強夯置換軟土成墩試驗研究*

趙 民，賀可強，張 冰，吳邵芳，孫義曉，王書鶴，王 曄，潘增志

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033； 2.青島理工大學，山東 青島 266033；3.青島巖土工程技術研究中心，山東 青島 266033)

0 引言

軟土在較大地震力作用下可能出現(xiàn)震陷的細粒土，包括淤泥、淤泥質土、泥炭質土及某些沖填和吹填的細粒土。我國軟土主要分布在沿海地帶及平原低地、沼澤地區(qū)。隨著濱海城市規(guī)模的擴大，土地需求量越來越大，利用和處理濱海軟土成為濱海城市工程建設面臨的新挑戰(zhàn)。

不少學者對此進行了研究，按強夯置換的墊層、混合土、透水樁排水、擠密、振密等聯(lián)合作用[1-9]，粒料墩可作為墩-土復合地基或加固型支護結構使用，目前置換墩復合地基技術已被列為國家標準[10]，對不同夯擊能量對應的置換深度和收錘標準、喂料方式和標準作出了規(guī)定；并從設計角度規(guī)定了墩體的計算直徑可取夯錘直徑的1.1～1.4倍，從施工角度規(guī)定了累積夯沉量不應小于設計墩長的1.5～2.0倍。強夯置換工藝影響因素較多，地基的軟硬程度和透水性質差異性較大，因此，加固后的墩體形態(tài)復雜，置換深度與直徑很難由施工過程控制，目前只能通過間接估算或夯后檢測得到，而間接估算很難達到工程精度，夯后檢測僅能作為驗收事件。為從理論上較好地解決這一問題，有效指導強夯置換設計和施工過程，設計強夯置換軟土地基室內模型試驗，并通過數值模擬計算和現(xiàn)場試驗驗證，分析墩型隨夯擊數的變化規(guī)律，宏觀研究成墩過程。

1 室內模型試驗

1.1 模型相似關系

在強夯置換過程中，影響墩型形成的主要因素為巖土體特性和強夯參數[11]。在模型試驗中，根據第二相似定理[12]，選擇單擊夯擊能E、錘重Q、落距h、夯擊次數N、錘底面積A、夯坑深度s、土體密度ρ等參數建立方程：

f(E,Q,h,N,A,s,ρ)=0

(1)

若以Q，h為基本量，根據π定理對其他參數進行無量綱化，建立量綱方程：

(2)

根據上述相似率關系，確定模型試驗中錘重相似系數CQ為8 000，落距相似系數Ch為20，夯擊能相似系數CE=160 000，錘底直徑相似系數Cd=20，密度相似系數Cρ=1。

1.2 試驗裝置設計

模型試驗箱框架材料為角鐵，四周鑲嵌透明有機玻璃板，玻璃膠粘接，上、下兩面開口；夯錘起吊支架與模型箱通過導軌連接，方便夯點移位。根據外邊界對強夯作用區(qū)域墩-土影響距離≥10倍夯錘直徑的條件，結合對比試驗，設計模型試驗箱內部尺寸為2 000mm×1 500mm×1 200mm(長×寬×高)，如圖1a所示。試驗夯錘根據落距相似系數Ch=20，設計夯錘直徑5cm、高20cm，夯錘錐體角度分別為0°，60°，80°；按錘重相似系數CQ=8 000，試驗夯錘重3kg(見圖1b)。

圖1 模型試驗箱和試驗夯錘

1.3 試驗材料制備

試驗軟土取自青島環(huán)膠州灣某基坑淤泥質粉質黏土(青島標準地層第⑥層)，根據勘察報告，該軟土含水率為35%，密度為1.84g/cm3，孔隙比為1.2，飽和度為96.8%，液限為30.3%，塑限為16.4%，壓縮系數為0.638MPa-1。運至實驗室后模擬地基土體進行土體重塑，鋪填厚度為40cm；軟土底部鋪填人工密實中細砂厚約40cm。夯坑填料為碎石，按落距相似系數Ch=20，取試驗碎石平均粒徑10mm，并進行染色處理。

