深厚軟土地基綜合處理技術(shù)試驗(yàn)研究

王德亮，曹軍波，郭軍，陳軍紅，王國(guó)輝

（河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050227）

0 引言

沿海地區(qū)廣泛分布著較厚的松散粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、吹填土等軟弱土層，這類土具有含水量大、壓縮性高、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，利用這些場(chǎng)地做建、構(gòu)筑物的地基時(shí)一般均需進(jìn)行軟基處理［1-2］。

振沖碎石樁作為一種常用的復(fù)合地基處理方式［3-5］，工程中應(yīng)用十分廣泛，能有效地消散地震等震動(dòng)引起的超靜孔隙水壓力，減少砂土地基的液化現(xiàn)象［6］。強(qiáng)夯法處理地基是20世紀(jì)60年代末由法國(guó)工程師Menard［7］首先提出。國(guó)內(nèi)諸多專家、學(xué)者也對(duì)強(qiáng)夯工藝的作用機(jī)理進(jìn)行了深入研究［8-10］。當(dāng)軟弱土層的厚度不大，需要提高淺層地基的承載力時(shí)，碎石墊層可起到較好的效果，還可以起到減少基礎(chǔ)沉降量、加速軟弱土層排水固結(jié)的作用。輕型井點(diǎn)降水適用于地下水埋深<6 m的粘土及粉土等地層，結(jié)合其他地基處理方式時(shí)，可提高地基土的排水固結(jié)速度［11-12］。

深厚軟土地區(qū)沉積地層的均一性較差，采用單一地基處理方法的處理效果有時(shí)不理想。只有多種地基處理方法相結(jié)合［13］，才能針對(duì)性地解決多種工程問題，因此有必要對(duì)軟基處理的新方法、新工藝不斷地進(jìn)行研究和摸索。

1 綜合處理新技術(shù)加固機(jī)理

深厚軟土地基綜合處理新技術(shù)充分利用了碎石墊層、輕型井點(diǎn)排水固結(jié)、強(qiáng)夯動(dòng)力固結(jié)、振沖碎石樁4種地基處理方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以振沖碎石樁為主體，考慮飽和軟土的工程特性，將振沖置換、強(qiáng)夯動(dòng)力固結(jié)、軟土排水固結(jié)、墊層應(yīng)力擴(kuò)散這幾種地基處理機(jī)理有機(jī)結(jié)合、綜合應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)改善和提高土體力學(xué)物理性能，提高復(fù)合地基的承載力及壓縮模量，改善地基抵抗變形的綜合能力。

2 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)面積為20 m×20 m，在振沖碎石樁加固范圍內(nèi)，地層主要以粉質(zhì)粘土為主，粉質(zhì)粘土多為軟塑—可塑狀態(tài)，上部地層為軟塑狀態(tài)，下部地層為可塑狀態(tài)；地面以下5 m及15 m位置各有一層粉土，層厚均為1.5 m左右，粉土以中密為主，搖震反應(yīng)迅速。

在試驗(yàn)樁區(qū)域，僅1層地下水，屬潛水，主要受大氣降水及潮汐的補(bǔ)給，蒸發(fā)為主要排泄途徑，施工期間穩(wěn)定地下水位埋深1.5~2.5 m。

3 試驗(yàn)方案

采用振沖碎石樁、碎石墊層、輕型井點(diǎn)排水固結(jié)、強(qiáng)夯動(dòng)力固結(jié)4種地基處理方法進(jìn)行綜合試驗(yàn)處理，要求處理后復(fù)合地基承載力特征值fak≥220 kPa，具體施工步驟如下：

振沖碎石樁施工→樁間真空井點(diǎn)排水系統(tǒng)的布設(shè)及降水→碎石鋪設(shè)→低能量強(qiáng)夯及排水固結(jié)→施工區(qū)滿夯→碎石墊層施工。

