丘陵山區(qū)填方地基強(qiáng)夯加固及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

朱德良 ，王玉林 ，陳道栩 ，謝新宇

（1. 武夷學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，福建 武夷山 354300；2. 閩北山地地質(zhì)災(zāi)害防治福建省高校工程研究中心，福建 武夷山 354300；3. 浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058）

0 引 言

福建省的地貌素有“八山一水一分田”的說(shuō)法，以山丘廣布、平原狹小為特征，山地、丘陵占全省土地面積80%以上[1]。近年來(lái)，大規(guī)模工程項(xiàng)目建設(shè)為了減少耕地占用，大多建設(shè)在空曠的丘陵山區(qū)地帶；為了資源合理利用與施工方便，通常采用場(chǎng)地內(nèi)高挖低填、挖填平衡，形成了“挖山填谷”的填方地基，閩北的武夷新區(qū)、三菇旅游度假區(qū)、杜壩旅游綜合園區(qū)等均屬于此類型場(chǎng)地。此類型場(chǎng)地存在山間溝谷發(fā)育、地形高差大，填土厚度不均、填料粒徑和級(jí)配不易控制，填筑地基與開挖地基工程性質(zhì)相差較大等特點(diǎn)[2]。大量工程實(shí)踐表明，丘陵山區(qū)填方地基如果不能合理控制沉降變形，極可能造成上部構(gòu)筑物傾斜、開裂等，嚴(yán)重影響正常使用[3]。

對(duì)于此類地基的常用處理方法有：碾壓法、強(qiáng)夯法、換填法等，對(duì)于沉降敏感的上部構(gòu)筑物可采用挖（鉆）孔灌注樁、預(yù)制管樁等。強(qiáng)夯法也可稱為動(dòng)力固結(jié)法、動(dòng)力壓實(shí)法，利用夯錘下落產(chǎn)生的夯擊能對(duì)地基土壓密從而提高地基承載力并降低其壓縮性、減少不均勻沉降[4]，是一種經(jīng)濟(jì)快速的地基處理技術(shù)。

關(guān)于強(qiáng)夯法的研究主要集中在工程適用性、加固機(jī)理、有效加固范圍等方面。由于加固機(jī)理存在差別，不同土體類型與處理方法在地基處理效果上相差較大[5-7]。Feng等[8]采用8 000 kN·m高能級(jí)強(qiáng)夯對(duì)沙漠砂土場(chǎng)地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)加固試驗(yàn)，動(dòng)力觸探試驗(yàn)和載荷板試驗(yàn)結(jié)果表明地基承載力不低于450 kPa、地基加固深度不低于 12 m。張芮瑜等[9]通過(guò)物質(zhì)點(diǎn)法模擬了強(qiáng)夯過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在相同能級(jí)下，強(qiáng)夯能量轉(zhuǎn)化率上重錘低落＞輕錘高落，能夠產(chǎn)生更大的夯沉量。姚仰平和張北戰(zhàn)[10]將夯后地基體應(yīng)變與干密度相聯(lián)系，得出了夯擊沖量相對(duì)于夯擊能更適合作為施工參數(shù)的控制標(biāo)準(zhǔn)。胡瑞庚等[11]提出了考慮土類型的高能級(jí)強(qiáng)夯有效加固深度計(jì)算公式，分析了不同夯點(diǎn)間距、錘底面積對(duì)有效加固深度的影響。

目前強(qiáng)夯法加固地基的設(shè)計(jì)計(jì)算以經(jīng)驗(yàn)法為主[12-14]，關(guān)于夯后地基加固效果檢驗(yàn)及方法仍然是研究熱點(diǎn)[15-16]。針對(duì)溝谷發(fā)育的丘陵山區(qū)填方地基強(qiáng)夯處理，從勘察設(shè)計(jì)、施工工藝及加固效果檢驗(yàn)方面開展的研究較少。本文通過(guò)閩北山區(qū)丘陵山區(qū)填方地基強(qiáng)夯加固和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，根據(jù)工程場(chǎng)地特點(diǎn)及地形地貌分析，進(jìn)行強(qiáng)夯加固施工及有效加固深度估算；分別采用靜載荷試驗(yàn)與動(dòng)力觸探試驗(yàn)進(jìn)行地基加固效果檢驗(yàn)，并擬合了承載力特征值、變形模量與動(dòng)測(cè)擊數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，可為相近丘陵山區(qū)填方地基處理提供參考。

