預成孔置換強夯法在軟土地基中的試驗研究

趙永祥，劉 波，高玉杰，王 智

(1.中交一公局集團有限公司，北京 100024； 2.中化巖土集團股份有限公司，北京 102600； 3.中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100007； 4.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222)

1 研究背景

強夯置換法是一種常用的地基處理方法，適用于高飽和度的粉土與軟塑-流塑的黏性土地基上對變形要求不嚴格的工程[1]。在工程應用中，起重機械將柱錘提升至一定高度后自由落下，通過柱錘將碎石等擠壓入地基，以形成置換體，并與原地基共同作用，從而形成復合地基。

強夯法適用于碎石土、砂土、低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基[1]。近年來，隨著我國機械制造能力的提升，強夯能級有了大幅提高，目前最大能級達到18 000 kN·m(試驗能級達到25 000 kN·m)，有效加固深度得到大幅提升。高能級強夯在開山造陸、山區(qū)高填方、大厚度濕陷性黃土等場地得到廣泛應用。

水偉厚[2]提出了強夯置換區(qū)別于強夯的4個條件，并對強夯置換墩長度進行了實測。宜廬峻等[3]進行了強夯置換法與動力固結(jié)排水法的對比試驗，得出了覆蓋層較薄且下部分布軟土層時宜采用動力固結(jié)排水法的結(jié)論。徐玉勝[4]對比了夯擊能、錘徑、墊層厚度等參數(shù)對置換深度的影響程度。馬永峰[5]進行了不同能級強夯置換現(xiàn)場對比試驗。從施工工藝特點來看，強夯置換法存在置換能級低、地基處理深度小、置換墩不能著底、工后沉降大等缺點，導致強夯置換法的應用受到較大限制[6-9]。強夯法采用平錘施工，具有施工能級高、有效加固深度大的優(yōu)點，但在軟土地基中應用效果不佳[10-12]。

綜合分析兩種方法的優(yōu)缺點，在國內(nèi)首次采用了預成孔置換強夯法，該方法采用預先成孔，再在孔內(nèi)填滿石料，最后在地面進行平錘高能級強夯，通過高能級強夯作用將填料擠密。該方法通過預先成孔，有效解決了強夯置換法置換墩不著底、工后沉降大的問題；通過采用平錘高能級強夯，大幅提高了地基處理深度。該方法在青島海業(yè)摩科瑞油品罐區(qū)工程中得到成功應用。

2 工程概述

青島海業(yè)摩科瑞油品罐區(qū)工程距離海岸線約500 m，庫區(qū)場地總面積約47萬m2，包括3個20 000 m3儲罐、24個100 000 m3儲罐及相應的輔建配套區(qū)。根據(jù)上部建構(gòu)筑物情況，要求處理后的場地：100 000 m3儲罐區(qū)地基承載力特征值≥280 kPa，變形模量≥25 MPa；20 000 m3儲罐區(qū)地基承載力特征值≥250 kPa，變形模量≥25 MPa。

3 場地地質(zhì)條件

擬建場地地貌單元屬海岸帶地貌，場地典型區(qū)域為大面積回填海域區(qū)，地勢低，地形較平坦，該場地原為海水養(yǎng)殖塘，后進行了人工回填，但局部仍然可見未回填的養(yǎng)殖塘。場地覆蓋層依次為人工回填土，殘積、海相沉積成因的淤泥質(zhì)黏土混砂層。地下水埋深2 m。地層依自上而下順序分層如下。

⑤花崗巖(k1)：花崗巖層厚度較大，連續(xù)分部，局部可見風化程度不等的黑云母變粒巖。按花崗巖不同的風化程度可以細分為1、2、3亞層。圖1為典型工程地質(zhì)剖面圖。

圖1 典型地質(zhì)剖面圖Fig.1 Typical geological profile

4 可行性試驗研究

4.1 試驗區(qū)的設置

為對比施工效果，在場地內(nèi)共進行了4組對比試驗，分別為A1試驗區(qū)(柱錘強夯置換試驗區(qū))、A2試驗區(qū)(預成孔填料柱錘強夯置換試驗區(qū))、A3試驗區(qū)(平錘強夯置換試驗區(qū))、A4試驗區(qū)(預成孔填料平錘強夯置換試驗區(qū))。A1、A2試驗區(qū)均采用工程中常用的柱錘進行施工，錘徑為1.2 m；A3、A4試驗區(qū)采用平錘施工，錘徑為2.5 m。試驗區(qū)尺寸均為24 m×24 m。

