增濕強夯技術(shù)在濕陷性黃土地基中的應(yīng)用探討

潘永富

(山西汾河灌溉管理有限公司，山西 文水 032100)

1 問題的提出

濕陷性黃土在我國分布范圍廣，此類土體在遭遇水浸濕后，覆土自重應(yīng)力和附加應(yīng)力等的綜合作用下土體結(jié)構(gòu)會發(fā)生瞬間的破壞和下沉，十分不利于結(jié)構(gòu)物的安全。黃土濕陷機理較為復(fù)雜，通過對現(xiàn)有的文獻資料及工程施工實踐的總結(jié)可將影響黃土濕陷性的因素歸結(jié)為以下方面：一是黃土微結(jié)構(gòu)，黃土土體是許多單粒的集合體，其結(jié)構(gòu)中的粉粒、黏粒、可溶鹽等遇水后溶于水，并和所沉積的碳酸鈣、硫酸鈣一起形成膠結(jié)物，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件發(fā)生相應(yīng)的聚集。黏粒含量較少時膠結(jié)物主要表現(xiàn)為薄膜狀和鑲嵌狀的聚集形式，黏粒含量較多時膠結(jié)物則表現(xiàn)為團聚狀聚集形式。二是黃土物質(zhì)成分，黃土土體中黏粒含量越高，則濕陷性越弱，其中粒徑在0.01mm以下的顆粒含量及賦存狀態(tài)、碳酸鈣和石膏含量及賦存狀態(tài)、易溶解鹽含量和賦存狀態(tài)等均影響黃土濕陷性。三是黃土天然含水量，其濕陷性隨土體天然含水量的增大而減弱。四是結(jié)構(gòu)壓力，只有在土體自重和附加壓力的共同作用下浸水后的黃土才會表現(xiàn)出濕陷性特征。

注水增濕強夯技術(shù)先按照設(shè)計要求在濕陷性黃土場地內(nèi)注水增濕，待土體實際含水量達到最佳含水量要求后通過高能級強夯機械，進行大間距、多遍數(shù)的強夯處理，以提升濕陷性黃土地基的承載力。注水增濕的主要作用在于改善土體實際含水量和土體既有結(jié)構(gòu)，以保證高能級強夯所產(chǎn)生的沖擊能向下層土體順利傳遞，增大夯擊錘的實際影響深度，使強夯加固效果顯著提升[1]。

2 工程概況

擬建場地位于西北地區(qū)黃土丘陵區(qū)，地基處理面積35萬m2，場地內(nèi)地層上部為黃土和填土，下部為基巖，按照濕陷性程度和形成原因可將濕陷性黃土分為上部和下部兩層。上部Ⅰ層為粉土和碎石填土層，Ⅱ?qū)訛闆_積洪積粉土和風(fēng)積馬蘭黃土層，下部為砂礫石基巖和千枚巖。土體實際含水率在11.4%-16.8%范圍內(nèi)，天然密度為1.52g/cm3。區(qū)域內(nèi)上部Ⅰ層粉土和碎石填土濕陷系數(shù)的取值為0.014-0.110，為中-強濕陷性；Ⅱ?qū)記_積洪積粉土和風(fēng)積馬蘭黃土層濕陷系數(shù)為0.015-0.231，為強-極強濕陷性。按照設(shè)計要求，加固處理后的地基承載力應(yīng)達到180MPa及以上，夯實處理實際深度應(yīng)至少為20m。

根據(jù)對本場地濕陷性黃土取樣所進行的土工試驗結(jié)果可知，場區(qū)內(nèi)土體含水率較低，且浸水后強度迅速下降、土體迅速下沉，根據(jù)試驗結(jié)果并經(jīng)多方論證，決定采用增濕強夯施工技術(shù)，通過注水增濕使土體實際含水率達到設(shè)計含水率后進行高能級強夯處理。

3 增濕強夯技術(shù)的工程應(yīng)用

3.1 注水施工

按照正方形進行強夯施工區(qū)域內(nèi)預(yù)增濕孔的滿堂設(shè)置，并確保主夯、間夯和復(fù)夯點位均位于注水孔處(具體見圖1)。注水孔成孔通過導(dǎo)桿式柴油打樁錘錘擊的方式進行，將特質(zhì)鋼樁插打入土體內(nèi)設(shè)計深度，并緩緩拔出鋼樁即成為注水增濕孔。增濕孔設(shè)計孔徑15cm，孔距2.0m，孔深3.0m和4.0m。預(yù)增濕孔通過單孔分三次注水，并按照下式確定單孔注水量：

(1)

圖1 增濕注水孔設(shè)置示意圖

將本工程設(shè)計注水孔間距和增濕強夯區(qū)域地基土面積等參數(shù)取值帶入式(1)便可得出增濕土層總注水量為2545m3，按照孔數(shù)所確定的單孔注水量為1.35m3，在增濕強夯時間內(nèi)按照所計算出的注水量均勻注入厚度6.0m的擬增濕土層。考慮到局部地區(qū)內(nèi)的注水孔根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行了調(diào)整，所以增濕強夯施工中的總注水量會在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上有所調(diào)整。

