強(qiáng)夯法處理濕陷性風(fēng)積砂土地基評(píng)價(jià)

柳 旻，姚晨輝，張國敬，孫 濤

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710043；2.哈爾濱電站設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所有限公司， 黑龍江 哈爾濱 150046)

“濕陷性”一詞的定義最早出現(xiàn)在我國1966年頒布的《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[1](GB 50025—1966)中：“黃土在一定的壓力作用下受水浸濕，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著附加下沉的性質(zhì)，叫做黃土的濕陷性”。可以看出早期工程界對(duì)于“濕陷性”的認(rèn)識(shí)主要局限在“黃土”，研究也多集中在濕陷性黃土方面，內(nèi)容涉及濕陷性黃土的濕陷性機(jī)理與本構(gòu)關(guān)系、濕陷性黃土試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法、基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與濕陷性關(guān)系、濕陷性黃土地基處理等等[2-11]。濕陷性砂土在我國主要分布在我國西北部，分布范圍有限，相關(guān)研究成果也較少[12]，相應(yīng)的地基處理方法的研究也較貧乏。隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略實(shí)施，工程建設(shè)遇到越來越多的復(fù)雜的地基土，濕陷性砂土即是一種，如安哥拉羅安達(dá)是KK新城建設(shè)中遇到的“濕陷性紅砂土”[13]、尼日利爾某煉廠建設(shè)中的“濕陷性風(fēng)積砂土”等[14]，隨后相關(guān)濕陷性砂土試驗(yàn)、評(píng)價(jià)及處理的研究也開始多起來[15-16]。

巴基斯坦塔爾煤田其位于塔爾沙漠腹地，是我國實(shí)施“一帶一路”戰(zhàn)略、推進(jìn)中巴經(jīng)濟(jì)走廊建設(shè)的優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目之一。這里土壤沙化，地貌單元為沙丘，為東北至西南走向，工程建設(shè)區(qū)遇到的地基土主要為風(fēng)積砂，其具有特殊的工程性質(zhì)即遇水強(qiáng)度降低，并產(chǎn)生濕陷顯著的變形，這將直接影響到廠區(qū)建設(shè)以及后期運(yùn)行中建筑物的安全穩(wěn)定，因此必須對(duì)地基土進(jìn)行處理。

國內(nèi)濕陷性黃土地基處理的目的主要是消除黃土的濕陷性，提高地基的承載力，從而消除濕陷性造成的工程危害。強(qiáng)夯法在處理濕陷性黃土地基具有施工簡便、工期短、成本低、效果好等特點(diǎn)，在全國濕陷性黃土地區(qū)得到廣泛應(yīng)用和推廣[17]。但強(qiáng)夯法對(duì)濕陷性砂土地基處理效果如何，目前工程實(shí)例相對(duì)較少。

本文以巴基斯坦塔爾煤礦某在建電廠建設(shè)中地基處理工程為依托，開展對(duì)強(qiáng)夯法處理濕陷性砂土地基效果評(píng)價(jià)的研究。

1 工程地質(zhì)概況

擬建場地地形較為平緩，略有起伏，高程在82 m～85 m之間，在鉆探深度范圍內(nèi)，整個(gè)廠區(qū)地層巖性為第四系風(fēng)積土(Qeol)，地層巖性單一，均為粉細(xì)砂。圖1為場地內(nèi)某一工程地質(zhì)剖面圖，按密實(shí)程度分為4個(gè)亞層：粉細(xì)砂①：灰黃色，干燥—稍濕，松散—稍密，層厚0.40 m～2.80 m，修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)平均值為13.4擊；粉細(xì)砂②：灰黃色，稍濕，中密，修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)平均值為22.8擊，層厚1.50 m～4.70 m；粉細(xì)砂③：灰白—灰黃色，稍濕，密實(shí)，層厚16.70 m～21.40 m，修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)平均值為70.1擊；粉細(xì)砂④：灰黃色，稍濕，密實(shí)，修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)平均值為107.0擊，該層未揭穿，最大揭露厚度為29.00 m，最大鉆探深度50.00 m。

根據(jù)室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)及現(xiàn)場載荷試驗(yàn)結(jié)果：①、②層土具有濕陷性。濕陷土層分布不均勻，分布深度位于原始地面下約5.0 m深度范圍內(nèi)，濕陷系數(shù)介于0.015～0.090之間。

