素填土地基強夯加固機理現(xiàn)場試驗分析

白維卿 栗金文

中國核電工程有限公司鄭州分公司 河南 鄭州 450000

隨著國民經濟快速發(fā)展，西部山區(qū)基礎設施建設工程愈來愈多，因山區(qū)地形復雜，存在許多高挖深填項目。對于該類高挖深填地基處理，關鍵是控制地基沉降和不均勻變形。強夯技術自1980年左右被引進國內，因強夯地基處理技術具有地基加固質量明顯、施工工藝簡單、施工迅速和經濟性好等優(yōu)點，在許多重大工程項目中得到廣泛應用。但強夯技術理論研究是一項極其復雜的工作，目前其理論體系尚不完整。如果充分結合具體工程實踐，利用日漸成熟的計算手段，既能提高強夯工作機理的認知水平，也是推進強夯工程應用的有效途徑。

1 強夯原理

1.1 強夯法概述

強夯法即動力固結法，是將大噸位夯錘提升到一定高度，使其自由下落，按特定的施工工藝對欠固結地基進行強力夯實，能量轉換次序為：將機械能轉化為勢能，再轉變?yōu)閯幽?，即夯擊能。在沖擊能作用下，夯擊能使地基土出現(xiàn)動應力和沖擊波，以提高地基土的強度和承載力，降低地基土的壓縮性，提高地基土的抗液化能力，并能消除濕陷性黃土的濕陷性，改善地基土的均勻性等。

1.2 夯擊能傳遞機理

強夯在極短的時間內對地基土體作用一個巨大的沖擊能量，沖擊能轉化為各種能量波型，在地基土體內傳播。強夯的結果是在地基中沿深度形成性質不同的三個區(qū)：地基表層松動；松動區(qū)下面某一深度，受到體波的作用，使土層產生沉降和土體的壓密，形成加固區(qū)；加固區(qū)下面沖擊波逐漸衰減，不足以使土產生塑性變形，對地基土不起加固作用，即為彈性區(qū)。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗方案

現(xiàn)場試驗依托某工業(yè)項目現(xiàn)場已經填筑完畢的工程區(qū)，工程區(qū)填方厚度約為12m，由于場地整理時未進行碾壓密實，需對素填土深填地基進行地基加固。在工程區(qū)內選取3個具有代表性的30mx30m區(qū)域作為試驗區(qū)，分別進行強夯能級為3000 kN·m、4000 kN·m、6000 kN·m的強夯補強試驗。通過現(xiàn)場試驗，研究素填土深填地基的強夯加固工作機理。

2.2 設計參數(shù)

強夯設計參數(shù)見表1。強夯處理后地基參數(shù)要求：承載力特征值不小于150kPa，壓縮模量不小于12MPa。素填土主要成分為砂質粉土、粉砂。

表1 強夯設計參數(shù)

3 試驗結果分析

3.1 載荷板試驗

現(xiàn)場試驗結束后，在3個試驗區(qū)選取測點，分別進行3組平板載荷試驗，共計9個測點。

表2為載荷板實驗結果表。由表2可知，載荷板試驗均能滿足設計要求。當強夯能級為3000～6000kN·m時，承載力特征值在237～248之間浮動，變化幅度較小?？紤]到現(xiàn)場回填料的不均勻性和施工質量局部不可控性，建議強夯處理后，砂質粉土素填土的地基承載力特征值可按180～200kPa考慮。

表2 載荷板試驗結果表

3.2 標準貫入試驗

現(xiàn)場試驗結束后，在3個試驗區(qū)選取測點，分別3組標準貫入試驗，共計9個測點。通過標準貫入試驗可檢驗地基的均勻性，進而判斷地基處理效果。

試驗一區(qū)夯擊能為3000kN·m，標貫深度在小于7m時，標貫擊數(shù)大于10擊，均值為12.4擊，中密狀態(tài)，0～7m為均勻性地基；標貫深度大于7m時，標貫擊數(shù)小于10擊，均值為8.5擊，稍密狀態(tài)。

試驗一區(qū)夯擊能為3000kN·m，標貫深度在小于8m時，標貫擊數(shù)大于10擊，均值為12.8擊，中密狀態(tài)，0～8m為均勻性地基；標貫深度大于8m時，標貫擊數(shù)小于10擊，均值為8.2擊，稍密狀態(tài)。

試驗一區(qū)夯擊能為3000kN·m，標貫深度在小于9.5m時，標貫擊數(shù)大于10擊，均值為13.2擊，中密狀態(tài)0～9m為均勻性地基；標貫深度大于9.5m時，標貫擊數(shù)小于10擊，均值為8.7擊，稍密狀態(tài)。

4 有效加固深度

強夯有效加固深度一項重要的設計參數(shù)，既是反映強夯處理效果的重要參數(shù)，也是地基處理方案選擇的重要參考。

強夯創(chuàng)始人梅納提出的計算加固影響深度H的梅納公式：

式中，W—夯錘重（KN）；h—落距（m）。

采用梅納公式計算出來的有效加固深度均大于工程中實測的有效加固深度，且相差較大。通過梅納公式計算的加固影響深度僅與夯錘落距和錘重有關。而事實上有很多額外因素影響有效加固深度的大小，除了夯錘落距和錘重以外，如夯擊遍數(shù)、夯錘底壓力、地基土類別、夯錘間距、土層分布和埋藏順序及地下水位埋深等都密切影響著實際加固深度。

由于有效加固深度計算的復雜性，以及目前尚無完整的理論支撐，通過梅納公式計算的有效加固深度與工程實測值差距較大，故須對梅納公式進行修正。

式中，W—夯錘重（kN）；h—落距（m）;α為修正系數(shù)，與多種因素有關。

因此強夯的有效加固深度一般依據(jù)工程經驗進行設計，并依據(jù)強夯試夯結果調整設計參數(shù)，并指導大面積施工。

圖1 不同強夯能級下有效加固深度曲線

通過梅納公式計算的有效加固深度隨著強夯能級的增大基本呈線性增長。有效加固深度的實測值與通過梅納公式計算的理論值差距較大，須對梅納公式進行修正。

經計算，強夯能級為3000kN·m時，修正系數(shù)α=0.40；強夯能級為4000kN·m時，修正系數(shù)α=0.40；強夯能級為6000kN·m時，修正系數(shù)α=0.39。當強夯能級在3000kN·m～6000kN·m時。修正系數(shù)變化幅度不大，修正系數(shù)可取為0.40。

對本項目砂質粉土素填土地基，建議強夯能級為3000 kN·m時，有效加固深度取為7.0m，強夯能級為4000kN·m時，有效加固深度為8.0m，強夯能級為6000kN·m時，有效加固深度為9.5m。

5 結論和意義

1、強夯能級為3000～6000kN·m時，砂質粉土地基承載力及其均勻性均能滿足工程要求，其地基承載力特征值建議按180～200kPa考慮。

2、對砂質粉土素填土地基，強夯能級為3000kN·m、4000kN·m、6000kN·m時，有效加固深度建議取為7.0m、8.0m、9.5m。

3、強夯夯擊能在3000kN·m～6000kN·m時，對砂質粉土素填土地基，通過梅納公式計算其強夯有效加固深度時，建議修正系數(shù)取為0.40。

4、本研究成果已成功應用于某工業(yè)項目，對類似素填土強夯地基的設計施工具有一定的參考意義。