1.4 試驗方案

試驗前土體表層均勻預鋪碎石約厚2cm。夯錘起吊支架和模型箱上均粘貼刻度尺，用于測量夯錘落距和夯點間距；采用激光測距儀測量夯沉量和墩體深度，游標卡尺測量墩體直徑。為保證開挖時墩體不散落破壞，置換施工完畢后，對墩體澆筑快速凝固膠水，形成膠結墩體(見圖2)。試驗分批次完成，按填料方式分為A，B，C 3組(夯坑填料比例分別為1/3，1/2，1)，試驗夯擊能通過調整夯錘的下落高度來確定(落距分別為90，120，150cm)；每次試驗布置5個夯點，每個夯點的喂料次數和夯擊次數同夯點編號，分別形成5個獨立墩體。試驗分組方案如表1所示。

表1 模型試驗分組方案

圖2 膠結墩體

1.5 試驗結果

B21模型(夯擊能36N·m、夯坑1/2填料、平底夯錘)的成墩過程如圖3所示，5個夯點分別由夯1～5擊形成實際墩體(墩體輪廓線為實測線)，B21模型實測墩型參數如表2所示(小于錘徑的底部墩體未計入墩長)，其他試驗組別因篇幅所限不再贅述。試驗顯示，隨著夯擊數的增加和不斷喂料，墩長和墩徑均增大，墩體基本保持鼓狀，墩底呈鍋底形。

圖3 模型試驗成墩過程

表2 室內試驗實測墩型參數

2 數值模擬

2.1 基本原理

在極限狀態(tài)下，外荷載產生的實際剪應力與抵御外荷載所發(fā)揮的最低抗剪強度相等。折減后的抗剪強度參數可分別表達為：

cm=c/Fr

(3)

φm=arctan(tanφFr)

(4)

式中：c，φ為土體所能夠提供的抗剪強度指標；cm，φm為維持平衡所需的或土體實際發(fā)揮的抗剪強度指標；Fr為強度折減系數。

土體在沖擊荷載作用下吸收能量產生較大的塑性應變，甚至完全破壞，可認為土體單元強度在沖擊波及碎石的直接作用下逐漸衰減，其實質為材料c，φ逐漸降低，導致某土體單元的應力無法和強度匹配，或超出屈服面，其不能承受的應力將逐漸轉移到周圍土體單元中，出現(xiàn)連續(xù)滑動面(屈服點連成貫通面)后，土體將失穩(wěn)。采用ABAQUS軟件中的Mohr-Coulomb塑性模型進行二維數值模擬，由于材料參數隨場變量變化，可模擬強度參數減小的過程。

2.2 計算模型與分析步

為比較分析墩型變化規(guī)律，數值計算模型采用與室內模型試驗相同的幾何參數，單元網格尺寸最大取5mm。邊界條件為：約束模型底邊x，y方向位移及兩側直邊x方向位移。

數值模擬過程按夯錘預成孔、夯坑喂料、夯擊、再喂料、再夯擊等成墩工況操作。在Load分析步中，施加荷載獲得初始應力狀態(tài)，并進行初始應力場的平衡。由于碎石和土體的彈性參數、黏聚力、內摩擦角均受應力狀態(tài)的影響，進行初始應力場平衡獲取土體當前應力狀態(tài)顯得尤為重要。在Reduce分析步中，進行強度折減計算分析，模型采用非關聯(lián)流動法則，應用非對稱求解器，避免計算不易收斂。

2.3 巖土材料

成墩過程中有3種巖土材料參與計算，即原狀淤泥質粉質黏土層、夯擊后夯坑內喂料層、喂料夯實后的墩體層。各材料計算參數取值如表3所示。

表3 模型各材料計算參數

2.4 模擬結果

模擬B21模型成墩過程如圖4所示，7個夯點分別由夯1～7擊形成模擬墩體(輪廓線為概化后的縱剖面)。B21模型模擬墩型參數如表4所示。數值模擬時，每次夯擊前網格均需重新建立，前1次強夯形成的碎石墩(概化后呈紡錘形)將成為后1擊的初始狀態(tài)。隨著夯擊次數增加和不斷喂料，模擬墩型的變化與模型試驗類似，墩長和墩徑均增大。

表4 B21模型數值模擬墩型參數

圖4 數值模擬成墩過程

3 結果分析

置換成墩過程中的墩型分析主要包括墩長和墩徑，為保證試驗結果的普適性，對墩長按現(xiàn)場與室內試驗的相似比分析變化規(guī)律，對墩徑進行無量綱化處理后分析變化規(guī)律。墩型參數定義為：墩長相似比k=L/H；平均擴徑系數λ=D/d；最大擴徑系數λmax=Dm/d；最大墩徑埋深占比β=Hm/H；平均長徑比η=H/D。其中，k=20；L為現(xiàn)場試驗墩長；H為室內試驗墩長；D為室內試驗墩體平均直徑；Dm為室內試驗墩體最大直徑；d為室內試驗錘體直徑；Hm為室內試驗最大墩徑埋深；η為平均長徑比。

