“輕夯多遍”法在上海臨港堆山造景中的運(yùn)用

崔梓萍

(上海臨港新城建設(shè)工程管理有限公司，上海 201306)

1 概述

堆山造景技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，常利用建筑廢料、工程廢棄土方填筑地基，并在上面布景綠化，國內(nèi)比較有名的項目有北京奧林匹克公園(堆高48 m)、天津南翠屏公園(50 m)、江蘇無錫金匱公園(54 m)、上海辰山植物園(12 m)[1-4]等。

上海臨港新片區(qū)現(xiàn)狀地形平緩，規(guī)劃有較多的新建大型綠地，城市開發(fā)過程中，隨著地下空間、河道水系、公用管網(wǎng)等的建設(shè)，產(chǎn)生大量待消納土方，通過在大型綠地里營造豐富多彩地形同時消納土方，是符合綠色低碳的多贏途徑。

由于回填土體量較大，大面積堆山會破壞原有基地的平衡狀態(tài)，為了控制地基沉降和保證山體穩(wěn)定性，應(yīng)根據(jù)不同的地基形態(tài)特點(diǎn)選擇壓實工藝，常見的回填土壓實工藝有碾壓法和強(qiáng)夯法。碾壓法分層填筑較薄、分層數(shù)量多、作用深度小，對土質(zhì)要求也高，而強(qiáng)夯法一次可回填較厚土層，適用于堆山造景工程。強(qiáng)夯法是法國梅那技術(shù)公司首創(chuàng)的一種針對軟弱地基的處理方法[5]，傳統(tǒng)的強(qiáng)夯法，夯擊能超過3 000 kN·m，適用于碎石土、砂性土、濕陷性黃土和含水率不高的雜填土地基的加固，但是針對含水量高的土，特別是淤泥質(zhì)黏土和飽和軟黏土，過高能級的強(qiáng)夯會使超靜孔隙水壓力無法迅速消散，從而引起“橡皮土”，而且容易造成軟黏土結(jié)構(gòu)破壞[6]，鄭穎人提出使用低能級強(qiáng)夯法，先輕夯，后重夯，逐級加能的方法，使超靜孔隙水壓力2 d內(nèi)消散，有效地避免了“橡皮土”現(xiàn)象的發(fā)生[7]。

上海臨港新片區(qū)位于東南沿海，1/3的土地是圍海造地而成，周圍水系發(fā)達(dá)，地下水位高，堆山使用的周圍工程棄土天然含水量也高，傳統(tǒng)的強(qiáng)夯法極易對地基土造成破壞或者壓實度不足，本次工藝選用平錘和小直徑柱錘相結(jié)合的“輕夯多遍”法，一方面夯錘可以順利起錘，同時也保證了夯實作用深度，滿足設(shè)計要求。

2 輕夯多遍法運(yùn)用工程實例

2.1 項目簡介

項目位于中國(上海)自由貿(mào)易試驗區(qū)臨港新片區(qū)，用地北至杞青路，南至花柏路，西至滬城環(huán)路，東至環(huán)湖西三路，根據(jù)“地形營造”規(guī)劃，對楔形地塊進(jìn)行微地形堆筑和現(xiàn)有地形優(yōu)化，建成公益性林地，同時對現(xiàn)有林地進(jìn)行功能提升。本次施工共涉及6個地塊，總面積657 509.11 m2，本文以五號地塊為研究對象，面積106 053 m2，設(shè)計最高點(diǎn)8 m，邊坡坡率最大為1∶5(見圖1)。

2.2 場地工程地質(zhì)條件

對擬建場地進(jìn)行地勘探測，結(jié)果顯示，在60.35 m深度范圍內(nèi)的地基土屬第四紀(jì)全新世(Q4)及晚更新世(Q3)沉積層，主要由粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土和粉砂組成。擬建場地地層分布主要特點(diǎn)見表1。

從表1可以看出，在加固深度范圍內(nèi)，土質(zhì)以黏質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土為主，天然含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在30%左右，滲透性差，大面積的堆土?xí)斐傻鼗牟痪鶆虺两担蚨诙淹燎靶枰獙υ嫉孛孢M(jìn)行夯實處理，增加下層的承載力。

表1 原場地地勘資料表

2.3 施工方案

2.3.1 夯擊參數(shù)選擇

1)地基處理：為了消除大面積堆載造成的地基不均勻沉降變形，提高地基承載力，減少工后維護(hù)費(fèi)用，需要對原始地基進(jìn)行滿夯一次(1次由5遍組成)，采用直徑2.5 m的平錘，錘重15 t，夯擊能2 250 kN·m。

2)山體加固：將填土一次堆高至設(shè)計高程，使用直徑為1.1 m的柱錘，錘重15 t，由于柱錘底面積比平錘小，單點(diǎn)夯擊面積小，夯擊強(qiáng)度較平錘大3倍～5倍，夯擊能范圍控制在1 000 kN·m～1 800 kN·m以內(nèi)。

