強夯法在填方區(qū)不均勻地基的應用探析

郭堯順

(福建省華廈能源設(shè)計研究院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

隨著現(xiàn)代畜禽業(yè)及標準化養(yǎng)殖的發(fā)展，動物防疫工作越來越受重視。畜禽養(yǎng)殖場常建在人煙稀少的深山里，很大程度上減少了動物疫病的傳染。這類養(yǎng)殖場為解決用地問題，常是在深山里削坡填溝，平整場地作為建設(shè)用地。在場地內(nèi)，常分布有較大厚度的填土層及削坡出露的風化巖層，該類巖土層相互間的巖土工程性質(zhì)差異性大，以致整個場地的地基均勻性差。此外，畜禽養(yǎng)殖場的建筑往往以單層輕型建筑為主，具備建筑荷載小而占地面積大的特點，若采用樁基礎(chǔ)，經(jīng)濟合理性欠佳。

強夯法作為一種重要的地基處理工藝，自20世紀70年代起，在我國得到廣泛應用，它具有加固效果顯著、適用性廣、施工簡便、工期短、地基處理費用低等優(yōu)點，非常適用上述類似工程不均勻地基的加固與調(diào)節(jié)處理。

本文以漳州某養(yǎng)豬場為工程實例，根據(jù)其現(xiàn)場巖土層條件，從基礎(chǔ)選型、加固設(shè)計、地基強度驗算及基礎(chǔ)沉降變形驗算等方面著手，并結(jié)合現(xiàn)場檢驗、監(jiān)測等驗證手段，探討強夯法在填方區(qū)不均勻場地、輕型建筑中應用的可行性與可靠性。實例表明，對工程地質(zhì)性能差的填方區(qū)進行強夯加固處理，改善地基性能后，與天然巖層聯(lián)合作為輕型建筑的淺基礎(chǔ)持力層，經(jīng)基礎(chǔ)沉降調(diào)節(jié)，建筑基礎(chǔ)沉降(沉降量、沉降差)，均可控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，并與樁基方案相比較具有良好的經(jīng)濟效益。在技術(shù)上可行，且經(jīng)濟合理，可供類似工程基礎(chǔ)設(shè)計參考與借鑒。

1 工程實例

1.1 工程概況

本工程位于漳州市漳浦縣官潯鎮(zhèn)某養(yǎng)豬場，工程場地屬剝蝕殘山地貌，原為山凹地。四面環(huán)山，地勢總體呈西高東低，整個建設(shè)場地由人工削坡回填平整而成，總用地面積約5.33 hm2，擬建養(yǎng)豬場育肥舍、保育舍、淋浴消毒間等十多棟單層建筑物。

本文選擇其中1棟具代表性、其地基不均勻具典型性的育肥舍作為工程實例。擬建育肥舍1層，建筑高度5.6 m，長68.5 m×寬36.2 m，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，柱距6.0 m～7.7 m，單柱荷載211.2 kN～658.0 kN。擬建位置位于養(yǎng)豬場場地的西側(cè)，正好處在場地削方、填方過渡段。受原地形的影響，育肥舍西端為削方區(qū)，碎塊狀強風化及中風化巖層直接出露地表，向東逐步過渡到填方區(qū)，填土層厚度逐步變厚?？繓|端的填土層厚度最大，一般厚度6 m～8 m，無臨空面，下臥層為碎塊狀強風化巖層。場地由西向東，出露地表的巖土層依次為中風化花崗巖層③、碎塊狀強風化花崗巖層②和素填土層①。素填土層①為新近回填土，以原山體削挖出來的坡殘積砂質(zhì)黏性土及風化巖回填為主，約含10%～30%碎塊石等硬質(zhì)物，碎塊石粒徑一般約5 cm～25 cm。該土層回填時未經(jīng)分層碾壓夯實，呈松散狀態(tài)，土層性質(zhì)很不均勻。據(jù)該工程勘察期的淺層平板載荷試驗數(shù)據(jù)，素填土層①的地基承載力特征值60 kPa～85 kPa，換算的壓縮模量3.0 MPa～4.3 MPa。場地地下水位埋深約4 m～6 m。場地典型工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示，各巖土層相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖

表1 巖土層參數(shù)

