強(qiáng)夯法加固濕陷性黃土地基的理論與應(yīng)用

賈 宏 錚

(山西省陽(yáng)泉市建工集團(tuán)總公司工程一處，山西 陽(yáng)泉 045000)

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強(qiáng)夯法加固濕陷性黃土地基的理論與應(yīng)用

賈 宏 錚

(山西省陽(yáng)泉市建工集團(tuán)總公司工程一處，山西 陽(yáng)泉 045000)

闡述了強(qiáng)夯法的發(fā)展歷史和應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了強(qiáng)夯法的技術(shù)特點(diǎn)及其適用范圍，通過(guò)試驗(yàn)研究，分析了濕陷性黃土地基的成因，探討了濕陷性黃土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及其判定標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)強(qiáng)夯施工的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，保證建筑物地基的承載力和加固效果。

強(qiáng)夯法，濕陷性黃土，力學(xué)性質(zhì)，承載力

1 概述

1.1 強(qiáng)夯法的沿革與發(fā)展

夯實(shí)法是一種十分古老的加固地基的施工方法，甚至可以追溯到原始公社母系氏族社會(huì)時(shí)期，在我國(guó)社會(huì)文明發(fā)展的幾千年里，人們?cè)诩庸痰鼗鶗r(shí)，大多數(shù)時(shí)候都采用夯實(shí)法，具體方法就是用夯(木夯、抬夯)、硪(石硪、鐵硪)等工具去加固土工構(gòu)筑物的地基，常見的土工構(gòu)筑物有：堤、壩、臺(tái)、墻(有房屋的墻壁、也有大的城墻)，進(jìn)入 1940年以后，當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)科學(xué)家提出了新的加固地基方法、方案，同時(shí)改進(jìn)了夯實(shí)法所用的機(jī)具，從而推動(dòng)了夯實(shí)法的發(fā)展，出現(xiàn)了重錘夯實(shí)法，并在 1950年以后，引進(jìn)到我們國(guó)家，而且在太原化工區(qū)建設(shè)工程中，大量應(yīng)用在濕陷性黃土地基的處理上，其所用重錘的重量為15 kN～40 kN，落距為2.5 m～4.5 m，可達(dá)到的加固深度為1 m～2 m。強(qiáng)夯法又被叫做動(dòng)力固結(jié)法(Dynamic Consolidation Method)，或者動(dòng)力壓實(shí)法(Dynamic Compaction Method)，這種方法就是重復(fù)將重量至少為8 t的重錘，提到高度至少為6 m的高空，然后使其自由落下，通過(guò)將重錘極大的沖擊力和振動(dòng)效果作用在構(gòu)筑物的地基上，從而能滿足構(gòu)筑物地基土的抗壓強(qiáng)度，提高地基土的壓實(shí)度，使地基土的振動(dòng)液化條件得到良好的改善，消除濕陷性黃土的濕陷性，從而使構(gòu)筑物的地基土能滿足設(shè)計(jì)所需要的承載力、沉降等工程性質(zhì)。由于強(qiáng)夯法具有加固效果十分明顯、適用各種類型的土壤、施工設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、施工方案比較容易實(shí)施、機(jī)械化程度高、節(jié)省勞動(dòng)力、施工速度快、施工期短、施工費(fèi)用低和材料消耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，故而在工程領(lǐng)域得到大量地應(yīng)用研究。鄒立華等[1]通過(guò)采用強(qiáng)夯法加固濕陷性黃土地基歸納出振動(dòng)在濕陷性黃土中的衰減規(guī)律,分析了加固振動(dòng)對(duì)毗鄰建筑及人體舒適度的影響情況、黃土振陷產(chǎn)生的原因及條件；張孟喜等[2]通過(guò)進(jìn)行濕陷性黃土地基強(qiáng)夯處理原位測(cè)試試驗(yàn),系統(tǒng)地研究了強(qiáng)夯引起的濕陷性黃土物理力學(xué)特性、密實(shí)度、濕陷性、比貫入阻力和承載力變化等擾動(dòng)特性,并劃分了不同的擾動(dòng)區(qū)域。駱行文等[3]采用強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地區(qū)的地基,并采用各種原位試驗(yàn)處理強(qiáng)夯前后的地基,確定地基有效加固深度,并評(píng)價(jià)強(qiáng)夯法加固濕陷性黃土地基的加固效果；于克萍等[4]按照路基土不同的初始干密度及路頂單點(diǎn)夯和多點(diǎn)夯情況進(jìn)行了強(qiáng)夯壓實(shí)試驗(yàn),分析了模型路基在強(qiáng)夯前后不同土層的壓實(shí)度變化規(guī)律、路頂分層土的夯沉量和側(cè)向擠出變形量以及強(qiáng)夯振動(dòng)力沿路基深度水平向的傳遞規(guī)律。費(fèi)香澤等[5]采用讀數(shù)顯微鏡位移跟蹤法,進(jìn)行了黃土強(qiáng)夯模型試驗(yàn)的研究,研究了影響強(qiáng)夯加固范圍的不同參數(shù)及其相互關(guān)系,確定了在這些主要因素影響下，強(qiáng)夯加固深度的計(jì)算公式,并分析了強(qiáng)夯機(jī)理。