由于國內(nèi)沒有專門針對(duì)濕陷砂土的相關(guān)規(guī)范，故參照《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[18](GB 50025—2004)，對(duì)濕陷性砂土進(jìn)行評(píng)價(jià)。本場地地基土濕陷程度從輕微至強(qiáng)烈均有分布，因此需要對(duì)場地地基土進(jìn)行處理，以消除或避免因濕陷性造成的工程危害。

圖1 場地典型地質(zhì)剖面圖

2 強(qiáng)夯施工設(shè)計(jì)

本場地采用強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理，要求消除①、②層土的濕陷性，強(qiáng)夯后地基土承載力不小于251 kPa，壓縮模量不小于14 MPa。

強(qiáng)夯施工中夯錘重15.6 t，錘底直徑為2.5 m，底面為橢圓形。點(diǎn)夯夯擊能為2 000 kN·m，夯點(diǎn)間距為4 m，夯擊時(shí)按間隔1個(gè)夯擊點(diǎn)進(jìn)行跳夯，跳夯間距為8 m。第一遍夯擊點(diǎn)按正方形網(wǎng)格排列，間隔8 m，間隔1個(gè)夯擊點(diǎn)跳夯夯擊完成。第二遍選用第一遍已夯點(diǎn)間隙，采用梅花形網(wǎng)格排列，依次夯擊完成。第三遍夯擊選用第一、二遍已夯點(diǎn)間隙，采用正方形網(wǎng)格排列，依次夯擊完成。點(diǎn)夯順序如圖2所示。

圖2 強(qiáng)夯點(diǎn)布置圖(單位：mm)

點(diǎn)夯夯擊數(shù)8擊～15擊，最后兩擊夯沉量應(yīng)滿足小于50 mm。點(diǎn)夯完后以1 000 kN·m低能量滿夯一遍，以加固前幾遍之間的松土和被振松的表土層，夯印搭接不小于60 cm。根據(jù)前期試夯經(jīng)驗(yàn)，在強(qiáng)夯施工前應(yīng)對(duì)夯區(qū)進(jìn)行適量增濕處理，使土體含水量達(dá)到最優(yōu)，可提高強(qiáng)夯處理效果。

3 強(qiáng)夯后地基土檢測結(jié)果

本場地強(qiáng)夯處理面積約為72 058 m2，強(qiáng)夯施工完成后間隔7 d～10 d，在處理過的地基土自夯面起至其下5 m或第三層土頂面的深度范圍內(nèi)，每隔1 m取1個(gè)土樣，總計(jì)取380個(gè)試樣，采用環(huán)刀法進(jìn)行室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)，并在主要建筑物內(nèi)布置了15個(gè)平板載荷試驗(yàn)點(diǎn)。

3.1 室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)

室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，砂土地基經(jīng)過強(qiáng)夯處理后在0～5 m范圍內(nèi)濕陷系數(shù)δs多介于0.003 1～0.008 7之間，平均值為0.006 2，壓縮模量為28.75 MPa～41.41 MPa，平均值為32.48 MPa，濕陷性基本得到消除。

表1 強(qiáng)夯處理后砂土的主要物性指標(biāo)

圖3、圖4為強(qiáng)夯后砂土濕陷性系數(shù)和壓縮模量散點(diǎn)圖。

圖3 強(qiáng)夯后不同深度濕陷性系數(shù)分布圖

由圖3、圖4可以看出濕陷性系數(shù)多分布在0.015以下，壓縮模量多分布在15 MPa～40 MPa。受場地地質(zhì)條件和施工質(zhì)量的差異影響，部分區(qū)域在3.0 m～4.0 m范圍濕陷性系數(shù)δs達(dá)到了0.030～0.418，仍具有濕陷性，壓縮模量偏低介于8.74 MPa～12.54 MPa，需進(jìn)行補(bǔ)夯的處理，以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 強(qiáng)夯后不同深度壓縮模量分布圖

通過采用強(qiáng)夯法地基處理措施，該場地濕陷性砂土在0～5 m范圍內(nèi)濕陷性基本得到了消除，總體判別為無—輕微濕陷，壓縮模量滿足設(shè)計(jì)要求。部分區(qū)域經(jīng)強(qiáng)夯處理后仍有輕微濕陷性，分布范圍小，多呈單點(diǎn)分布，且分散不集中。

3.2 平板載荷試驗(yàn)

