魯中地區(qū)坡積濕陷性黃土地基強(qiáng)夯有效加固深度研究

王勛，李晉*，左珅，崔新壯

(1.山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357；2.山東大學(xué))

近些年來(lái)，強(qiáng)夯法處理不良地基的技術(shù)得到了普遍應(yīng)用；國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)強(qiáng)夯處理不良地基的問(wèn)題開(kāi)展了系統(tǒng)的研究，并取得了一定的成果。濟(jì)南繞城高速公路二環(huán)線東環(huán)段施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件復(fù)雜，屬低山丘陵地貌，地形起伏較大，地基土局部為坡積濕陷性黃土，這是魯中地區(qū)極具代表性的一種黃土，極為不穩(wěn)定，進(jìn)一步研究很有必要。該文針對(duì)魯中坡積濕陷性黃土地基進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯試驗(yàn)，分析強(qiáng)夯過(guò)程中地基的夯沉量和沿深度方向的孔隙水壓力及孔壓增量時(shí)間的變化規(guī)律，從而得到強(qiáng)夯的有效加固深度。

1 場(chǎng)地概況及強(qiáng)夯分析

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地概況

濟(jì)南繞城高速公路二環(huán)線東環(huán)段地基施工現(xiàn)場(chǎng)，在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在路基下層分布較厚的一層黃土，通過(guò)對(duì)周邊工程黃土層進(jìn)行濕陷性試驗(yàn)，得到其濕陷性系數(shù)δS為0.016～0.107，濕陷性為輕微-中等，濕陷性起始?jí)毫?0～186 kPa；該黃土具濕陷性，濕陷等級(jí)為Ⅰ、Ⅱ級(jí)。根據(jù)該區(qū)鉆探結(jié)果以及結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析可知，在試驗(yàn)場(chǎng)地深度范圍內(nèi)，地基土自上而下為：1-1層黏土：黃褐色，以黏土為主，含少量碎石，偏干，厚度為0.80～3.30 m，平均厚度為1.46 m；1-2層粉土:黃褐色，較濕潤(rùn)，稍密，無(wú)搖振反應(yīng)，切面粗糙無(wú)光澤，土質(zhì)均勻，干強(qiáng)度低，韌性差，厚度為1.00～2.70 m，平均厚度為1.32 m；1-3層粉質(zhì)黏土：褐黃色-灰黃色，黏性不佳，較為濕潤(rùn)，結(jié)構(gòu)疏松，韌性中等，為魯中典型的坡積濕陷性黃土，厚度為8.60～12.00 m，平均厚度為10.07 m；土層下部分布不等厚度的山東“濟(jì)南青”輝長(zhǎng)巖，其屬于基性侵入巖，主要礦物成分為基性斜長(zhǎng)石和單斜輝石，其規(guī)模大小差異巨大，小的有十幾平方公里，出現(xiàn)于各個(gè)地質(zhì)時(shí)期，大的可以達(dá)到幾百平方公里；各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。在施工試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，地下水分布不均勻，地下水位于地面以下約1.8 m。

表1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)地基土物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)各層物理力學(xué)指標(biāo)分析，該場(chǎng)區(qū)地基土體有較為明顯的分層現(xiàn)象，其中1-3層為軟弱黃土夾層，該層土的天然含水率接近液限，孔隙比接近1，飽和度均達(dá)到《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的土體飽和要求，試驗(yàn)研究在濕陷性黃土層上開(kāi)展。

1.2 夯擊沉降計(jì)算

土體在強(qiáng)夯作用前后的不同排列方式所形成的單位厚度沉降量為：

(1)

式中：e1、e2分別為強(qiáng)夯前、后孔隙比。

沖擊荷載是在較短的時(shí)間內(nèi)施加在土體上的載荷，強(qiáng)夯試驗(yàn)是由夯錘從一定的高度落下而形成的荷載，此荷載為夯錘的重力加上夯錘的沖擊力，可表示為：

(2)

式中：Fi為沖擊荷載(N)；M為夯錘的重量(kg)；g為重力加速度，一般取9.8 m/s2；h為夯錘提升的高度(m)；T為夯錘接觸地面速度由最大值降到零的時(shí)間(s)。

