港口堆場復雜場地地基強夯和插板強夯加固效果對比試驗研究

盛利，袁方龍

（1.天津津港建設有限公司，天津 300456；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通運輸行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222）

0 引言

軟土地基加固[1-2]是港口碼頭建設的重點和難點，其對于地基沉降的要求標準十分嚴格，尤其是對于一些老舊堆場碼頭改造工程，由于受場地之前加固工藝和用途的影響，場地表層經(jīng)過多次堆填、修整后產(chǎn)生不同厚度的雜填土硬殼層，地質條件極為復雜，區(qū)域土層的不均勻性和特殊性比較明顯，且地下水位較高，若地基處理[3]措施不當，在長時間高強度堆壓下極易誘發(fā)地基產(chǎn)生不均勻沉降，嚴重時將影響碼頭和堆場的正常使用和運營。

強夯法[4-5]是解決地基沉降最直接有效的方法，具有適用范圍廣、加固效果顯著、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點，目前強夯法在加固表層存在大塊混凝土和聯(lián)鎖塊等硬殼層的飽和軟黏土地基的應用較少，且插打排水板對強夯加固效果[6-8]的影響規(guī)律尚不清楚，進行深入研究對于指導大面積復雜場地地基強夯加固設計和施工具有重要意義。

本文以天津港某集裝箱碼頭工程為依托，對強夯法和插板強夯法的加固效果及規(guī)律性進行試驗研究，并將試驗結果進行對比分析，以對后期的強夯設計和大面積施工提供有效的參考和借鑒。

1 工程地質概況

天津港某集裝箱碼頭地塊總面積約76萬m2，歷史成陸原因復雜，自南向北作為煤炭、礦石散貨臨時堆場使用至今，道路及堆場布置自由、零散。地質勘察報告揭露土層自上而下為：

①1雜填土：層厚為2.0～7.0 m，雜色，松散，主要由磚塊、大塊混凝土、碎石、粉煤灰渣及廢土組成，表層局部為連鎖塊；①2混凝土塊：厚度一般為0.30～0.70 m，以大塊混凝土為主，呈雜色、青灰色，鉆探時局部巖芯呈短柱狀或碎塊狀，敲擊聲脆，最大柱長20～30 cm，局部含鋼筋，疑似混凝土建筑垃圾；①3堿渣質雜填土：層厚為1.2～2.0 m，灰白色，膏狀，部分呈渣狀，夾少量石子；②1黏土：層厚為2.0～6.0 m，灰色，呈流塑—軟塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬高壓縮性土。土質不均，夾淤泥、淤泥質黏土、粉土、粉質黏土透鏡體；②2淤泥質黏土：層厚為1.0～5.0 m，呈灰色，流塑—軟塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬高壓縮性土；③1黏土：層厚為2.0～6.5 m，灰色，流塑—軟塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬高壓縮性土。

場區(qū)靜止水位埋深+2.8 m。

2 試驗區(qū)設計

2.1 排水板布設

選取土層分布均勻且具有代表性的場地作為試驗區(qū)，試驗區(qū)分為強夯區(qū)和插板強夯區(qū)，兩試驗區(qū)相鄰分布，面積均為15 m×15 m，地面標高為+5.0 m，表層存在2.0～3.0 m厚的硬殼層（雜填土、混凝土塊等），下臥土體以飽和黏土為主。

插板強夯區(qū)排水板打設前開挖清除表層2 m厚的硬殼層，排水板呈7行7列正方形布置，間距0.8 m，板底標高為-5.0 m，板頭外露2.0 m，排水板打設完成后，將開挖土體回填至原地面標高，回填過程中保持排水板板頭直立。

2.2 監(jiān)測檢測點布置

在強夯區(qū)和插板強夯區(qū)中心各埋設1組孔隙水壓力監(jiān)測點（每組4個孔壓傳感器，各傳感器埋深高程為：+1.0 m、-1.0 m、-3.0 m、-5.0 m）；夯擊前后在兩試驗區(qū)夯點位置分別進行了原狀取土和十字板剪切試驗，試驗區(qū)平面設計圖見圖1。

圖1 試驗區(qū)平面設計圖Fig.1 Design plan oftestarea

2.3 試夯設計

現(xiàn)場以“少擊多遍，逐步夯實”的原則夯擊，夯點位置均選在孔隙水壓力監(jiān)測點的4個角點處，夯點距孔壓監(jiān)測點約1.5 m，兩試驗區(qū)采取相同的夯擊參數(shù)。

