強(qiáng)夯加固飽和粉質(zhì)黏土地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

張宏博，王 珂，劉 源，孫潤(rùn)生，岳紅亞

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061; 2.山東省路基安全工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

0 引 言

強(qiáng)夯法是一種廣泛應(yīng)用于沙土、黏土、雜填土等土質(zhì)條件下的地基處理技術(shù)，其施工技術(shù)簡(jiǎn)單易行，處治效果顯著，工程經(jīng)濟(jì)性較好，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)及建筑工程[1]。但是，采用強(qiáng)夯處治飽和黏土及淤泥質(zhì)黏土地基時(shí)，處治效果不明確，需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)證明處治效果后方可使用。周健等[2-3]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段研究了低能量強(qiáng)夯法加固粉質(zhì)黏土地基的處治效果。王國(guó)強(qiáng)等[4]針對(duì)強(qiáng)夯處理含淤泥新雜填土地基,提出了先低后高、逐步提高能級(jí)的處治方案。劉嘉等[5]針對(duì)高地下水位條件飽和淤泥質(zhì)黏土地基處理,提出井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯靜-動(dòng)力排水固結(jié)技術(shù)。余景良等[6]結(jié)合數(shù)值仿真的手段，研究了淤泥質(zhì)砂土地基通過(guò)強(qiáng)夯聯(lián)合堆載預(yù)壓方法處治后的效果。

諸多學(xué)者已對(duì)強(qiáng)夯處治黏土及粉質(zhì)黏土地基展開(kāi)了研究，但采用強(qiáng)夯處治含有淤泥夾層的高含水率粉質(zhì)黏土地基的相關(guān)工程案例較少，對(duì)于其處治效果、加固深度缺乏相應(yīng)成果以及合理經(jīng)濟(jì)的技術(shù)參數(shù)。在工程實(shí)踐強(qiáng)夯過(guò)程中能級(jí)不易過(guò)大，否則易穿透上覆土層，造成土層結(jié)構(gòu)破壞，在短期內(nèi)難以恢復(fù)，且強(qiáng)夯處治效果缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

本文結(jié)合山東省某在建高速公路展開(kāi)系列現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)不同夯擊能水平的試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)不同深度孔隙水壓力、地表沉降等指標(biāo)，對(duì)強(qiáng)夯在該地質(zhì)條件下的處治效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，推薦合理的強(qiáng)夯參數(shù)、強(qiáng)夯間歇時(shí)間、止夯標(biāo)準(zhǔn)等施工指標(biāo)，并對(duì)地基在強(qiáng)夯前后沉降控制效果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)概況及方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)工況

本項(xiàng)目依托青蘭高速魯冀段，按雙向六車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km·h-1，路基寬度為34.5 m。試驗(yàn)場(chǎng)地位于山東省聊城市，場(chǎng)區(qū)土質(zhì)以粉土和粉質(zhì)黏土為主，土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地土層物理力學(xué)指標(biāo)

(1)粉質(zhì)黏土，褐黃色，中密，稍濕，可塑狀態(tài)，層厚為1.5～5.9 m，平均層厚3.5 m。

(2)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，黑褐色，中密，可塑～流塑狀態(tài)，層厚為0.3～1 m，平均層厚0.5 m。

(3)粉質(zhì)黏土，黃褐色～棕黃色，中密～密實(shí)，夾粉土、粉砂透鏡體，可塑狀態(tài)，層厚為1.1～3.0 m。

(4)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，黑褐色，稍密～中密，可塑～流塑狀態(tài)，層厚為3～5.5 m。

