降水聯(lián)合強(qiáng)夯加固吹填粉土地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

林高杰， 萬忠剛，鄧?yán)罪w*

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.中交天航南方交通建設(shè)有限公司，深圳 518040)

隨著沿海地區(qū)填海造陸工程的增多，各種地基處理方法逐漸得到大規(guī)模的應(yīng)用和進(jìn)一步優(yōu)化。為了能夠快速的形成陸地，將之轉(zhuǎn)化為可以應(yīng)用的各種場(chǎng)地，尋求高效、快速及經(jīng)濟(jì)的地基處理方式便成為最為關(guān)注的焦點(diǎn)問題。在進(jìn)行大面積填海造陸時(shí)，目前常用的方法是將海底的泥沙吹填到事先筑起的圍堰中，然后再進(jìn)行大面積處理。在進(jìn)行這類吹填造陸地基處理過程中，常常遇見高含水量的軟土地基，而降水聯(lián)合強(qiáng)夯法作為一種經(jīng)濟(jì)又行之有效的方法得到了廣泛的應(yīng)用。為了進(jìn)一步研究其加固機(jī)理，改善施工工藝，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作。從他們的研究?jī)?nèi)容看，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：加固理論的研究[1-3]，李永紅[3]利用太沙基三維固結(jié)理論、動(dòng)力固結(jié)原理、振動(dòng)波壓密等理論分別對(duì)真空降水、低能強(qiáng)夯、低能強(qiáng)夯聯(lián)合真空降水加固機(jī)理進(jìn)行了闡述與討論。室內(nèi)試驗(yàn)研究方面[4]，高有斌等根據(jù)對(duì)加固前后的砂土進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)得到土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)得到顯著提高，從而驗(yàn)證了加固方法的有效性。數(shù)值計(jì)算方面，朱峰[5]、薛茹[6]等采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)動(dòng)力排水固結(jié)法進(jìn)行了有益的探索?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工程應(yīng)用方面，周健[7]，劉嘉[8]等對(duì)強(qiáng)夯-降水聯(lián)合加固飽和軟粘土進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了土體變形、超靜孔壓變化、工藝參數(shù)、加固效果和加固后土體的時(shí)間效應(yīng)。此外，范文超[9]等采用新型集成管井降水聯(lián)合強(qiáng)夯加固技術(shù)對(duì)某濱海沖填土地基進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，并通過對(duì)水位、孔隙水壓力、側(cè)向位移和沉降的監(jiān)測(cè)分析了加固效果。由以上研究成果看，目前降水聯(lián)合強(qiáng)夯加固法多應(yīng)用于砂土地基及飽和軟粘土地基中，而該法在吹填粉土地基中的應(yīng)用卻鮮有文獻(xiàn)論述。

為了研究降水聯(lián)合強(qiáng)夯加固吹填粉土地基的加固效果，本文將以濰坊港某大面積吹填粉土地基處理為實(shí)例，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)降水聯(lián)合強(qiáng)夯過程中孔隙水壓力及沉降等參數(shù)，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)分析降水聯(lián)合強(qiáng)夯對(duì)大面積吹填粉土地基的加固效果。

1 工程概況

本工程擬建港區(qū)場(chǎng)地為原海岸灘涂經(jīng)吹填海底泥沙而成，其地層結(jié)構(gòu)自上而下：吹填粉土、淤泥(Q4m)、粉土(Q4m)。各土層的厚度分別為：吹填粉土層厚7.00～9.50 m，平均厚度7.50 m，淺黃-淺灰色，松散-稍密，稍濕-飽和；淤泥層厚0.60～2.00 m，平均厚度1.05 m，黑色，飽和，流塑-軟塑；粉土層厚0.50～4.80 m，平均厚度2.82 m，灰色，濕，中密(表1)。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical properties of soil layers

