以黏土和卵石土為主地基強(qiáng)夯效果試驗(yàn)研究

陳天驕，潘偉 （安徽萬(wàn)緯工程管理有限責(zé)任公司，安徽 安慶 246002）

0 前言

含水量較高黏土和卵石土為主的地基土強(qiáng)夯有效加固效果，不僅復(fù)雜而且難以控制?，F(xiàn)階段雖對(duì)加固效果的影響因素有一定的掌握，但需要進(jìn)一步探明各影響因素對(duì)加固效果的影響程度，尤其是增大含水量、卵石和礫砂含量、不同錘徑對(duì)承載力和深度的加固效果影響。為此，以實(shí)際強(qiáng)夯工程的試驗(yàn)，以及通過(guò)規(guī)范、理論計(jì)算公式加以驗(yàn)證。明確加固效果影響值的理念和數(shù)值。同時(shí)，對(duì)影響效果的主要因素采取強(qiáng)夯技術(shù)控制措施。

1 工程概況

1.1 工程場(chǎng)地情況

中國(guó)石化安慶800萬(wàn)噸/年煉化一體化工程，工程場(chǎng)地屬于沿江剝蝕一堆積階地地貌類型，場(chǎng)地地勢(shì)起伏較大。場(chǎng)地地面原高程為23.52～63.40m，高差為39.88m。場(chǎng)地面積約66萬(wàn)㎡，按照挖填方均衡的原則進(jìn)行場(chǎng)地整平后，在回填區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)夯，強(qiáng)夯處理面積約40萬(wàn)㎡。

1.2 土層分布

場(chǎng)地土層分為3層，自上而下為：

1.2.1 新近回填土層

土層開(kāi)挖回填而成，回填以粉質(zhì)黏土和卵石土為主，成分包含素填土、粉質(zhì)黏土、卵石土及泥質(zhì)砂巖，回填過(guò)程中局部土質(zhì)混合造成填土粒徑不連續(xù)且成分分布很不均勻。卵石和礫砂含量26%～65%，土層含水量23%～46%。層厚0～13.8m。

1.2.2 老素填土(Q4ml)

棕紅色、灰白、深黃等色，稍密～中密，由黏性土、卵石及礫砂組成，以黏性土為主，卵石和礫砂含量15%～35%，局部含少量建筑垃圾。卵石粒徑主要為4～5cm，少量7～10cm，次圓～圓形，母巖以石英砂巖為主，強(qiáng)度高，厚度約20cm。土層含水量65%～90%。厚度0～10.3m。

1.2.3 粉質(zhì)黏土(Q4dl+pl)

褐黃色～黃褐色，硬塑～堅(jiān)硬，土質(zhì)不均，含少量礫砂、卵石，稍有光澤，無(wú)搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等。該層多有分布，部分地段缺失，層厚0～4.9m。

1.3 場(chǎng)地地下水

本場(chǎng)地地下水為孔隙潛水，場(chǎng)地地下水主要以大氣降水的垂直入滲及周邊區(qū)域地下水的徑流補(bǔ)給。場(chǎng)地挖填后改變了原有的地下水滲流途徑及地下水位的分布。受場(chǎng)地水文地質(zhì)條件限制，場(chǎng)地地下水穩(wěn)定水位起伏很大，場(chǎng)地地下水位埋深為0.15～9.10m。

2 試驗(yàn)方案

強(qiáng)夯3000kN·m能級(jí)區(qū)，選擇三個(gè)試驗(yàn)區(qū)采用不同的施工參數(shù)。

試夯施工分四遍進(jìn)行。第一遍和第二遍的單擊夯擊能均為3000kN·m，每遍夯擊次數(shù)以最后兩擊的平均夯沉量不大于5cm控制，第二遍單擊夯的夯點(diǎn)位于4個(gè)第一遍夯點(diǎn)的中心位置。第三遍與第四遍為滿夯，夯擊能級(jí)為2000 kN·m，每遍每點(diǎn)兩擊，夯印搭接1/4。各遍之間的施工間歇期不小于二周，強(qiáng)夯施工結(jié)束兩周后進(jìn)行夯后檢測(cè)。