經(jīng)過強夯試驗發(fā)現(xiàn)，A1、A3試驗區(qū)采用柱錘/平錘強夯置換，完全依靠柱錘/平錘下落沖擊填料，使填料逐步向下從而完成松散與軟土層的置換，夯后動力觸探試驗結(jié)果表明置換墩體著底不良。A2、A4試驗區(qū)處理效果較理想，置換墩均與底部巖體良好接觸。受篇幅所限，本文僅對預成孔填料平錘強夯置換試驗區(qū)(A4試驗區(qū))的施工及檢測結(jié)果進行分析。

4.2 試驗參數(shù)

根據(jù)場地地質(zhì)條件、主夯夯擊能及需達到的有效加固深度，將強夯分5遍進行施工。第1—第4遍均為點夯，第1遍夯點按正方形進行布置，夯點間距8 m，第2遍夯點位于第1遍點正方形中心，第3、第4遍夯點位于第1、第2遍點間，點夯能級為12 000 kN·m。收錘標準：最后兩擊平均夯沉量不應超過25 cm，且擊數(shù)至少25擊。第5遍為滿夯，每點夯2擊，錘印搭接寬度≥1/4錘徑，夯擊能為1 500 kN·m。試驗過程中進行孔隙水壓力監(jiān)測，根據(jù)試驗時孔隙水壓力消散情況確定兩遍點夯之間的間歇時間，一般為7 d。試驗區(qū)的夯點布置見圖2，試驗過程具體施工參數(shù)見表1。

圖2 夯點平面布置Fig.2 Plan arrangement of drop points

表1 試驗參數(shù)

4.3 施工工藝流程

預成孔置換強夯法施工流程如下：場地整平→測放孔位→振動沉管→成孔機械就位→成孔→孔內(nèi)填料→振動拔管→場地整平→測放夯點→點夯施工→滿夯施工→場地整平[13]。

在試驗區(qū)夯點點位預先成孔，成孔深度應達到持力層頂面，本次試驗成孔深度約為8.0 m?？變?nèi)填料最大粒徑≤400 mm，且粒徑>300 mm的石料含量不超過30%，含泥量不超過5%，石料級配良好。

5 夯后效果檢驗

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)[1]要求，在強夯置換施工完成28 d后進行夯后檢測。夯后檢測采用平板載荷試驗和重型動力觸探試驗兩種檢測手段，從不同角度對場地夯后效果進行檢驗，對地基加固效果進行綜合分析評價，現(xiàn)分別敘述如下。

5.1 平板載荷試驗

平板載荷試驗(Plate Loading Test，PLT)是在一定面積的承壓板上向地基土逐級施加荷載，進而獲得地基土的壓力與變形特性的原位測試方法。它反映承壓板下1.5～2.0倍承壓板直徑或?qū)挾确秶鷥?nèi)地基土的強度、變形的綜合特性[14]。

本次地基承載力檢測分別對置換墩與墩間土進行平板載荷試驗，共3組6個檢測點。置換墩平板載荷試驗承壓板面積應等于置換墩截面積，墩間土平板載荷試驗承壓板面積為2 m2。要求置換墩的承載力特征值應達到500 kPa，墩間土承載力特征值應達到150 kPa，最大試驗荷載應不小于設計承載力特征值的2倍。然后根據(jù)公式，把置換墩、墩間土的承載力特征值轉(zhuǎn)換為復合地基承載力特征值，即

fspk=[1+m(n-1)]fsk。

(1)

式中：fspk為復合地基承載力特征值(kPa)；m為面積置換率；n為復合地基樁土應力比；fsk為處理后樁間土承載力特征值(kPa)。

置換墩及墩間土試驗檢測結(jié)果見圖3。所有平板載荷試驗最終結(jié)果見表2。

圖3 載荷試驗p-s曲線Fig.3 Curves of p-s of static load test

表2 載荷試驗檢測結(jié)果

由圖3可以看出，置換墩、墩間土載荷試驗曲線均為緩變型，承載力滿足設計要求。試驗過程中，置換墩、墩間土的最大加載量雖然達到了設計承載力特征值的兩倍，但尚未達到極限荷載，地基的極限承載力高于或遠高于上述承載力特征值的兩倍。復合地基承載力達到280 kPa。

