醫(yī)院工程施工中含礫黏土地基強(qiáng)夯加固試驗(yàn)研究

韓蒞莉

摘 要：針對(duì)醫(yī)院工程施工中含礫黏土導(dǎo)致承載力和貫擊次數(shù)變化的問(wèn)題，運(yùn)用淺層平板荷載試驗(yàn)以及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，對(duì)強(qiáng)夯前后的Q1～Q4試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行分析，得到強(qiáng)夯加固存在適宜能級(jí)，同時(shí)得到加固深度?；谠囼?yàn)結(jié)果，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)強(qiáng)夯加固進(jìn)行模擬，得到數(shù)值模擬的加固深度與試驗(yàn)的加固深度接近。由此說(shuō)明數(shù)值模擬可為實(shí)際工程提供支持，減少試驗(yàn)流程。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)夯;地基處理;有效加固深度;含礫黏土

中圖分類號(hào)：TU745 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）12-0125-04

Experimental Study on Dynamic Consolidation of Gravel Clay Foundation in Hospital Construction

Han Lili

（BeiJing TongRen Hospital， CMU， Beijing 100176， China）

Abstract：In the hospital construction， the gravel clay causes the bearing capacity and the penetration times to change. Shallow plate load test and standard penetration test are used to analyze the Q1～Q4 test area before and after dynamic consolidation. It is found that there is an appropriate level of dynamic compaction， and the consolidation depth is obtained. Based on the experimental results， the numerical simulation software is used to simulate the dynamic consolidation， in which the consolidation depth of numerical simulation is close to that of experiment. This shows that numerical simulation can provide support for practical engineering， so as to reduce the experiment process.

Key words：dynamic consolidation; foundation treatment; effective consolidation depth; gravel clay

0 引言

對(duì)大型工程而言，對(duì)地基承載力、強(qiáng)度等都有非常高的要求。一旦地基當(dāng)中出現(xiàn)礫黏土，會(huì)造成地基力學(xué)性能降低，滲透性不均勻，進(jìn)而給地基的承載力造成影響。針對(duì)這種情況，工程上往往會(huì)對(duì)含礫黏土的地基進(jìn)行加固[1-3]。在加固中，強(qiáng)夯法是常用的一種加固方式，但傳統(tǒng)的強(qiáng)夯加固具有工序復(fù)雜，以及檢測(cè)項(xiàng)目多的缺點(diǎn)[4-6]。所以如何減少?gòu)?qiáng)夯法的缺點(diǎn)，成為當(dāng)前工程研究的重點(diǎn)。而針對(duì)強(qiáng)夯法的缺點(diǎn)，人們提出引入有限元分析方法對(duì)強(qiáng)夯加固方案進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而減少?gòu)?qiáng)夯法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的工藝?；诖?，本研究以某醫(yī)院工程含礫黏土地基為背景，運(yùn)用試驗(yàn)法和有限分析法對(duì)地基強(qiáng)夯地基加固方案進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而解決強(qiáng)夯加固中深度問(wèn)題，為含礫黏土地基的強(qiáng)夯加固提供更為科學(xué)和合理的方案。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

該醫(yī)院工程位于某丘陵地帶，主要為耕地和林地。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目的地質(zhì)勘察，該工程地質(zhì)地層主要包含9個(gè)巖土體單元，如填土、坡?lián)麴ね?、黏土、含礫黏土、全風(fēng)化灰?guī)r等。其中，含礫黏土中的角礫和礫石的總體含量在10%～20%，整體粒徑大小在2～20 mm，部分礫石和角礫的粒徑超過(guò)100 mm。同時(shí)土質(zhì)局部堅(jiān)硬，屬典型的中壓縮性土。

1.2 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

地質(zhì)勘查表明，該工程整體地質(zhì)條件好，但含礫黏土地基復(fù)雜。如果采用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法，很難找到最佳的強(qiáng)夯加固工藝。因此，本試驗(yàn)的目的，是對(duì)含礫黏土地基進(jìn)行試驗(yàn)，并通過(guò)有限元分析方法對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，以進(jìn)一步驗(yàn)證和簡(jiǎn)化強(qiáng)夯法在含礫粘土地基加固的效果。

