某地基處理工程強(qiáng)夯試驗(yàn)段施工及濕溶陷性粉土強(qiáng)夯效果分析

孔慶華，范志偉

（北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088）

1 工程概況

本項(xiàng)目位于南亞某國某市東北方向26 km、馬克蘭沿海公路北側(cè)1.5 km 處。項(xiàng)目占地面積約18 km2，主要包括飛行區(qū)和航站區(qū)及附屬設(shè)施等。飛行區(qū)：建設(shè)指標(biāo)4F，主要包括一條跑道（長3 658 m、寬45 m，兩側(cè)各設(shè)15 m 寬道肩）、一條垂直滑行道、一塊停機(jī)坪（長245 m、寬159 m）及服務(wù)車道、巡場(chǎng)路、場(chǎng)道排水、場(chǎng)區(qū)圍界等工程；航站區(qū)工程：主要包括1.4 萬m2的航站樓、航管樓、塔臺(tái)、消防及應(yīng)急救援站、機(jī)務(wù)場(chǎng)務(wù)特種車庫、機(jī)場(chǎng)綜合辦公樓、主清真寺、生活供水站、消防供水站、污水處理站、垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站、中心變電站、燈光變電站、132 kV 變電站、制冷站、單身住宅、管理人員家庭住宅、社區(qū)學(xué)校、社區(qū)衛(wèi)生院、社區(qū)清真寺及海水淡化廠等。

2 試驗(yàn)段強(qiáng)夯施工概況

試驗(yàn)區(qū)面積20 m×20 m，夯擊能級(jí)為5 000 kN·m 點(diǎn)夯，點(diǎn)夯2 遍；第一遍點(diǎn)夯結(jié)束后，將夯坑填平。滿足時(shí)間間歇后，進(jìn)行第二遍點(diǎn)夯，并且每個(gè)夯點(diǎn)最后兩擊平均夯沉量不大于100 mm。第二遍點(diǎn)夯結(jié)束后，將夯坑填平、場(chǎng)地推平。滿足時(shí)間間歇后，采用單擊夯擊能2 000 kN·m 進(jìn)行滿夯拍平。滿夯拍平時(shí)，錘印之間搭接1/3 錘徑，每印痕連夯3 擊。滿夯結(jié)束后，將場(chǎng)地推平、碾壓，使地基土密實(shí)、平整。強(qiáng)夯試驗(yàn)段的夯點(diǎn)示意圖如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)段夯點(diǎn)示意圖

試驗(yàn)段試夯施工前，采用工程地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔和漫灌相結(jié)合的方式將地基土增濕，增濕后7 m 深度范圍內(nèi)的粉土含水率平均值約11.1%（8.5%～17.8%），其中因天然狀態(tài)粉質(zhì)黏土②層含水率為26.8%～28.2%，第二遍點(diǎn)夯后進(jìn)行晾曬。

3 測(cè)試工作方法

本試驗(yàn)段的夯前、夯后地基土工程性質(zhì)測(cè)試工作方法為鉆探取樣、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)。

3.1 鉆探、取樣

1）本次鉆探在非飽和土深度范圍內(nèi)及飽和粉土1 m 深度范圍內(nèi)的土層采用沖擊鉆進(jìn)法（干鉆），采取分段進(jìn)尺、逐次縮減、最后清孔（3 鉆1 m）的鉆進(jìn)程序，每段進(jìn)尺按小于40 cm鉆進(jìn)。飽和粉土1 m 深度以下的巖土層采用套管護(hù)壁，清水循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，孔徑108 mm。

2）沖擊鉆進(jìn)清孔采用專用的薄壁打筒進(jìn)行。

3）現(xiàn)場(chǎng)使用薄壁T50 內(nèi)置環(huán)刀取土器的擊入法進(jìn)行非飽和土取樣。該取土器所采取土試樣可用于評(píng)價(jià)濕（溶）陷性。飽和土試樣采用內(nèi)襯式薄壁取土器進(jìn)行采取，風(fēng)化黏土巖試樣直接在鉆取的巖芯中取樣。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)采用對(duì)開式貫入器自動(dòng)脫鉤自由落錘法，錘擊速率小于30 擊/min。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)鉆孔先鉆至試驗(yàn)標(biāo)高以上15 cm 處（成孔工藝與鉆探相同），清除孔底殘土后再進(jìn)行試驗(yàn)。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)從地表1.0 m 開始進(jìn)行試驗(yàn)，10 m 以內(nèi)試驗(yàn)間距按1.0 m 進(jìn)行。將貫入器打入土中15 cm 后，開始記錄，將30 cm 分3 段記錄錘擊數(shù)即每打入10 cm 的錘擊數(shù)，累計(jì)打入30 cm 的錘擊數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N；貫入時(shí)如50 次錘擊未達(dá)到30 cm 的貫入深度，終止試驗(yàn)并記錄其貫入深度。

