大型場(chǎng)區(qū)濕陷性黃土地基處理技術(shù)研究

張峰，楊浩，馬江紅，于智民，杜榮波

（中電建路橋集團(tuán)西北基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

斗門(mén)水庫(kù)工程如圖1，位于陜西省西安市，建設(shè)場(chǎng)地在西郊灃河右岸。工程所在地距離西安市中心大致為20km，位于灃河?xùn)|岸原昆明池舊址，斗門(mén)水庫(kù)工程為引漢濟(jì)渭輸配水工程的調(diào)蓄水庫(kù)，其中，斗門(mén)水庫(kù)主要作用是為西安、咸陽(yáng)等城市供水、提高城市環(huán)境；同時(shí)也可以用來(lái)防洪。

圖1 強(qiáng)夯現(xiàn)場(chǎng)

分洪渠全長(zhǎng)4262.58m，在整個(gè)范圍內(nèi)地基處理采用強(qiáng)夯法，橫向處理范圍為整個(gè)開(kāi)挖橫斷面（包括濕地），且超出每側(cè)渠道外坡腳線以外各3m，強(qiáng)夯地基處理最終要完全消除地基4m以下深度范圍內(nèi)黃土的濕陷性。設(shè)計(jì)要求強(qiáng)夯處理后的地基承載力檢測(cè)不得小于180kPa，并且測(cè)得的濕陷性系數(shù)均應(yīng)小于0.015。

在強(qiáng)夯施工前制定試驗(yàn)方案，選取合理的機(jī)械配備，制定高效可行的質(zhì)量控制方案，通過(guò)試驗(yàn)獲得適合該工程合理的強(qiáng)夯施工參數(shù)，以指導(dǎo)強(qiáng)夯施工。

1.2 區(qū)域地質(zhì)

斗門(mén)水庫(kù)工程場(chǎng)區(qū)地處秦嶺北麓沖積平原處，出露的地層巖性主要為第四系（Q）上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土及第四系全新統(tǒng)沖洪積、沖積堆積的松散堆積物。工程區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造單元上位于汾渭斷陷（Ⅰ）西部渭河斷凹（Ⅰ’）的南部邊緣，南鄰北秦嶺加里東褶皺（Ⅱ）。區(qū)域斷裂發(fā)育，受其影響工程區(qū)屬構(gòu)造較不穩(wěn)定地區(qū)。斗門(mén)水庫(kù)工程區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.40s，地震基本烈度為Ⅷ度。

1.3 試驗(yàn)場(chǎng)地布置

考慮到優(yōu)先具備施工及進(jìn)場(chǎng)條件的因素，本次強(qiáng)夯試驗(yàn)場(chǎng)地規(guī)劃在分洪閘兩側(cè)平臺(tái)及下游渠堤基礎(chǔ)范圍。

根據(jù)強(qiáng)夯的不同能級(jí)分別選擇試驗(yàn)區(qū)，由上游向下游共布置A、B、C三個(gè)試驗(yàn)區(qū)域，三個(gè)試驗(yàn)區(qū)域長(zhǎng)寬均為25m。

1.4 試驗(yàn)場(chǎng)地處理

按照設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)范要求進(jìn)行基面清表處理，表土運(yùn)至業(yè)主指定堆土場(chǎng)。經(jīng)自檢、監(jiān)理工程師檢查合格后方可進(jìn)行試驗(yàn)段施工。

10t自卸汽車(chē)配合1m3挖掘機(jī)對(duì)強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行清表，清表深度不小于50cm，清表完成后用推土機(jī)進(jìn)行整平。試驗(yàn)區(qū)的平整度需滿足要求，并將大的土塊等不利于試驗(yàn)的物體揀出試驗(yàn)區(qū)，以免影響試驗(yàn)效果。

試驗(yàn)單元周?chē)O(shè)足夠?qū)挾?，供施工機(jī)械與重車(chē)行走、回車(chē)錯(cuò)道。

2 強(qiáng)夯方案的選擇

2.1 夯擊能量

根據(jù)強(qiáng)夯加固公式計(jì)算：

式中：

H——影響深度，m；

M——強(qiáng)夯重力，kN；

H——落距，m；

K——修正系數(shù)，一般粘性土取0.5；對(duì)砂性土取0.7；對(duì)黃土取0.35～0.50。（暫定 0.25～0.35，后經(jīng)試驗(yàn)確定）；

根據(jù)上式計(jì)算：

h取值 17m～9m，夯擊能為2550kN·m～1350kN·m。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和設(shè)備情況，強(qiáng)夯試驗(yàn)使用參數(shù)如下表。

