強(qiáng)夯法處理碎石回填地基施工參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

梅衛(wèi)鋒，楊志勇，黎浩

(中交第三公路工程局 ，北京 100000)

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強(qiáng)夯法處理碎石回填地基施工參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

梅衛(wèi)鋒，楊志勇，黎浩

(中交第三公路工程局 ，北京 100000)

通過對(duì)典型碎石回填地基開展一系列不同能級(jí)的強(qiáng)夯試驗(yàn)，對(duì)夯坑及其周圍土體的壓縮變形特性和強(qiáng)夯有效加固深度進(jìn)行全面檢測(cè)與分析，提出強(qiáng)夯加固碎石地基的施工參數(shù)。研究結(jié)果表明：無論單擊夯擊能如何，最佳夯擊次數(shù)均為13～16次；在最佳夯擊次數(shù)條件下，3 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯有效加固深度約為4.2 m。進(jìn)一步對(duì)54.84萬 m2的高填方強(qiáng)夯地基開展密度檢測(cè)、載荷試驗(yàn)、回彈試驗(yàn)、地基沉降觀測(cè)等監(jiān)測(cè)和檢測(cè)項(xiàng)目，驗(yàn)證了本次強(qiáng)夯施工的合理性和適用性。所得參數(shù)可以為同類工況的強(qiáng)夯設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)測(cè)提供參考。

強(qiáng)夯；碎石土；有效加固深度；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

強(qiáng)夯法處理地基，由于具有加固效果明顯、設(shè)備簡(jiǎn)單、工效快及經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，已在機(jī)場(chǎng)、大壩、公路和港口工程中得到廣泛應(yīng)用[1-6]，并取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。但因其理論尚不夠成熟，對(duì)強(qiáng)夯法處理地基的設(shè)計(jì)參數(shù)，目前尚無一套成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法[7-10]。目前，強(qiáng)夯法的設(shè)計(jì)普遍是經(jīng)驗(yàn)性或半經(jīng)驗(yàn)性的，在工程中，經(jīng)常是先通過在現(xiàn)場(chǎng)試夯，確定相應(yīng)參數(shù)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工[11-13]。尤其對(duì)大面積、高填方的大塊石填筑地基的強(qiáng)夯處理，國(guó)內(nèi)少有；此外，國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也缺少強(qiáng)夯法處理大粒徑塊石、碎石施工參數(shù)及強(qiáng)夯效果評(píng)價(jià)方法的說明[14]。鑒于此，本課題針對(duì)典型的碎石回填地基，開展了單擊夯擊能分別為1 000，3 000，4 000和6 000 kN·m的單點(diǎn)夯擊試驗(yàn)，對(duì)強(qiáng)夯作用下夯坑及周邊土體變形特性展開研究。并在此基礎(chǔ)上，選取最具代表性的3 000 kN·m量級(jí)強(qiáng)夯，探究地基有效加固深度及施工工藝和參數(shù)。最后，對(duì)場(chǎng)地加固效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和長(zhǎng)期變形觀測(cè)，驗(yàn)證了本次強(qiáng)夯施工參數(shù)的合理性和適用性。所得參數(shù)可為地基處理規(guī)范中強(qiáng)夯部分的豐富和發(fā)展提供實(shí)用參數(shù)，為“開山填谷”方式的山區(qū)碎石回填地基或沿海碎石回填地基的工程設(shè)計(jì)、施工與檢測(cè)提供參考。

1　工程地質(zhì)概況

場(chǎng)地為起伏較大的山區(qū)地形，“開山填谷”方式形成；工程中最大填方厚度約54 m，場(chǎng)區(qū)挖填面平整面積約1 766 400 m2，挖填土石方工程量為2 400萬，其中石方量占65.79%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，場(chǎng)地地層可分為2層：1)碎石層，主要為強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化石灰?guī)r塊石并夾有少量粘土，顆粒級(jí)配差；2)中風(fēng)化石灰?guī)r，灰色，薄層狀，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，含方解石脈，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈柱狀、短柱狀及塊狀。為便于就地取材，設(shè)計(jì)采用 “開山填谷”方式指導(dǎo)施工，該場(chǎng)地為典型的碎石填、挖方工程。

