大粒徑碎石土強(qiáng)夯法試驗(yàn)研究

陳利 王靜文

（1 中交四航局第二工程有限公司；2 上海港灣基礎(chǔ)建設(shè)股份有限公司）

強(qiáng)夯法作為一種地基加固技術(shù)，通過(guò)高能量沖擊改良地基，提高其承載力。其優(yōu)勢(shì)在于施工速度快，能有效改善土體的工程性質(zhì)，且經(jīng)濟(jì)效益顯著。強(qiáng)夯這種技術(shù)在軟弱土層的處理中尤為有效[1-3]，通過(guò)強(qiáng)夯能顯著增加土體密實(shí)度，減少其壓縮性和滲透性，從而大幅提升地基的穩(wěn)定性和安全性。國(guó)內(nèi)針對(duì)大粒徑碎石土的強(qiáng)夯地基加固研究較深入，在山區(qū)機(jī)場(chǎng)高填方[4]、公路路基[5-6]等有關(guān)項(xiàng)目廣泛應(yīng)用。隨著一帶一路政策的持續(xù)推進(jìn)，中東地區(qū)基建項(xiàng)目近年逐漸，尤其是沙特2030愿景的實(shí)施，更多中國(guó)企業(yè)進(jìn)軍中東地區(qū)基建市場(chǎng)，根據(jù)相關(guān)資料，強(qiáng)夯法等地基處理及加固技術(shù)已經(jīng)在中東地區(qū)多個(gè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用實(shí)踐[7-10]，相關(guān)項(xiàng)目如表1。

表1 中東地區(qū)部分強(qiáng)夯法應(yīng)用項(xiàng)目

由表可知，大部分項(xiàng)目為近海平原地區(qū)砂土質(zhì)地基處理，巖層也多為強(qiáng)度較低的珊瑚礁巖，對(duì)于大粒徑碎石土的強(qiáng)夯加固效果研究及驗(yàn)證試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)較少。

沙特利雅得某土方項(xiàng)目位于沙特中部高原地區(qū)，海拔約680m，地形復(fù)雜，砂土資源貧乏，大型基建項(xiàng)目采用就近開挖土石方回填低洼地區(qū)，大部分傳統(tǒng)采用破碎篩分然后分層碾壓的地基加固處理方式，成本高，工期久，試驗(yàn)周期長(zhǎng)。本項(xiàng)目碎石土最大碎石粒徑為700mm，強(qiáng)度分布不均勻，大面積施工前，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立兩個(gè)50m×50m 試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)、區(qū)域荷載試驗(yàn)(ZLT)和板荷載試驗(yàn)(PLT)驗(yàn)算相關(guān)參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1 工程概況

沙特利雅得四方城土方包項(xiàng)目為沙特2030 愿景實(shí)施計(jì)劃項(xiàng)目之一，位于利雅得西北部。主要實(shí)施內(nèi)容為約581.3 萬(wàn)方的土石方開挖回填和105 萬(wàn)平的地基加固，最低開挖標(biāo)高為+672m，地下水位線為+662m，所以不需考慮降水風(fēng)險(xiǎn)，回填區(qū)最大回填深度為15m，分層最大厚度6m，根據(jù)地勘報(bào)告，項(xiàng)目地質(zhì)屬于Arab-D Mem‐ber, 主要由碳酸鹽巖組成。開挖區(qū)地質(zhì)條件為表層為密實(shí)砂土層夾雜碩石，第二層為強(qiáng)風(fēng)化至中風(fēng)化的石灰?guī)r，第三層為強(qiáng)風(fēng)化（很少）至微風(fēng)化石灰?guī)r；UCS 值大部分在25Mpa 以下，業(yè)主原方案為開挖料破碎篩分為精選料后回填區(qū)分層回填，我方根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)提出強(qiáng)夯地基處理和表層精選料回填方案，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，地基處理后相關(guān)要求為：

⑴地基承載力達(dá)到150kPa；

⑵50年最大總沉降量不超過(guò)25mm；

⑶不均勻沉降不超過(guò)1：500；

⑷SPT值每1米至少30擊；

⑸回彈模量至少30MPa。

2 碎石土工程特性

根據(jù)設(shè)計(jì)及技術(shù)規(guī)格書要求，回填料需滿足最大粒徑不超過(guò)700mm，回填土細(xì)顆粒含量最大25%，試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯前對(duì)相關(guān)材料隨機(jī)進(jìn)行取樣檢測(cè)。