2.2 夯點(diǎn)布置

為防止強(qiáng)夯過(guò)程中夯錘沖擊對(duì)夯點(diǎn)周?chē)耐馏w造成剪切破壞，導(dǎo)致夯坑周?chē)孛娈a(chǎn)生大的隆起，按照規(guī)范要求，第一遍點(diǎn)夯的夯點(diǎn)間距宜布置為2.5～3.5倍錘底直徑，對(duì)于本工程，即L=2.5×（2.5～3.5）=6.25m～8.75m，根據(jù)該地區(qū)土壤濕陷程度，強(qiáng)夯處理影響范圍等因素，本次點(diǎn)夯夯距選為8.4m，主夯點(diǎn)布置為梅花形，如圖2，副夯點(diǎn)在主夯點(diǎn)之間布置；滿夯時(shí)錘印搭接1/4，滿夯點(diǎn)布置詳見(jiàn)圖3。

圖2 強(qiáng)夯處理夯點(diǎn)布置示意圖

圖3 滿夯夯點(diǎn)布置示意圖

2.3 夯擊次數(shù)和夯點(diǎn)遍數(shù)

在正式施工之前需要先進(jìn)行單點(diǎn)試夯，通過(guò)觀察豎向壓縮量和側(cè)向的偏移量來(lái)確定適合工程所在地的強(qiáng)夯參數(shù)。最佳夯擊次數(shù)要根據(jù)最后兩擊的平均夯沉量來(lái)確定。由于本工程采用的強(qiáng)夯能量均低于4000kN·m，因此依據(jù)規(guī)范，最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm，并且夯坑周?chē)孛娌粦?yīng)發(fā)生過(guò)大的隆起時(shí)，證明基礎(chǔ)已經(jīng)夯實(shí)，已達(dá)到最佳夯擊次數(shù)。

強(qiáng)夯試驗(yàn)使用參數(shù)

按照單點(diǎn)試夯數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)夯擊點(diǎn)夯擊次數(shù)等做適當(dāng)調(diào)整。

2.4 主副夯間歇時(shí)間

強(qiáng)夯時(shí)要根據(jù)孔隙水壓力的消散情況決定主夯和副夯之間的間隔時(shí)間。對(duì)于含水量高的粘土，主副夯間的間歇時(shí)間應(yīng)該酌情加長(zhǎng)。前一遍強(qiáng)夯完成后，必須等到間歇時(shí)間以后才能進(jìn)行下一遍強(qiáng)夯。

間隔時(shí)間根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果做適當(dāng)調(diào)整，若遇雨水天氣，間隔時(shí)間及工期做相應(yīng)順延。

現(xiàn)場(chǎng)采樣進(jìn)行試驗(yàn)，可知工程所在地地基滲透性強(qiáng)，并且地下水位低于強(qiáng)夯影響深度，因此試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為連續(xù)夯擊，若在施工中發(fā)生特殊情況，可以視情況設(shè)置間歇時(shí)間。

2.5 設(shè)備投入

2.5.1 強(qiáng)夯機(jī)

強(qiáng)夯法處理地基，強(qiáng)夯機(jī)必不可少，強(qiáng)夯機(jī)的款式有多種多樣，日本采用輪胎式吊車(chē)，而西歐大多國(guó)家采用履帶式強(qiáng)夯機(jī)，本工程強(qiáng)夯施工采用帶有自動(dòng)脫鉤裝置的XGH300K履帶式強(qiáng)夯機(jī)。

2.5.2 夯錘

一般情況下，夯錘的底面為圓形，并且夯錘的中心在夯錘的中垂線上，而且夯錘的重心最好在夯錘的一半高度之下。夯錘的選擇需要根據(jù)施工設(shè)計(jì)強(qiáng)夯能量來(lái)選擇，進(jìn)而計(jì)算出夯錘的落距。常見(jiàn)的夯錘會(huì)設(shè)置4～6個(gè)φ250mm～φ300mm的排氣孔，排氣孔貫通夯錘頂面和底面，排氣孔不宜過(guò)小，當(dāng)氣孔小時(shí)，下落時(shí)受到的阻力大，入坑時(shí)會(huì)影響夯擊效果并且容易堵孔，而且清孔和再次起錘都很困難。除此以外，夯錘的材質(zhì)最好選用鑄鐵。

斗門(mén)水庫(kù)強(qiáng)夯工程選擇圓形夯錘，選擇的夯錘錘重15t，直徑2.5m，最大落距為20m。如果檢驗(yàn)得現(xiàn)場(chǎng)夯錘的重量不是15t時(shí)，則應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的夯錘規(guī)格，針對(duì)不同的強(qiáng)夯能級(jí)，計(jì)算夯錘對(duì)應(yīng)的落距，最終滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)夯能量。

2.5.3 自動(dòng)脫鉤裝置

本工程強(qiáng)夯機(jī)采用自動(dòng)脫鉤裝置。自動(dòng)脫鉤裝置可確保每次強(qiáng)夯時(shí)夯錘的落距相同。牽引鋼絲繩，滑輪及吊鉤組成了脫鉤裝置。夯錘在既定高度時(shí)，脫鉤實(shí)現(xiàn)夯錘的自由脫落。自動(dòng)脫鉤裝置應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和耐久性，其結(jié)構(gòu)形式應(yīng)滿足操作容易、掛鉤輕便、脫鉤靈活的要求。

