巴基斯坦某項目強(qiáng)夯地基處理設(shè)計與施工工程實例

周軍紅

(中航勘察設(shè)計研究院有限公司,北京 100098)

0 引言

巴基斯坦某項目位于巴基斯坦Punjab省Kamra地區(qū),該場地交通便利。場地地基土為新近沉積的粉土和砂類土，地基承載力特征值較低，靠近河道附近存在輕微液化，巖土工程勘察報告建議采用強(qiáng)夯法或半剛性樁復(fù)合地基，因巴方無強(qiáng)夯設(shè)備，將場地分層碾壓比原勘察地面高出1.2～3.0 m,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行鉆孔灌注樁施工,經(jīng)檢測鉆孔灌注樁不能滿足設(shè)計要求。

設(shè)計要求對104、105、106、107、112號廠房(見圖1)進(jìn)行強(qiáng)夯地基處理,強(qiáng)夯后地基承載力特征值fak≥160 kPa,消除輕微液化(見表1)；為保證工程設(shè)計的要求,考慮到強(qiáng)夯的有效加固深度,回填土的實際回填厚度,為大面積施工提供設(shè)計參數(shù),強(qiáng)夯方案施工之前布置兩個強(qiáng)夯試驗區(qū),試夯區(qū)的位置選擇在場地最有代表性的位置。

1 工程概況及工程水文地質(zhì)條件

場地分層碾壓比原勘察地面高出1.2～3.0 m,107、112號廠房回填碾壓深度約1.2～1.5 m,104、105、106號廠房回填碾壓深度約1.8～3.0 m,104號廠房西南角有一些跳躍式土坑,最深達(dá)4 m，其下為新近沉積的粉土和砂類土。

根據(jù)勘察報告，該工程揭露深度范圍內(nèi)土層從上至下分別描述如下：

(1)雜填土①層：褐黃—褐灰色，稍濕，松散，含大量植物根系和磚塊。

(2)新近沉積層

a.粉細(xì)砂②層：褐灰色—灰褐色，稍濕，松散—稍密,含長石、云母，局部含中粗砂薄層。

b.中砂③層：褐灰色—灰色，稍濕—濕，中密—密實，含長石、云母，局部含粉細(xì)砂薄層。

土層分布見圖2，土層參數(shù)見表3。

地下水類型為潛水，地下水埋深為6.0～8.0 m。根據(jù)當(dāng)?shù)赜涗?，歷年最高水埋深為1.5～2.0 m，并且隨時間變化地下水位呈逐年下降趨勢，目前地下水埋深大約7.0 m。該場地內(nèi)的地下水對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均不用考慮腐蝕性。

2 強(qiáng)夯地基處理設(shè)計

本工程基礎(chǔ)形式采用獨立柱基和條形基礎(chǔ)，地基承載力和沉降變形不能滿足設(shè)計要求。依據(jù)巖土工程勘察報告所揭示的地層分布情況，以及現(xiàn)場踏勘的實際情況，經(jīng)多次和設(shè)計方交換意見，對本工程地基處理可采用的方案進(jìn)行了深入的分析。本著質(zhì)量第一、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便的原則，提出優(yōu)化的地基處理方案。以下對目前可能實施的地基處理方案的優(yōu)缺點進(jìn)行了對比分析：若采用鉆孔灌注樁，即長螺旋鉆機(jī)成孔后灌注，雖然單樁承載力高且對地基承載力的改良提高作用明顯，但是對地基的液化性不能起到明顯的改善[1]，而且經(jīng)過檢測前期施工的鉆孔灌注樁不能滿足設(shè)計的有關(guān)要求。而如采用夯擴(kuò)擠密灰土樁的方案，雖然可以消除粉細(xì)砂②層的液化性，同時擠密樁間土，但此方法施工速度太慢，效率低，施工用水、用電量大。

