黃泛區(qū)軟弱夾層結(jié)構(gòu)地基強夯現(xiàn)場試驗

宋修廣，孫潤生，董 行，劉西利，王 珂，薄 敏，桑雪瑞

(1.山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061; 2.山東大學 山東省路基安全工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250061; 3.山東省昌樂縣公路局,山東 昌樂 262400; 4.東營市遠創(chuàng)現(xiàn)代置業(yè)有限公司，山東 東營 257200; 5.山東省公路建設(集團)有限公司，山東 濟南 250102)

0引 言

強夯法又稱動力固結(jié)法，最早是由法國工程師Menard提出，因具有施工簡單、速度快、費用低、加固效果顯著等優(yōu)點，已被大量應用到碎石土、粉土、黏土、濕陷性黃土等不良地基處置中[1-5]。黃河沖積平原巖性一般以粉細砂土、粉土和黏土為主，但在某些地區(qū)含有由洪積、淤積所形成的軟弱夾層結(jié)構(gòu)。由于強夯加固黃泛區(qū)時存在超孔隙水壓力消散較慢、土體液化、軟弱夾層結(jié)構(gòu)吸能等問題，所以近年來國內(nèi)外學者開展了有關(guān)強夯處置粉質(zhì)黏土工作機制研究[6-9]，本課題組采用現(xiàn)場試驗結(jié)合有限元分析手段對強夯加固黃泛區(qū)粉質(zhì)黏土施工工藝開展研究[10-12]，目前孔壓消散較慢、土體液化問題基本解決，但有關(guān)黃泛區(qū)含軟弱夾層結(jié)構(gòu)強夯施工現(xiàn)場試驗研究一直未見報道，合理經(jīng)濟的施工參數(shù)也未能提出。為更真實掌握該類地質(zhì)條件下強夯作用效應，本文結(jié)合山東省某在建高速公路，通過分析強夯過程中夯沉量、超孔隙水壓力、強夯前后標貫擊數(shù)及土體物理力學參數(shù)變化規(guī)律，系統(tǒng)研究強夯處置該類地基有效加固深度及處置效果，確定了適合該地區(qū)的強夯施工參數(shù)。所得結(jié)論可以指導該地區(qū)強夯施工，優(yōu)化工藝參數(shù)，并為類似工程提供參考。

1試驗場地基本概況

強夯試驗段位于魯西黃泛平原區(qū)，巖性以粉質(zhì)黏土、黏土為主，局部含有淤泥夾層，地下水位約為2.95 m。依據(jù)地勘資料，其土層劃分及物理力學指標如表1所示。根據(jù)物理力學指標分析，本試驗區(qū)第②層土質(zhì)呈軟塑狀態(tài)，含部分有機質(zhì)，天然含水率接近液限，孔隙比接近1，100～200 kPa下壓縮模量僅為3.01 MPa，為低液限有機質(zhì)高壓縮性黏土。

表1試驗場區(qū)土層物理力學指標Tab.1Physical and Mechanical Indexes of Soil in Test Area

2試驗方案

2.1強夯試驗參數(shù)確定

Menard公式為最常用的估算加固深度公式，根據(jù)Menard公式，強夯有效加固深度H為

(1)

式中：W為錘的自重；h為落距；α為修正系數(shù)。

根據(jù)王琨等[13]的研究，結(jié)合當?shù)毓こ探?jīng)驗，α取值為0.55。試驗選擇1 500，1 800，2 200，2 500 kN·m四種夯擊能，計算得到有效加固深度預估值，如表2所示。

試驗區(qū)由4個18 m×42 m長方形區(qū)域組成，分別對應4種夯擊能。夯點間距為6 m，按正方形布置；采用2遍點夯與1遍滿夯相結(jié)合方式，滿夯夯擊能為800 kN·m，夯點布置如圖1所示。

表2不同夯擊能下有效加固深度預估值Tab.2Prediction Values of Effective Reinforced Depth Under Different Tamping Energies