3 施工方法

3.1 施工工藝流程

斗門(mén)水庫(kù)強(qiáng)夯工藝流程如圖4。

圖4 強(qiáng)夯施工工藝流程

3.2 施工方法

采用3000kN·m強(qiáng)夯機(jī)進(jìn)行地基處理，夯點(diǎn)間距為8.4m×8.4m，夯點(diǎn)布置為梅花形（如圖2），夯錘的直徑為2.5m，夯擊能根據(jù)夯錘落距調(diào)節(jié)。實(shí)際施工參數(shù)由強(qiáng)夯試驗(yàn)確定。

3.2.1 夯點(diǎn)測(cè)設(shè)

首先對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行平整，測(cè)量地面高程，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖布置夯點(diǎn)，并在地面標(biāo)出夯點(diǎn)位置。

3.2.2 夯機(jī)就位

夯機(jī)到達(dá)作業(yè)面，根據(jù)每次夯擊的夯擊能確定夯錘落距，進(jìn)而調(diào)整脫鉤裝置。每次夯擊能發(fā)生變化時(shí)都需要對(duì)裝置進(jìn)行重新的調(diào)整和控制。

3.2.3 第一遍點(diǎn)夯

將網(wǎng)格點(diǎn)劃在施工現(xiàn)場(chǎng)平面內(nèi)，當(dāng)強(qiáng)夯設(shè)備全部就位后，按照所規(guī)劃好的施工參數(shù)展開(kāi)強(qiáng)夯。每完成一次夯擊后，測(cè)量并記錄單擊夯沉量與累計(jì)夯沉量，通過(guò)對(duì)所有記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再制定更準(zhǔn)確的控制標(biāo)準(zhǔn)。點(diǎn)夯時(shí)強(qiáng)夯機(jī)沿夯點(diǎn)線成梅花形行進(jìn)，跳行跳點(diǎn)施工。

3.2.4 第二遍點(diǎn)夯

第一遍點(diǎn)夯全部完成后，根據(jù)要求，兩周后開(kāi)始第二遍點(diǎn)夯，由于第一遍與第二遍點(diǎn)夯的夯點(diǎn)布置不同，在第二遍點(diǎn)夯前需要再進(jìn)行一次定位放線，同樣用白灰做出標(biāo)記，定位第二遍夯點(diǎn)位置。

第二遍點(diǎn)夯與第一遍點(diǎn)夯的施工方法一樣。施工過(guò)程中，技術(shù)人員同樣需要對(duì)施工關(guān)鍵參數(shù)隨時(shí)進(jìn)行檢測(cè)與記錄，第二遍點(diǎn)夯結(jié)束后，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行平整。

其中，技術(shù)人員在點(diǎn)夯的過(guò)程中應(yīng)該按同一標(biāo)準(zhǔn)記錄對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和記錄，這些數(shù)據(jù)包括：?jiǎn)螕艉怀亮颗c累計(jì)夯沉量，夯點(diǎn)原始高程、夯點(diǎn)最終高程、強(qiáng)夯能級(jí)（夯錘重量、底面積、落距）、夯擊次數(shù)、夯擊遍數(shù)、強(qiáng)夯間歇時(shí)間等；除此以外，還應(yīng)該拍照進(jìn)行記錄，方便后續(xù)工作的開(kāi)展。

3.2.5 滿夯

按要求完成以上兩遍點(diǎn)夯后，必須對(duì)地面進(jìn)行整平，然后采用小的夯擊能量完成滿夯。滿夯時(shí)，夯錘與夯錘之間有1/4的搭接面積，在每個(gè)滿夯點(diǎn)位夯擊一次，然后在完成后對(duì)場(chǎng)地的高程進(jìn)行測(cè)量。

3.2.6 地基檢測(cè)

在強(qiáng)夯施工完成后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，進(jìn)行地基承載力檢測(cè)，測(cè)得地基承載力不能小于180kPa。

4 結(jié)論

在修建水利工程系統(tǒng)時(shí)，施工過(guò)程中需要對(duì)各種客觀的施工條件加以克服，在處理大壩地基時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到濕陷性黃土這種相對(duì)比較差的施工條件。在這種情況下可以采用強(qiáng)夯施工技術(shù)來(lái)加固水利大壩，使包括地基部位在內(nèi)的水利大壩具有更強(qiáng)的承載力。本文結(jié)合陜西省斗門(mén)水庫(kù)工程，對(duì)分洪渠試驗(yàn)區(qū)采用不同施工參數(shù)，使?jié)裣菪渣S土加固處理效果能夠滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而提高地基加固的施工質(zhì)量。