3.3 室內(nèi)土工試驗(yàn)

室內(nèi)土工試驗(yàn)主要內(nèi)容包括：物理指標(biāo)試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、濕（溶）陷性試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)等。

擊實(shí)試驗(yàn)采用3 層重型擊實(shí)法，其中粉土采用每層擊數(shù)42 擊，粉質(zhì)黏土采用每層擊數(shù)94 擊；含水率試驗(yàn)采用烘干法，密度試驗(yàn)采用環(huán)刀法。

3.4 平板靜載荷試驗(yàn)

本次平板靜載荷試驗(yàn)加荷方式采用慢速維持荷載法，加載反力為壓重平臺(tái)反力裝置。試驗(yàn)承壓板為厚50 mm 圓形鋼板，承壓板面積2.0 m2（直徑1 600 mm）。

試驗(yàn)方法如下。

1）加荷方式采用慢速維持荷載法；

2）加荷采用分級(jí)等量進(jìn)行，加載等級(jí)為8 級(jí)，每級(jí)加載增量為40 kPa，最大加載320 kPa；

3）測(cè)讀沉降時(shí)間間隔：每級(jí)荷載加荷后隔10 min、10 min、10 min、15 min、15 min 各測(cè)讀承壓板的沉降量，以后每隔30 min 測(cè)讀一次；

4）沉降相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)連續(xù)2 h 內(nèi)，每小時(shí)的下沉量小于0.1 mm 時(shí)，則可認(rèn)為已趨于穩(wěn)定，加下一級(jí)荷載，每級(jí)荷載的維持時(shí)間不應(yīng)少于2 h；

5）卸荷時(shí)，分為4 級(jí)，每級(jí)荷載維持1 h，按第10 min、30 min、60 min 測(cè)讀承壓板沉降量；卸載至零后，測(cè)讀承壓板殘余沉降量，維持時(shí)間3 h，測(cè)讀時(shí)間為第10 min、30 min、60 min、120 min、180 min。

4 已完工程量和時(shí)間

4.1 夯前完成工作量

1）鉆孔5 個(gè)，孔深10.30～29.80 m，合計(jì)進(jìn)尺88.70 m；對(duì)比探坑1 個(gè)，深度6.00 m；

2）取不擾動(dòng)土（含全風(fēng)化）試樣47 組（其中探坑6 組），擾動(dòng)土試樣23 件，強(qiáng)～中風(fēng)化黏土巖試樣11 件，擊實(shí)土試樣3組；

3）現(xiàn)場(chǎng)完成標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)45 次；

4）室內(nèi)完成常規(guī)土工試驗(yàn)47 件，壓縮試驗(yàn)47 件，濕（溶）陷試驗(yàn)47 件，自重濕（溶）陷試驗(yàn)28 件，濕（溶）陷起始?jí)毫υ囼?yàn)28 件，自由膨脹率試驗(yàn)11 件，50 kPa 膨脹率試驗(yàn)11 件，收縮系數(shù)試驗(yàn)3 件，顆粒分析試驗(yàn)4 件，重型擊實(shí)試驗(yàn)3 組。

4.2 夯后成果試驗(yàn)完成工作量

1）鉆孔5 個(gè)，孔深8.00～8.30 m，合計(jì)進(jìn)尺40.90 m；

2）取不擾動(dòng)土試樣17 組，擾動(dòng)樣21 件；

3）現(xiàn)場(chǎng)完成標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)24 次，夯后平板靜載荷試驗(yàn)3 個(gè)點(diǎn)；

4）室內(nèi)完成常規(guī)土工試驗(yàn)17 件，壓縮試驗(yàn)17 件，濕（溶）陷系數(shù)17 件，自重濕（溶）陷系數(shù)17 件，濕（溶）陷起始?jí)毫?7件，自由膨脹率2 件，50 kPa 膨脹率2 件。

5 強(qiáng)夯前試驗(yàn)段地基巖土物理力學(xué)性質(zhì)