1.2 強(qiáng)夯法的技術(shù)特點(diǎn)與適用范圍

1)強(qiáng)夯法的技術(shù)特點(diǎn)。

強(qiáng)夯法在技術(shù)方面有以下特點(diǎn)：適用于各種類型的土壤，可以應(yīng)用的地區(qū)十分廣泛，另外強(qiáng)夯法加固后，土體表現(xiàn)的加固效果十分明顯，土體有效加固深度能達(dá)到的范圍很大、施工機(jī)具簡(jiǎn)單、節(jié)省材料、降低工程造價(jià)、施工快捷等。

2)強(qiáng)夯法的適用范圍。

強(qiáng)夯法的適用范圍極其廣，幾乎所有天然土質(zhì)的地基，比如雜填土、素填土、砂土、低飽和度的粉土、低飽和度的粘性土、濕陷性黃土、碎石土等。而且在采用常規(guī)方法都難以達(dá)到加固效果的土質(zhì)，如大塊碎石類土以及生活垃圾、建筑垃圾或工業(yè)廢料構(gòu)成的雜填土等，使用強(qiáng)夯法后加固的效果十分顯著。通過(guò)輔以置換等措施后，強(qiáng)夯飽和度較高的粘土和淤泥及淤泥質(zhì)地基也能夠獲得一定的加固效果。

2 試驗(yàn)研究

2.1 濕陷性黃土地基的成因分析

1)黃土濕陷現(xiàn)象。

本次試驗(yàn)主要采用具有濕陷性的黃土來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，分析強(qiáng)夯法的加固機(jī)理及加固效果。濕陷性黃土是土體在其自重應(yīng)力及其上部構(gòu)筑物的附加應(yīng)力單一作用或者聯(lián)合作用下，遇水后其原來(lái)的天然的顆粒組成及結(jié)構(gòu)會(huì)迅速遭到破壞甚至崩潰，并且伴隨著結(jié)構(gòu)的坍塌會(huì)發(fā)生特別明顯的附加沉降或者極大變形，這種特殊性質(zhì)的土體被稱作濕陷性黃土。根據(jù)濕陷時(shí)性質(zhì)的不同，濕陷性黃土又可細(xì)分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土。

2)濕陷性黃土的原因。

黃土的濕陷性，這種性質(zhì)阻礙了其在工程上的使用，甚至給工程帶來(lái)極其嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)后果和技術(shù)難題。導(dǎo)致黃土具有濕陷性特征，究其原因主要是黃土本身所含有的物質(zhì)成分。因此要解決黃土的濕陷性所帶來(lái)的難題，就必須先從濕陷性黃土的物質(zhì)成分入手，分析物質(zhì)成分對(duì)黃土結(jié)構(gòu)組成的影響和水對(duì)物質(zhì)成分的溶解效果。濕陷性黃土的物質(zhì)成分可以從其物質(zhì)成分和組織結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面來(lái)做具體的研究。

