地基均勻性表征及其在強夯加固地基均勻性評價中的應(yīng)用

鄧永鋒，鄭曉培，江舜武，劉華山，李 沛

(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京，210096； 2.江蘇新蘇港投資發(fā)展有限公司，江蘇 連云港，222042；3.金東方港口投資有限公司，江蘇 連云港，222100)

在巖土工程實踐中，造成結(jié)構(gòu)失效或產(chǎn)生病害的主要原因之一就是地基不均勻問題[1-2](排除上部荷載不均勻引起的不均勻沉降)。為此，地基均勻性評價具有重要意義。目前，大多數(shù)工程都是直接以不均勻系數(shù)β進行地基均勻性的評價。實踐證明：該方法具有一定實用性，但不均勻系數(shù)β考慮的只是地基不均勻性的極端情況，忽略了數(shù)據(jù)系列分布的特征。因此如果要對地基均勻程度進行更深入評價，則還需借助其他方法。

一些學(xué)者在考慮到該方法的不足后，也提出了各自改良的評價方法。有學(xué)者從試驗出發(fā)進行改良，謝劍峰等[3]從地基承載力和沉降兩方面對分層回填雜填土地基強夯法處理加固效果進行了評價；鄭少河等[4]基于現(xiàn)場試驗，對高真空擊密法處理吹填飽和粉土地基的含水率、靜力觸探結(jié)果和地基承載力等進行了效果檢測，并認為該處理方法能提高吹填土地基的整體力學(xué)性能；吳立春等[5]結(jié)合靜力觸探試驗、標準貫入試驗和載荷試驗結(jié)果對不同強夯能量下吹填軟土地基加固效果進行了評價；董倩等[6]結(jié)合現(xiàn)場實際工況，采用綜合檢測評價，對比分析和綜合互補，對強夯后的地基進行加固評價；此外，還有學(xué)者利用數(shù)值模擬的方法對地基均勻性進行分析，田水等[7]利用數(shù)值模擬方法，對相同能級下不同夯擊方式的效果進行了評價；鄭紅娟等[8]利用數(shù)值模擬確定了飽和地基土強夯的施工參數(shù)方法，為加固效果的評價提供了依據(jù)；周行春[9]利用八節(jié)點等參有限元法分析了由于軟土地基不均勻沉降引起的路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力，并在此基礎(chǔ)上進一步提出了軟土地基不均勻沉降指標限值。

鑒于上述傳統(tǒng)地基均勻性評價方法的不足，筆者在該評價方法基礎(chǔ)上，充分考慮了數(shù)據(jù)分布特征，提出了利用不均勻系數(shù)和變異系數(shù)相結(jié)合的方法來評價地基均勻性。并結(jié)合連云港贛榆港區(qū)一期吹填工程，通過分析各種原位試驗結(jié)果，研究了強夯前后吹填土地基的均勻性變化，對比分析了均勻性評價方法的可靠性和可行性。

1 雙指標地基均勻性評價方法

綜合傳統(tǒng)單一的“地基不均勻性系數(shù)”(表1)評價指標不足，筆者提出了地基不均勻系數(shù)和場地參數(shù)變異系數(shù)雙指標的地基均勻性評價方法。

表1 地基土不均勻系數(shù)Table 1 Uneven coefficient of foundation soil

注：該地基土壓縮模量由現(xiàn)場原位試驗(靜力觸探試驗和動探試驗)得到。

1) 通過計算地基不均勻系數(shù)β對地基的均勻性進行定量評價。

(1)

2) 根據(jù)地基土強度指標(錐尖阻力、平均貫入數(shù))換算成地基壓縮模量，然后分別從平面范圍和深度范圍比較該指標的離散程度(變異系數(shù))，并據(jù)此分析地基土不均勻性在空間的分布情況。變異系數(shù)能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度，變異系數(shù)越小，則說明集合內(nèi)個體間的差異性越小。

2 贛榆港區(qū)場地特性

2.1 場地概況

贛榆港區(qū)在連云港區(qū)北側(cè)海州灣內(nèi)，該一期工程采用吹填造地形成陸域。經(jīng)吹填后的場地土層變化劇烈，其吹填方式、吹填原土層、吹泥口位置和水力分選等導(dǎo)致了場地不均勻；場地中砂層以松散狀態(tài)為主，黏土層以軟塑為主，黏土層含砂量較大。

2.2 夯前場地特性

鑒于吹填場地復(fù)雜性，筆者先對夯前場地進行場地均勻性評價。在現(xiàn)場有代表性的場地上選取1個試驗區(qū)(56 m×28 m)進行靜力觸探、動力觸探試驗。其孔位布置見圖1。由于工程現(xiàn)場0～2 m深度范圍內(nèi)都填筑著碎石土，在靜力觸探和動力觸探試驗前都是先將這部分碎石土挖除，重新用填土填平后再進行試驗，因此筆者只對2～10 m深度內(nèi)土體的錐尖阻力和平均貫入數(shù)進行分析。

圖1 試驗孔位布置(單位：m)Fig. 1 Position arrangement of test holes

2.2.1 靜力觸探

為直觀地呈現(xiàn)出地基在水平范圍和深度范圍的特性，將靜力觸探試驗結(jié)果經(jīng)換算成地基壓縮模量[6]，如表2。

表2 夯前地基壓縮模量分析統(tǒng)計(靜力觸探)Table 2 Compression modulus before dynamic compaction

2.2.2 動力觸探

對該試驗區(qū)域進行動力觸探試驗，為直觀地呈現(xiàn)出地基在水平范圍和深度范圍特征，將動力觸探試驗結(jié)果換算成地基壓縮模量[10]，結(jié)果如表3。