5.1 地基巖土物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試

5.1.1 室內(nèi)物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)

通過土工試驗(yàn)，各層土（巖）的主要工程性質(zhì)評(píng)價(jià)如下：

①層粉土為非飽和土，非自重濕（溶）陷性，局部具濕（溶）陷性，中等壓縮性土為主；

②層粉質(zhì)黏土為非飽和土，中等壓縮性土，膨脹潛勢(shì)弱，具膨脹性；

③層粉土為非飽和土，低壓縮性土為主，不具濕（溶）陷性和脹縮性；

④層粉土為飽和土，中等壓縮性土，不具濕（溶）陷性和脹縮性；

⑤層粉質(zhì)黏土為飽和土，干重度較高，中等壓縮性為主，局部膨脹潛勢(shì)弱；

⑥層全風(fēng)化黏土巖，飽和，干重度高，低壓縮性為主，膨脹潛勢(shì)弱。

5.1.2 重型擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)段的最優(yōu)含水量和最大干密度試驗(yàn)結(jié)果如下。

①粉土：取土深度1.0 m，最優(yōu)含水量13.5%，最大干密度1.8 g/cm2。

②粉質(zhì)黏土：取土深度2.0m，最優(yōu)含水量13.8%，最大干密度1.94 g/cm2。

③粉土：取土深度3.5 m，最優(yōu)含水量11.6%，最大干密度1.86 g/cm2。

5.1.3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)分層結(jié)果如下。

①粉土：標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù)最大值9 擊，最小值6 擊，平均值8 擊。

②粉質(zhì)黏土：標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù)最大值11 擊，最小值6 擊，平均值8 擊。

③粉土：標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù)最大值19 擊，最小值10 擊，平均值15 擊。

④粉土：標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù)最大值13 擊，最小值4 擊，平均值11 擊。

④1細(xì)沙：標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù)最大值24 擊，最小值16 擊，平均值19 擊。

⑤粉質(zhì)黏土：標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù)最大值20 擊，最小值18擊，平均值19 擊。

⑥黏土巖：標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù)最大值82 擊，最小值74 擊，平均值78 擊。

5.2 濕（溶）陷土評(píng)價(jià)

5.2.1 場(chǎng)地濕陷類型

試驗(yàn)土樣的自重濕陷系數(shù)均小于0.015，本試驗(yàn)區(qū)屬非自重濕陷性場(chǎng)地。

5.2.2 地基濕陷等級(jí)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，①層粉土局部具濕陷性，②層粉質(zhì)黏土具濕陷性，試驗(yàn)段濕陷量的計(jì)算值為33～69 mm，地基濕陷計(jì)算等級(jí)屬Ⅰ級(jí)（輕微），本試驗(yàn)段的地基濕陷等級(jí)可按Ⅱ級(jí)（中等）設(shè)防[1，2]。

6 試驗(yàn)段強(qiáng)夯效果分析

6.1 夯后地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)鉆探取樣、室內(nèi)試驗(yàn)、原位測(cè)試結(jié)果綜合分析，自上而下分層描述如下。

①粉土：不具濕（溶）陷性。

②粉質(zhì)黏土：具收縮性，膨脹潛勢(shì)弱，屬中等壓縮性土。

③粉土：中密為主，局部自然風(fēng)干有大量鹽分析出。

④粉土：不具濕（溶）陷性，屬中等壓縮性土。

6.2 夯后成果試驗(yàn)

6.2.1 室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)

夯后地基土物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)段夯后地基土主要物理指標(biāo)分層統(tǒng)計(jì)表

6.2.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)分層統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下。

②粉質(zhì)黏土：標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù)平均值17 擊；③粉土：標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù)平均值21 擊；④粉土：標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù)平均值5 擊。

6.2.3 平板靜載荷試驗(yàn)

通過對(duì)平板靜載荷試驗(yàn)成果分析：試驗(yàn)點(diǎn)在最終荷載320 kPa 時(shí)承壓板沉降量s 為11.93～20.53 mm，未達(dá)到破壞狀態(tài)。試驗(yàn)點(diǎn)在160 kPa 壓力時(shí)對(duì)應(yīng)的沉降量4.82～9.08 mm，其“s/d”為0.0030～0.0057，均小于0.010（d=1600 mm，d 為承壓板直徑），故試驗(yàn)點(diǎn)地基承載力特征值均不小于160 kPa，即強(qiáng)夯后試驗(yàn)段地基承載力特征值不小于160 kPa，達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的地基處理效果目標(biāo)。