3)濕陷性黃土的組織結(jié)構(gòu)。

土的組織結(jié)構(gòu)，是指土顆粒與土顆粒之間的各種空間排列組合、膠結(jié)、填充等的相互組成關(guān)系。在宏觀上看，濕陷性黃土的組織結(jié)構(gòu)，其特征主要是以蜂窩狀為主。這一類型的組織結(jié)構(gòu)也就是我們通常所說(shuō)的“開放式結(jié)構(gòu)”；在微觀上看，濕陷性黃土的組織結(jié)構(gòu)，它有明顯的與區(qū)域性有關(guān)的變化規(guī)律，即在區(qū)域上說(shuō)，從我國(guó)的西北地區(qū)逐漸過(guò)渡到東南地區(qū)，濕陷性黃土的組織結(jié)構(gòu)則由粒狀架空接觸式結(jié)構(gòu)逐漸過(guò)渡到鑲嵌、膠結(jié)、凝塊式結(jié)構(gòu)，這樣的區(qū)域性規(guī)律就直接影響到黃土的濕陷性，導(dǎo)致黃土的濕陷性由西北向東南逐漸減弱。

2.2 濕陷性黃土的力學(xué)性質(zhì)

1)物理性質(zhì)見表1。

表1 濕陷性黃土的物理性質(zhì)

2)力學(xué)性質(zhì)。

黃土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，主要有抗剪強(qiáng)度、壓縮系數(shù)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(即單軸抗壓強(qiáng)度)、凝聚力、靈敏度等。我國(guó)濕陷性黃土主要集中在山西、陜西黃土高原區(qū)，這片區(qū)域的黃土的壓縮系數(shù)和抗剪強(qiáng)度如表2所示。

表2 濕陷性黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表

2.3 濕陷性黃土的評(píng)價(jià)

1)濕陷性的判定。

黃土的濕陷性評(píng)價(jià)通常經(jīng)過(guò)以下三個(gè)步驟：首先要根據(jù)黃土土層在垂直方向和水平方向上的具體分布以及在各個(gè)方向的厚度，另外還要測(cè)定地下水位的深度等，從而判定這部分黃土土層是否可能會(huì)具有濕陷性；如果判定這部分黃土土層具有濕陷性，那么需要根據(jù)濕陷性質(zhì)的不同，繼續(xù)判定其是自重濕陷性黃土還是非自重濕陷性黃土；最后計(jì)算濕陷系數(shù)，根據(jù)濕陷系數(shù)判定這部分黃土的濕陷等級(jí)[6]。

2)濕陷系數(shù)。

根據(jù)GB 50025—2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范的規(guī)定，通常有三種方法來(lái)測(cè)定黃土的濕陷性及濕陷等級(jí)，包括現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)和室內(nèi)壓縮試驗(yàn)。

3 強(qiáng)夯法施工要點(diǎn)

3.1 確定設(shè)計(jì)目標(biāo)

對(duì)于強(qiáng)夯法所需要確定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，主要包括強(qiáng)夯的單擊夯擊能、單位面積的夯擊能、所需要夯擊的遍數(shù)(其中包括夯擊的批次)以及夯點(diǎn)的布置間距。這些設(shè)計(jì)目標(biāo)都需要根據(jù)實(shí)際工程的要求進(jìn)行設(shè)定，不同的工程設(shè)計(jì)的參數(shù)一定不同，首先根據(jù)工程強(qiáng)夯加固后的土層所需要達(dá)到的地基承載力、壓縮模量、有效加固影響深度等一系列的參數(shù)，特別是要強(qiáng)夯加固后滿足消除地震液化所需的深度和消除黃土濕陷所需的深度，然后以上述參數(shù)為依據(jù)，再結(jié)合所加固土層的類型和土層的相關(guān)特征，確定強(qiáng)夯施工的施工參數(shù)即強(qiáng)夯法施工的設(shè)計(jì)目標(biāo)。并且還要根據(jù)實(shí)際工程的需要，確定是否需增加墊層及填料來(lái)滿足設(shè)計(jì)所需要的承載力和加固深度，如果需要增加，則還需確定增加的墊層或者填料的厚度及深度[7]。

