晉祠灌區(qū)渠道基礎(chǔ)處理中強(qiáng)夯技術(shù)的應(yīng)用

孫 娟

(太原市晉祠水利管理處，山西 太原 030000)

1 黃土濕陷機(jī)理

濕陷性黃土又名大孔土，黃土結(jié)構(gòu)疏松，具有較多結(jié)構(gòu)性空隙，濕陷性黃土中不抗水顆粒受水浸濕后如遇一定壓力，土體結(jié)構(gòu)將迅速破壞，出現(xiàn)明顯的濕陷變形，強(qiáng)度迅速降低。黃土濕陷將嚴(yán)重削弱地基承載力，無法達(dá)到建筑設(shè)計承載能力要求，還會引發(fā)已有建筑物的不均勻沉降，嚴(yán)重威脅建筑物的安全。實踐表明，強(qiáng)夯治理可以有效加固濕陷性黃土基礎(chǔ)，消除地基場內(nèi)沉陷的不利影響。強(qiáng)夯技術(shù)是將夯錘持續(xù)升至相應(yīng)高度后，通過直接砸擊地基土而向其施加地基顫動能量，壓縮地基土原有空隙，使土顆粒重新壓密排列后固結(jié)，從而提升土體承載力，消除土體壓縮性和濕陷性的地基加固技術(shù)，強(qiáng)夯法是濕陷性黃土基礎(chǔ)處理經(jīng)濟(jì)而有效的措施，尤其對于非自重濕陷性黃土基礎(chǔ)的加固較為適用[1]。

2 強(qiáng)夯技術(shù)在濕陷性黃土基礎(chǔ)處理中的應(yīng)用

晉祠灌區(qū)位于太原市著名的晉祠風(fēng)景旅游區(qū)，是一個具有3000年灌溉歷史的自流灌區(qū)。南北分別與晉源區(qū)姚村、金勝接壤，東臨汾河，西依懸甕山，地形為北高南低，西高東低，屬太原盆地的一部分。氣候?qū)侔敫珊荡箨懶詺夂?，多年平均降雨?50mm，主要降雨集中在5-9月份，年平均蒸發(fā)量1450mm，凍土層深74cm。

2.1 試夯施工

灌區(qū)渠道沿線分布長度為15.58km的黃土，結(jié)合勘察資料，黃土區(qū)3-6m為輕微-強(qiáng)烈濕陷性黃土，6m以下為非濕陷性黃土，黃土比重2.17，干密度1.43-1.56g/cm3，液限23-27.6%，塑限15.0-15.8%，塑性指數(shù)7.8-10.9，飽和狀態(tài)下黏聚力17.0-25.0kPa。根據(jù)灌區(qū)該段濕陷性黃土基礎(chǔ)所處地理位置及對工程的影響，擬進(jìn)行預(yù)浸水、擠密樁、置換法和夯擊法進(jìn)行處理。為確定最佳處理方案，決定對天然含水率下強(qiáng)夯技術(shù)的可行性與適用性進(jìn)行試夯試驗，試驗內(nèi)容主要有試夯施工、夯擊前后土的物理力學(xué)性質(zhì)取樣與試驗、振動檢測等。按照含水率、濕陷等級和土層厚度的不同劃分試驗區(qū)，見表1。

為給灌區(qū)濕陷性黃土基礎(chǔ)處理提供有效的可比性數(shù)據(jù)，確保大面積施工質(zhì)量，對試夯施工進(jìn)行如下安排：在每段場地中劃分出兩個10×10m的試夯區(qū)域，進(jìn)行不同夯擊能試驗，1#夯擊區(qū)域采用預(yù)浸水增濕后與其余不浸水的2#、3#、4#、5#、6#夯擊區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)夯結(jié)果對比。

表1 試驗區(qū)劃分情況

2.1.1 設(shè)備參數(shù)的確定

灌區(qū)濕陷性黃土基礎(chǔ)強(qiáng)夯試驗所需設(shè)備名稱、數(shù)量、型號等參數(shù)具體如下：YTHQ450型強(qiáng)夯機(jī)1臺，36.0t夯錘1個，用于試夯施工；ZL20G型裝載機(jī)1輛，用于場地與夯坑平整；DS3水準(zhǔn)儀1個，用于高程與夯坑沉降量測量；100.0m鋼卷尺1個，用于夯點測放；Ys-1型壓縮儀2臺；WG-4型固結(jié)儀1臺、GYS-2型電子液塑限儀2臺、JG-328型光電分析天平3臺，用于試夯后土常規(guī)、壓縮性、濕陷性及含水量等參數(shù)的室內(nèi)檢測與試驗；TYL-30型原位荷載儀1臺，于試夯后進(jìn)行承載力檢測。