3)堆填土性質(zhì)：堆填土主要來自于周圍建筑場地的基坑開挖土和建筑垃圾，天然含水率在(質(zhì)量分?jǐn)?shù))25%～30%之間，通過擊實試驗，得到填土的壓實最大干密度為1.63 g/cm3，最佳含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))17.4%。

2.3.2 夯點(diǎn)布置要求

夯點(diǎn)布置為4 m×4 m正方形布置，夯點(diǎn)直徑2.5 m(若采用同心夯擊方法，中間柱形錘為直徑1.1 m)，間距為4 m，第1遍～第4遍夯點(diǎn)布置圖如圖2所示，夯點(diǎn)間錯位夯實，通過4遍處理覆蓋所有待夯面。

2.3.3 夯擊能量調(diào)整

由于堆填土是附近工程棄土，土質(zhì)松散，含水量高，使用小直徑柱錘夯擊時，很容易使錘陷入太深，造成起錘困難，所以要調(diào)整夯擊能，先使用1 000 kN·m的能量輕夯一遍，使表層土體形成稍硬的承重層，再以200 kN·m的增量逐漸將夯擊能量增至1 800 kN·m，在每級夯擊能下夯擊一遍，至最高能級1 800 kN·m下進(jìn)行滿夯收尾，這樣在表層土體不破壞的情況下，可以作用到更深層的土體，起到更好的加固效果。

3 輕夯法施工過程控制與監(jiān)測

3.1 壓實效果檢測

由于粉質(zhì)黏土在輕夯加固后會有時間效應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗選擇在夯擊處理結(jié)束后的14 d進(jìn)行，靜載荷試驗選擇在夯擊處理結(jié)束后的28 d進(jìn)行。

在山體堆筑過程中，土體應(yīng)達(dá)到密實度要求，若設(shè)計未規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)則應(yīng)達(dá)到85%以上，由于此地區(qū)土層含水率較高，在施工前必須將施工場地范圍內(nèi)的積水排除干凈。

取夯后原始地坪表面土層和堆高場地面層以下-0.5 m，-1 m，-1.5 m，-2 m的土層進(jìn)行環(huán)刀實驗，壓實度值見表2。

表2 地表下1.5 m以內(nèi)壓實度檢測數(shù)據(jù)

地基處理使用平錘夯擊，夯擊能為2 250 kN·m，壓實度達(dá)到91%。

山體加固，使用夯擊能1 000 kN·m～1 800 kN·m的柱錘，反復(fù)多次夯擊，逐級加能，較小的夯擊能可以將淺層的土先排水固結(jié)，表面逐漸形成“硬殼層”[8]，并在后期可以承受較大的夯擊能量，使能量向下傳遞。從環(huán)刀取樣試驗可以看到，面層以下1.5 m范圍內(nèi)含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在18%左右，遠(yuǎn)低于原回填土30%左右的含水率，表層土體壓實度在85%以上，說明在夯擊過程中，水分逐漸排出，形成表面“硬殼層”，在后續(xù)增大夯擊能以后，表層土體未液化也未破壞，“硬殼層”大約為1 m。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

堆高至8 m后，在強(qiáng)夯前的原狀土上選取1個點(diǎn)，在強(qiáng)夯后的場地上選取2個有代表性的點(diǎn)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，試驗擊數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 夯擊前后標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)統(tǒng)計表

本工程山體加固地設(shè)計最高點(diǎn)為8 m，從標(biāo)貫結(jié)果可以看出，在8 m以上范圍內(nèi)，強(qiáng)夯后土層的壓實度比強(qiáng)夯前得到明顯的提高，8 m以下為處理過后的原始地坪，壓實度沒有顯著變化，說明在含水量較高的粉質(zhì)黏土堆高場地，使用小能量的柱錘，可以滿足現(xiàn)有堆高場地的強(qiáng)夯要求，其有效加固深度達(dá)到8 m以上。

在處理原始地坪時，使用直徑為2.5 m的平錘，錘重15 t，落距15 m，根據(jù)Billam公式，取K=0.15時，z= 5.4 m。

堆高場地處理時，使用柱錘，錘重15 t，落距10 m～12 m，夯擊能由小到大逐漸遞增，1 000 kN·m有效加固深度為18 m，1 800 kN·m有效加固深度為22 m。

從計算結(jié)果可以看出，使用柱錘，由于底面積小，計算有效加固深度也比平錘深3倍～4倍，所以在本工程中，堆填土可以一次堆至設(shè)計標(biāo)高，強(qiáng)夯后也可以保證堆填土的有效加固要求范圍。

3.3 平板載荷試驗(堆載法)