(5)粉質(zhì)黏土，黃褐色，夾粉土、粉砂透鏡體，層厚約為3～7.5 m。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)區(qū)場(chǎng)地尺寸為42 m×42 m，夯點(diǎn)按正方形布置，每排夯點(diǎn)間距為6 m，夯點(diǎn)布置如圖1所示。在進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)前，先選取一塊區(qū)域進(jìn)行試夯，試夯單擊夯擊能分別為1 500、1 800、2 000、2 500 kN·m，根據(jù)試夯情況確定合理的單擊夯擊能、止夯標(biāo)準(zhǔn)和最佳夯擊次數(shù)。試驗(yàn)區(qū)被劃分為A、B兩個(gè)區(qū)域用以比較，點(diǎn)夯所采用的單擊夯擊能根據(jù)試夯結(jié)果而定，強(qiáng)夯間歇期視孔隙水壓力消散情況而定。各區(qū)域獨(dú)立試驗(yàn)，中間劃分隔離帶并且試驗(yàn)前后間隔一定時(shí)間，避免2片區(qū)域間相互干擾。點(diǎn)夯完成后進(jìn)行滿夯，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，滿夯單擊夯擊能為800 kN·m。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置

為了能夠全面反映夯擊過(guò)程中不同深度土層孔隙水壓力變化，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域設(shè)置3個(gè)鉆孔用于監(jiān)測(cè)強(qiáng)夯前后地下超孔隙水壓力變化，孔隙水壓力計(jì)埋深分別為3、5、7、9、11 m。為了監(jiān)測(cè)強(qiáng)夯過(guò)程中孔隙水壓力的累積變化，在點(diǎn)夯過(guò)程中及完成后選擇局部夯點(diǎn)，記錄每擊后孔隙水壓力變化。孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)如圖2所示。

圖2 孔隙水壓力計(jì)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 確定合理夯擊能和止夯標(biāo)準(zhǔn)

在試夯過(guò)程中，對(duì)各點(diǎn)夯沉量進(jìn)行觀測(cè)，分析各夯擊能單擊夯沉量與總夯沉量隨夯擊次數(shù)的變化曲線，如圖3所示。

圖3 試夯夯沉量與夯擊次數(shù)的關(guān)系

(1)不同單擊夯擊能下，各夯點(diǎn)前幾擊單擊夯沉量較大，但隨著夯擊次數(shù)的增加，土體在巨大沖擊能的作用下逐漸密實(shí)，總夯沉量及單擊夯沉量變化趨于平緩。

(2)當(dāng)單擊夯擊能為2 500 kN·m時(shí)，6擊后總夯沉量達(dá)到1.3 m左右，地表出現(xiàn)隆起且起錘困難。當(dāng)單擊夯擊能為1 500 kN·m和1 800 kN·m時(shí)，8擊后總夯沉量約為1.2 m且遞增趨勢(shì)逐漸變緩，未出現(xiàn)地面隆起冒水和起錘困難的情況。因此，單擊夯擊能為2 000 kN·m和2 500 kN·m并不適用于這種地質(zhì)條件。

(3)根據(jù)試夯結(jié)果，試驗(yàn)區(qū)A、B單擊夯擊能分別選擇為1 500 kN·m和1 800 kN·m，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)夯擊次數(shù)均為8。因試驗(yàn)場(chǎng)地地下有淺層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，在強(qiáng)夯作用下土層壓縮較大，難以達(dá)到最后兩擊平均夯沉量不大于5 cm的要求，故止夯標(biāo)準(zhǔn)定為最后兩擊平均夯沉量不大于10 cm。

2.2 不同深度處孔隙水壓力的變化規(guī)律

強(qiáng)夯過(guò)程中地基在瞬時(shí)荷載作用下產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，且隨夯擊次數(shù)的增加產(chǎn)生累積，強(qiáng)夯結(jié)束后進(jìn)入消散過(guò)程，逐漸減小。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)監(jiān)測(cè)孔隙水壓力，得到不同深度處孔壓隨時(shí)間的累積和消散情況，以單擊夯擊能為1 500 kN·m為例，分析孔壓的累積變化。

由圖4可知，超孔隙水壓力累積規(guī)律如下。

圖4 超孔隙水壓力與夯擊數(shù)的關(guān)系

(1)強(qiáng)夯引起的淺層超孔隙水壓力的增幅及增速均大于深層超孔隙水壓力；但3 m深度處孔隙水壓力因3.5 m深度處的淺層淤泥的阻礙作用并未增長(zhǎng)過(guò)大，故5～7 m深度處超孔壓的增速和增幅最大。