2 加固方案

試驗(yàn)場(chǎng)地為35 m×35 m的正方形，地基處理過程由3遍真空井點(diǎn)降水和3遍強(qiáng)夯組成，在每次強(qiáng)夯前先進(jìn)行真空降水，真空井點(diǎn)降水深度比降水前自由水面低2.0 m。強(qiáng)夯過程為2遍點(diǎn)夯，外加1遍滿夯，夯錘直徑為2.4 m，夯點(diǎn)施工布置圖見圖1。第1遍采用1 500 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯，夯點(diǎn)間距按照3.5×7.0 m布置， 按每點(diǎn)5～7擊控制，且最后兩擊平均夯沉量不大于50 mm控制。第2遍采用1 800 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯，夯點(diǎn)與第一遍間隔布置(3.5×7.0 m布置)，按每點(diǎn)7～10擊控制，且最后兩擊平均夯沉量不大于50 mm。第3遍為滿夯施工，夯擊能量為800 kN·m，擊數(shù)為1～2擊，搭接夯，搭接寬度1/5～1/3夯錘錘印，滿夯結(jié)束后整平場(chǎng)地，測(cè)量場(chǎng)地標(biāo)高。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

圖1 加固區(qū)夯點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.1 Layout of dynamic compaction and measuring point of reinforcement area

真空井點(diǎn)根據(jù)土層分層情況，布設(shè)深管和淺管；管路經(jīng)連接和密封后，進(jìn)行第1遍真空井點(diǎn)降水，降水期間進(jìn)行地下水位及水量等監(jiān)測(cè)。

第1遍強(qiáng)排水，采用深淺管相間隔布置：深管點(diǎn)距3.5 m，排距與淺管為3.5 m，滿場(chǎng)布置，管長(zhǎng)7～8 m；淺管管長(zhǎng)4～5 m，井點(diǎn)點(diǎn)距為3.5 m：在道路施工區(qū)域外圍2 m處布設(shè)2排外圍封管，外圍封管管長(zhǎng)7～8 m，間距3.5 m。將真空井點(diǎn)管、臥管、真空泵機(jī)組連接后，開始進(jìn)行真空井點(diǎn)降水。降水時(shí)間可控制在5 d左右，水位降至地面以下2.0 m后，將真空井點(diǎn)管拆除，開始進(jìn)行第1遍強(qiáng)夯，強(qiáng)夯期間保持外側(cè)封管連續(xù)降水，防止強(qiáng)夯期間試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地下水位上升而影響加固效果。第2遍強(qiáng)夯、滿夯排水布管和第1遍相同，待降水水位滿足要求后，進(jìn)行強(qiáng)夯、滿夯。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

(1)土體沉降。為了研究降水后強(qiáng)夯加固吹填粉土的地基沉降變形特點(diǎn)及加固效果，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇的3個(gè)夯點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的跟蹤，如圖1所示，C1、C2、C3分別代表2遍點(diǎn)夯沉降觀測(cè)點(diǎn)，以便觀測(cè)單擊夯沉量及夯坑周圍土體的隆起情況。

(2)孔隙水壓力。為了研究降水聯(lián)合強(qiáng)夯過程中吹填分體孔隙式壓力變化規(guī)律，在試驗(yàn)區(qū)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近埋設(shè)的相應(yīng)的孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為K1、K2、K3，如圖1所示。通過觀測(cè)強(qiáng)夯過程中孔隙水壓力增長(zhǎng)及消散規(guī)律，分析強(qiáng)夯加固效果，進(jìn)一步優(yōu)化兩邊強(qiáng)夯間的時(shí)間間隔。根據(jù)夯擊能的影響深度，每組孔隙水壓力埋設(shè)4支測(cè)頭，分別埋設(shè)在2 m、4 m、6 m、8 m位置。具體觀測(cè)時(shí)根據(jù)強(qiáng)夯施工進(jìn)度，適時(shí)調(diào)整觀測(cè)頻次。