2.2強夯監(jiān)測方案確定

為監(jiān)測強夯過程中超孔隙水壓力變化，在每個試驗區(qū)設置3個鉆孔，每鉆孔于3，5，7，9，11 m深度處埋設孔隙水壓力計。超孔隙水壓力監(jiān)測貫穿整個夯擊過程，并且1遍點夯結(jié)束后立即對1，2，5，10，30 min和1，2，24 h孔壓計數(shù)據(jù)監(jiān)測并記錄，孔隙水壓力計埋設如圖2所示。

為評價強夯處置效果，分別對夯前、夯后地基承載力、標貫擊數(shù)及土質(zhì)力學指標進行測試，通過上述參數(shù)變化來判斷強夯有效加固深度，并在此基礎上推薦該地區(qū)合理的施工參數(shù)。

3試驗結(jié)果分析

3.1夯沉量變化規(guī)律

強夯過程中對部分區(qū)域夯沉量進行觀測，現(xiàn)取2個夯坑進行分析，得到夯沉量與夯擊次數(shù)變化關(guān)系如圖3所示，夯沉量與總夯擊能關(guān)系如圖4所示。

由圖3，4可知：隨著夯擊次數(shù)增加，土體被強大的沖擊能所震擾，逐漸處于密實狀態(tài)，單擊夯沉量呈下降趨勢，其中前4擊單擊夯沉量較大，當超過4擊后，曲線逐漸趨于平緩，最后2擊單擊夯沉量變化不大；對于黃泛區(qū)含有軟弱夾層地層結(jié)構(gòu)，由于軟弱夾層存在吸能效果，累擊夯沉量隨總夯擊能變化并非線性增加，其中在總夯擊能為12 000～14 400 kN·m范圍內(nèi)增長了20 cm，14 400～20 000 kN·m范圍內(nèi)增長了10 cm，曲線在14 400 kN·m位置處出現(xiàn)拐點，拐點以下增長速率大，拐點以上增長速率小，根據(jù)試驗結(jié)果，1 500，1 800，2 200，2 500 kN·m四種夯擊能下單點夯擊最優(yōu)參數(shù)為8，8，7，6擊，在相同擊數(shù)下，選擇單夯夯擊能為1 800 kN·m更為經(jīng)濟合理；根據(jù)現(xiàn)場情況及試驗結(jié)果，停夯標準為S1500≤50 mm，S1800≤70 mm，S2200≤100 mm，S2500≤100 mm，其中S為不同能級下每個點位最后2擊平均夯沉量。

3.2超孔隙水壓力沿深度方向分布規(guī)律

如圖5所示，不同夯擊能下超孔隙水壓力沿深度方向分布規(guī)律如下：強夯作用引起的表層孔隙水壓力遠大于深層，且不同夯擊能下超孔隙水壓力沿深度分布規(guī)律基本一致；3～7 m范圍內(nèi)超孔隙水壓力迅速衰減，7 m位置處超孔隙水壓力已衰減至最大值的50%以上，當超過7 m位置后，隨著深度增加，超孔隙水壓力衰減速率減慢，9 m位置處超孔隙水壓力衰減到0～2 kPa。由此可見：強夯具有2次衰減的特性，曲線在7 m位置處存在拐點，以孔隙水壓力沿豎向傳播曲線的拐點為界將強夯加固地基劃分為強擾動區(qū)和弱擾動區(qū)。

本課題組通過大量實踐研究認為，可用附加應力與自重應力的比值σz/σS=0.1(或0.2)作為有效加固深度判別標準，即取超孔隙水壓力為10%或20%自重應力時的深度作為有效加固深度臨界值。在本次試驗中強夯產(chǎn)生的附加應力全部轉(zhuǎn)化成超孔隙水壓力。由于試驗場地以粉質(zhì)黏土、黏土為主，根據(jù)文獻[14]選用σz/σS=0.1更加合理。由圖5可知：夯擊能1 500，1 800，2 200，2 500 kN·m的有效加固深度分別為5.3，6.7，6.8，6.8 m。