在試驗區(qū)域上挖出1 m埋深的坑，在坑內(nèi)放置承壓板，載荷板尺寸為1 m2，利用混凝土試塊提高支撐反力，逐級施加荷載，測定地基承載力，判斷承載力是否達(dá)到設(shè)計要求，進(jìn)一步評價輕夯多遍施工加固工藝的處理效果?？偣策x取3個點(diǎn)(S1,S2,S3)進(jìn)行了試驗，其中點(diǎn)S1試驗結(jié)果如表4,圖3所示。

表4 S1平板載荷試驗沉降匯總表

3個點(diǎn)的平板載荷試驗，得到的結(jié)果均達(dá)到設(shè)計要求的最大試驗荷載，且樁頂沉降速率達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，3個點(diǎn)的承載力特征值不小于150 kPa，極限承載力均達(dá)到300 kPa，故認(rèn)為輕夯多遍處理后的地基土承載力特征值不小于150 kPa，滿足設(shè)計要求的不小于150 kPa。

3.4 邊坡穩(wěn)定性討論

一般高堆土存在的不穩(wěn)定是通過不均勻沉降、局部塌陷或整體滑坡體現(xiàn)，本文采用巖土工程常用計算軟件GeoStudio來分析邊坡穩(wěn)性問題，推薦計算的方法為比較成熟的Morgenstern-Price極限平衡法，分別計算強(qiáng)夯過后的天然狀態(tài)和持續(xù)降雨后的堆土，來對比安全系數(shù)的變化，根據(jù)DZ/T 0218—2006滑坡防治工程勘察規(guī)范，滑坡穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 滑坡穩(wěn)定評價標(biāo)準(zhǔn)

為了簡便計算，本文計算穩(wěn)定性系數(shù)時，持續(xù)降雨狀態(tài)的堆土參數(shù)按照飽和狀態(tài)下取值，模擬過程中巖土參數(shù)整理見表6。

表6 極限平衡計算模型巖土物理力學(xué)參數(shù)

從圖4的計算結(jié)果可以看出，在當(dāng)前的高8 m、放坡率為1∶5的山體加固中，使用輕夯多遍法施工，天然狀態(tài)下最低安全系數(shù)滑移面的安全系數(shù)為2.582，持續(xù)降雨狀態(tài)下的安全系數(shù)為1.784，根據(jù)滑坡穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)，屬于穩(wěn)定狀態(tài)。

為了驗證本方法在臨港地區(qū)施工的適用范圍，模擬了相同巖土參數(shù)條件下，堆山高度增加到20 m、坡率為1∶2.25的情況下的安全系數(shù)，從圖5可以看出，在天然狀況下，最低安全系數(shù)滑移面的安全系數(shù)降為1.209，但是在持續(xù)降雨狀態(tài)下，安全系數(shù)已經(jīng)降低至0.869，超過了安全范圍。

實踐中有期望能營造更高更穩(wěn)定的人造山體，本次工程嘗試采用小直徑柱錘一次性堆高后多遍夯實的方法堆高了8 m，通過實踐和模擬討論了夯實效果和邊坡穩(wěn)定狀況，對未來使用人工干預(yù)的方式，在確保安全的前提下，快速堆高至50 m甚至更高的人造山體提供了借鑒依據(jù)。

根據(jù)前述，安全有效加固深度計算為20 m左右，因此在繼續(xù)堆高的情況下，可以考慮以15 m為一層，每層邊坡率維持在1∶5以下，分層重復(fù)使用輕夯多遍法夯實，可避免邊坡失穩(wěn)的情況發(fā)生。對因場地限制下極限邊坡率的討論，也會在累積更多工程數(shù)據(jù)后予以探索。

4 結(jié)論

1)在臨港地區(qū)，原狀土含水率較高，在堆山之前需要對原地面進(jìn)行加固，后續(xù)土一次性堆高后，采用小直徑柱錘先輕后重，逐級加能，可以有效避免土體液化和破壞，表層壓實度可以達(dá)到90%左右。

2)使用夯擊能小于2 000 kN·m的柱錘，由于底面積較普通強(qiáng)夯的平錘小，夯擊強(qiáng)度可以成倍的提升，有效加固深度可以達(dá)到20 m左右。

3)在城市景觀林地營造過程中，經(jīng)過輕夯多遍處理后的地基承載力特征值不小于150 kPa，多遍工藝可以有效消除工后沉降，在上層形成了固化硬殼層后，無需壓路機(jī)壓實處理，便可回填種植土進(jìn)行景觀營造。

4)使用“輕夯多遍”法處理臨港地區(qū)高含水的軟弱土層，邊坡安全系數(shù)較高，且在持續(xù)降雨狀態(tài)下，邊坡也不會失穩(wěn)，在使用柱錘輕夯多遍加固高填土?xí)r，一次性堆土高度不宜超過20 m，超過20 m需要分層夯實，并且保持每層邊坡放坡率不大于1∶5，才能保證持續(xù)降雨狀態(tài)下邊坡的長久穩(wěn)定。