3.1 墩長變化規(guī)律

影響墩長的因素包括夯擊能、夯擊次數、錘底單位壓力、地基土性質、不同土層厚度和埋藏順序及地下水位等[1-2]，夯擊能影響最終墩長，夯擊次數直接影響墩體豎向延伸及沿深度的密實程度，置換墩長與夯擊次數的關系如圖5所示。

圖5 置換墩長與夯擊次數關系

由圖5可知，墩長均隨著夯擊次數的增加而增大。不同填料方式下，1/2填料墩長增長速率較大，滿填料增長速率較小；不同錘體錐角下，錘體錐角0°，60°時墩長遞增明顯，錐角80°時墩長遞增緩慢，且最終墩長較小；不同夯擊能下，前幾擊增幅大，墩體形成后增幅很小，且出現(xiàn)明顯的最佳夯擊能；B21模型數值模擬與室內模型試驗吻合良好，說明建立的數值模型能準確地反映置換墩的生成，對模型數據進行擬合：

H=5.056lnN+28.142

(3)

擬合公式可作為現(xiàn)場施工估算墩長的依據。

3.2 墩徑變化規(guī)律

隨著夯擊次數的增加，墩體豎向延伸并密實，密實達到一定程度時，發(fā)生明顯的徑向擴展，直至跳錘徑向擴展減弱，墩體擴徑系數與夯擊次數的關系如圖6所示。

由圖6可知，不同填料方式下，墩徑隨夯擊次數遞增，滿填料時墩體擴徑大，且隨夯擊次數墩徑增幅變大；不同錘體錐角下，墩徑隨夯擊次數遞增，前期夯擊平底夯錘擴徑明顯，后期夯擊尖錐夯錘擴徑明顯。不同夯擊能對墩徑影響不明顯；B21模型數值模擬與室內試驗吻合較好，說明建立的數值模型能夠準確反映置換墩體的生成。對模型數據進行擬合，平均墩徑的擴徑系數擬合公式為：

φ=0.064 8lnN+1.296 8

(4)

擬合公式可作為現(xiàn)場施工估算墩徑的依據。

3.3 最大墩徑埋深變化規(guī)律

最大墩徑埋深占比與夯擊次數的關系如圖7所示。

圖7 最大墩徑埋深與夯擊次數關系

由圖7可知，不同填料方式下最大墩徑埋深隨夯擊次數先增加后減小，A21模型因填料粒徑大等問題出現(xiàn)異常，每次填料越多最大墩徑埋深越??；不同錘體錐角下，最大墩徑埋深隨夯擊次數增加緩慢遞增，且遞增幅度基本一致；大夯擊能最大墩徑埋深較大，但增幅較小。B21模型數值模擬與室內模型試驗，強夯置換初期，墩體尚未成型，最大墩徑埋深因軟土性質、強夯參數等因素的影響變化較大，離散性也大，所以室內試驗與數值模擬的前2擊夯擊效果相差較大，總體上處在鍋底形墩底上部附近，隨著夯擊次數的增加，室內試驗與數值模擬結果一致且最大墩徑埋深占比幾乎不變，約為70%。

3.4 長徑比變化規(guī)律

墩體長徑比與夯擊次數的關系如圖8所示。

圖8 墩體長徑比與夯擊次數關系

由圖8可知，墩體長徑比整體隨夯擊次數增加遞增至趨于某定值或某個區(qū)間值。小填料長徑比大(約5.5)，大填料長徑比小(約4.0)，且大填料長徑比隨夯擊次數遞增到極值后微弱遞減或穩(wěn)定；不同錘體錐角下，60°錐角穩(wěn)定長徑比大(約5.7)，80°錐角穩(wěn)定長徑比小(約4.0)，平底錘穩(wěn)定長徑比約為4.5，錘體錐角對長徑比影響較大；小夯擊能墩體長徑比略大，且增幅略大。B21模型室內試驗與數值模擬的前3擊長徑比變化較大，且室內試驗增幅更大，夯擊3擊后，長徑比趨于穩(wěn)定，平均長徑比趨于5.5左右，最小長徑比趨于4.5左右，試驗結果與文獻[13]給出的臨界長徑比為5基本吻合。在置換成墩過程中，隨著夯擊次數增加，墩體豎向和徑向明顯向外延伸，每擊施加荷載不變，而墩體消耗能量增加，墩底接受的荷載逐漸變小，長徑比逐漸穩(wěn)定于4.5～5.5。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 工程地質條件