圖1 廠房總平面布置圖

圖2 巴基斯坦某工程典型地質(zhì)剖面圖

表1 擬建物概況及設(shè)計要求參數(shù)統(tǒng)計表

強(qiáng)夯法處理地基施工工藝簡單、施工速度快、造價低廉，而且在本工程地質(zhì)條件下使用該方法可以成功消除粉細(xì)砂②層的輕微液化性。經(jīng)強(qiáng)夯處理后，上部1.2～3.0 m回填碾壓土在一定的深度范圍內(nèi)工程特性得到更好改善，②層土層輕微液化性也可以消除，并且處理夯實的面積比灌注樁和擠密樁大大增加，這對建筑物的長期穩(wěn)定非常有利。根據(jù)勘察報告，該工程地層經(jīng)強(qiáng)夯處理后比較容易滿足不小于160 kPa的地基承載力要求。雖然強(qiáng)夯法處理地基會產(chǎn)生噪聲和震動，但采取隔震溝等措施可以減少對周圍居民的生活及周圍的建筑物產(chǎn)生影響。由于強(qiáng)夯施工不用電、不用水，施工對場地的要求也低，故采用強(qiáng)夯的方法是可以經(jīng)濟(jì)快捷地達(dá)到本工程地基處理要求的。

綜上所述，強(qiáng)夯法是處理本場地地基的最佳方案，既能滿足上部結(jié)構(gòu)的承載力要求，又能消除粉細(xì)砂②層的液化性，同時保證地基土的均勻性，地基土的壓縮模量不小于12 MPa，減小建筑物沉降量和沉降差。

2.1 強(qiáng)夯設(shè)計計算

強(qiáng)夯設(shè)計施工參數(shù)包括：錘重和落距、最佳夯擊能、單點夯擊能、單點夯擊擊數(shù)、夯點布置、夯擊遍數(shù)以及兩遍間隔時間、處理范圍等。

2.1.1 單點夯擊能

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)[2]和公式(1)即可確定。

(1)

式中：H為加固深度，m；M為錘重，取180 kN；h為錘落距,m；α為修正系數(shù)，取0.5～0.8，本工程可以取0.6。

經(jīng)計算，當(dāng)錘重180 kN，落錘高度16.7 m時，即夯擊能3000 kN·m時，即可滿足設(shè)計要求。 考慮到本工程的重要性，同時根據(jù)地基土的類別、結(jié)構(gòu)類型和加固深度，結(jié)合經(jīng)驗，單擊夯擊能取3000 kN·m。

2.1.2 單點夯擊擊數(shù)

單點夯擊隨著擊數(shù)增加，土體越來越密，此時具有一個最佳夯擊擊數(shù)，超過此擊數(shù)時，地基土不但不會加密，反而會越夯越松，因此單點夯擊擊數(shù)應(yīng)由現(xiàn)場單點夯試驗確定。夯點的夯擊次數(shù)應(yīng)滿足下列條件：

a.最后兩擊的平均夯沉量不宜大于50 mm；

b.夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大的隆起；

c.不因夯坑過深而發(fā)生提錘困難。

一般單點夯擊擊數(shù)為4～6擊。

2.1.3 夯點布置

為了保證整個場地都能均勻加固不留空白，同時又要考慮到夯擊坑的有效影響范圍，因此單點夯擊間距與夯錘直徑有密切關(guān)系，一般夯錘直徑為2.5～3 m，由單點夯試驗隆起曲線可很容易確定單點夯擊間距，一般遍夯單點夯擊間距為6～7 m。根據(jù)本工程基礎(chǔ)大小形式，采用直徑為2.4 m的夯錘，單點夯擊間距為6 m，采用三角形布置，見圖3。

圖3 107#廠房強(qiáng)夯局部平面布置示意圖

2.1.4 夯擊遍數(shù)

夯擊時單點重夯應(yīng)采取兩遍，兩遍布點梅花型交叉布置，最后一遍為低能量滿夯。滿夯能量為1000 kN·m，采用低落距錘，錘印搭接1/3。

2.1.5 處理范圍

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)[2]，考慮到本工程結(jié)構(gòu)要求以及地質(zhì)條件，設(shè)計基礎(chǔ)外超出的處理范圍為最外邊基礎(chǔ)外皮向外不小于3.0 m。

2.1.6 兩遍之間的時間間隔

因本工程地下水水位埋深較深，同時，需要進(jìn)行處理的地基土含水量相對較小，根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗，兩遍強(qiáng)夯施工可連續(xù)進(jìn)行。

各個廠房的強(qiáng)夯設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 強(qiáng)夯設(shè)計施工參數(shù)統(tǒng)計表

2.2 變形計算

變形計算時，地基內(nèi)應(yīng)力分布采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)[3]提供的公式，利用分層總和法進(jìn)行計算：