1 工程概況

1.1 工程場(chǎng)地特點(diǎn)

擬建工程位于武夷山市杜壩旅游綜合園區(qū)內(nèi)，為山區(qū)丘陵地形，場(chǎng)地平整前地勢(shì)起伏較大，東高西低，地形標(biāo)高范圍204.5～245.0 m，有3條大的沖溝和4座山頭，面積約69 410.35 m2。工程場(chǎng)地示意圖如圖1所示。

圖1 工程場(chǎng)地示意圖Fig. 1 Sketch map of engineering site

如圖1所示，工程紅線范圍內(nèi)的挖方區(qū)與填方區(qū)呈交錯(cuò)布置。擬建工程重要性等級(jí)均為三級(jí)，場(chǎng)地復(fù)雜程度為二級(jí)，地基復(fù)雜程度為二級(jí)，要求處理后的地基承載力特征值fak≥200 kPa。

工程場(chǎng)地高挖低填、依山勢(shì)設(shè)計(jì)不同臺(tái)面，場(chǎng)地平整后將形成標(biāo)高分別為210、214、218、220、222、224、227 m的多個(gè)平臺(tái)；按照?qǐng)銎涸O(shè)計(jì)標(biāo)高，最大挖方高度為14.8 m，最大回填深度為13.7 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程場(chǎng)地的山間溝谷主要為淤積的淤泥質(zhì)黏土，山坡主要為坡積的黏土、泥巖風(fēng)化殘積的泥巖殘積黏性土，其下為白堊系上統(tǒng)赤石群崇安組泥巖及其風(fēng)化層。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鑒定及原位測(cè)試結(jié)果，計(jì)算各巖土層的承載力特征值，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)得到各巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil layers

1.3 不良地質(zhì)條件及挖填交界面處理

場(chǎng)地 3條主干溝谷的表層淤泥質(zhì)黏土層厚1.5～4.7 m，含水率高、承載力低、工程性質(zhì)較差，經(jīng)驗(yàn)算不能滿足設(shè)計(jì)要求、難以作為強(qiáng)夯加固的天然持力層，在場(chǎng)地平整回填前挖除；山坡黏土沉降計(jì)算結(jié)果滿足要求，在清除表面樹根、草皮等雜物后直接進(jìn)行填筑施工。

場(chǎng)地挖填平衡的典型工程地質(zhì)剖面（23～23’）如圖2所示，由于新填土層結(jié)構(gòu)松散、未完成自重固結(jié)，易產(chǎn)生不均勻沉降、不利于地基穩(wěn)定。在場(chǎng)地高挖低填平整過(guò)程中，同一場(chǎng)地不可避免地出現(xiàn)兩種不同類型的地基：填筑地基和開挖地基。特別是當(dāng)開挖地基為巖石時(shí)，兩者作為建筑物持力層的工程性質(zhì)相差較大，荷載作用下可能產(chǎn)生較大的差異沉降，因此需對(duì)填挖交界面進(jìn)行處理。

圖2 23～23’工程地質(zhì)剖面圖Fig. 2 Geological profile of section 23～23’

對(duì)于承載力和變形控制要求不高的部分場(chǎng)地，采用傳統(tǒng)辦法對(duì)挖方區(qū)巖石進(jìn)行部分挖除以設(shè)置蠕墊層，如圖3所示；對(duì)于承載力和變形控制要求較高的部分場(chǎng)地，可在填方區(qū)采用樁基控制沉降變形，或在交界面處設(shè)置沉降縫。

圖3 挖填交界面處理示意圖Fig. 3 Schematic diagram for treatment of cut-fill interface

2 強(qiáng)夯加固施工及加固深度估算

2.1 強(qiáng)夯加固施工組織設(shè)計(jì)流程

針對(duì)擬建工程實(shí)際地形、工程地質(zhì)情況及施工條件，結(jié)合土工試驗(yàn)及工程經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)計(jì)強(qiáng)夯施工參數(shù)，選擇土石混填典型區(qū)域進(jìn)行試夯以分析加固效果，在夯前、夯中、夯后進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試工作。夯前進(jìn)行回填土粒徑分析試驗(yàn)；夯中對(duì)每一擊的夯沉量進(jìn)行實(shí)測(cè)，并在夯點(diǎn)設(shè)置并列的豎向位移觀測(cè)點(diǎn)，記錄強(qiáng)夯作用下周圍地面變形；夯后采用靜載荷試驗(yàn)和動(dòng)力觸探試驗(yàn)進(jìn)行加固效果檢驗(yàn)。