試驗場地選擇青島環(huán)膠州灣紅島某大型公建項目，勘察報告揭露表層為青島市標準地層第⑥層淤泥質粉質黏土，灰黑色，流塑，切面光滑，韌性較好，顆粒均勻，手感細膩，含有機質、貝殼碎屑，層厚7.0～9.0m，ck=6.3kPa，φk=7.6°，fak=40kPa，其他物理力學指標同模型試驗材料。下伏第11層黏土，黃色～黃褐色，可塑～硬塑，韌性較高，層厚5.0～10.0m，ck=39.2kPa，φk=16.4°，fak=240kPa，Es1-2=7.1MPa。

4.2 試驗方案

根據室內試驗相似關系，現(xiàn)場試驗選擇單擊夯擊能5 750kN·m(錘重250kN，落距23m)，平底夯錘錘徑1m。夯坑回填1/2，同一夯點按5次喂料、5次夯擊的方式形成墩體。

現(xiàn)場每次喂料與夯擊后采用面波法和地震影像法探測墩型。面波測試墩長，道間距0.5m，偏移距3.0m，采樣間隔0.2，0.5，1.0ms，采樣點4 096個，錘擊激發(fā)。地震影像測試墩徑，點距0.3m，偏移距0.9m，采樣間隔0.01ms，采樣點4 096個，錘擊激發(fā)，單道接收。夯至5擊后，鄰近墩體周邊通過斜孔探測墩徑及其位置，探測點豎向位置為孔口以下4，6，8m。

4.3 試驗結果

強夯置換第1～5擊成墩過程中的探測解譯如圖9所示，探測結果如表5所示，鉆探平均墩徑約1.5m，鉆探最大墩徑埋深約6m。根據面波的頻散特性測定置換墩與墩底土體界面的埋深，并通過剪切波速范圍變化，推測置換墩深度發(fā)育情況及密實程度。根據地震影像法反射波同相軸的變化情況探測墩體橫向發(fā)育情況，激震產生的彈性波沿樁深方向遇明顯波阻抗界面會發(fā)生反射，而這明顯的波阻抗界面就是最大墩徑位置。

圖9 成墩探測解譯

表5 物探解譯及鉆探測試墩型參數

現(xiàn)場試驗墩體墩長(統(tǒng)一為模型試驗幾何相似尺寸)、墩徑擴徑系數與擬合曲線基本吻合(見圖10,11)，平均擴徑系數因斜孔探測方法誤差大和探測數據少(僅3個測點)而偏離擬合曲線較大；現(xiàn)場試驗墩體的最小長徑比趨于4.5，平均長徑比趨于5.5(見圖12)；同理，鉆探最大墩徑埋深因探測方法和數據的局限性，計算的墩體最大墩徑埋深占比71.9%也有一定誤差，但與模型試驗規(guī)律基本一致。

圖10 墩長與夯擊次數的關系

圖11 擴徑系數與夯擊次數關系

圖12 長徑比與夯擊次數關系

5 結語

1)不同填料方式下，隨著夯擊次數的增加，墩長與墩徑均增加，最大墩徑埋深先深后淺，長徑比遞增至穩(wěn)定值。不同錘體錐角下，隨著夯擊次數的增加，墩長與墩徑均增加，最大墩徑埋深遞增較小，長徑比受影響大。不同夯擊能下，隨著夯擊次數的增加，墩長影響較大，且有最佳夯擊能；對墩徑影響??；大夯擊能時最大墩徑埋深較深，小夯擊能時墩體長徑比較大。

2)室內試驗和數值模擬的成墩效果基本一致，提出墩長和墩徑擬合公式，為置換墩的設計和施工質量管理提供參考依據。

3)通過現(xiàn)場試驗，驗證室內試驗和數值模擬的有效性，試驗結論能滿足強夯置換工程施工精度的要求。