2.1 巖石物理性能

隨機(jī)從開挖區(qū)選取不同類型巖石進(jìn)行取芯檢測(cè)，分類及結(jié)果如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)巖石分類及性能

從表中可看出，開挖區(qū)巖石多為中-強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r，與地勘報(bào)告中相符。

2.2 回填土工程特性

隨機(jī)從回填試驗(yàn)區(qū)取4 個(gè)樣品進(jìn)行相關(guān)物理和化學(xué)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 現(xiàn)場(chǎng)回填土檢測(cè)指標(biāo)

根據(jù)AASHTO M145土的分類，現(xiàn)場(chǎng)回填土料都為A-2-4以上，屬于良好級(jí)別回填料。

3 強(qiáng)夯試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 強(qiáng)夯布置及施工參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)劃分為T1和T2，T1回填厚度6m，T2 回填厚度4m，面積均為2500m2，具體施工參數(shù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯試驗(yàn)參數(shù)

T1 區(qū)點(diǎn)夯夯錘15 噸，落距12m，T2 區(qū)點(diǎn)夯夯錘15噸，落距5m。

根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦公路管理局（FHWA）規(guī)范（FHWA-SA-95-037），采用D = nWH0.5驗(yàn)證強(qiáng)夯影響深度是否滿足要求，其中n 為加固修正系數(shù)，按規(guī)范取值0.5，W 為夯錘重，H為落距。

經(jīng)計(jì)算，強(qiáng)夯影響深度分別為：T1 區(qū)6.7m，T2 區(qū)4.3m。滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 強(qiáng)夯過(guò)程監(jiān)測(cè)

強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)實(shí)測(cè)T1區(qū)最大夯沉量102cm，最小夯沉量80cm，平均沉降量88cm；T2 區(qū)最大夯沉量80cm，最小夯沉量70cm，平均沉降量73cm，按照上表夯擊次數(shù)均能滿足規(guī)范要求

3.3 夯后地基試驗(yàn)

對(duì)于沙特地區(qū)沙土地基或者軟土地基，常用地基檢測(cè)為CPT 檢測(cè)，通過(guò)等效錐尖阻力評(píng)價(jià)強(qiáng)夯效果，本項(xiàng)目地基材料為大粒徑碎石土，且?guī)r石強(qiáng)度最高40MPa 以上，CPT 并不適用。所以采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)、區(qū)域荷載試驗(yàn)(ZLT)和板荷載試驗(yàn)(PLT)驗(yàn)證強(qiáng)夯效果。

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯前后按照ASTM-D1586 的相關(guān)規(guī)定間隔1m 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，采用旋挖鉆孔法，試驗(yàn)區(qū)SPT 數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 試驗(yàn)區(qū)SPT試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)SPT 試驗(yàn)結(jié)果初步分析，T1 區(qū)強(qiáng)夯前SPT N 值范圍13～17，強(qiáng)夯后范圍30～45，屬于中密-密實(shí)區(qū)間；T2 區(qū)強(qiáng)夯前SPT N 值范圍13～16，強(qiáng)夯后范圍30～36；均屬于中密-密實(shí)區(qū)間，由SPT 值的增加得出，強(qiáng)夯法對(duì)地基加固效果明顯，并且符合設(shè)計(jì)中最低為30的要求。

3.3.2 荷載板試驗(yàn)

T2 區(qū)按照美標(biāo)ASTM D-1195/1196 進(jìn)行PLT 試驗(yàn)，荷載板直徑600mm，反力裝置采用挖機(jī)，最終加載到15噸荷載（相當(dāng)于530kPa），沉降為0.81mm。荷載-沉降量曲線如圖1所示。

圖1 T2區(qū)PLT試驗(yàn)荷載-沉降曲線

3.3.3 區(qū)域荷載試驗(yàn)

T1 區(qū)按照美標(biāo)ASTM D-1195/1196 進(jìn)行ZLT 檢測(cè)，3m×3m 混凝土基座，ZLT 試驗(yàn)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)荷載為150kN/m2，最大荷載為300kN/m2，4個(gè)千分表布置于測(cè)試基礎(chǔ)四個(gè)角點(diǎn)，布置如圖2所示。