3.1 振沖碎石樁

振沖碎石樁樁徑1.2 m，樁長(zhǎng)25 m，正三角形布樁，樁間距1.8 m，樁頂標(biāo)高-1.5 m，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)共布置61根樁。采用含泥量≯5%的碎石，粒徑為40~150 mm。選用BJV130E-426型振沖器進(jìn)行施工。

3.2 輕型井點(diǎn)

成孔孔徑≮150 mm，深度10 m。井點(diǎn)管采用直徑≮32 mm的PVC管，孔深9.8 m，底部設(shè)置2.5 m長(zhǎng)的花管段。

井點(diǎn)管沿試驗(yàn)區(qū)四周布置一圈，形成封閉環(huán)，間距2 m。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)井點(diǎn)位于正三角形布置的碎石樁中心點(diǎn)土體內(nèi)，間距采用1.8 m×3.1 m。內(nèi)、外圈井點(diǎn)單獨(dú)抽排水，外圈井點(diǎn)主要起到隔斷外界水源向試驗(yàn)區(qū)內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)給的作用，內(nèi)部井點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)部疏干降水。

真空抽水期間要求真空度≮0.08 MPa，且強(qiáng)夯主夯期間保持井點(diǎn)管運(yùn)行正常。

3.3 碎石鋪設(shè)

強(qiáng)夯之前及滿夯之后均鋪一層碎石墊層，采用級(jí)配碎石，有機(jī)質(zhì)含量、含泥量≯5%，最大粒徑≯30 mm，鋪填厚度300 mm，采用壓路機(jī)分2層壓實(shí)，夯填度≯0.9。

3.4 低能量強(qiáng)夯

（1）采用4遍點(diǎn)夯2遍滿夯的工藝，第一、二遍強(qiáng)夯施工期間繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)碎石樁樁間土真空井點(diǎn)降水的施工方法。夯錘直徑2.0~2.3 m，錘重10~15 t，接地壓力25~40 kPa。

（2）第一遍夯擊能1200 kN·m，第二遍夯擊能1500 kN·m，夯點(diǎn)均布置在振沖碎石樁上，每點(diǎn)夯3擊，間距7.2 m×3.1 m。

（3）第三遍、第四遍夯擊能均為2000 kN·m，夯點(diǎn)布置在第一遍、第二遍夯點(diǎn)之間，每點(diǎn)夯3擊，間距7.2 m×3.1 m。

（4）滿夯夯擊能1000 kN·m，每點(diǎn)夯擊2擊，錘印搭接不少于1/4。2遍滿夯施工間隔3 d。滿夯施工完畢后，間歇不少于14 d的恢復(fù)期。

圖1為試驗(yàn)區(qū)域平面布置示意圖。

圖1 試驗(yàn)區(qū)平面布置示意Fig.1 Layout plan of the test area

4 試驗(yàn)過程監(jiān)測(cè)與分析

試驗(yàn)區(qū)四周井點(diǎn)管內(nèi)側(cè)布置了5個(gè)水位觀測(cè)點(diǎn)；在東北及西南側(cè)各布置了一個(gè)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。每組孔隙水壓力計(jì)沿深度方向按照間距2 m埋設(shè)一支（即自碎石樁樁頂算起，每孔5支孔隙水壓力計(jì)）。

4.1 降水系統(tǒng)出水量觀測(cè)與分析

第一、二遍強(qiáng)夯時(shí)，降水機(jī)組2的井眼數(shù)均為30眼井。在強(qiáng)夯過程中，由于土體中超孔隙水壓力的顯著增大，場(chǎng)地單位時(shí)間出水量明顯上升；強(qiáng)夯結(jié)束后，土體中孔隙水壓力迅速下降，單位出水量也呈現(xiàn)出指數(shù)下降的趨勢(shì)。強(qiáng)夯動(dòng)力荷載對(duì)于加速場(chǎng)地的排水具有顯著的效果。

第二遍強(qiáng)夯時(shí)，強(qiáng)夯分前后2 d完成，出水量變化如圖2所示。隨著強(qiáng)夯點(diǎn)數(shù)和次數(shù)的增加，土體的孔隙水壓力呈現(xiàn)階梯跳躍式升高。土體中形成較多的裂隙排水通道，土體單位時(shí)間出水量增加。水排出后，孔隙水壓力迅速下降，土體單位時(shí)間的出水量相應(yīng)減小。