2.1.2 施工參數(shù)確定

強(qiáng)夯技術(shù)應(yīng)用時必須嚴(yán)格按照土層濕陷屬性、含水率、夯點距離、處理深度等參數(shù)確定夯擊能，按照《濕陷性黃土地區(qū)建筑施工規(guī)范》(GB50025-2004)(以下簡稱規(guī)范)，采用強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土基礎(chǔ)，土的含水率應(yīng)低于塑限含水率3%，對于擬夯實基層，土體天然含水率低于10%，應(yīng)增濕直至接近最優(yōu)含水率，而當(dāng)土體含水率大于塑限含水率3%以上，應(yīng)晾干或通過其他措施降低含水率[2]。

本次試驗夯擊次數(shù)按照規(guī)范確定，夯點的夯擊次數(shù)必須同時滿足以下條件：最終兩擊夯沉量平均值≤50mm，單擊夯擊能E≥4000 kN·m時的夯擊次數(shù)≤100mm，夯坑周圍地面不能出現(xiàn)過大隆起，避免夯坑過深帶來的起錘困難?！包c夯+滿夯”的夯擊遍數(shù)為2+1遍，按正方形布置的夯點中心距為5m。

2.2 強(qiáng)夯后的檢測成果

試夯試驗表明，灌區(qū)濕陷性黃土在天然狀態(tài)下按照不同夯擊能夯擊后，土層干密度明顯增加，壓縮變形程度降低，地基所允許承載力也有大幅度提升，詳見表2。天然狀態(tài)下夯擊能為3000-5000kN·m時，地表以下4m內(nèi)夯后干密度增加，200kPa的濕陷系數(shù)增大，濕陷性黃土的濕陷性完全消失；夯擊能為5000 kN·m及以上時，地表以下5-7m以內(nèi)夯后干密度增加，200kPa的濕陷系數(shù)增大，濕陷性黃土土層濕陷性完全消失，僅在5#夯擊區(qū)4-7m土層可能存在輕微-強(qiáng)烈的濕陷性以及6#夯擊區(qū)5-7m土層存在中強(qiáng)濕陷，結(jié)果表明，強(qiáng)夯技術(shù)對濕陷性黃土基礎(chǔ)加固處理效果明顯。

表2 夯擊前后實現(xiàn)性黃土干密度與濕陷對比

2.3 振動檢測

為進(jìn)一步明確強(qiáng)夯試驗所引起的振動對周邊土層及建筑物的影響范圍與程度，選擇1#和2#兩個夯擊區(qū)域，增大夯擊能，進(jìn)行不同距離最大水平振速和垂直振速的振動檢測，檢測結(jié)果詳見表3。

根據(jù)夯擊試驗振動檢測結(jié)果，按照《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)有關(guān)規(guī)定，振動主頻率為10-50Hz時所允許的安全振速為0.7-1.3cm/s，安全夯擊距離為10-20m，完全符合《強(qiáng)夯施工手冊》所規(guī)定的安全夯距。

表3 強(qiáng)夯試驗振動檢測結(jié)果

續(xù)表3 強(qiáng)夯試驗振動檢測結(jié)果

3 討論與結(jié)論

檢測結(jié)果顯示，天然含水率越低則黃土濕陷性越強(qiáng)，黃土干密度越大則孔隙比越小，濕陷系數(shù)越小。強(qiáng)夯技術(shù)通過改變黃土的黏粒含量、可溶鹽含量、含水率及干密度等進(jìn)而改變黃土的濕陷性，達(dá)到加固土基的目的。除天然含水率、干密度之外，黏粒含量、可溶鹽含量也是影響黃土濕陷性的重要因素[3]。黏粒含量越少則黃土結(jié)構(gòu)中的膠結(jié)作用越弱，濕陷性越強(qiáng)；固態(tài)形態(tài)的可溶鹽具有膠結(jié)黃土的作用，可溶鹽溶解后呈離子狀態(tài)時將與土粒表面所吸附的陽離子發(fā)生置換，改變黃土的濕陷性。研究結(jié)果表明，與其他地基處理方法相比，強(qiáng)夯技術(shù)處理濕陷性黃土基礎(chǔ)效果好、造價低、工期短，強(qiáng)夯所引起的振動對周邊土層及建筑物的影響范圍與程度完全符合《強(qiáng)夯施工手冊》安全夯距的規(guī)定。