2　強(qiáng)夯試驗(yàn)方案

大面積采用開山大塊石填料，且填筑厚度達(dá)五十余米的場(chǎng)道工程，在國(guó)內(nèi)外尚屬罕見。為此，專門在場(chǎng)區(qū)內(nèi)開展了強(qiáng)夯碎石試驗(yàn)。場(chǎng)地平面尺寸為50 m×40 m，夯錘直徑D為2.4 m，夯點(diǎn)間距為4.5 m，夯擊1遍完成后推平場(chǎng)地。首先將場(chǎng)區(qū)內(nèi)覆蓋土全部挖除，對(duì)基巖面自然坡度>10%的地段，按高、寬比為1∶2開挖成臺(tái)階；填筑粒料的巖性為現(xiàn)場(chǎng)定向爆破所得石灰?guī)r，其顆粒級(jí)配如圖1所示。分別進(jìn)行了單擊夯擊能量為1 000，3 000，4 000和6 000 kN·m的單點(diǎn)夯擊試驗(yàn)。并在此基礎(chǔ)上，選取工程中最常用的3 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯，進(jìn)行了有效加固深度及不同夯擊次數(shù)下加固效果對(duì)比試驗(yàn)。

3　強(qiáng)夯試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1夯坑沉降變形特性分析

為了探究強(qiáng)夯作用下夯坑內(nèi)及其周圍土體的變形規(guī)律，在夯點(diǎn)下及其周圍埋設(shè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)：水平向在夯點(diǎn)3.5D范圍內(nèi)，每隔0.5D設(shè)一系列監(jiān)測(cè)點(diǎn)，豎直方向每隔0.5 m深度埋設(shè)一系列監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖2為夯擊次數(shù)與夯坑沉降變形關(guān)系曲線。可以看出，每擊豎向壓縮量與單擊夯擊能量有關(guān)。單擊夯擊能量越高，則豎向壓縮量也就越大；在特定夯擊能情況下，夯坑的豎向壓縮量隨夯擊次數(shù)的增加而增加，但曲線存在明顯的拐點(diǎn)：前6擊夯坑沉降迅速，超過6擊后，單擊作用下夯坑沉降變形減小，夯坑沉降增幅隨夯擊次數(shù)而減緩。

圖1　碎石填料顆粒級(jí)配Fig.1 Particle size distribution of gravel packing

若以夯擊20次的夯坑累計(jì)豎向壓縮量為100%，則可得如圖3所示的夯擊次數(shù)與夯坑累計(jì)豎向壓縮量的百分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線。取夯坑累計(jì)豎向壓縮量達(dá)到總壓縮量90%的夯擊次數(shù)為最佳，則可確定不同夯擊能情況下最佳夯擊次數(shù)：1 000 kN·m能級(jí)為15次，3 000 kN·m為16次，4 000 kN·m為夯擊14次，6 000 kN·m為夯擊13次。可以看出，最佳夯擊次數(shù)集中在14擊左右，與夯擊能相關(guān)性不大。

圖2　夯擊次數(shù)與夯坑沉降關(guān)系Fig.2 Relationship between the number of compaction and the settlement of the compaction pit

圖3　夯擊次數(shù)與夯坑沉降百分比關(guān)系Fig.3 Relationship between the number of the compaction and the percentage of the settlement of the hole

3.2夯坑周邊土體變形分析

當(dāng)夯坑的累計(jì)豎向壓縮量為總壓縮量90%的夯擊次數(shù)時(shí)，其夯坑周圍不同距離的地面累計(jì)豎向下沉量，如圖4所示。與傳統(tǒng)低能級(jí)強(qiáng)夯下的細(xì)粒土或土石混合料不同，碎石在強(qiáng)夯作用下夯坑周圍并不會(huì)發(fā)生隆起，反而會(huì)出現(xiàn)不同程度的下沉。具體表現(xiàn)為：距夯點(diǎn)愈近其豎向下沉量愈大，反之則小；夯擊能越大下沉量越大。這是由于，強(qiáng)夯產(chǎn)生的沖擊波不僅使得夯錘下土體得到擠密，在沖擊振動(dòng)作用下夯錘周圍土體也會(huì)發(fā)生相互移動(dòng)，使土體更加密實(shí)，從而說明強(qiáng)夯壓實(shí)工藝在碎石類土體中更具適用性。