試驗(yàn)區(qū)一。主夯點(diǎn)6m×6m正方形布置，夯錘直徑2.5m錘底靜壓力36kPa，場(chǎng)地表層為老素填土層，回填厚度5.9m。

試驗(yàn)區(qū)二。主夯點(diǎn)6m×6m正方形布置，夯錘直徑2.5m錘底靜壓力36kPa，場(chǎng)地表層為新回填土層，回填厚度7.2m。

試驗(yàn)區(qū)三。主夯點(diǎn)7.5m×7.5m正方形布置，為避免吸錘，夯錘直徑3.2m錘底靜壓力27.5kPa，場(chǎng)地表層為新回填土層,回填厚度7.0m。

3 方案實(shí)施

3.1 夯點(diǎn)擊數(shù)比較

試驗(yàn)區(qū)一與試驗(yàn)區(qū)二各夯點(diǎn)最大擊數(shù)匯總表 表1

試驗(yàn)區(qū)一吸錘前最大擊數(shù)2～4擊，夯擊過(guò)程中易發(fā)生吸錘現(xiàn)象且強(qiáng)夯機(jī)頻繁陷車，行走困難，夯坑周圍地面出現(xiàn)較大隆起（20～35cm），最后兩擊平均夯沉量40cm左右，未達(dá)到停夯標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)區(qū)二夯擊過(guò)程中強(qiáng)夯機(jī)陷車情況較少，第一遍點(diǎn)夯夯擊數(shù)最大達(dá)到20擊，通過(guò)第一遍點(diǎn)夯發(fā)現(xiàn)當(dāng)夯擊數(shù)在8～10擊左右夯沉量達(dá)到最小，因此在第一遍與第二遍點(diǎn)夯過(guò)程中夯擊數(shù)基本控制在8～10擊左右，但最后兩擊夯沉量在9～30cm左右，仍未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，吸錘現(xiàn)象偶有發(fā)生，但吸錘前的夯擊數(shù)較高。試驗(yàn)區(qū)三基本未出現(xiàn)吸錘現(xiàn)象，兩遍單擊夯的夯擊數(shù)在8～15擊，最后兩擊夯沉量均在5cm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)區(qū)一場(chǎng)地表層為原狀素填土層，土質(zhì)含水量高且以黏性土為主，是導(dǎo)致吸錘現(xiàn)象頻繁發(fā)生且擊數(shù)少的主要原因。試驗(yàn)區(qū)二表層土為新回填土，土體含水率、含水量相對(duì)較低（不能達(dá)到最優(yōu)含水率），卵石和礫砂含量較大，所以吸錘前夯擊數(shù)明顯提高。試驗(yàn)區(qū)三為新回填土，周邊排水措施到位，含水量接近最優(yōu)含水率，卵石和礫砂含量較大，因此基本未發(fā)生吸錘現(xiàn)象。

含水量較大土的加固機(jī)理是基于動(dòng)力固結(jié)理論。強(qiáng)夯時(shí)強(qiáng)大的夯擊能破壞土體原本結(jié)構(gòu)，使土體中產(chǎn)生裂隙和發(fā)生液化，這些裂隙連通后成為良好的通道，孔隙水就能從通道中排出。隨著孔隙水的排出，超孔隙水壓力會(huì)漸漸消散，土體開(kāi)始慢慢固結(jié)，土體強(qiáng)度得到提高。經(jīng)過(guò)多次夯擊，土體重復(fù)著前述變化，土體密度、黏聚力和內(nèi)摩擦角都會(huì)增大，所以土體強(qiáng)度得到增大。

被強(qiáng)夯的地基表層的材料性質(zhì)和含水量對(duì)于地基強(qiáng)夯效果至關(guān)重要，影響因素較大，尤其對(duì)被強(qiáng)夯的地基為細(xì)顆?；蚝枯^高的土層。本試驗(yàn)項(xiàng)目中，試驗(yàn)區(qū)一場(chǎng)地表層含水量是試驗(yàn)二的2～3倍。試驗(yàn)區(qū)二場(chǎng)地表層卵石和礫砂含量是試驗(yàn)一的1倍。試驗(yàn)區(qū)二最大擊數(shù)是試驗(yàn)一的2～4倍。