待注水孔成孔后，將碎石或砂灌入孔內(nèi)，增濕孔填料主要采用粒徑10-20mm的碎石礫料，并按設(shè)計數(shù)量布孔，孔深均值為3.5m，孔徑15cm，每孔的體積0.065m3，由于填砂過程中，孔內(nèi)堆積一定數(shù)量的土料沉渣，所以，每孔填料量實際為0.08m3，將所有孔考慮進來的填料總量為135m3。

此后，采用分次注水的方式進行注水，不得大水漫灌，并將水表安裝在注水管前端以進行注水量控制與記錄。待每孔實際注水量接近設(shè)計注水量時，應(yīng)通過洛陽鏟從各注水孔周圍0.75m處取土樣并進行土層實際含水量的檢測。當(dāng)含水量實際值為設(shè)計值的1%--3%時便可進行強夯施工。

3.2 強夯施工

3.2.1 夯點布置

為保證濕陷性黃土地基結(jié)構(gòu)承載力的提升，必須應(yīng)用強夯夯距大且各能級遍夯的強夯施工工藝，并嚴(yán)格控制夯點之間的間距和夯排與夯排之間的迭加應(yīng)力，以有效增強強夯施工的作用深度和范圍[2]。本工程濕陷性黃土地基強夯施工的設(shè)計影響深度按下式確定：

(2)

式中：H為強夯施工的設(shè)計影響深度，m；H0為夯坑深，m；α為強夯施工影響的強度折減系數(shù)，應(yīng)在0.35-0.45范圍內(nèi)取值；M為夯擊錘重量，kN；D為夯擊錘落距，m。

結(jié)合工程實際和類似工程加固施工經(jīng)驗，當(dāng)強夯能級達12000kN·m時，夯坑深度均值將達到3.0-3.5m，強夯施工的實際加固深度將達10.0-14.5m。若夯坑深度均值達5.0m，則強夯施工有效加固深度還應(yīng)繼續(xù)增大1.5-2.0m。采用高能級強夯施工的過程中，夯點間距應(yīng)按照8.0-12.0m的尺寸呈正三角形布置，并分三次隔行隔點完成夯擊。

3.2.2 強夯施工

強夯施工前采用全站儀進行施工場地的測量放樣，并通過50m鋼卷尺和白灰灑出夯點，將水準(zhǔn)儀架設(shè)在夯坑外側(cè)50m的位置準(zhǔn)備測量夯坑實際深度。待強夯機械就位后按場地實際調(diào)整其履帶位置，并在強夯機械前后打孔，以確保夯機牢固穩(wěn)定。根據(jù)所確定的夯擊能級，在脫鉤器上懸掛鋼卷尺以進行夯擊錘實際落距的提升和標(biāo)定，并將脫鉤器尾部的鋼絲繩鎖定。

加固處理夯擊錘兩側(cè)的支架和支撐后，將夯擊錘提升至距離地面8-10cm的高度試吊，待夯擊錘穩(wěn)定不動后提錘至設(shè)計高度，并打開脫鉤器，任由夯擊錘自由下落，并通過塔尺測量夯擊錘錘頂實際高程。重復(fù)上述測試過程，直至實際夯擊數(shù)達到設(shè)計值要求，且最末尾兩次擊實的夯沉量均值符合要求，至此1個夯點強夯結(jié)束[3]。移動強夯機械至下一夯點強夯，以此類推，直至完成本遍全部夯點強夯施工。再按上述步驟完成第2-4遍強夯。

在以上強夯施工的過程中，第一遍和第二遍施工均通過點夯進行場地整平處理，并測量標(biāo)高，夯擊能均為8000kN·m、夯擊次數(shù)為10-12次，且前兩遍強夯施工夯點間距8.0m；第三遍強夯也通過點夯進行，夯擊能4000N·m、夯擊次數(shù)為8-10次，最后一遍為滿夯，夯擊能2000N·m、夯擊次數(shù)為2次。

3.3 停夯

待最末尾兩擊沉降量均值<15cm且夯坑四周地面無較大規(guī)模的隆起后，再夯擊兩次則提錘停夯。根據(jù)強夯施工檢驗結(jié)果，增濕強夯處理后本工程濕陷性黃土軟弱地基的濕陷系數(shù)均降至0.015以下，表明原軟弱路基的濕陷性問題全部得到解決。

4 結(jié) 論

根據(jù)對本工程濕陷性黃土地基的強夯處理表明，增濕高能級強夯施工技術(shù)與非增濕強夯處理技術(shù)相比對軟弱地基承載力的提升效果并不顯著，但是能徹底消除濕陷性黃土的濕陷性，達到濕陷性地基處理的設(shè)計目標(biāo)。在西部地區(qū)取水不便、水資源較為缺乏的濕陷性黃土地基處理中應(yīng)用增濕強夯施工技術(shù)時必須加強水資源使用效率的控制與提升，保證增濕強夯施工技術(shù)經(jīng)濟性和技術(shù)性的充分發(fā)揮。