圖4　夯坑周圍地表沉降Fig.3 Surface subsidence around the pit

3.3有效加固深度分析

土體有效加固深度既是反映地基處理效果的重要參數(shù)，又是選擇地基處理方案的重要依據(jù)。在強(qiáng)夯施工中，有效加固深度不僅是上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，而且決定了夯擊能、夯點(diǎn)布設(shè)、夯擊次數(shù)等基本施工參數(shù)。國(guó)家及各部門相關(guān)規(guī)范雖然采用了“有效加固深度”一詞，但并未給出明確定義，其判定依據(jù)也往往依靠經(jīng)驗(yàn)或通過試驗(yàn)段獲取。

有效加固深度應(yīng)視加固目的而定，即從最初起夯面算起，在一定深度范圍內(nèi)，強(qiáng)夯處理后，處理目標(biāo)值(如承載力、變形等特性)有所提高并達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)對(duì)應(yīng)的最大深度。本次試驗(yàn)采用工程中最具代表性的單擊3 000 kN·m量級(jí)強(qiáng)夯，以干密度不小于2.0 g/cm3作為標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)松鋪厚度為6 m，干密度為1.87 g/cm3的碎石填料，在最佳夯擊次數(shù)(16次)后，測(cè)定不同深度處土體干密度，測(cè)試結(jié)果如圖5所示?？梢源_定，本次有效加固深度為4.2 m。

圖5　不同深度處干密度Fig.5 Dry density at different depths

4　工程檢驗(yàn)

根據(jù)以上試驗(yàn)段所得強(qiáng)夯施工參數(shù)，進(jìn)行了大面積的工程實(shí)踐。地基加固面積為54.84萬m2，填筑級(jí)配塊石219.3萬m3。對(duì)強(qiáng)夯加固后地基開展了密度測(cè)試、載荷試驗(yàn)、回彈試驗(yàn)、地基沉降觀測(cè)、強(qiáng)夯地基夯沉量測(cè)量等，大塊石填筑地基經(jīng)強(qiáng)夯加固后的密度、強(qiáng)度、變形及其均勻性分述如下。

4.1干密度測(cè)試

密度試驗(yàn)是檢測(cè)大塊石填筑地基強(qiáng)夯加固效果的主要手段。本次選用探坑灌水法，探坑開挖深度為4 m，直徑為90～150 cm。檢測(cè)點(diǎn)分別布置在夯擊點(diǎn)下和2夯點(diǎn)間、4夯點(diǎn)間，其檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

可見，經(jīng)強(qiáng)夯處理后，在強(qiáng)夯點(diǎn)下、2夯點(diǎn)間、4夯點(diǎn)間，其檢測(cè)的干密度均不小于2.0 g/cm3，大塊石填筑地基經(jīng)分層夯實(shí)，可以滿足密實(shí)性及均勻性的設(shè)計(jì)要求。

圖6　不同位置及深度地基密度Fig.6 Different position and depth foundation density

4.2地基容許承載力及變形模量

為確定大塊石填筑地基夯前及夯后的地基容許承載力和變形模量，以及強(qiáng)夯后在設(shè)計(jì)荷載P=72 kPa條件下，地基土的累計(jì)沉降量及差異沉降量；本次在填筑層頂面及累計(jì)分層厚度分別為8，12和32 m處，分別進(jìn)行了小壓板(120 cm×120 cm)和大壓板(50 cm×450 cm)的靜力載荷試驗(yàn)。圖7為小承壓板壓力與沉降關(guān)系曲線，表1為地基容許承載力及變形模量變化。

可以看出，變形模量比夯前提高1.13倍；從載荷試驗(yàn)P～S關(guān)系曲線中，可見夯后試驗(yàn)壓力達(dá)到700 kPa時(shí)，仍呈直線，地基沉降量為1.442 mm，滿足初始設(shè)計(jì)承載力要求；而夯前，在壓力達(dá)600 kPa時(shí)，出現(xiàn)了明顯拐點(diǎn)，地基破壞。

圖7　強(qiáng)夯前后載荷試驗(yàn)P～S曲線Fig.7 P～S curve of load test before and after dynamic compaction

Table 1 Allowable bearing capacity and deformation modulus of foundation soil

項(xiàng)目承載力/kPa沉降量/mm變形模量/MPa夯前6002.640274.07夯后>7001.442585.39

4.3道面沉降監(jiān)測(cè)