(2)

式中：s——地基最終變形量，mm;

ψs——沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)地區(qū)沉降觀測資料及經(jīng)驗確定；

n——地基變形計算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

P0——對應(yīng)于荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合時的基礎(chǔ)底面處的附加壓力，kPa;

Esi——基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，應(yīng)取土的自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和的壓力段計算，MPa;

zi、zi-1——基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面的距離，m;

經(jīng)強(qiáng)夯處理后，回填地段壓縮模量取15 MPa，其余地段壓縮模量取20 MPa。選取106#廠房中心點和角點獨立基礎(chǔ)進(jìn)行計算，強(qiáng)夯處理后106#廠房建筑物獨立基礎(chǔ)中心點在上述兩地段的變形量分別為38.161 mm和9.592 mm，沉降差為28.569 mm，沉降差滿足0.002l的規(guī)范要求。經(jīng)計算，其它廠房變形及傾斜都滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

3 強(qiáng)夯地基處理施工

本工程總體遵循先試驗、后工程施工的原則安排施工。工程開始施工前，應(yīng)結(jié)合工程主夯點進(jìn)行一組單點夯試驗，繼而進(jìn)行群夯試驗，以確定夯擊數(shù)、夯后所達(dá)到的指標(biāo)，盡可能達(dá)到最佳夯實效果。

本工程具體施工順序為先主夯，后滿夯，強(qiáng)夯主機(jī)開行路線每遍的施工順序應(yīng)保持一致，不得逆行施工。

本工程具體施工工藝如下：

(1)推土機(jī)進(jìn)場平整場地，場地標(biāo)高滿足設(shè)計要求→(2)定位測量第一遍夯擊點位置、測量夯擊點標(biāo)高→(3)起重機(jī)就位，夯錘放置于夯擊點位置→(4)測量夯前錘頂標(biāo)高→(5)吊起夯錘進(jìn)行夯擊，測量夯后的錘頂標(biāo)高→(6)重復(fù)步驟(5)，按照設(shè)計與試驗確定的夯擊參數(shù)以及控制標(biāo)準(zhǔn)，完成一個點的強(qiáng)夯→(7)換一個強(qiáng)夯點，重復(fù)步驟(3)—(6)，完成第一遍強(qiáng)夯→(8)用推土機(jī)將夯坑填平，并測量場地標(biāo)高→(9)在一定的時間間隔后，按照前述步驟完成全部夯擊點的強(qiáng)夯，推平場地后測量地面標(biāo)高→(10)低能量滿夯，能量為1000 kN·m將表層松土夯實，并測量夯后場地高程。

表3 巴基斯坦某工程基底以下土的物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計表(平均值)

4 強(qiáng)夯地基處理檢測

4.1 靜力載荷試驗

4.1.1 試驗方法

靜載荷試驗采用慢速維持荷載法。

4.1.2 試驗要點

(1)試驗點確定

試驗點由監(jiān)理、甲方、檢測方協(xié)商確定(見圖4)。

圖4 107#廠房夯后地基檢測局部布置平面示意圖

(2)試驗裝置

品牌經(jīng)濟(jì)在21世紀(jì)已經(jīng)成為衡量地區(qū)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志，農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌也是一個地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展程度的重要體現(xiàn)。農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌競爭力是農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌參與市場競爭的能力及品牌自身資產(chǎn)價值的體現(xiàn)，是區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)競爭力提升、農(nóng)民增收乃至新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體培育的重要抓手。新疆地域遼闊，農(nóng)業(yè)資源豐富，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件較好，是國家的糧食、棉花、林果、畜牧四大農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。提升新疆農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌競爭力，有利于新疆農(nóng)業(yè)優(yōu)勢資源轉(zhuǎn)化，有利于提高新疆農(nóng)產(chǎn)品市場份額，對于促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、區(qū)域經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)民持續(xù)增收具有重要而現(xiàn)實的意義。

試驗采用平臺堆載反力裝置，即一次將所需配重均勻穩(wěn)定置于鋼梁組成的平臺之上，使用1000 kN千斤頂配合高壓油泵施加反力，載荷試驗儀通過安裝在千斤頂上的壓力傳感器和安裝在壓板上的位移傳感器控制加荷量，記錄沉降位移。加載補(bǔ)載均自動完成。試驗裝置如圖5所示。