1.2 基礎(chǔ)選型

本工程為單層輕型建筑，具備荷載小而占地面積大的特點。若采用樁基礎(chǔ)方案，工程造價相對較高，經(jīng)濟合理性差，宜考慮采用淺基礎(chǔ)方案。

場地西端表層的碎塊狀強風化花崗巖層②和中風化花崗巖層③具有高承載力、低壓縮性，且直接出露地表，無軟弱下臥層，是良好的天然淺基礎(chǔ)持力層。但場地東端表層的素填土層①為新近回填土，回填時未經(jīng)密實處理，結(jié)構(gòu)松散，強度低，屬工程地質(zhì)性能差的高壓縮性土。此外，除了素填土層①自身的土層性質(zhì)不均勻，與碎塊狀強風化花崗巖層②以及中風化花崗巖層③綜合比較，場地內(nèi)巖土層間的差異性更大，地基不均勻性更為凸顯，為不均勻二級地基。故本工程若采用淺基礎(chǔ)方案，應對場地表層的素填土層①進行加固處理。一方面是要提高素填土層①的地基承載力，另一方面是要降低其壓縮性，盡量縮小與場地西端風化巖層的差異性，最大限度減小基礎(chǔ)不均勻沉降，以便于基礎(chǔ)沉降調(diào)節(jié)控制。

綜合各類地基處理工藝、場地條件、基礎(chǔ)造價等因素，本工程選擇對場地表層的素填土層①進行強夯加固處理，有效提高其地基承載力并降低其壓縮性、改善地基性能后，與場地西端的碎塊狀強風化花崗巖層②以及中風化花崗巖層③聯(lián)合作為擬建育肥舍的淺基礎(chǔ)持力層?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深取1.5 m。

1.3 地基加固設(shè)計

基礎(chǔ)施工前，本養(yǎng)豬場在場地內(nèi)具代表性的填方區(qū)選取2個30 m×30 m試夯區(qū)，經(jīng)試夯前、后檢驗數(shù)據(jù)對比可知，試夯區(qū)地基加固效果明顯。試夯確定的各項參數(shù)，作為本養(yǎng)豬場整個場地強夯的設(shè)計依據(jù)。

依據(jù)試夯確定的參數(shù)及規(guī)范[1]，以及兼顧強夯費用節(jié)支。本工程按各區(qū)域的填土層厚度，有針對性地選用不同的點夯夯擊能E。擬建育肥舍靠西側(cè)的填土層厚度約1 m～3 m,點夯夯擊能選用1000 kN·m；育肥舍東端的填土層厚度約8 m,點夯夯擊能選用6000 kN·m；兩端中間段的點夯夯擊能按填土層厚度進行內(nèi)插取值，即填土層厚度每增加1 m,點夯夯擊能增加1000 kN·m。夯點按7 m×7 m正方形布置，點夯二遍，第二遍的夯點布于第一遍夯點中間，每夯點5擊，點夯夯擊能E<4000 kN·m的最后2擊平均夯沉量不大于5 cm，點夯夯擊能E介于4000～6000 kN·m之間的最后2擊平均夯沉量不大于10 cm。點夯后，整個場地以低能量進行滿夯二遍，滿夯夯擊能采用2000 kN·m，每夯點2擊，錘印搭接1/4。每兩遍夯擊之間的間隔時間為3 d，強夯處理范圍每邊超出基礎(chǔ)外邊緣5 m。夯點布置示意圖如圖2所示。

強夯施工基本步驟：定位放線、平整場地、標出第一遍夯點位置、測量高程→第一遍點夯施工→就地推平夯坑、測量場地高程→第二遍夯點施工→就地推平夯坑→第一遍滿夯→第二遍滿夯。夯坑周圍地面不應發(fā)生過大隆起，夯坑不宜過深，必要時應對施工能級及擊數(shù)根據(jù)實際施工情況進行一定調(diào)整。要求強夯處理后的素填土層①地基承載力特征值不小于120 kPa，壓縮模量Es不小于6 MPa，以現(xiàn)場靜載荷試驗及重型圓錐動力觸探試驗確定。