圖2 第二遍強(qiáng)夯出水量變化曲線Fig.2 Water yield change curve of the second round of dynamic compaction

第三遍強(qiáng)夯時(shí)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)真空井點(diǎn)減少為16眼；再進(jìn)行第四遍強(qiáng)夯時(shí)，土體排出的水量已經(jīng)很小，繼續(xù)增加強(qiáng)夯基本沒有太大效果，表明本次試驗(yàn)進(jìn)行3遍強(qiáng)夯是合理的。

4.2 地下水位觀測(cè)與分析

剛開始強(qiáng)夯時(shí)地下水位上升較明顯，強(qiáng)夯結(jié)束后，在不斷排水的情況下，地下水位逐漸降低。隨著強(qiáng)夯次數(shù)的增加，地下水位變化越來越小。

強(qiáng)夯過程中，在夯擊能作用下，孔隙水壓力增大，自由水大量排出，引起地下水位升高。真空降水系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和對(duì)補(bǔ)給水源的隔離措施，對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的地下水位控制非常重要，將直接影響軟土固結(jié)效果，施工時(shí)應(yīng)當(dāng)保證降水系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

4.3 孔隙水壓力的觀測(cè)與分析

孔隙水壓力隨著地下水位上升或下降變化十分明顯，即隨著地下水位升高（降低）而增大（減?。４紫端畨毫偷叵滤环€(wěn)定后進(jìn)行下一遍強(qiáng)夯。

第一遍強(qiáng)夯開始時(shí)，孔隙水壓力在2 m的位置呈現(xiàn)負(fù)值，說明此處井點(diǎn)降水對(duì)孔隙水壓力影響較大，地下水位-3.91 m以下的孔隙水壓力為正值?？紫端畨毫ψ畲笤龇咏?0 kPa，不同深度的孔隙水壓力變化不同，10 m處增幅最小，說明強(qiáng)夯對(duì)地下水的有效影響深度在8 m之內(nèi)。強(qiáng)夯后31 h，孔隙水壓力消散了85%以上。

第二遍強(qiáng)夯孔隙水壓力變化整體規(guī)律和第一遍強(qiáng)夯基本一致。

第三遍強(qiáng)夯采用的是較大的能量，強(qiáng)夯期間孔隙水壓力最大增幅均低于6 kPa，且總體趨勢(shì)較穩(wěn)定，與前2次的強(qiáng)夯相比，第三遍強(qiáng)夯時(shí)孔壓增幅較小，說明強(qiáng)夯的加速固結(jié)作用越來越小，經(jīng)過前幾遍的強(qiáng)夯處理后，土體被壓密，土層含水量變小，強(qiáng)夯遍數(shù)再增加已無太大意義。

第四遍強(qiáng)夯的第一天，地下水位呈明顯下降趨勢(shì)，進(jìn)行點(diǎn)夯時(shí)，孔隙水壓力呈現(xiàn)較小波動(dòng)趨勢(shì)，但整體是在減小。第四遍強(qiáng)夯的第二天，強(qiáng)夯后地下水位有輕微上升，孔隙水壓力有較小增長(zhǎng)。

滿夯過程中，孔隙水壓力呈現(xiàn)先升高，之后慢慢消散的規(guī)律，各孔檢測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律趨于一致。孔隙水壓力的變化幅值和波動(dòng)小于前2次點(diǎn)夯，和第三遍強(qiáng)夯的情況類似，說明經(jīng)過地基處理后，土體被壓密，含水量降低，進(jìn)行滿夯時(shí)已沒有過多的水被排出。

4.4 夯沉量分析

經(jīng)過地基綜合處理后，試驗(yàn)區(qū)總夯沉量為368 mm。第一遍的夯沉量最大，第三遍雖然加大了夯擊能，但夯沉量變化不大，這和孔隙水壓力的分析結(jié)果較吻合，由此可見，對(duì)于本項(xiàng)目強(qiáng)夯遍數(shù)設(shè)置為3遍是適宜的。