(2)單擊夯擊能為1 500 kN·m時(shí)，5～7 m深度處超孔壓累積速度較快，而9 m深度處超孔壓累積速度較慢，這是由于1 500 kN·m的夯擊能未能有效地影響到9 m深度處的土體。故單擊夯擊能為1 500 kN·m時(shí)，最大影響深度約為7 m。

根據(jù)強(qiáng)夯完成后不同深度處超孔隙水壓力消散情況，繪制超孔隙水壓力隨時(shí)間的消散關(guān)系曲線。本文選擇單擊夯擊能為1 500 kN·m和1 800 kN·m進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 超孔隙水壓力隨時(shí)間消散關(guān)系曲線

由圖5可知以下幾點(diǎn)。

(1)單擊夯擊能為1 800 kN·m時(shí)，場(chǎng)區(qū)超孔隙水壓力可達(dá)60 kPa，比1 500 kN·m時(shí)大40%左右。這表明，在固定的夯擊次數(shù)下，可以通過(guò)提高單擊夯擊能改善對(duì)地基的加固效果。

(2)隨著第2遍點(diǎn)夯的結(jié)束(約12 h)，超孔隙水壓力達(dá)到峰值，然后進(jìn)入消散過(guò)程，逐漸減小，在2 h內(nèi)消散20%左右，24 h后3 m和5 m位置處超孔隙水壓力消散90%以上，7 m深度因處于淤泥層，滲透性差，故超孔隙水壓力消散較慢，夯擊后24 h消散70%左右。

(3)第1遍點(diǎn)夯結(jié)束后48 h，超孔隙水壓力較峰值減小80%以上，其值基本小于10 kPa。由此可見(jiàn)，因粉質(zhì)黏土地基超孔隙水壓力消散較為緩慢，強(qiáng)夯間歇期較長(zhǎng)，每遍點(diǎn)夯間隔時(shí)間不少于超孔隙水壓力消散80%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

2.3 夯沉量變化規(guī)律

根據(jù)強(qiáng)夯過(guò)程中選取試驗(yàn)點(diǎn)測(cè)得的每擊夯沉量，統(tǒng)計(jì)得出夯沉量與夯擊次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 夯沉量與夯擊次數(shù)關(guān)系曲線

從圖6中可以看出以下幾點(diǎn)。

(1)隨著夯擊次數(shù)的增加，總夯沉量逐漸增大，單擊夯沉量逐漸減小，但兩者變化趨勢(shì)均趨于緩和。

(2)單擊夯擊能為1 500 kN·m時(shí)，每點(diǎn)8擊后總夯沉量為94.7 cm，最后2擊平均夯沉量為6.8 cm；單擊夯擊能為1 800 kN·m時(shí)，每點(diǎn)8擊后總夯沉量為129.6 cm，最后2擊平均夯沉量為8.8 cm，均能夠滿足止夯標(biāo)準(zhǔn)。這說(shuō)明在強(qiáng)夯作用下土體已經(jīng)較密實(shí)，達(dá)到止夯要求。

2.4 有效加固深度的確定

目前，對(duì)于強(qiáng)夯有效加固深度缺乏統(tǒng)一的說(shuō)法，李曉靜等[9]研究認(rèn)為，強(qiáng)夯影響深度是指強(qiáng)夯處理前后土層指標(biāo)有較明顯變化的深度，而有效加固深度是指通過(guò)強(qiáng)夯處治使地基土能夠滿足設(shè)計(jì)要求的深度。根據(jù)前人的研究并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，可采用附加應(yīng)力與自重應(yīng)力比值為0.2(即σz/σS=0.2)時(shí)對(duì)應(yīng)的深度作為有效深度判別標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)點(diǎn)夯后測(cè)得的孔隙水壓力數(shù)據(jù)，計(jì)算繪制超孔隙水壓力沿深度方向的變化，如圖7所示，可判定單擊夯擊能為1 500 kN·m和1 800 kN·m時(shí)的有效影響深度分別約為6.3 m和7.1 m。

圖7 超孔隙水壓力沿深度變化曲線

根據(jù)Menard公式計(jì)算強(qiáng)夯的有效加固深度，即

(1)

