強夯法在濕陷性黃土地基中的試驗探討

李文濤（新疆水利水電勘測設計研究院勘測總隊　新疆　昌吉　831100）

強夯法在濕陷性黃土地基中的試驗探討

李文濤
（新疆水利水電勘測設計研究院勘測總隊新疆昌吉831100）

本文針對西沙河水庫濕陷性黃土在大壩壩基處理前，對地基黃土的物理、力學性質等各項試驗參數的統(tǒng)計，比照強夯后黃土地基濕陷變形特性的各項參數做出評價，通過試驗表明強夯處理基本消除了黃土地基的濕陷性，同時提高了地基承載力，也為黃土渠道地基工程的研究提供些許借鑒與參考。

黃土；強夯法；干密度；空隙比；濕陷性；載荷試驗

1　概述

隨著經濟的發(fā)展，水利工程建設項目越來越多，進行地基處理時不可避免會遇到濕陷性黃土地基沉降變形問題。對此，如何及時采取合理有效的處理方法以消除濕陷性黃土對工程建設以及今后運行過程中所造成的不利影響非常重要，同時工程的順利完工和安全運行也對本地區(qū)的社會經濟發(fā)展有著非常重大的意義。

西沙河水庫濕陷性黃土地段長約2.0km，該工程計劃采用強夯法處理此段黃土濕陷性地基。該方法是將大噸位夯錘從高處自由落下，在極短的時間內對土體產生巨大的沖擊能量，使土體受到外力的作用，土體結構受到破壞，土顆粒沿垂直受力方向和水平受力方向滑動，大量孔隙水迅速排出，土體四周產生裂隙呈隆起狀，土體結構的變化，地基結構變?yōu)榉€(wěn)定形式，使土體被壓密，提高土抗壓強度及抗剪強度。本次選擇其中一段黃土濕陷性地層為強夯試驗段，在壩基基礎底部，選擇兩段10m×10m間距為10m的試驗區(qū)，Ⅰ區(qū)為強夯前的試驗區(qū)，Ⅱ區(qū)為強夯后的試驗區(qū)，對兩段試驗區(qū)黃土的物理力學性質作出評價，為工程濕陷性黃土地基段的現場施工處理提供必要的決策依據。

2　強夯法設計要求與現場試驗參數

強夯試驗區(qū)為10m×10m正方型布置，主夯點中心距為5.0m，采用6000kN·m能級強夯加固處理，滿夯采用3000kN·m能級，設備采用YTHQ450，夯錘重量為36.0t，履帶式起重機，并配有卷揚機和龍門支架，夯錘錘底直徑2.5m。強夯落距為15m～30m，分兩遍進行夯擊，采用打梅花樁方式向外擴展延伸，夯擊數及夯擊遍數根據單點最后兩擊夯沉量小于5mm的原則，單點夯擊遍數控制在8擊～12擊之間，夯擊時先進行6000kN·m能級強夯，點夯擊后地面平均下沉量為40cm～50cm，然后用裝載機整平夯后余土高度，再進行3000kN·m能級滿夯，滿夯夯擊便數控制在2擊至5擊，滿夯后地面平均下沉量為15cm～20cm，夯點間距可取夯錘直徑的2.5倍～4.0倍，夯后余土高度控制在5cm～10cm以內為佳。

3　強夯前黃土的物理力學性質

3.1黃土物理性質

試驗前在Ⅰ區(qū)的3個各深7m的探坑深度內，每隔1m取一組原狀樣進行物理力學性試驗（共取22組），對22組原狀樣進行顆粒分析及液塑限試驗（詳見表1）。通過試驗數據分析黃土在天然狀態(tài)下土的結構基本穩(wěn)定，黃土肉眼看具有大孔隙豎直節(jié)理發(fā)育，富含硫酸鹽、碳酸鹽及氯化物鹽類等可溶性鹽類，是一種具有較強結構性的非飽和土。當覆蓋土層受水侵蝕時，在自重壓力和附加應力的作用下土的結構迅速破壞而發(fā)生顯著的附加下沉，其強度也迅速降低。

3.2黃土的力學性質

在Ⅰ區(qū)共取22組天然原狀樣進行相關力學性試驗，詳情見表2。從試驗結果分析來看：Ⅰ區(qū)黃土隨著取樣深度的變化，在不同壓力下濕陷系數也在增大，均呈現出由弱到強不同程度的弱濕陷性、中等濕陷性和強濕陷性，直至7.0m以下不具有明顯濕陷性。天然狀態(tài)下壓縮系數介于低壓縮性土至中壓縮性土之間，以中壓縮性土為主，飽和狀態(tài)下壓縮系數介于中壓縮性土至高壓縮性土之間，黃土在天然狀態(tài)下土孔隙內水和氣體排除量較少使土體積不易壓縮，由于膠結物的凝聚和結晶作用被牢固的粘結著，因此在天然狀態(tài)下黃土結構強度相對穩(wěn)定。當黃土遇水侵蝕時結合水膜增厚并楔入顆粒之間，于是結合水連續(xù)減弱，鹽類溶于水中，各種膠結物軟化，使黃土的骨架強度降低。所以一般分析認為黃土濕陷發(fā)生的機理，其內因為大空隙、垂直節(jié)理發(fā)育，而外因則是水的侵蝕滲入和外荷載的作用所造成得黃土地基失穩(wěn)。