1.3 施工工藝

根據(jù)1.1的工程勘察結(jié)果，設(shè)置Q1～Q4? 4個(gè)試驗(yàn)區(qū)。在4個(gè)試驗(yàn)區(qū)中，通過(guò)試驗(yàn)的方式確單點(diǎn)夯擊的次數(shù)，而收夯的標(biāo)準(zhǔn)是兩次夯擊下平均沉降量小于5 cm。具體的強(qiáng)夯施工參數(shù)見(jiàn)表1所示。

1.4 試驗(yàn)方案

1.4.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)，選取Q1～Q4? ?4個(gè)試驗(yàn)區(qū)的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，選取的深度在0～0.8 m，然后進(jìn)行貫入試驗(yàn)，以檢測(cè)土體的相關(guān)參數(shù)，如土地的含水率、粘聚力、壓縮模量、貫擊次數(shù)。其中，貫擊次數(shù)的計(jì)算采用公式[7]：

式中，Nx為實(shí)測(cè)錘擊數(shù);Nx'為錘擊數(shù)平均值;n為統(tǒng)計(jì)的測(cè)量數(shù)。本試驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)貫入的錘重包括10、63.5和120 kg。

1.4.2 荷載力試驗(yàn)

按建筑關(guān)于地基的GB 50007—2011[8]和JGJ 79—2012[9]的標(biāo)準(zhǔn)，選用0.25 m2的方形承壓板進(jìn)行荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)中，基坑的底寬度應(yīng)大于方形承壓板直徑或?qū)挾鹊?倍。試驗(yàn)中，每隔10 min進(jìn)行讀數(shù)，連續(xù)3次讀數(shù)不變，即可進(jìn)行試驗(yàn)。其中淺層平板荷載裝置如圖1所示。

變形模量E0（MPa）計(jì)算公式為[10]：

式中，I0為剛性承壓板的形狀系數(shù)，I0=0.886;為土體松泊比;d為承載板邊長(zhǎng)或直徑;p為p-s曲線線段的壓力，kPa;s為與p對(duì)應(yīng)的沉降，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)強(qiáng)夯處理前后對(duì)Q1～Q4 4個(gè)試驗(yàn)區(qū)4個(gè)測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的測(cè)量，得到不同深度下的標(biāo)準(zhǔn)貫入平均擊數(shù)，具體如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3看出，經(jīng)強(qiáng)夯加固后，標(biāo)準(zhǔn)貫擊次數(shù)在Q1試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，在0～1 m從6次左右下降到5次以下;在Q2～Q4區(qū)，其貫擊的次數(shù)也明顯減少。而在2～5 m深度，貫擊次數(shù)有明顯增加。通過(guò)以上的結(jié)果可以判定，隨著夯擊能級(jí)的不斷增加，強(qiáng)夯對(duì)土體被破壞的深度也在不斷的增加。在一定的深度后，貫擊的次數(shù)也出現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。而隨著土體表層被破壞的增加，夯擊能的損失也在出現(xiàn)不同程度的增加，加固的有效深度出現(xiàn)下降。同時(shí)通過(guò)圖2和圖3的加固效果表明，Q1、Q2區(qū)優(yōu)于Q3、Q4區(qū)，且Q1～Q4 4個(gè)區(qū)的有效加固深度分別約為4.95、5.83、4.47和4.25 m。

2.2 荷載力試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)強(qiáng)夯處理前后測(cè)量的淺層平板荷載力，得到圖4和圖5的結(jié)果。