3.3超孔隙水壓力消散規(guī)律

超孔隙水壓力消散速率如圖6所示。由圖6可知，1遍夯擊結(jié)束后，超孔隙水壓力開始消散，消散速率隨時間增加而遞減，夯后2 h，1 800 kN·m夯擊能時超孔隙水壓力消散至最大孔壓的50%，而1 500 kN·m夯擊能時僅消散至最大孔壓的35%，此外，在6～7 m位置處，1 800 kN· m夯擊能作用下引起的超孔隙水壓力略小于1 500 kN·m，其原因為超孔隙水壓力均在強夯后測得，在高夯擊能作用下軟弱夾層被巨大的沖擊能量震擾，土體破碎重組，加速了軟基內(nèi)水的排出，而1 500 kN·m夯擊能下未能有效地影響到軟基，超孔隙水也未能及時排出，因而夯后一定時間內(nèi)超孔隙水壓力較大。

不同夯擊能下3 m位置處超孔隙水壓力消散速率如圖7所示。由圖7可知：由于淺層位置處4種夯擊能下超孔隙水壓力最大，可依據(jù)3 m處孔壓消散到最大孔壓的20%為依據(jù)來判斷不同夯擊能下超孔隙水壓力消散速率，分析可得4種夯擊能消散速率從小到大依次為1 500，2 200，2 500，1 800 kN·m；根據(jù)類似工程經(jīng)驗，當超孔隙水壓力消散到最大超孔隙水壓力的20%時，可進行第2遍點夯，可見對于此地基4種夯擊能下強夯間歇期為24 h。

4強夯加固效果評價

4.1強夯加固后的地基承載力

強夯結(jié)束28 d后，在強夯區(qū)夯點位置處進行荷載試驗，選擇0.25 m2圓形承載板，采用千斤頂分級加載方式，每級為15 kN；進行試驗之前先預壓2級，待讀數(shù)穩(wěn)定之后，卸載至0 kN并開始逐級加載，相鄰2級加載時間間隔及終止加載條件可參考規(guī)范[15]，各試驗區(qū)的荷載-位移(p-s)曲線見圖8。

由圖8可知，p-s曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點，取轉(zhuǎn)折點處對應的荷載為極限荷載?，F(xiàn)將各試驗區(qū)對應的承載力特征值統(tǒng)計在表3中。

表3承載力特征值Tab.3Characteristic Values of Bearing Capacity

由表3可知：經(jīng)強夯處置后，地基承載力比夯前提高20%以上，夯后地基均能滿足填筑路基承載力要求；E=1 800，2 200，2 500 kN·m的地基承載力分別提高60%，80%，80%，其承載能力并沒有隨單夯夯擊能的增加而無限增大。基于地基承載力分析，在相同夯擊次數(shù)下，單夯夯擊能為1 800 kN·m時更加經(jīng)濟合理。

4.2強夯前后地基標貫擊數(shù)變化

強夯處置28 d后，在各試驗區(qū)夯點下進行標貫試驗，強夯前后標貫擊數(shù)變化見圖9。

由圖9可知：各夯點在0～6 m深度處，夯前6～10擊，夯后7～12擊，標貫擊數(shù)比夯前提高16.7%～20%，增加明顯；各試驗區(qū)在7.5 m以下標貫擊數(shù)增幅不明顯，可見4種不同夯擊能下有效加固深度均未超過7.5 m。