圖2 夯點布置示意圖

1.4 基礎(chǔ)平面布置

圖3 基礎(chǔ)平面布置圖

1.5 淺基與樁基造價對比

本文依據(jù)工程建設(shè)期間的漳浦縣材料綜合價格及福建省機械臺班費，分別進行淺基方案、樁基方案的基礎(chǔ)造價估算。擬建育肥舍采用強夯地基淺基礎(chǔ)方案，66個獨立基礎(chǔ)造價加上場地的強夯費用，預估育肥舍基礎(chǔ)總造價約19.6萬元(經(jīng)竣工結(jié)算，基礎(chǔ)實際總造價19.32萬元)。擬建育肥舍填方區(qū)48個框架柱，若采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)方案，以中風化花崗巖層③作為樁端持力層，單柱單樁，樁徑ф800 mm，單樁樁長約6 m～10 m，總樁長約400 m，加上樁基承臺造價以及削方區(qū)18個獨立基礎(chǔ)造價，預估育肥舍基礎(chǔ)總造價約49.6萬元。

對比發(fā)現(xiàn)，擬建育肥舍采用強夯地基淺基礎(chǔ)方案比采用樁基礎(chǔ)方案的基礎(chǔ)造價節(jié)省約30萬元。延展到整個工程項目，預估基礎(chǔ)造價可節(jié)省約350萬元，經(jīng)濟效益十分明顯。

1.6 地基驗算

本文以擬建育肥舍在填方區(qū)具一定代表性的⑨軸交E軸的柱下獨立基礎(chǔ)DJ02為例，進行地基承載力驗算、基礎(chǔ)沉降變形驗算等。DJ02獨立基礎(chǔ)底面邊長b=l=2.7 m。根據(jù)規(guī)范[2]，強夯加固并經(jīng)深度修正后的素填土層①地基承載力特征值fa=137.5 kPa，碎塊狀強風化巖層及中風化巖層的地基承載力特征值不修正。

1.6.1 承載力驗算

由結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件計算，標準組合時上部結(jié)構(gòu)傳至DJ02獨立基礎(chǔ)頂面的豎向力Fk=652.2 kN，基礎(chǔ)自重及基礎(chǔ)上的土重Gk=218.7 kN，作用于基礎(chǔ)底面的力矩值Mkx=16.8 kN·m，Mky=5.1 kN·m。

(3)依照以上方法，對育肥舍全部66個獨立基礎(chǔ)進行承載力驗算，地基承載力均滿足規(guī)范[2]要求。

1.6.2 基礎(chǔ)沉降變形驗算

表2 沉降量計算過程表

依照以上方法，并考慮剛性下臥層對上覆土層的變形增大系數(shù)βgz后，計算育肥舍全部66個獨立基礎(chǔ)的地基最終沉降變形量為0 mm～40.4 mm，滿足柱基沉降量不大于120 mm的要求。另外，育肥舍柱距6.0 m～7.7 m，要求相鄰柱基的基礎(chǔ)沉降差不大于12.0 mm～15.4 mm。場地西端①軸的6個獨立基礎(chǔ)位于中風化花崗巖層③中，中風化巖層視為不可壓縮層，地基最終沉降變形量為0 mm。②軸、③軸的12個獨立基礎(chǔ)位于碎塊狀強風化花崗巖層②中，地基最終沉降變形量為2.8 mm～7.9 mm。④軸～軸的48個獨立基礎(chǔ)的地基最終沉降變形量為18.6 mm～40.4 mm，由④軸向東至軸，場地填土層厚度逐步變厚，地基最終沉降變形量也相對逐步增大。66個獨立基礎(chǔ)經(jīng)逐個核對，相鄰柱基的沉降差均滿足規(guī)范[2]要求。同時，在①軸～③軸強度高的持力層上鋪墊一定厚度的褥墊層，在基礎(chǔ)持力層差異較大的③軸、④軸之間設(shè)置后澆帶等構(gòu)造措施，相鄰柱基的沉降差得到進一步改善。

2 現(xiàn)場檢測

2.1 重型圓錐動力觸探試驗

根據(jù)強夯地基土層性質(zhì)，無法采取原狀土樣進行室內(nèi)土工試驗，因此，本工程選用重型圓錐動力觸探試驗(簡稱“動探”)方法，進行強夯地基的均勻性及承載力檢驗，并進行強夯前后對比。強夯前對比點和強夯后檢驗點數(shù)量均按每400 m2不少于1個的要求，在場地內(nèi)隨機均勻布置。