試夯結(jié)果表明：試夯過(guò)程中各夯坑周圍沒有明顯的沉降和隆起現(xiàn)象，夯坑深度1.8～2.8 m，夯坑直徑3.1～3.7 m。施工過(guò)程如下：

（1）場(chǎng)地 3條主干溝谷在填筑前設(shè)置排水盲溝，不改變區(qū)域排水的原始路徑。

（2）考慮到填方區(qū)回填土厚度較高，土方分亞層進(jìn)行堆填，每個(gè)亞層的厚度≤1.2 m；控制回填土的最大粒徑≤0.5 m，不均勻系數(shù)Cu≥10、曲率系數(shù)Cc=1.0～3.0；堆平后用22 t壓路機(jī)碾壓2遍，循環(huán)往復(fù)完成填方施工。

（3）以某平臺(tái)區(qū)塊為例，夯點(diǎn)布置如圖 4所示。強(qiáng)夯施工機(jī)具采用50 t履帶吊車，夯錘重40 t、直徑 2.5 m；根據(jù)不同夯擊工藝分別采用 6 000、3 000、1 500 kN·m的夯擊能級(jí)；點(diǎn)夯后將場(chǎng)地推平進(jìn)行滿夯，夯點(diǎn)間距按d/3錘印搭接布置；同時(shí)采用不同的擊數(shù)和收錘標(biāo)準(zhǔn)（最后兩擊平均夯沉量），如表2所示。

表2 強(qiáng)夯施工參數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Construction parameters and control standards for dynamic compaction

圖4 夯點(diǎn)及強(qiáng)夯工藝設(shè)計(jì)示意圖Fig. 4 Schematic diagram for tamping points and dynamic compaction process design

（4）夯坑填料就地取材，采用場(chǎng)地級(jí)配良好的強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化泥巖，填料最大粒徑≤0.8 m，土石比不高于3∶7。

丘陵山區(qū)填方地基強(qiáng)夯加固施工組織設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 丘陵山區(qū)填方地基強(qiáng)夯加固施工組織設(shè)計(jì)流程圖Fig. 5 Flow chart of dynamic compaction construction organization plan for filled foundation in hilly areas

2.2 有效加固深度估算

對(duì)于丘陵山區(qū)填方地基強(qiáng)夯加固，影響因素主要包括地基土的性質(zhì)如土石混填比例、顆粒級(jí)配、密度、飽和度等，以及施工工藝如填土厚度、強(qiáng)夯能級(jí)、夯點(diǎn)布置形式等。

采用修正后的梅納公式[17]預(yù)估強(qiáng)夯有效加固深度為：

式1中：Z為有效加固深度，m；M為錘重，t；H為落距，m；α為小于1的修正系數(shù)，與土質(zhì)條件有關(guān)，根據(jù)已有研究[17]取0.35～0.40。

計(jì)算得到不同能級(jí)的有效加固深度，如表3所示。

表3 不同能級(jí)的有效加固深度Table 3 Effective reinforced depth for different energy levels

3 加固效果分析

強(qiáng)夯加固效果的原位檢驗(yàn)方法主要有靜載荷試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、波速試驗(yàn)等。靜載荷試驗(yàn)是一種直接可靠的原位檢驗(yàn)方法，工期長(zhǎng)、價(jià)格高；動(dòng)力觸探試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作方便。

對(duì)于大面積丘陵山區(qū)填方地基強(qiáng)夯加固，為了相對(duì)可靠地節(jié)約檢驗(yàn)成本，我們?cè)诠こ虉?chǎng)地典型位置取A1～A5、B1～B4、C1～C3等12個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖1），通過(guò)靜載荷試驗(yàn)獲取承載力特征值、變形模量，隨后進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)（N63.5），通過(guò)建立地基承載力特征值、變形模量與動(dòng)測(cè)擊數(shù)的關(guān)系，為相近丘陵山區(qū)填方地基處理提供參考。

3.1 靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

靜載荷試驗(yàn)在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深1.0 m位置進(jìn)行，采用尺寸為d=798 mm的圓形承壓板，通過(guò)慢速維持荷載法進(jìn)行，填方區(qū)典型位置A3、B2、C2測(cè)點(diǎn)的P-s曲線如圖6所示。