(3)加固效果。降水聯(lián)合強(qiáng)夯加固后，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)強(qiáng)夯對(duì)吹填粉土地基加固效果。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)主要用以分析試驗(yàn)區(qū)均勻性和地基承載力，平板載荷試驗(yàn)主要評(píng)定地基淺層承載力。由于試驗(yàn)區(qū)面積狹小，本次試驗(yàn)各取3組測(cè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示。

4 檢測(cè)結(jié)果與分析

4.1 土體沉降分析

為便于分析夯坑沉降變形情況，取C1點(diǎn)為例進(jìn)行說明。圖2為C1點(diǎn)單遍作用下夯坑沉降曲線，從圖中可以看出，2遍點(diǎn)夯中第1遍點(diǎn)夯相對(duì)較小，第2遍點(diǎn)夯單擊夯沉量較大，這與夯擊能大小有關(guān)。從單擊夯沉量的收斂速度看，1 500 kN· m能級(jí)快于1 800 kN·m能級(jí)。通過曲線還可以看出，2遍點(diǎn)夯前兩擊夯沉量均較大，之后逐漸減小，5擊過后接近控制值。

圖3為2遍強(qiáng)夯累計(jì)沉降變形情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)2遍強(qiáng)夯夯坑累計(jì)沉降量分別為67.0 cm、96.0 cm，這說明最大累計(jì)沉降量與夯擊能大小成正比。此外，夯擊能越大在前3錘累計(jì)沉降量曲線斜率越大，而在接近控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，曲線的斜率較為接近，這說明夯擊能的大小主要對(duì)強(qiáng)夯前3錘影響較大。

在降水聯(lián)合強(qiáng)夯過程中，夯坑坑邊的隆起量較小，整體上隆起量控制在2.0～5.0 cm范圍內(nèi)。

4.2 土體孔隙水壓力分析

通過觀測(cè)降水聯(lián)合強(qiáng)夯過程中吹填粉土內(nèi)孔隙水壓力的增長(zhǎng)和消散情況，可以分析吹填粉土滲透性的強(qiáng)弱及孔隙水壓力消散的快慢程度，并可以進(jìn)一步對(duì)2遍強(qiáng)夯的時(shí)間間隔進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。為便于研究孔隙水壓力的變化情況，選取K1組測(cè)點(diǎn)進(jìn)行說明。圖4為強(qiáng)夯過程中孔隙水壓力隨時(shí)間的變化情況。由圖可知，第2遍點(diǎn)夯孔隙水壓力增長(zhǎng)最為明顯，其次為第1遍點(diǎn)夯，滿夯時(shí)孔隙水壓力增長(zhǎng)最小，說明夯擊能越大，孔壓增量越大，這與沉降變化情況類似。由于夯擊能不同，影響深度也不同，導(dǎo)致不同深度處孔隙水壓力增長(zhǎng)量并不相同。從圖4中還可以看出，在第1遍點(diǎn)夯過程中2.0 m處孔隙水壓力增加29.0 kPa，4.0 m處增加57.7 kPa，6.0 m處增加5.2 kPa，8.0 m處增加4.5 kPa。這說明在頂部4.0 m范圍內(nèi)強(qiáng)夯作用效果非常顯著，而6.0 m以下影響較小。這與文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[9]不同深度孔隙水壓力變化特點(diǎn)相似，但由于加固土層性質(zhì)的不同，其消散快慢程度有較大差異。本工程土層為吹填粉土，超靜孔隙水壓力消散較快，每遍夯后1～2 d內(nèi)消散90%以上。文獻(xiàn)[9]與本文超靜孔隙水壓力消散趨勢(shì)較為接近。這與加固土層頂面為吹填細(xì)砂，滲透性較好有較大關(guān)系。文獻(xiàn)[7]超靜孔隙水壓力消散相對(duì)較慢，這與加固土層頂面為滲透性較差粘性素填土有關(guān)。

圖2 單擊夯坑沉降曲線Fig.2 Curve of single ramming settlement圖3 每遍強(qiáng)夯夯坑累計(jì)沉降曲線Fig.3 Curve of total settlement of dynamic compaction圖4 K1組孔隙水壓力變化曲線Fig.4 Curve of pore water pressure in K1 group