強夯施工具體參數(shù)詳見表1。

表1 強夯施工參數(shù)Table 1 Construction parameters ofdynamic compaction

3 監(jiān)測（檢測）結果分析

3.1 室內土體密度試驗

圖2給出了夯擊前和第3遍夯擊結束7 d后，試驗區(qū)地基土體密度沿深度變化曲線。

圖2 土層密度分布曲線Fig.2 Distribution curve of soillayer density

由圖2可知，強夯加固后，插板區(qū)和無板區(qū)土體密度均得到有效增長，最上部土體密度增幅最大，分別提高了15.8%和9.2%，密度增幅沿深度遞減，說明地基有效加固深度范圍內，夯擊能沿土體深度傳遞呈衰減趨勢，傳遞至標高-3.5 m處，土體密度幾乎無增長；夯擊后，插板區(qū)土體密度明顯高于無板區(qū)，說明在排水條件下進行強夯，土層更易被夯密，地基的穩(wěn)定性更易提高。

3.2 孔隙水壓力檢測

圖3給出了夯擊過程中及夯擊結束后，插板區(qū)和無板區(qū)地基土體內孔隙水壓力變化曲線，由圖可知，夯擊過程中，孔隙水壓力呈陡增趨勢，且孔壓增幅最大值出現(xiàn)在土層最上部，孔壓增幅沿土層深度遞減；隨著夯擊遍數(shù)的增加，孔壓峰值逐漸減??；每遍夯擊結束后，插板區(qū)孔壓峰值明顯低于無板區(qū)，且插板區(qū)孔隙水壓力消散比例平均值達到每遍夯擊后峰值的75%的時間為3 d左右，相比于無板區(qū)孔隙水壓力消散時間（7 d）明顯縮短，說明插設排水板能夠合理改善下臥黏土層的排水條件，有效加快軟土地基的固結速度。

圖3 試驗區(qū)孔隙水壓力變化曲線Fig.3 Variation curve ofpore water pressure in test area

3.3 十字板剪切試驗

由圖4可以看出，夯擊結束后，試驗區(qū)土體的抗剪強度均得到提高，抗剪強度最大增幅出現(xiàn)在最上部土層（標高+2.0 m），且強度增幅沿土層深度呈遞減趨勢；插板區(qū)土體的抗剪強度增長更明顯，最大值為36.1 kPa，較無板區(qū)土體抗剪強度提高了26.8%，說明插板強夯法更能提高地基土體的力學特性，加固效果更明顯。

圖4 十字板剪切強度分布曲線Fig.4 Distribution curve ofvane shear strength

3.4 有效加固深度

由圖2～圖4可知，在強夯法和插板強夯法作用下，軟土地基的物理力學特性均得到有效提高，且增長幅值沿土層深度呈遞減趨勢，在標高-3.5 m（深度8.5 m）左右，地基土體幾乎不受強夯作用影響，故可認為該試驗場地強夯的有效加固深度為8.5 m，根據(jù)強夯加固深度公式[9]可反算出經(jīng)驗系數(shù)α值：

式中：α為強夯加固深度經(jīng)驗系數(shù)；H為強夯有效加固深度，m；Wh為夯擊能，kN·m。

代入有效加固深度，得出α值為0.601，此值可用于計算相似場地強夯有效加固深度。

4 結語

通過對比分析強夯法和插板強夯法加固港口堆場復雜場地地基的效果，得出：

1）強夯法和插板強夯法均能有效提高軟土地基的密度，且土體密度增幅沿土層深度減??；在相同的強夯施工參數(shù)下，插板區(qū)和無板區(qū)地基土體密度的最大增長比例分別為15.8%和9.2%，可得出插板強夯法更容易提高地基土體密度。

2）在強夯施工結束后，無板區(qū)土體內產(chǎn)生的超孔隙水壓力較大，插板區(qū)土體的孔隙水壓力消散比例平均值達到每遍夯擊后峰值的75%的時間為3 d左右，較無板區(qū)孔隙水壓力消散時間（7 d）明顯縮短，說明插設排水板能夠合理改善下臥黏土層的排水條件，有效加快軟土地基的固結速度。

3）強夯法能有效提高土體的抗剪強度，且強度增幅沿土體深度遞減，插板區(qū)土體抗剪強度最大值為36.1 kPa，較無板區(qū)土體的抗剪強度提高了26.8%，說明插板強夯法更能提高地基土體的力學特性，在地基設計時可考慮將插板作為設計措施。

4）插板區(qū)和無板區(qū)在2 000 kN·m夯擊能作用下的有效加固深度為8.5 m，根據(jù)強夯有效加固深度公式，計算出強夯加固深度經(jīng)驗系數(shù)為0.601，對于計算相似場地強夯有效加固深度具有參考意義。