擬建育肥舍強夯處理面積約3000 m2，共布置強夯前對比點8個、強夯后檢驗點8個，分別進行動探檢驗，檢驗深度為基礎(chǔ)底面以下至填土層底。每貫入10 cm計1次擊數(shù)，經(jīng)桿長修正后的動探試驗數(shù)據(jù)對比詳見表3。由表3可知，強夯后的地基土動探最小擊數(shù)增幅達到175%，最大擊數(shù)也相應程度增大，擊數(shù)極差及變異系數(shù)均有一定程度減小，擊數(shù)標準值增幅達到114%。說明地基土內(nèi)部薄弱部位得到明顯補強，均勻性得到較大程度改善，地基土強度得到明顯提高。

依據(jù)地質(zhì)手冊[3]查表可知，強夯后的地基土承載力特征值不小于160 kPa，壓縮模量不小于6.5 MPa，滿足地基加固設(shè)計要求。

表3 動探試驗數(shù)據(jù)對比表

2.2 淺層平板載荷試驗

地基強夯完成后，該工程采用淺層平板載荷試驗方法進行強夯地基承載力檢驗，并計算變形模量。檢驗點數(shù)量每個建筑地基不少于3個，在場地內(nèi)選擇代表性位置相對均勻布置，試驗位置位于基礎(chǔ)底面標高處。

擬建育肥舍在強夯處理范圍內(nèi)共布置3個淺層平板載荷試驗檢驗點，方形承壓板尺寸1.0 m×1.0 m，承壓板面積1.0 m2，最大試驗荷載加至240 kPa，分8級加載，每級加載量30 kPa，試驗成果數(shù)據(jù)及變形模量如表4所示。3個載荷試驗的p-s曲線均為緩變曲線，典型p-s曲線如圖4所示，地基承載力特征值取最大試驗荷載的一半，即取120 kPa。

表4 載荷試驗成果

圖4 載荷試驗p-s曲線(S3點)

由此可見，強夯后的地基土承載力特征值不小于120 kPa，且根據(jù)變形模量與壓縮模量的關(guān)系[4]計算土的壓縮模量Es=7.7～10.1 MPa>6.0 MPa，滿足地基加固設(shè)計要求。

2.3 沉降觀測

該工程在育肥舍四角及沿外墻每隔1根框架柱的柱基上，布置1個沉降觀測點，共設(shè)置18個沉降觀測點。根據(jù)施工期及竣工后連續(xù)觀測，各觀測點的總沉降量0.3 mm～35.6 mm，目前已沉降穩(wěn)定，沉降觀測值與設(shè)計計算值基本吻合。該養(yǎng)豬場建成后，已使用兩年多時間，未見建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)沉降、結(jié)構(gòu)破壞等問題而影響正常使用的情況，目前養(yǎng)豬場運營良好。

3 結(jié)語

(1)經(jīng)現(xiàn)場檢測，場地表部素填土層①經(jīng)強夯處理后的地基承載力特征值由60～85 kPa提高到至少120 kPa，壓縮模量由3.0～4.3 MPa提高到至少6.0 MPa。素填土層①的地基性能及其均勻性得到有效改善，地基加固效果明顯。

(2)素填土層①經(jīng)強夯處理后，在一定程度上縮減與場地西端的碎塊狀強風化花崗巖層②及中風化花崗巖層③之間的差異性。三者聯(lián)合作為單層育肥舍基礎(chǔ)持力層的淺基礎(chǔ)方案，經(jīng)地基強度及沉降變形驗算，并經(jīng)現(xiàn)場檢測、監(jiān)測等手段驗證，以及基礎(chǔ)造價對比，表明本工程單層育肥舍采用淺基礎(chǔ)方案，在技術(shù)上可行且經(jīng)濟合理。

(3)強夯法雖在各類工程中得到廣泛應用，但每個工程場地的巖土條件各不相同，目前對不同巖土場地，還沒有一套成熟且有針對性的強夯加固設(shè)計計算方法。在地基強夯處理前，應通過現(xiàn)場試夯確定其在擬處理場地的適用性和處理效果，并確定各項強夯參數(shù)。強夯處理后的地基承載力特征值及其均勻性應通過現(xiàn)場靜載荷試驗、其它原位測試和室內(nèi)土工試驗(若能取原狀土樣)等方法綜合確定和檢驗。