5.2 重型動力觸探試驗

圓錐動力觸探(Dymamic Penetration Test，DPT)是通過落錘擊打探桿，從而將與探桿相連接的探頭打入土中，根據(jù)探頭貫入土中的難易程度來測求土的工程性質(zhì)的一種試驗方法。

本次試驗在夯前與夯后分別隨機選取了3個點進行重型動力觸探試驗。然后根據(jù)試驗的動探擊數(shù)繪制出動探點夯前及夯后的動探擊數(shù)曲線，圖4為獲得的典型重錘動力觸探試驗曲線。從圖4可以看出：采用預成孔置換強夯法施工的試驗區(qū)石料觸底情況良好，碎石墩體密實，施工區(qū)域有效加固深度范圍內(nèi)夯后動探擊數(shù)較夯前均有顯著提高，土體得到了明顯加強。

圖4 重型動力觸探試驗曲線Fig.4 Curves of heavy dynamic penetration test

統(tǒng)計重型動力觸探試驗擊數(shù)平均值如表3所示，從表中可以看出，在預成孔置換強夯法處理深度范圍內(nèi)，試驗區(qū)夯前動探擊數(shù)大部分在4.0～6.0擊之間，夯后動探擊數(shù)均有大幅提高，最小擊數(shù)為17.5擊，大部分在20擊以上，絕大部分較夯前提高了260%以上，并且加固深度達到基巖，證明著底情況良好。

表3 置換強夯前后重型動力觸探結(jié)果

6 儲罐基礎充水試驗

平板載荷試驗、動力觸探試驗結(jié)果表明，采用預成孔置換強夯法進行軟土地基處理是可行的。隨之采用該方法在場地內(nèi)進行了大面積施工，在油罐基礎及罐體安裝完成后對儲油罐進行了充水試驗。

我國常見的原油儲罐通常有10 000、20 000、30 000、50 000、100 000 m3幾種規(guī)格，其對應的罐體直徑分別為28.5、40.0、46.0、60.0、80.0 m。本項目原油儲罐均為100 000 m3浮頂罐，罐體直徑D為80.0 m，罐體高度為21.8 m，充水高度為20.2 m，基礎底面壓力約為250 kPa，罐體對基礎的不均勻沉降敏感。根據(jù)《鋼制儲罐地基基礎設計規(guī)范》(GB 50473—2008)[15]：在儲罐充水預壓和投產(chǎn)使用期間，應對儲罐技術(shù)的地基變形進行觀測。本儲罐基礎最大沉降量不應>280 mm(0.003 5D)，儲罐基礎相鄰測點沉降差允許值ΔS≤0.002 5l(l為儲罐周邊相鄰測點的間距(mm))，即ΔS≤24 mm。沉降觀測點數(shù)量應為26個，沿罐基礎周邊均勻布置。圖5為沉降觀測點平面布置，表4為沉降觀測結(jié)果。

圖5 沉降觀測點平面布置Fig.5 Plan arrangement of settlement observation points

表4 儲罐基礎沉降觀測結(jié)果

從表4可以看出，儲罐基礎沉降觀測點沉降值大部分在70～90 mm，最大值為93 mm，遠小于規(guī)范要求；相鄰測點沉降差最大值為16 mm。通過儲罐基礎沉降觀測結(jié)果可以看出，儲罐基礎沉降符合相關規(guī)范要求，采用預成孔置換強夯法處理的地基達到了預期效果。

7 結(jié) 論

通過平板載荷試驗、重型動力觸探試驗及充水試驗可以看出，采用預成孔置換強夯法處理軟土地基是成功的，并得出以下結(jié)論：

(1)采用預成孔置換強夯法進行施工，所形成的置換墩單墩承載力達到500 kPa，墩間土承載力達到150 kPa，復合地基承載力達到280 kPa，滿足上部結(jié)構(gòu)對地基承載力的要求。

(2)采用預成孔置換強夯法進行施工，夯后動探擊數(shù)均有大幅提高，絕大部分提高了260%以上。并且加固深度達到基巖，證明著底情況良好，從而可以保證場地更小的工后沉降。

(3)采用預成孔置換強夯法進行施工，儲罐基礎沉降最大值為93 mm，相鄰測點沉降差最大值為16 mm，遠小于規(guī)范要求。

綜上所述，采用預成孔置換強夯法處理的軟土地基達到了預期效果。