圖6 靜載荷試驗(yàn)P-s曲線Fig. 6 P-s curves of static load tests

靜載荷試驗(yàn)結(jié)果表明：每級(jí)荷載增量均為50 kPa，最大試驗(yàn)荷載均加至400 kPa；當(dāng)加荷至最大荷載時(shí)，承壓板累計(jì)沉降均未超過(guò) 0.06d（47.88 mm），未達(dá)到極限破壞狀態(tài)；強(qiáng)夯加固后的地基土承載力特征值達(dá)到 200 kPa，能夠滿足上部構(gòu)筑物地基承載力要求。

3.2 動(dòng)力觸探承載力檢驗(yàn)方法

重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)（N63.5）在距離靜載荷試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)前后左右各2.0 m處進(jìn)行，測(cè)試深度1.0～6.0 m，單孔測(cè)試15組，根據(jù)桿長(zhǎng)對(duì)擊數(shù)進(jìn)行修正后取均值。匯總動(dòng)力觸探試驗(yàn)擊數(shù)N63.5對(duì)應(yīng)的靜載荷試驗(yàn)地基承載力特征值、變形模量等結(jié)果，如表4所示。

表4 靜載荷試驗(yàn)與重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 4 Summary of static load tests and heavy cone dynamic penetration tests

繪制強(qiáng)夯加固后地基承載力特征值、變形模量與動(dòng)測(cè)擊數(shù)的關(guān)系，如圖7、圖8所示。

圖7 承載力特征值與動(dòng)測(cè)擊數(shù)關(guān)系Fig. 7 Relationship between bearing capacity value and dynamic penetration times

圖8 變形模量與動(dòng)測(cè)擊數(shù)關(guān)系Fig. 8 Relationship between deformation modulus and dynamic penetration times

結(jié)果表明，本場(chǎng)地丘陵山區(qū)填方地基加固后的承載力特征值、變形模量與動(dòng)測(cè)擊數(shù)N63.5基本呈線性關(guān)系，可擬合為以下公式：

式（2）中：fak為地基的承載力特征值，kPa；E0為地基的變形模量，MPa；N63.5為動(dòng)測(cè)擊數(shù)。

根據(jù)擬合得到的承載力特征值fak與動(dòng)測(cè)擊數(shù)N63.5關(guān)系，可用于加固后填方地基承載力特征值判別，fak=200 kPa對(duì)應(yīng)動(dòng)測(cè)擊數(shù)N63.5=4.05；取20%安全儲(chǔ)備，本工程可按動(dòng)測(cè)擊數(shù)N63.5≥4.86進(jìn)行加固效果檢驗(yàn)。

4 結(jié) 論

依托武夷山市杜壩旅游綜合服務(wù)園區(qū)內(nèi)某高挖低填場(chǎng)地，開展填方地基強(qiáng)夯加固和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)行強(qiáng)夯加固施工組織流程設(shè)計(jì)及有效加固深度估算，分別采用靜載荷試驗(yàn)與動(dòng)力觸探試驗(yàn)進(jìn)行加固效果檢驗(yàn)，獲取加固后地基承載力特征值、變形模量與動(dòng)測(cè)擊數(shù)關(guān)系，得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于閩北山區(qū)“挖山填谷”形成的填方地基，填土厚度不均、填料粒徑和級(jí)配不易控制，采用優(yōu)化的強(qiáng)夯工藝設(shè)計(jì)結(jié)合不良地質(zhì)條件綜合處理，能夠滿足上部構(gòu)筑物地基承載力要求。

（2）靜載荷試驗(yàn)表明當(dāng)加荷至最大荷載400 kPa時(shí)，未達(dá)到極限破壞狀態(tài)，強(qiáng)夯加固后的地基土承載力特征值達(dá)到200 kPa。

（3）本場(chǎng)地丘陵山區(qū)填方地基加固后的承載力特征值、變形模量與動(dòng)測(cè)擊數(shù)基本呈線性關(guān)系；根據(jù)擬合所得經(jīng)驗(yàn)公式，可采用動(dòng)力觸探對(duì)強(qiáng)夯后填方地基的承載力特征值進(jìn)行判別，動(dòng)測(cè)擊數(shù)N63.5≥4.86為達(dá)標(biāo)，為相近丘陵山區(qū)填方地基處理提供參考。