6.3 試驗(yàn)段強(qiáng)夯夯實(shí)層下界

試驗(yàn)段夯實(shí)厚度平均值為7.50 m，夯實(shí)層下界標(biāo)高平均值為7.10 m。

6.4 試驗(yàn)段強(qiáng)夯處理厚度

強(qiáng)夯處理厚度整區(qū)平均值為8.52 m，中部區(qū)域處理厚度平均值為8.53 m。

6.5 夯后與天然狀態(tài)成果試驗(yàn)對(duì)比

6.5.1 室內(nèi)成果試驗(yàn)對(duì)比

通過對(duì)夯實(shí)層下界范圍內(nèi)地基土天然狀態(tài)和強(qiáng)夯后的試驗(yàn)成果對(duì)比，分析如下。

1）浸水后，①層粉土和③層粉土含水率和飽和度明顯增大；②層粉質(zhì)黏土因天然含水量較大，增加幅度不明顯；試驗(yàn)段晾曬后②層粉質(zhì)黏土含水率和飽和度明顯降低。

2）經(jīng)地基土含水率改造，強(qiáng)夯影響深度（處理厚度）范圍內(nèi)土的干密度增大，濕（溶）陷系數(shù)和壓縮系數(shù)比天然狀態(tài)減小；其中對(duì)①層粉土、②層粉質(zhì)黏土的改善效果相對(duì)顯著，而對(duì)③層粉土的改善效果相對(duì)弱。從土性指標(biāo)來看，②層粉質(zhì)黏土對(duì)強(qiáng)夯能量往其下土層傳遞具有一定阻礙作用。

3）試驗(yàn)段夯實(shí)厚度范圍內(nèi)的地基土濕（溶）陷性消除，達(dá)到設(shè)計(jì)的地基處理效果目標(biāo)。

6.5.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果試驗(yàn)對(duì)比

通過對(duì)夯實(shí)層下界范圍內(nèi)地基土實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)隨標(biāo)高變化對(duì)比分析，夯實(shí)層下界范圍內(nèi)實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)皆大于天然狀態(tài)。

夯后實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫試驗(yàn)錘擊數(shù)②層粉質(zhì)黏土為16～18 擊、平均值17 擊；③層粉土為16～27 擊、平均值21 擊[3，4]。

7 結(jié)論及展望

1）地基處理前的試驗(yàn)段可按非自重濕陷性場(chǎng)地考慮，考慮到試驗(yàn)段后續(xù)土方填筑及其所填土料局部具有濕（溶）陷性和地下水位未來可能下降等因素，試驗(yàn)段的地基濕陷等級(jí)可按Ⅱ級(jí)（中等）設(shè)防。

2）鉆孔增濕和漫灌相結(jié)合的方式適宜本場(chǎng)地粉土的含水率改造。

3）試驗(yàn)段夯實(shí)厚度范圍內(nèi)的地基土濕（溶）陷性消除，達(dá)到設(shè)計(jì)的地基處理效果目標(biāo)。Ⅲ級(jí)濕（溶）陷區(qū)地基處理有效深度7m 范圍內(nèi)土層的濕陷系數(shù)應(yīng)小于0.015。

4）試驗(yàn)段強(qiáng)夯后地基承載力特征值不小于160 kPa，承載力達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的地基處理效果目標(biāo)。

為后續(xù)工程強(qiáng)夯順利實(shí)施，得出以下建議：（1）根據(jù)試驗(yàn)段巖土性質(zhì)、地基土的重型擊實(shí)試驗(yàn)和夯后成果試驗(yàn)結(jié)果，選擇合適的增濕或減濕措施對(duì)強(qiáng)夯效果至關(guān)重要；（2）本場(chǎng)地②層粉質(zhì)黏土具一定的脹縮性，后續(xù)施工過程中需控制其含水率；（3）因本區(qū)②層粉質(zhì)黏土具有一定的脹縮性，且分布于淺部，故在同類型場(chǎng)地強(qiáng)夯施工過程中一定需要在其上部保留一定厚度的粉土，可減少夯后②層粉質(zhì)黏土的脹縮性，節(jié)約其作為后續(xù)淺基礎(chǔ)直接持力層時(shí)的二次處理造價(jià)。