3.2 動(dòng)探擊數(shù)比較和影響深度

圖1 試驗(yàn)區(qū)二夯前動(dòng)探擊數(shù)曲線

圖2 試驗(yàn)區(qū)二夯后動(dòng)探擊數(shù)曲線

從圖1和圖2分析可得，2.8～7.5m范圍內(nèi)動(dòng)探擊數(shù)明顯提高，從夯前平均4.1擊提高到夯后平均6.9擊，提高68.3%，加固效果明顯。有效加固深度可取7.5m。

圖3 試驗(yàn)區(qū)三夯前動(dòng)探擊數(shù)曲線

圖4 試驗(yàn)區(qū)三夯后動(dòng)探擊數(shù)曲線

從圖3和圖4分析可得，2.2～7m范圍內(nèi)動(dòng)探擊數(shù)明顯略有提高但不明顯，夯前平均6.0擊提高到夯后平均8.0擊，提高幅度33.3%，加固效果比較明顯，但相對(duì)于試驗(yàn)區(qū)二提高幅度較小。有效加固深度可取6m。

在同級(jí)夯能區(qū)，相同的夯擊遍數(shù)、夯型、夯點(diǎn)布置、夯點(diǎn)間距、填土厚度，強(qiáng)夯的效果受錘底靜壓力(夯錘直徑）影響較大。對(duì)比試驗(yàn)區(qū)二與試驗(yàn)區(qū)三的動(dòng)探數(shù)據(jù)，可以看出采用兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)均得到比較明顯的加固，采用錘底靜壓力較小的夯錘施工，處理效果相對(duì)較好，但有效加固深度相對(duì)較小。

在相同能級(jí)不同直徑夯錘強(qiáng)夯時(shí)，對(duì)夯錘點(diǎn)近處土體動(dòng)應(yīng)力影響較大，錘徑小的產(chǎn)生的豎向動(dòng)應(yīng)力峰值較小，遠(yuǎn)處土體動(dòng)應(yīng)力影響較小。錘徑小可以很好地集中沖擊力，小直徑夯錘對(duì)淺層回填土豎向加固優(yōu)于大直徑夯錘，但水平方向加固范圍較小，而大直徑夯錘水平方向加固范圍較大。

夯錘直徑2.5m增大28%至3.2m，錘底靜壓力36kPa減少23.6%至27.5kPa，有效加固深度減少1.5m。

3.3 承載力特征值

試驗(yàn)區(qū)一進(jìn)行了一組平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)，承載力特征值為85kPa，與夯前無(wú)變化。對(duì)于含水量較大黏性土在未進(jìn)行含水量減少的情況下不應(yīng)采用強(qiáng)夯處理地基。

平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果 表2

圖5 試驗(yàn)區(qū)二頻散曲線

圖6 試驗(yàn)區(qū)三頻散曲線

試驗(yàn)區(qū)三與試驗(yàn)區(qū)二相比，夯錘直徑2.5m增大28%至3.2m，錘底靜壓力36kPa減少23.6%至27.5kPa，承載力特征值提高38.6%。

3.4 瑞利波測(cè)試加固效果比較

利用瞬態(tài)法的瑞利波測(cè)試。從圖5及圖6可以看出，試驗(yàn)區(qū)二波速為100m/s～150m/s,試驗(yàn)區(qū)三的面波速度介于150m/s～250m/s之間，回填土層屬于松散狀態(tài)，到老土層后波速逐漸提高，但試驗(yàn)區(qū)三的加固效果優(yōu)于試驗(yàn)區(qū)二。

4 理論計(jì)算和規(guī)范的影響深度與實(shí)際比較

太原工學(xué)院考慮錘底面積大小影響，提出D=5.1022+0.0008595WH+0.0009361E。試驗(yàn)二區(qū)：Z=8.25m,試驗(yàn)三區(qū)：Z=8.03m。