強(qiáng)夯后現(xiàn)場平板載荷試驗(yàn)檢測結(jié)果見表2，其p-s曲線見圖5。

圖5 強(qiáng)夯地基平板載荷試驗(yàn)p-s曲線

表2 平板載荷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從圖5、表2可以看出，強(qiáng)夯后地基土承載力特征值均達(dá)到251 kPa，承載力特征值對(duì)應(yīng)沉降量介于3.10 mm～8.39 mm，變形模量介于24.12 MPa～65.28 MPa，p-s曲線基本無明顯拐點(diǎn)，亦無明顯的比例界限，強(qiáng)夯提高了地基土的承載力，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 強(qiáng)夯處理濕陷性砂土地基效果評(píng)價(jià)

強(qiáng)夯法處理地基土的機(jī)理就是通過重錘從高處自由落下，利用夯錘的勢能和動(dòng)能給地基土以巨大的沖擊，使土體壓密、固結(jié)，使顆粒結(jié)構(gòu)重新排列，以達(dá)到增大地基土的密實(shí)度，提高地基土承載力，消除濕陷性的目的。因此表征砂土濕陷性、密實(shí)度的相關(guān)指標(biāo)，可評(píng)價(jià)強(qiáng)夯效果，如濕陷性系數(shù)、干密度和孔隙比、壓縮模量等，表3為未處理砂土的主要物理性質(zhì)指標(biāo)。

(1) 濕陷性系數(shù)。圖6為強(qiáng)夯前后不同深度濕陷性系數(shù)平均值對(duì)比曲線，可以看出強(qiáng)夯處理后砂土的濕陷性系數(shù)平均值均小于0.010，特別在0～2 m范圍內(nèi)濕陷性系數(shù)平均值降低幅度較大，表明強(qiáng)夯消除濕陷性效果明顯。

圖6 強(qiáng)夯前后砂土濕陷性系數(shù)對(duì)比曲線

表3 強(qiáng)夯前砂土物理性質(zhì)指標(biāo)

(2) 干密度。圖7為強(qiáng)夯前后砂土干密度對(duì)比曲線，可以看出強(qiáng)夯后砂土的干密度比強(qiáng)夯前提高了0.11，平均提高6.6%，表明強(qiáng)夯使砂土更加密實(shí)，也間接反映出砂土的濕陷性得以降低甚至消除。

圖7 強(qiáng)夯前后砂土干密度對(duì)比曲線

(3) 孔隙比。圖8為強(qiáng)夯前后砂土孔隙比的變化曲線。由圖8可以看出砂土孔隙比較強(qiáng)夯前平均減小0.136，降低約19.4%。表明了強(qiáng)夯降低了土體孔隙比，提高了砂土的密實(shí)度，與濕陷性和干密度的分析結(jié)果基本一致。

圖8 強(qiáng)夯前后砂土孔隙比對(duì)比曲線

(4) 壓縮模量。圖9為強(qiáng)夯前后砂土壓縮模量的變化曲線。

圖9 強(qiáng)夯前后砂土壓縮模量變化曲線

由圖9可以看出，相比強(qiáng)夯前砂土的壓縮模量得到顯著的提高，平均值增大19.18 MPa，提高59.1%。表明強(qiáng)夯也極大提升砂土的壓縮模量。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)巴基斯坦塔爾煤礦某電廠場地濕陷性砂土地基強(qiáng)夯效果分析，主要得到以下結(jié)論：

(1) 強(qiáng)夯后地基土的檢測數(shù)據(jù)表明：在0～5 m范圍內(nèi)濕陷性系數(shù)范圍在0.003 1～0.008 7之間，平均值0.006 2，壓縮模量為28.75 MPa～41.41 MPa，平均值32.48 MPa。濕陷性基本得到了消除，總體判別為無-輕微濕陷，壓縮模量滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 受地質(zhì)條件及施工質(zhì)量影響部分區(qū)域在3.0 m～4.0 m范圍濕陷性系數(shù)δs介于0.030～0.418，濕陷性中等，壓縮模量偏低為8.74 MPa～12.54 MPa，需進(jìn)行補(bǔ)夯的處理，以滿足設(shè)計(jì)要求。

(3) 分析對(duì)比強(qiáng)夯前后檢測數(shù)據(jù)，可以看出強(qiáng)夯使得砂土干密度平均增大6.6%，孔隙比平均降低19.4%，壓縮模量平均提高了59.1%，也間接反映濕陷性得以降低甚至消除。