qiáng)夯的機(jī)理的研究，國內(nèi)外已做了不少工作，但至今未取得滿意的結(jié)果。究其原因主要是各類地基土的性質(zhì)差別很大，很難建立適用于各類土的強(qiáng)夯加固理論，設(shè)計(jì)中有必要按照不同土類分別研究強(qiáng)夯機(jī)理及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法，本文推薦碎石土回填地基設(shè)計(jì)實(shí)踐滿足一定的可靠度要求,可供工設(shè)計(jì)人員在類似工程設(shè)計(jì)中參考。

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[3] 中國建筑工業(yè)出版社. 地基處理手冊[M]. 2008, 6.

Field Experimental Research and Application of Dynamic Compaction Reinforcement of Foundation Backfilled with Crushed Stone Soil

Chi Hai, Liu Yancai
(CCCC First Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300222, China)

Abstract:Dynamic compaction applied in foundation reinforcement has the advantages of short duration, simple construction process and low project cost. Based on "Foundation treatment of CNPC Dalian petrochemical Changxing Island refinery project", an introduction has been given systematically to the trial tamping and testing option for the dynamic compaction reinforcement of the foundation backfilled with crushed stone soil. By using pore water pressure observation, static load test, dynamic sounding test, Rayleigh wave detection and the contrast of soil indices before and after reinforcement, the qualitative and quantitative evaluation have been carried out for the reinforcement effects of different dynamic compaction levels, and reasonable construction control parameters have been determined, which serve as a reference for the design of reinforcing foundation backfilled with crushed stone soil.

Key words:crushed stone soil; dynamic compaction method; tamping energy; empirical coefficient

作者簡介：池海（1984-），女，工程師，主要從事港口與航道工程水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2015-08-21

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160119

中圖分類號(hào)：TU472.3+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-9592（2016）01-0080-05