表1Ⅰ區(qū)細粒土物理性試驗結果

試樣組數試驗深度液限　塑限　塑性指數不均勻系數d10　Cu　Cc%　　—　　含量（%）　mm—　—/范圍值21.6～28.4＜＜0.002 ωL　　ωP　IP＞0.50.5～0.25 0.075～0.005 0.25～0.075粒徑組成（mm）　　有效粒徑0.005曲率系數土代號N m 221.0～7.0 12.6～18.9 7.7～9.5 0.0～12.3 0.1～3.8 15.0～46.8 43.4～76.8 0.8～12.5 0.1～9.5 0.0025 ～0.060 1.3～27.6 0.2～22.5 ML～MLS

4　強夯后黃土的物理力學性質

強夯后在Ⅱ區(qū)的4個各深7m的探坑深度范圍內，每隔1m取一組原狀樣進行物理力學性試驗（共取79組），從試驗結果分析可以看出：黃土基礎夯前平均值干密度為1.49 g/cm3、夯后提高到1.64g/cm3，夯前平均值空隙比0.814、夯后減小到0.641，土體的密實程度由松散至稍密，增加到中密至密實狀態(tài)。濕陷系數平均值為0.033，由夯前中等濕陷性黃土，夯后為0.0087變?yōu)榉菨裣菪渣S土。自重濕陷系數平均值由夯前 0.0167減小到夯后0.0064，變?yōu)榉菨裣菪渣S土。黃土天然狀態(tài)下壓縮系數范圍值為 0.07MPa-1～0.240MPa-1，由低壓縮性至中壓縮性黃土，夯后壓縮系數范圍值為0.045MPa-1～0.105 MPa-1，變?yōu)榈蛪嚎s性黃土，詳見表3。通過試驗數據分析可以看出強夯試驗對黃土濕陷特性有非常明顯的影響，其土體密度有了很大的提高，強夯破壞了土體的結構，使土體疏松的結構與垂直節(jié)理排列方式發(fā)生改變，變?yōu)槊軐嵔Y構，阻斷了孔隙水的下滲通道，阻止了黃土濕陷性的發(fā)生。由于強夯后產生強大的沖擊波，夯擊點向四周擴散使土體產生垂直與水平振動，產生的沖擊波使土體中的空氣和水從土體空隙迅速消散，使土體結構破壞土顆粒重新滑移排列，土體被壓縮，空隙減小。另外土體的含水量也是決定強夯密實程度的重要指標。一般認為土體的含水量在1%～3%時土體不易被壓縮，孔隙水無多余的水量排出，強夯前土體應進行預浸水試驗，含水率最好接近最優(yōu)含水率，夯后使孔隙水壓力承擔強夯后土體的結構強度，達到最佳密實程度。

表2　　Ⅰ區(qū)原狀土樣物理力學性試驗結果

表3　?、騾^(qū)原狀土樣物理力學性試驗成果表

圖1　載荷試驗荷載～沉降量關系曲線圖

5　強夯后黃土的載荷試驗

地基強夯完成后，在強夯區(qū)進行了兩組載荷試驗，采用尺寸為72cm×72cm的方形承壓板，表面積大于0.5m2，安裝高壓液壓泵，加壓裝置為分離式50T千斤頂和4個百分表進行測試，采用分級加載、待測表讀數穩(wěn)定后再施加下一級壓力，直至試驗結束。最大壓力均為500kPa，載荷試驗荷載～沉降量關系曲線圖1。

從圖1中可看出：強夯完成后，黃土地基承載力在340kPa～400kPa之間，經室內22組試驗驗證7.0m以內300kPa壓力下，經強夯后處理的土層濕陷性基本消除，只有少部分黃土在相應壓力下有輕微濕陷性，這部分占試驗組數的5%～10%左右，下一步希望通過調節(jié)各夯點的距離、夯擊次數、夯擊落高，已達到土層的最佳密實狀態(tài)。綜上所述強夯法加固深層濕陷性黃土，地基承載力可提高15%～30%左右，可為地基的穩(wěn)定性提供安全措施。

6　結語

此次采用強夯法處理后的黃土地基在7.0m深度范圍內濕陷性基本消除，強夯后黃土地基的壓實密度合格率可達到88.0%以上，建議施工期間可在現場建立小型土工試驗室，便于在夯擊結束后能現場取樣進行相關試驗，并及時提供準確試驗數據，隨時調節(jié)施工參數，為消除黃土的濕陷性提供有利保證。

本次強夯法試驗積累了豐富的試驗參數，為濕陷性黃土地基處理提供了參考數據，也為類似黃土地區(qū)基礎施工提供了技術及參數支持。但是本次黃土強夯試驗也存在不足之處，由于試驗周期緊張，黃土夯擊前浸水效果不甚理想，未能達到或接近最優(yōu)含水狀態(tài)。夯擊能量過大，也不利于土體孔隙水壓力的迅速消散及孔隙水的排出。點夯后天數間隔時間太短，或影響土體的夯實密度。為了滿足設計施工的各項技術要求，施工時可根據現場條件隨時調整夯擊能量、落距、夯擊點布置及間距、夯擊擊數、夯擊編數、間隔時間、浸水時間以接近最優(yōu)含水率為最佳?？傊畯姾环ㄊ┕ぴO備簡單，施工方便、節(jié)省工期、適用廣泛，對濕陷性黃土地基處理效果顯著。陜西水利

［1］土工試驗規(guī)程（SL237-1999）［S］.1999.

［2］濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范（GB50025-2004）［S］.2004.

［3］席永慧.土力學與基礎工程［M］.上海：同濟大學出版社.2006.

（責任編輯：暢妮）

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