根據(jù)基于布西奈斯克課題的位移解計(jì)算地基沉降的彈性理論法，則有均質(zhì)的、各向同性的、線彈性的半無(wú)限體的基本假設(shè)，簡(jiǎn)化了計(jì)算，將沖擊荷載簡(jiǎn)化為一個(gè)集中荷載，沖擊荷載產(chǎn)生的沉降可近似為集中荷載作用下的沉降，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：s為沖擊荷載作用下的沉降量；Q為作用于地表的集中力，在這里Q=Fi；μ為泊松比；E為土的彈性模量；r為集中力作用點(diǎn)與沉降計(jì)算點(diǎn)的距離。

將式(2)代入式(3)可得：

(4)

2 試驗(yàn)方案

2.1 夯點(diǎn)布置及夯擊遍數(shù)確定

在進(jìn)行地基強(qiáng)夯試驗(yàn)夯點(diǎn)布置時(shí)，許琨等以正方形的形式布置與浸水區(qū)、非浸水區(qū)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，來(lái)體現(xiàn)夯擊的作用效果。該文采用非浸水正方形夯點(diǎn)布置進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)，如圖1所示。分3遍進(jìn)行夯實(shí)，第1、2遍為點(diǎn)夯，第3遍為滿夯；夯擊能為800 kN·m。按由內(nèi)向外逐點(diǎn)夯的原則，先夯擊路中線處的夯點(diǎn)，然后平行于路中線由內(nèi)向外向路兩側(cè)夯擊，完成強(qiáng)夯區(qū)域全部夯點(diǎn)的施工。對(duì)每一點(diǎn)的夯擊能、夯擊次數(shù)、每次夯擊的沉陷量及監(jiān)測(cè)點(diǎn)超孔隙水壓力等進(jìn)行實(shí)時(shí)量測(cè)和記錄。

圖1 夯點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)(單位：m)

2.2 強(qiáng)夯監(jiān)測(cè)方案確定

為研究地基土在強(qiáng)夯后超孔隙水壓力的消散規(guī)律，試驗(yàn)采用振弦式數(shù)字型孔隙水壓傳感器采集孔隙水壓數(shù)據(jù)，用綜合測(cè)斜儀系統(tǒng)收集與記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

為了監(jiān)測(cè)強(qiáng)夯過(guò)程中地基土超孔隙水壓力的變化，在試驗(yàn)區(qū)按圖1所示位置設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)孔深度均為9 m，并將孔隙水壓計(jì)按照?qǐng)D2所示的位置布置于土體之中。在夯擊試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超孔隙水壓力，在第1遍夯擊結(jié)束后的1、3、7、15、45 min及2、4、…、48 h進(jìn)行孔隙水壓計(jì)的監(jiān)測(cè)并做好記錄。

圖2 孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)示意圖(單位：m)

3 規(guī)律與分析

3.1 強(qiáng)夯沉降分析

對(duì)黃土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行夯擊理論簡(jiǎn)化沉降分析，將實(shí)際值代入式(1)得：

由此可知，理論上在夯擊結(jié)束后，黃土的厚度將壓縮原厚度的29.3%。

根據(jù)強(qiáng)夯試驗(yàn)實(shí)際和查閱濕陷性黃土的相關(guān)資料可知，當(dāng)M=80 000 kg，h=1 m，T=0.5 s，泊松比約為0.44，黃土的彈性模量約為5 MPa，r=1 m時(shí)，代入式(4)得：s=7.67 cm，已達(dá)到8 cm止夯標(biāo)準(zhǔn)。

由以上分析可知：強(qiáng)夯振動(dòng)作用于土體上會(huì)使土顆粒重新排列，土體的孔隙比發(fā)生巨大的變化，從而形成顯著的沉降；需要指出，該數(shù)據(jù)是在諸多假設(shè)狀態(tài)下得出的，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比理想假設(shè)復(fù)雜得多，一定會(huì)有誤差存在，但是總體趨勢(shì)是不變的；可見(jiàn)強(qiáng)夯作業(yè)對(duì)濕陷性黃土在一定范圍內(nèi)的加固作用是顯著而有效的。