荷載作用下的累計(jì)沉降量及差異沉降量是道面設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。在試驗(yàn)區(qū)頂層分別進(jìn)行了2臺(tái)壓板為500 cm×450 cm，單位壓力為72 kPa的載荷試驗(yàn)，2臺(tái)載荷試驗(yàn)點(diǎn)相距50 m，沉降觀測(cè)時(shí)間為252 d，沉降量與時(shí)間關(guān)系見圖8。

可見，在設(shè)計(jì)壓力P=72 kPa條件下，觀測(cè)252 d(1個(gè)觀測(cè)周期)，其地基累計(jì)沉降量為0.91～1.18 mm；沉降差僅為0.27 mm，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8　道面沉降觀測(cè)Fig.8 Road surface subsidence observation

4.4地基回彈模量

從強(qiáng)夯后的地基荷載試驗(yàn)可以看出，當(dāng)分級(jí)荷載P加到700 kPa時(shí)，地基仍處彈性變形階段。為此，測(cè)定大塊石填筑地基強(qiáng)夯后的地基回彈模量E及回彈變形量L，采用120 cm×120 cm壓板，分級(jí)總荷載P=600 kPa，加載卸裁采用2 000 kN油壓千斤頂，測(cè)試位置分別選在累計(jì)分層填筑厚度為8，12和32 m的層面上，其測(cè)試結(jié)果如表2所列?？梢钥闯觯瑥?qiáng)夯后地基完全滿足設(shè)計(jì)提出的回彈模量E≥150 kPa(P=200 kPa)的要求。

表2不同加載能級(jí)下地基回彈變形量及回彈模量

Table 2 deformation of foundation under different load levels and the modulus of resilience

P/kPa50100200300400500600取樣數(shù)8888888L/cm0.040.050.080.100.120.130.15E/MPa142192247301330388413

6　結(jié)論

1)強(qiáng)夯夯點(diǎn)間距:對(duì)碎石回填地基，3 000 kN·m量級(jí)夯點(diǎn)間距宜為4.5 m；

2)強(qiáng)夯最佳夯擊次數(shù)為14～16擊；

3)遍夯間歇時(shí)間:由于處理對(duì)象為顆粒較大的碎石，含水量極少且排氣通常，一般不考慮間歇；

4)有效加固深度：以材料干密度不小于2.0 g/cm3為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，有效加固深度為4.2 m；

5)利用強(qiáng)夯加固碎石地基，加固效果明顯、均勻，長(zhǎng)期觀測(cè)表明處理后地基承載力提高明顯，長(zhǎng)期變形穩(wěn)定性好，能夠滿足各方面設(shè)計(jì)要求。

[1] 王鐵宏, 水偉厚, 王亞凌, 等. 10 000 kN·m高能級(jí)強(qiáng)夯地而變形與孔壓試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2005, 27(7):759-762.

WANG Tiehong, SHUI Weihou, WAND Yaling, et al. Experimental research on the ground deformation and pore water pressure during 10000 kN·m high energy level dynamic compaction[J]. Chinese Journal of geotechnical Engineering, 2005,27(7):759-762.

[2] 胡濤, 魏婷, 張超,等. 強(qiáng)夯法處理婁新高速公路巖溶塌陷地基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014,11(5):118-124.

HU Tao, WEI Ting, ZHANG Chao, et al. Experimental study on dynamic in karst collapse foundation compaction of Lou-Xin method applied expressway[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014,11(5):118-124.

[3] 何長(zhǎng)明, 鄒金鋒, 李亮. 強(qiáng)夯動(dòng)應(yīng)力的量測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2007, 27(4): 628-632.

HE Changming, ZOU Jinfeng,LI Liang. Field tests on measurement of dynamic stress of dynamic compaction[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007,27(4):628-632.

[4] 郭乃正，鄒金鋒，楊小禮，等. 高填方路堤強(qiáng)夯試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2007,4(3):53-57.

GUO Naizheng, ZOU Jinfeng, YANG Xiaoli,et al. Research of test and simulation on dynamic compaction in high roadbed[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2007,4(3):53-57.

[5] 王蕊, 沈正, 陳葶葶. 高速公路液化地基強(qiáng)夯法處理的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].公路工程,2014,39(3):38-43.