式中：M為夯錘自重(kN)；H為夯錘下落高度(m)；α為修正系數(shù)。視地質(zhì)條件并根據(jù)超孔隙水壓力沿深度分布規(guī)律可得，單擊夯擊能為1 500 kN·m和1 800 kN·m時(shí)，對(duì)應(yīng)的有效加固深度分別為6.3 m和7.1 m。根據(jù)式(1)可得，在該地質(zhì)條件下α在0.163～0.167之間，與無(wú)軟弱夾層地質(zhì)條件下推算出的α有較大偏差[7]。

3 強(qiáng)夯處治效果評(píng)價(jià)

3.1 強(qiáng)夯前后地基承載力對(duì)比

為檢測(cè)強(qiáng)夯加固效果，強(qiáng)夯完畢 30 d 后，在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了載荷試驗(yàn)[8]，靜載荷試驗(yàn)按規(guī)范要求進(jìn)行，承載板采用 0.25 cm2的圓形鋼板。各單擊夯擊能區(qū)域載荷試驗(yàn)p-S(荷載-位移)曲線見(jiàn)圖8。由圖8可知，p-S曲線基本無(wú)明顯拐點(diǎn)，亦無(wú)明顯的比例界限，可取相對(duì)變形為0.02所對(duì)應(yīng)的壓力作為其承載力特征值。通過(guò)強(qiáng)夯處理后，單擊夯擊能為1 500 kN·m和1 800 kN·m的區(qū)域地基承載力特征值fak分別為240 kPa和300 kPa，較天然地基的地基承載力特征值150 kPa分別提高60%和100%，可見(jiàn)相同夯擊次數(shù)下，單夯夯擊能為1 800 kN·m時(shí)更加經(jīng)濟(jì)合理。

3.2 強(qiáng)夯前后地基工后沉降計(jì)算

為研究強(qiáng)夯處治對(duì)控制工后沉降的效果，進(jìn)行路基堆載工后沉降計(jì)算分析[9-10]。本文分別以處治前后的地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)該處治方案處治效果進(jìn)行計(jì)算，分析其在該工程中的實(shí)際應(yīng)用效果，處治后夯區(qū)內(nèi)各層土體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。經(jīng)過(guò)計(jì)算，最大沉降差發(fā)生在道路中心線處，處治前后該地基的道路中心線處沉降隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。

圖8 試驗(yàn)荷載與位移曲線

表2 夯后試驗(yàn)場(chǎng)地土層物理力學(xué)指標(biāo)

圖9 道路中心線沉降隨時(shí)間關(guān)系曲線

可以看出，在路基填筑完成后15年，經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯處理的地基最大工后沉降約為13.8 cm，而未經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯處理的地基最大工后沉降為21.6 cm。根據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-02—2013)中規(guī)定的容許工后沉降量，高速公路和一級(jí)公路涵洞、通道處在設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)容許工后沉降不大于20 cm，與未經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯處治的地基工后沉降相比減小了36%以上，故強(qiáng)夯在該地基處治結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)1 500 kN·m和1 800 kN·m的夯擊能影響深度可達(dá)8～9 m，有效加固深度為6～7 m，根據(jù)Menard公式推算出試驗(yàn)區(qū)有效加固深度修正系數(shù)約為0.165，可為含淤泥夾層的粉質(zhì)黏土地基強(qiáng)夯設(shè)計(jì)提供參考。

(2)點(diǎn)夯完成后48 h，孔隙水壓力消散率達(dá)到80%。由此可見(jiàn),強(qiáng)夯間歇期不小于48 h。

(3)采用強(qiáng)夯處治該條件地基15年工后沉降為16.1 cm，與未處治地基相比減小20%以上，處治效果良好，能滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)綜合考慮試驗(yàn)結(jié)果和類(lèi)似條件實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，推薦合理施工參數(shù)為：?jiǎn)螕艉粨裟転? 800 kN·m，夯點(diǎn)間距為6 m，采用2遍點(diǎn)夯與2遍滿夯相結(jié)合的方式，滿夯夯擊能為800 kN·m，止夯標(biāo)準(zhǔn)為最后兩擊平均夯沉量不大于10 cm。