圖5 靜載荷試驗裝置示意圖

(3)加載控制

試驗按最大荷載的1/11，第一級加倍。每級加載后第一小時內(nèi)按5、10、15、15、15 min記錄沉降量，以后每隔30 min記錄一次，當(dāng)一小時內(nèi)沉降量小于0.1 mm時認(rèn)為達(dá)到相對穩(wěn)定，進(jìn)行下一級荷載。

(4)試驗荷載

靜載荷試驗最大加載壓力按不小于設(shè)計要求的強(qiáng)夯地基承載力特征值的兩倍考慮。

(5)終止加載條件

①沉降急驟增大、土被擠出或壓板周圍出現(xiàn)明顯的隆起；

②總沉降量已大于壓板寬度或直徑的6%；

④總加載量已達(dá)到要求的最大荷載；

⑤發(fā)生不可測異常情況。

(6)卸荷觀測

每級卸荷量為加載量的2倍。

4.1.3 壓縮模量計算

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[4],利用公式(3)由淺層地基載荷板試驗的試驗結(jié)果推導(dǎo)土的變形模量E0。

Ε0=Ι0Κ(1-μ2)d

(3)

式中:I0為承壓板影響系數(shù),對方形板為0.866;K為在設(shè)計荷載下的淺層地基載荷板試驗P-s曲線中的斜率;μ為土的泊松比,對本區(qū)常見的碎石填土地基可以取0.3;d為承壓板邊長,一般為1000 mm。

壓縮模量Es由公式(4)從變形模量E0求得:

(4)

根據(jù)上述公式,從本工程的淺層地基載荷板試驗報告選取數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮模量Es的計算。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

4.2.1 判別液化標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[5]，當(dāng)飽和砂土和飽和粉土(不含黃土)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值時，應(yīng)判為液化土。

當(dāng)ds≤20 m時，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值按下式計算：

(5)

式中:Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，根據(jù)勘察報告本工程取8；β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點深度，m；dw為地下水位深度，m；ρc為黏粒含量百分率，當(dāng)小于3或為砂土?xí)r，應(yīng)采用3。

4.2.2 檢測數(shù)量

強(qiáng)夯地基進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，其中107#廠房檢測圖見圖4。

5 強(qiáng)夯地基處理效果

強(qiáng)夯施工完畢之后進(jìn)行了地基承載力檢測和標(biāo)準(zhǔn)貫入檢測試驗，根據(jù)該工程檢測報告可知：104#、105#、106#、107#和112#廠房強(qiáng)夯處理后的地基承載力特征值滿足160 kPa的設(shè)計要求(見圖6—圖10)。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗分析結(jié)果表明：104#、105#、106#、107#和112#廠房粉細(xì)砂②層中的輕微液化現(xiàn)象消除，地基土均勻；壓縮模量滿足設(shè)計提出的地基土Es≥12 MPa的要求；強(qiáng)夯地基處理后地基影響深度約為7 m(以夯前標(biāo)高為基準(zhǔn)計算)，強(qiáng)夯地基處理到粉細(xì)砂②層底面。

圖6 104#廠房地基靜力載荷試驗曲線

圖7 105#廠房地基靜力載荷試驗曲線

圖8 106#廠房地基靜力載荷試驗曲線

圖9 107#廠房地基靜力載荷試驗曲線

圖10 112#廠房地基靜力載荷試驗曲線

6 結(jié)論

(1)強(qiáng)夯地基處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各行各業(yè)地基處理工程，但在巴基斯坦某廠房進(jìn)行強(qiáng)夯地基處理尚屬首次，對于本次強(qiáng)夯參數(shù)及施工經(jīng)驗的總結(jié)顯得尤為重要，對于以后該國同類工程施工具有重大參考意義。

(2)通過強(qiáng)夯地基處理技術(shù)在巴基斯坦某工程當(dāng)中的成功應(yīng)用，證明該技術(shù)可有效解決大跨度廠房建筑結(jié)構(gòu)沉降、差異沉降及承載力問題，同時也能消除部分土層的輕微液化問題。

(3)強(qiáng)夯地基處理技術(shù)可以節(jié)約工程造價，其中強(qiáng)夯地基處理設(shè)計和傳統(tǒng)樁基設(shè)計相比節(jié)約造價更加顯著，同時可創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。