4.3強夯土質(zhì)力學指標變化

強夯處置28 d后，在各試驗區(qū)不同深度處采集原狀土樣，運至室內(nèi)進行土工試驗，得到土體主要物理力學指標，見表4，5。

由表4，5可知:強夯處置后，土體由中-高壓縮性變?yōu)橹?低壓縮性，在0～6 m處，土體壓縮模量介于5.08～13.35 MPa之間，該范圍深度處各夯擊能下壓縮模量均有所增大，其中4.5 m位置處增長幅度最大，可達135%；在7.5 m處，壓縮模量介于6.11～6.87 MPa之間，增長幅度有所降低，在9 m處土體的壓縮模量基本沒有提高；強夯后檢測深度范圍內(nèi)土體干密度在1.4～1.65 g·cm-3之間，相比壓縮模量，干密度漲幅較小，在淺層位置處漲幅僅為3%～6.29%，分析其原因是土體密度受結(jié)合水膜影響較大且強夯在冬季施工，淺層位置處結(jié)合水膜較薄，受到夯擊作用后，顆粒間難以發(fā)生錯動；其余位置處干密度變化規(guī)律與壓縮模量類似。綜合上述可知：強夯能夠有效地加固一定范圍內(nèi)土體；單純從強夯前后土體力學性質(zhì)變化判斷，1 800，2 200，2 500 kN·m夯擊能作用下加固深度為7.5 m，而1 500 kN·m夯擊能作用下加固深度為6 m。

表4強夯前后壓縮模量對比Tab.4Comparison of Compression Modulus Before and After Dynamic Compaction

表5強夯前后干密度對比Tab.5Comparison of Dry Density Before and After Dynamic Compaction

5強夯有效加固深度及工藝參數(shù)確定

強夯有效加固深度是指在正常施工條件下，地基加固到滿足設計要求的深度。目前判斷標準并不統(tǒng)一[16-18]，主要從2個方面判斷：地基土工程性質(zhì)指標能有明顯改善的深度；地基土豎向變形。本文綜合超孔隙水壓力、夯前、夯后標貫及土體物理力學性質(zhì)變化分析該地區(qū)各夯擊能有效加固深度，結(jié)果列于表6中。

表6強夯有效加固深度Tab.6Effective Reinforced Depths of Dynamic Compaction

由表6可知：10%自重應力法與土質(zhì)參數(shù)變化法判斷有效加固深度較為接近，今后類似工程也可采用10%自重應力法作為判斷標準；有效加固深度并沒有隨夯擊能增加而增大，對比不同夯擊能下Menard加固深度公式可見，在一般夯擊能條件下，實際加固深度與Menard加固深度較為接近，在較大夯擊能下，Menard公式并不適用，分析原因是由于6.2～7.5 m范圍內(nèi)存在軟弱夾層，具有顯著吸收能量的效果，單純靠增大單擊夯擊能并不能增加有效加固深度。綜合試驗結(jié)果，1 800 kN·m 單夯夯擊能更加經(jīng)濟合理，其施工工藝參數(shù)見表7。

6結(jié)語

(1)采用強夯法處置黃泛區(qū)含軟弱夾層結(jié)構(gòu)地基其承載力最大可提高80%，經(jīng)1 800，2 200，2 500 kN·m夯擊能處置后，軟弱夾層壓縮模量最大可提高30%，表明強夯加固此類地基效果顯著。

表7強夯施工工藝參數(shù)Tab.7Dynamic Compaction Construction Parameters

(2)綜合夯沉量分析，該地基采用強夯加固時總夯擊能不宜超過14 400 kN·m，考慮強夯有效加固深度，在相同擊數(shù)條件下，1 800 kN·m為最優(yōu)單夯夯擊能，其對應施工參數(shù)可參考本文表7。

(3)單點夯擊結(jié)束后，超孔隙水壓力立即進入消散過程，2 h后超孔隙水壓力消散35%左右，24 h后超孔隙水壓力消散90%左右，該類地基條件下強夯間歇期為24 h。

(4)對于黃泛區(qū)含有軟弱夾層地層結(jié)構(gòu)，可用超孔隙水壓力為自重應力10%臨界值估計強夯有效加固深度；在一般夯擊能條件下，實際加固深度與Menard加固深度較為接近，在較大夯擊能下Menard公式并不適用。

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