3.2 夯擊沉降量規(guī)律

在夯擊試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)夯擊沉降量進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到了如圖3、4所示點(diǎn)夯沉降量、累計(jì)夯沉量與夯擊次數(shù)的關(guān)系圖。由圖3、4可以得出：當(dāng)夯擊次數(shù)增加，土體逐漸被壓密，單次夯擊的沉降量下降較為顯著，第8擊的沉降量近乎為零；由于夾層濕陷性黃土具有吸能作用，則累計(jì)夯沉量與夯擊次數(shù)為非線性關(guān)系，累計(jì)沉降量隨夯擊次數(shù)的變化速率逐漸減小，在第5擊時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。在第7擊后達(dá)到止夯標(biāo)準(zhǔn)，累積沉降量不再增加。

圖3 夯沉量變化曲線

圖4 累積夯沉量變化曲線

3.3 孔隙水壓力在孔深方向的分布規(guī)律

在夯擊能作用下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力在孔深方向的分布規(guī)律如圖5所示。

圖5 孔壓增量沿深度分布曲線

由圖5可知：在1～3.5 m處的孔壓增量增加量遠(yuǎn)大于深層(7～9 m)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)孔壓增量沿深度分布規(guī)律基本一致；3.5～7 m范圍內(nèi)孔壓增大，從鉆芯取樣檢測(cè)土體含水量可知，該土層含水量較高，屬于試驗(yàn)點(diǎn)局部保水層，強(qiáng)夯作用下孔壓增量較大；當(dāng)超過(guò)7 m位置后，孔壓衰減明顯，9 m位置處超孔隙水壓力衰減到0～2 kPa，且當(dāng)超孔隙水壓力消散為10%的自重應(yīng)力時(shí)的深度為有效加固深度臨界值，可知有效加固深度為1.5～3.5 m。

3.4 孔壓增量隨時(shí)間的變化規(guī)律

超孔隙水壓力消散速率如圖6所示。

由圖6可知：第1遍夯擊結(jié)束后，在夯擊能作用下地基土被巨大的沖擊能量震擾，使土體破碎重組，夯后短時(shí)間內(nèi)孔隙水未能及時(shí)排出，形成超孔隙水壓力；夯后1 h，孔壓增至最大，35 h內(nèi)已基本消散完畢，由圖6可見(jiàn)該試驗(yàn)段地基強(qiáng)夯衰減很快。在埋深為9 m位置的孔隙水壓計(jì)未檢測(cè)到孔壓增量變化?？讐洪_(kāi)始消散后，消散速率隨時(shí)間增加而遞減，不同埋深孔壓變化規(guī)律類(lèi)似。

(a)1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)

4 結(jié)論

該文針對(duì)魯中地區(qū)坡積濕陷性黃土地基，通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯試驗(yàn)，從夯沉量、超孔隙水壓力、孔壓增量時(shí)間對(duì)有效加固深度進(jìn)行分析研究，得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)夯擊次數(shù)增長(zhǎng)，單次夯擊沉降量下降較為顯著，第8擊的沉降量幾乎為零。累計(jì)沉降量隨夯擊次數(shù)的變化速率逐漸減小，在第5擊時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，第7擊之后累積沉降量不再增加。由此可知，第8擊即可到止夯標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)有效加固深度達(dá)到最大，地質(zhì)條件較好處可減少夯擊次數(shù)。

(2)夯擊試驗(yàn)結(jié)束5 h后超孔隙水壓力消散了大概20%，30 h后消散了85%。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段地基土固結(jié)特性分析、路基工后沉降控制要求(≤30 cm)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)孔壓消散規(guī)律，該段地基土的壓密主要發(fā)生在強(qiáng)夯瞬時(shí)沉降，其土體完全固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)(8～12個(gè)月)，該變形量對(duì)公路路基工后沉降控制影響不大，可縮短強(qiáng)夯時(shí)間間隔為1～2 d與原設(shè)計(jì)3 d對(duì)于地基的有效加固深度影響不明顯。

(3)該試驗(yàn)場(chǎng)地以粉土、粉質(zhì)黏土為主，強(qiáng)夯試驗(yàn)在夾層坡積濕陷性黃土地基上進(jìn)行。由超孔隙水壓力消散為10%的自重應(yīng)力時(shí)的深度為有效加固深度，綜合孔隙水壓力沿深度方向的分布及超孔隙水壓消散規(guī)律分析得到夯擊能為800 kN·m時(shí)的有效加固深度為3.0 m。