表3 夯前地基壓縮模量分析統(tǒng)計(動力觸探)Table 3 Compression modulus before dynamic compaction

通過靜動力觸探試驗結(jié)果可知：若僅考慮不均勻系數(shù)β，那么兩者判斷的地基均勻性結(jié)果不一，這說明僅通過不均勻系數(shù)判斷地基均勻性是不夠充分的，表明傳統(tǒng)評價方法的不足。但從變異系數(shù)來看，部分點位數(shù)值較大，且大小不均，說明了場地相對不均勻。

3 現(xiàn)場強夯工藝

為提高場地均勻性，采用強夯工藝對地基進行處理。該場地的強夯施工方案為：4遍主夯，單點夯擊能為2 000 kN·m，夯點間距為3.5 m，呈正方形布置；夯擊次數(shù)為12擊，且最后兩擊夯沉量小于5 cm。4遍主夯結(jié)束后，采用800、600 kN·m夯擊能進行兩遍的普夯，整平場地。夯擊過程中，如單點夯擊次數(shù)未達收錘標準(及大于12擊且最后兩擊夯沉量小于5 cm)，當夯錘擊穿地面致使夯錘提升困難時，往夯坑內(nèi)填入碎石，繼續(xù)進行夯擊。

4 夯后地基均勻性評價

根據(jù)筆者提出改進的均勻性評價方法，利用靜力觸探和動力觸探對處理后的場地進行測試，并與夯前地基進行對比，分析夯后地基均勻性改善效果，并進行載荷試驗。

4.1 靜力觸探

在夯前場地上的同樣的鉆孔進行靜力觸探試驗(CH1～CH9)，通過經(jīng)驗公式換算得到對應(yīng)的壓縮模量，如表4。

表4 夯后地基壓縮模量分析統(tǒng)計(靜力觸探)Table 4 Compression modulus after dynamic compaction

繪制出場地平面范圍和深度范圍內(nèi)夯前夯后的壓縮模量變異系數(shù)圖，如圖2。

圖2 夯前和夯后壓縮模量變異系數(shù)變化(靜力觸探)Fig. 2 Variation coefficient variation of compression modulus before and after ramming

4.2 動探試驗

筆者對夯后場地進行動力觸探試驗(DH1～DH10)，并分析動力觸探試驗結(jié)果，如表5。

表5 夯后地基壓縮模量分析統(tǒng)計(動力觸探)Table 5 Compression modulus after dynamic compaction

場地平面范圍和深度范圍內(nèi)夯前夯后的壓縮模量變異系數(shù)如圖3。

圖3 夯前和夯后壓縮模量的變異系數(shù)(動力觸探)Fig. 3 Variation coefficient of compression modulus before and after ramming (by dynamic penetration)

4.3 載荷試驗分析

為評定夯后地基土承載力以及進一步確認夯后吹填土地基均勻性，筆者增加了載荷試驗。根據(jù)港區(qū)設(shè)計要求，吹填場地地基承載力不應(yīng)小于120～150 kPa，地基極限荷載不應(yīng)小于240～300 kPa。本次載荷試驗共做2組，一組(4～6#試驗點)在挖除碎石場地上(碎石墊層厚度約為0.2 m)進行；另一組(1～3#試驗點)在群夯后的碎石地面(碎石墊層厚度約為1.3 m)上進行。由于碎石墊層會提高地基承載力和剛度，因而此處只分析4～6#試驗點的試驗結(jié)果。試驗布置點見圖4。

圖4 載荷試驗點位布置(單位：m)Fig. 4 Arrangement of PLT

根據(jù)載荷試驗結(jié)果繪制p-s曲線，并計算承載力特征值、變形模量和壓縮模量，如圖5。

圖5 4～6#試驗點p-s曲線Fig. 5 p-s curve of 4～6# test points

對3種現(xiàn)場原位測試技術(shù)都進行夯前后地基均勻性的評價，雙指標評價方法不僅表現(xiàn)出可靠性，也表明變異系數(shù)的引入能更詳盡體現(xiàn)夯后地基均勻性提高效果，更能從平面和深度兩個維度上闡述均勻性變化特征，比原來傳統(tǒng)單一指標方法更加系統(tǒng)。需要指出的是，比對靜力觸探和動探的評價結(jié)果，筆者發(fā)現(xiàn)靜探手段較重型動探更適合于該類地基，因為靜力觸探數(shù)據(jù)精度較高。

表6 載荷試驗結(jié)果Table 6 Results of plate loading test MPa

5 結(jié) 論

筆者根據(jù)傳統(tǒng)地基均勻性評價方法的局限性，提出了從地基不均勻系數(shù)與變異系數(shù)相結(jié)合的雙指標綜合評價地基均勻性方法；并結(jié)合贛榆港區(qū)吹填土地基加固的工程實踐，明確所提方法的實用性。主要結(jié)論如下：

1) 雙指標評價法能從平面和深度兩個維度上闡述地基均勻性變化特征，比原來傳統(tǒng)單一指標方法更加系統(tǒng)；

2) 對比筆者選用的原位測試法可發(fā)現(xiàn)：相對于載荷試驗，靜力觸探和動力觸探試驗不僅能從平面范圍對場地進行均勻性評價，還能從深度范圍內(nèi)進行評價。靜力觸探試驗又比動力觸探具有更高的精度，為此若實際條件允許，建議將靜力觸探作為原位測試手段，再結(jié)合其他原位測試方法(動力觸探、標準貫入等)對場地進行綜合測評。

3) 筆者中所提的評價方法可為日后吹填土地基均勻性評價提供了借鑒方法，但其是否可用于其他加固地基均勻性評價還需進一步驗證。

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