由圖4和圖5對(duì)比看出，經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯處理后，除Q1的平均最大沉降量約為16.8 mm外，其余Q2～Q4的平均最大沉降約22.5 mm。根據(jù)該結(jié)果看出，隨著夯擊能的增加，各加載階段沉降量的減小幅度變小。另外，隨夯擊能的增加，4個(gè)試驗(yàn)區(qū)的承載力特征值也都有所提高。由此可以看出，通過(guò)強(qiáng)夯可提高試驗(yàn)區(qū)的承載力，即可對(duì)土層進(jìn)行加固。而在1.5～2 m內(nèi)，隨著夯擊能的增加，沉降量逐步擴(kuò)大。因此，根據(jù)該結(jié)果得出選擇合適的夯擊能也是影響加固的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

3 數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述加固的效果，確定最優(yōu)的加固參數(shù)，在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬的方式進(jìn)行強(qiáng)夯加固模擬。

3.1 本構(gòu)模型

首先采用彈性模型分析材料內(nèi)部力學(xué)問(wèn)題。選擇該模型的原因，是因?yàn)橹恍梵w積模量K和剪切模量G，且運(yùn)行快，課更好的找到應(yīng)力位置，幫助劃分網(wǎng)格密度;其次，選擇摩爾庫(kù)倫模型對(duì)土體應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行建模。

3.2 模型參數(shù)選取

摩爾庫(kù)倫模型參數(shù)：夯錘半徑r為1.5 m，模型長(zhǎng)、寬、高分別為10、10、25 m，上層表面無(wú)約束，底部各方向位移及側(cè)面各方向位移為0，邊界3個(gè)方向全部固結(jié)，地面為自由邊界，生成的網(wǎng)格模型為20000。

剪切模量G、體積模量K、變形模量E0用式（3）～（5）進(jìn)行計(jì)算。

泊松比、粘聚力、密度等參數(shù)則根據(jù)前期勘查資料整理，結(jié)果如表2所示。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.3.1 位移云圖

由于Q2區(qū)域較典型，故本數(shù)值模擬以Q2為例;Q2的應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可看出，隨著夯擊能的增加，土體的水平和豎直位移呈現(xiàn)為不規(guī)則的變化。其中，水平位移變化明顯，增加較大;但持續(xù)增加，使得夯坑出現(xiàn)裂縫。由此說(shuō)明，強(qiáng)夯能的增加并不是越大越好，而是存在一個(gè)合適的強(qiáng)夯能。

3.3.2 應(yīng)力云圖分析

通過(guò)分析土體模型在不同夯擊能下最大應(yīng)力變化，結(jié)果如圖7所示。由圖7可看出，最大主應(yīng)力隨深度的增加而在不斷地減少。與此同時(shí)，夯坑側(cè)壁拉應(yīng)力隨能級(jí)的增加而增長(zhǎng)，當(dāng)夯擊能由1 200 kN加至1 600 kN時(shí)，最大主應(yīng)力不斷增加。隨夯擊能繼續(xù)增加，加固深度變化減少，甚至出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。出現(xiàn)以上的原因，可能是隨著土體表層破壞的增加，土體與水相互作用，耦合效應(yīng)加劇所致。故夯擊能有所消耗，即強(qiáng)夯加固效果減弱。

3.3.3 加固效果

不同夯擊能作用下的強(qiáng)夯加固深度如表3所示。結(jié)果表明，數(shù)值模擬測(cè)定的有效加固深度與2.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定的有效加固深度非常接近。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)醫(yī)院含礫黏土地基加固的研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)夯擊能的增加， 在一定深度范圍內(nèi)，土體的貫擊次數(shù)和力學(xué)性能逐步。

（2）通過(guò)對(duì)含礫黏土地基強(qiáng)夯加固效果的數(shù)值模擬，得到在不同深度下的最佳夯擊能有所不同。

（3）在不同夯擊能下，強(qiáng)夯的有效加固深度不同。但數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，兩者之間的參數(shù)非常接近。由此，通過(guò)該問(wèn)看出，對(duì)含礫黏土地基加固，通過(guò)數(shù)值模擬得到的結(jié)果與試驗(yàn)接近，因此課通過(guò)數(shù)值模擬方式對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題進(jìn)行解決。

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