5 加固效果評(píng)價(jià)

通過采用碎石樁樁身超重型動(dòng)力觸探、樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、單樁復(fù)合和三樁復(fù)合載荷試驗(yàn)等檢測(cè)手段對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行了加固前和加固后的對(duì)比。

5.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)評(píng)價(jià)

在強(qiáng)夯前后共進(jìn)行了2組標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，每組3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，處理前后錘擊數(shù)N的平均值對(duì)比如圖3所示。0~5 m深度范圍內(nèi)土體錘擊數(shù)較處理前均有所提高，此范圍內(nèi)錘擊數(shù)平均增加了1~4擊。說明經(jīng)過多遍強(qiáng)夯及降水處理后，土體被擠密，承載力提高，形成了“硬殼層”，彌補(bǔ)了振沖碎石樁表層承載力相對(duì)偏小的缺點(diǎn)。6~10 m深度范圍內(nèi)土體錘擊數(shù)N整體有所提高，說明本項(xiàng)目的地基綜合處理方法對(duì)較深層土體也有一定的加固和擠密效果。

圖3 處理前后標(biāo)貫錘擊數(shù)平均值對(duì)比Fig.3 Comparison of the average SPT blow count before and after treatment

5.2 樁體動(dòng)力觸探評(píng)價(jià)

開展了一組（3根樁）的樁體動(dòng)力觸探試驗(yàn)，處理前后平均值對(duì)比如圖4所示。0~5 m深度范圍內(nèi)樁體錘擊數(shù)較處理前有所提高，錘擊數(shù)增加了1~5擊，說明在該段范圍內(nèi)的碎石樁樁體經(jīng)強(qiáng)夯后被進(jìn)一步擠密，上部樁體承載力提高了。

5.3 地基承載力評(píng)價(jià)

根據(jù)勘察報(bào)告顯示，地基處理前原地基承載力為80 kPa；地基綜合處理完畢后，分別進(jìn)行了3個(gè)樁間土載荷試驗(yàn)，經(jīng)檢測(cè)，樁間土承載力為90.3 kPa；表明處理后的地基承載力提高了12.9%。

強(qiáng)夯處理之前進(jìn)行了3個(gè)單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，承載力為108 kPa。強(qiáng)夯處理完成后，進(jìn)行了3個(gè)三樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，三樁復(fù)合地基承載力為256.3 kPa，相比強(qiáng)夯處理前，復(fù)合地基承載力提高了137.3%。此外，樁間土及復(fù)合地基承載力均有不同程度的提高。

圖4 處理前后動(dòng)力觸探平均值對(duì)比Fig.4 Comparison of the average DPT blow count before and after treatment

6 結(jié)語

（1）利用碎石墊層、輕型井點(diǎn)降水、強(qiáng)夯法、振沖碎石樁4種地基處理方法的綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以振沖碎石樁為主體，考慮飽和軟土的工程特性，將振沖置換、強(qiáng)夯動(dòng)力固結(jié)、軟土排水固結(jié)、墊層應(yīng)力擴(kuò)散幾種地基處理機(jī)理有機(jī)結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，可有效提高地基承載力。

（2）借助振沖碎石樁、碎石墊層的排水通道及井點(diǎn)降水的降排水作用，低能量強(qiáng)夯引起的超孔隙水壓力得以快速消散；真空井點(diǎn)降水系統(tǒng)可以隔斷外界補(bǔ)給水源并及時(shí)消散由強(qiáng)夯引起的超孔隙水壓力，為提高強(qiáng)夯處理效果提供了重要保障。

（3）本項(xiàng)目采用深厚軟土綜合地基處理技術(shù)經(jīng)濟(jì)、合理，各分項(xiàng)技術(shù)施工工藝成熟，處理后地基承載力提高較大，可為后續(xù)類似的工程施工提供參考。