WANG Rui, SHENG Zheng, CHEN tingting. test on dynamic compaction treatment for expressway with a liquefiable foundation[J]. Highway Engineering, 2014,39(3):38-43.

[6] 高政國(guó), 杜雨龍, 黃曉波,等. 碎石填筑場(chǎng)地強(qiáng)夯加固機(jī)制及施工工藝[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013,32(2):377-384.

GAO Zhengguo，DU Yulong，HUANG Xiaobo， et al. Reinforcement and construction technology of broken stone fills by dynamic consolidation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013,32(2):377-384.

[7] 水偉厚. 對(duì)強(qiáng)夯置換概念的探討和置換墩長(zhǎng)度的實(shí)測(cè)研究[J]. 巖土力學(xué), 2011,32(增2):3-10.

SHUI Weihou. Exploring concept of dynamic replacement and measured length of replacement pier[J]. Rock and Soil Mechanics 2011, 32(Suppl 2):3-10.

[8] Rollins K M, Kim J. Dynamic compaction of collapsible soils based on US case histories[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2010.

[9] Ghassemi A, Pak A, Shahir H. Numerical study of the coupled hydro-mechanical effects in dynamic compaction of saturated granular soils[J]. Computers and Geotechnics, 2010,37(1):10-24.

[10] 郭乃正, 鄒金鋒, 李 亮,等. 大顆粒紅砂巖高填方路基強(qiáng)夯加固理論與試驗(yàn)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,39(1):185-189.

GUO Naizheng, ZOU Jinfeng, LI Liang, et al. Dynamic compaction theory and experiments in high roadbed filled with red sandstone[J] Joufnal of Central. South University. (Science and Technology), 2008,39(1):185-189.

[11] 張建輝, 張靜堃, 孟黎,等. 強(qiáng)夯加固風(fēng)成砂地基的土層沉降研究[J]. 工程力學(xué), 2014, 31(增刊):145-148.

ZHANG Jianhui, ZHANG Jingkun, MENG Li, et al. Soil layer settlement of compacted aeolian sand foundations[J]. Engineering Mechanics, 2014, 31(Suppl):145-148.

[12] 胡長(zhǎng)明, 梅源, 王雪艷. 離石地區(qū)濕陷性黃土地基強(qiáng)夯參數(shù)的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2012,33(10):2903-2909.

HU Changming, MEI Yuan, WANG Xueyan. Experimental research on dynamic compaction parameters of collapsible loess foundation in Lishi region[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012,33(10):2903-2909.

[13] 董倩, 況龍川, 孔凡林. 碎石土地基強(qiáng)夯加固效果評(píng)價(jià)與工程實(shí)踐[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2011,33(增1):337-341.

DONG Qian, KUANG Longchuan, KONG Fanglin. Reinforcement assessment and engineering practice of dynamic compaction for crushed rock soil fill foundation in mountainous areas[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011,33(Suppl 1):337-341.

[14] JG.179—2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

JG.179—2002, Technical code for ground treatment of building[S].

Field test study on construction parameters of gravel backfill foundation treated by dynamic compaction

MEI Weifeng, YANG Zhiyong, LI Hao

(Third Highway Engineering Bureau, Beijing 100000，China)

In this paper, a series of dynamic compaction tests, with different energy levels, were carried out on a typical gravel backfill foundation. The compression deformation characteristics and the effective reinforcement depth of the soil were detected and analyzed comprehensively. The construction parameters of dynamic compaction of the gravel foundation were put forward. It is found out that, whatever the ram energy is, the optimal number of the hit is 13～16 times and the effective reinforcement depth of 3 000 kN energy level is about 4.2 m. Furthermore, based on observation and testing projects data of the density detection, load test, rebound test, ground subsidence, it is proved rational and applicable to use dynamic compact to reinforce gravel backfill foundation. The obtained parameters can provide reference for the design, construction and monitoring of the dynamic compaction of the same type.

dynamic compaction; gravel soil; effective reinforcement depth; field test

2015-10-30

北京市交通委員會(huì)運(yùn)輸管理局項(xiàng)目(201437)

梅衛(wèi)鋒(1977-)，男，湖南沅陵人，高級(jí)工程師，從事土木工程項(xiàng)目管理理論和施工技術(shù)的研究與應(yīng)用；E-mail：linken_111@tom.com

U473

A

1672-7029(2016)08-1543-06