試驗(yàn)二、三區(qū)D=0.45×17.3=7.78m。

試驗(yàn)二區(qū)：Z=6.20m,試驗(yàn)三區(qū)：Z=5.19m。

查《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012），強(qiáng)夯的有效加固深度為6m～7m。

五種不同方法的加固影響深度與實(shí)際值比較 表3

采用規(guī)范經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值較為準(zhǔn)確，考慮土層顆粒及飽和性因素的加固影響深度比考慮實(shí)夯參數(shù)因素大。土層含水量較大時(shí)，沒(méi)有考慮含水量影響的公式推算值偏大。土層含水量不大時(shí)，宜按L.Menard修改系數(shù)法及太原工學(xué)院公式進(jìn)行計(jì)算。

5 控制含水量和加墊層技術(shù)措施

控制含水量和加墊層對(duì)含水量較高的飽和土強(qiáng)夯加固作用明顯，是直接效果關(guān)鍵的因素，也是順利施工的有效措施。針對(duì)飽和黏性土，根據(jù)場(chǎng)地條件、土層性質(zhì)、土層厚度、技術(shù)要求等情況，應(yīng)選擇至少下列兩個(gè)綜合措施加固強(qiáng)夯效果。

5.1 減少或增加含水量

①有條件時(shí)，將地下水位降低至坑底面以下2m，強(qiáng)夯施工鄰近區(qū)域通過(guò)開(kāi)挖積水坑或積水井，或采用潛水泵抽水將地下水位降低至可能夯坑深度以下。②坑內(nèi)或場(chǎng)地積水應(yīng)及時(shí)排除，阻止雨水和地表水進(jìn)入土層。③對(duì)于回填土層，含水量高的土料尚應(yīng)采取鉤松、晾曬、風(fēng)干措施降低含水量；或根據(jù)排水徑向和面積在回填層底部設(shè)置排水盲溝。④插設(shè)塑料排水板和埋設(shè)軟式透水管排水。⑤當(dāng)?shù)鼗恋暮康停绊懱幚硇Ч麜r(shí)，進(jìn)行增濕。

5.2 土層上鋪置一層墊層

①鋪設(shè)2.0m或更厚的粗顆粒土層。②鋪設(shè)1-2m砂石層。③夯坑填砂石置換。④砂石擠密樁置換。

6 結(jié)論

強(qiáng)夯有效加固深度是強(qiáng)夯土性條件、施工工藝等諸多因素綜合作用的結(jié)果。通過(guò)試驗(yàn)的驗(yàn)證分析，可以得出以下結(jié)論。

對(duì)于含水量較大黏性土在未進(jìn)行含水量減少的情況下不應(yīng)采用強(qiáng)夯處理地基。

在強(qiáng)夯土層上覆蓋一定厚度含水量適中透水性較好的新回填土則可大大改善提高加固效果，被強(qiáng)夯的場(chǎng)地表層的材料性質(zhì)和含水量對(duì)于地基強(qiáng)夯效果影響因素較大。場(chǎng)地表層含水量減少2～3倍，場(chǎng)地表層卵石和礫砂含量增加1倍。吸錘前最大擊數(shù)增加了2～4倍。

錘的底面直徑對(duì)強(qiáng)夯加固效果有較大影響。在相同夯擊能及滿足最后兩擊夯沉量的情況下，錘底直徑越小，錘的貫入度大，有效加固效果較好。錘底直徑越大錘的貫入度小，有效加固深度越淺。夯錘直徑增大30%，承載力特征值提高了38.6%，但有效加固深度減少了20%。

采用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）的強(qiáng)夯影響深度較為準(zhǔn)確，在選用公式進(jìn)行推算時(shí)，宜考慮各種因素影響。

對(duì)于含水量較大的以黏土或卵石夾黏土為主的素填土的地基表層強(qiáng)夯，夯擊能相同，其加固效果主要影響的因素依次為含水量、卵石含量、層厚、錘底面積、夯擊數(shù)、夯擊遍數(shù)。在制定試驗(yàn)方案前相關(guān)因素均應(yīng)予以考慮。

強(qiáng)夯飽和黏性土層加固效果的必要措施是減少或增加被加固土層的含水量至最佳含水率，在被加固土層上鋪置一層墊層。