4.3 土體均勻性分析

為了分析經(jīng)降水聯(lián)合強(qiáng)夯處理后，土層不同深度的均勻性和加固效果，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行了檢驗(yàn)，如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知，在加固前，土體7 m范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)小于10，土體均勻性較好，但處于松散-稍密狀態(tài)。8 m以下土體標(biāo)慣擊數(shù)逐漸上升，土層逐漸由吹填粉土過渡到原狀粉土。加固后，土體標(biāo)慣擊數(shù)增加顯著，整體上達(dá)到中密狀態(tài)。這與文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]規(guī)律基本一致，但由于加固土層性質(zhì)的不同，本工程加固后標(biāo)慣擊數(shù)增加幅度較大，這說明降水聯(lián)合強(qiáng)夯對(duì)粉土地基加固效果好于軟粘土地基。

表2 強(qiáng)夯加固前后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)對(duì)比Tab.2 Comparison of standard penetration test before and after dynamic consolidation

表3 強(qiáng)夯加固前后地基承載力對(duì)比Tab.3 Comparison of bearing capacity of foundation before and after dynamic consolidation

注：采用相對(duì)變形法確定承載力特征值時(shí)，取s/b=0.015對(duì)應(yīng)的荷載值。

4.4 土體承載力分析

在確定地基承載力時(shí)，各類規(guī)范[10-11]通常采用安全系數(shù)法和相對(duì)變形法兩者中的較小值對(duì)地基承載力進(jìn)行判定。圖5為加固前3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)p-s曲線，從圖中可以看出，Z1、Z2試驗(yàn)點(diǎn)在靜載試驗(yàn)加載過程中未出現(xiàn)破壞，而Z3點(diǎn)最后一級(jí)加載出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)(破壞)，極限荷載取破壞前一級(jí)荷載。由于采用安全系數(shù)法得到的Z1～Z3測(cè)點(diǎn)承載力均大于相對(duì)變形法(表3)，因此Z1～Z3對(duì)應(yīng)的承載力采用相對(duì)變形法進(jìn)行計(jì)算，其加固前承載力特征值為72.0 kPa。加固后在對(duì)應(yīng)3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)旁作了相應(yīng)的平板載荷試驗(yàn)(圖6)，由于Z1′～Z3′試驗(yàn)點(diǎn)采用相對(duì)變形法得到的承載力高于安全系數(shù)法，為此采用安全系數(shù)法進(jìn)行承載力計(jì)算，其加固后承載力特征值為175.0 kPa(表3)，滿足設(shè)計(jì)要求的150.0 kPa。

圖5 加固前吹填粉土p-s曲線Fig.5 p-s curve of reinforced silt before reinforcement圖6 加固后吹填粉土p-s曲線Fig.6 p-s curve of reinforced silt after reinforcement

5 結(jié)語

通過對(duì)降水聯(lián)合強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)的加固過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)及加固前后的檢測(cè)，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)降水聯(lián)合強(qiáng)夯加固吹填粉土，每遍點(diǎn)夯均能產(chǎn)生較大的沉降，且夯坑沉降量的大小與夯擊能成正比。(2)吹填粉土的滲透性較好，在每遍點(diǎn)夯后，超靜孔隙水壓力消散較快，基本在1～2 d內(nèi)超靜孔隙水壓力消散90%以上。(3)經(jīng)降水聯(lián)合強(qiáng)夯處理后，吹填粉土標(biāo)準(zhǔn)貫入較加固前顯著增大，尤其是7.0 m深度范圍以內(nèi)。土體狀態(tài)由加固前的松散-稍密狀態(tài)變?yōu)橹忻軤顟B(tài)。(4)根據(jù)加固前后的p-s曲線可知，經(jīng)降水聯(lián)合強(qiáng)夯處理后，吹填粉土承載力達(dá)到175.0 kPa，較加固前大大提高，加固效果顯著。