3.2 試夯

一般情況在小片試區(qū)內(nèi)進(jìn)行試夯，必要時(shí)應(yīng)對(duì)比不同單擊夯擊能，以此來(lái)提供合理的選擇。單點(diǎn)夯要安排測(cè)量地表的豎直、水平位移；測(cè)定每次夯擊后夯錘下沉的數(shù)量值，并記錄數(shù)值；測(cè)量夯擊所造成夯坑的深度、直徑，并計(jì)算夯坑的體積，記錄這些數(shù)值；測(cè)量孔隙水壓力的增長(zhǎng)值和消散值，及其增長(zhǎng)和消散所用的時(shí)間；測(cè)量強(qiáng)夯過(guò)程中所引起振動(dòng)的影響范圍和振動(dòng)影響值；如有填料，測(cè)定夯坑中填料的厚度及填料的次數(shù)。在夯擊時(shí)效后，進(jìn)行分析檢驗(yàn)，其內(nèi)容包括加固土層的抗剪強(qiáng)度值、壓縮模量值、滲透系數(shù)、含水量、密度、孔隙比等參數(shù)、十字板剪切試驗(yàn)、動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、波速試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)等。另外在夯坑的坑心和坑側(cè)都應(yīng)布置大量的試驗(yàn)孔。一般試夯的區(qū)域都比較小，為了保證試夯具有代表性，所以試夯區(qū)應(yīng)盡量布置在施工現(xiàn)場(chǎng)有代表性的地段；試夯的面積要根據(jù)布點(diǎn)要求來(lái)確定其大小，這樣就可以使試夯區(qū)內(nèi)部的檢驗(yàn)也具有代表性。試夯的測(cè)試內(nèi)容主要包括單點(diǎn)夯的所有內(nèi)容、夯坑各次夯擊的填料量及其施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地的下沉量，所得到的這些參數(shù)，在正式施工時(shí)，可以正確地預(yù)留下沉量，檢驗(yàn)強(qiáng)夯后土體的加固效果。每遍夯擊后都要進(jìn)行測(cè)試夯點(diǎn)間距，以便在夯擊過(guò)程中正確調(diào)整夯擊遍數(shù)。

[1] 鄒立華,趙建昌,陳全紅.濕陷性黃土強(qiáng)夯加固振動(dòng)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005(18)：58-59.

[2] 張孟喜,王玉玲,馮建龍.黃土受強(qiáng)夯擾動(dòng)的工程特性與環(huán)境公害研究[J].巖土力學(xué),2004(12)：100-101.

[3] 駱行文,陳靜曦,王吉利.強(qiáng)夯法處理黃土地區(qū)公路地基試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2004(4)：180-181.

[4] 于克萍,程 俠,折學(xué)森.強(qiáng)夯處理黃土路堤的模型試驗(yàn)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003(4)：80-81.

[5] 費(fèi)香澤,王 釗,周正兵.黃土強(qiáng)夯的模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2002(4)：35-36.

[6] 《地基處理手冊(cè)》編寫委員會(huì).地基處理手冊(cè)[M].第2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[7] 鄭俊杰.地基處理技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.

The theory and application using dynamic compaction method reinforcement of collapsible loess foundation

Jia Hongzheng

(TheFirstEngineeringDepartment,ShanxiYangquanConstructionEngineeringGroupCorporation,Yangquan045000,China)

This paper elaborated the development history and application status of dynamic compaction method, introduced the technical characteristics and its applicable scope of dynamic compaction method, through the test research, analyzed the causes of collapsible loess foundation, discussed the mechanical properties index and its judge standard of collapsible loess, and summarized the technical points of dynamic compaction construction, ensured the bearing capacity and reinforcement effect of building foundation.

dynamic compaction method, collapsible loess, mechanical property, bearing capacity

1009-6825(2016)05-0087-02

2015-12-09

賈宏錚(1977- )，男，工程師

TU472.31

A