圖2 T1區(qū)ZLT布置圖

ZLT按照每25%級(jí)別加載，加載到100%和200%設(shè)計(jì)荷載時(shí)持續(xù)時(shí)間為12 小時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄如表6 所示，荷載-沉降量曲線如圖3所示。

圖3 T1區(qū)ZLT試驗(yàn)荷載-沉降曲線

表6 T1區(qū)ZLT試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

根據(jù)基座4 個(gè)角點(diǎn)處千分表讀數(shù)，在設(shè)計(jì)荷載下沉降量為：1#點(diǎn)2.62mm，2#點(diǎn)2.08mm，3#點(diǎn)5.01mm，4#點(diǎn)2.18mm；在200%設(shè)計(jì)荷載下沉降量：1#點(diǎn)4.76mm，2#點(diǎn)5.33mm，3#點(diǎn)8.26mm，4#點(diǎn)4.22mm，不均勻沉降計(jì)算如表7所示。

表7 T1區(qū)不均勻沉降-200%設(shè)計(jì)荷載

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，200%設(shè)計(jì)荷載下最大不均勻沉降值為0.00135，設(shè)計(jì)要求為不超過(guò)1：500（0.002），符合要求。

4 試驗(yàn)相關(guān)驗(yàn)算

4.1 楊氏回彈模量計(jì)算

根據(jù)PLT和ZLT的結(jié)果可以有不同方式計(jì)算轉(zhuǎn)換為土體的回彈模量，本文根據(jù)廣泛采用的經(jīng)典彈性理論布辛涅斯克（Boussnesq）方程計(jì)算楊氏回彈模量：

式中：q為施加荷載，ZLT 取300，PLT 取530；B為荷載板直徑，ZLT取3，PLT取0.6；I為形狀影響因子；v為泊松比，取0.3；S為沉降量，ZLT取5.34，PLT取0.81。

經(jīng)計(jì)算，可得T1 區(qū)回彈模量173MPa，T2 區(qū)280MPa。滿足設(shè)計(jì)要求的30MPa。

4.2 內(nèi)摩擦角值確定

根據(jù)BS 5930 規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（Standard Penetration Test, SPT）的N 值與土壤的內(nèi)摩擦角之間存在明確的關(guān)聯(lián)。具體為：當(dāng)SPT N 值介于10 至30之間時(shí)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角值在35°至40°之間；若SPT N值位于30 至50 的區(qū)間，對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角值在35°至40°之間。因此，依據(jù)該規(guī)范，可以保守判定地基材料內(nèi)摩擦角值至少大于35°。

4.3 地基承載力計(jì)算

地基極限承載力根據(jù)ZLT 試驗(yàn)結(jié)果，按照《Foun‐dation Analysis And Design》中 的Terzaghi 公 式計(jì)算：

qult=cNcsc+qNq+ 0.5γBNγsγ

式中：qult為極限承載力；c是土的凝聚力，考慮為無(wú)粘聚性土，取0；Nc、Nq、Nγ是與土的摩擦特性相關(guān)的承載力系數(shù)，分別對(duì)應(yīng)凝聚力、地面上部單位重量和土的自重，按照上文確定的內(nèi)摩擦角35°查表可得分別為57.8，41.4，42.4；sc和sγ是形狀系數(shù)，用于考慮基礎(chǔ)形狀對(duì)承載力的影響，按照規(guī)范分別取值1.3 和0.8；q是覆蓋在地基上的有效土壓力，取值0；γ是土壤的單位重量取18KN/m3，B是地基的寬度取3m。

把各值代入上述公式中，極限承載力為915.84kPa。設(shè)計(jì)安全系數(shù)為3.0，可得允許承載力為300kPa，滿足規(guī)范要求的150 kPa。

4.4 沉降量計(jì)算

50 年沉降量預(yù)測(cè)計(jì)算根據(jù)施默特曼（Schmert‐mann）提出的方法，此方法是巖土工程分析中常用的計(jì)算地基沉降的方法，提供了一種考慮土體變形特性對(duì)地基沉降影響的分析方式。施默特曼的研究及其改進(jìn)了變形影響因子圖，這些圖是為了估計(jì)特定荷載下土體各點(diǎn)的應(yīng)變分布。通過(guò)這些圖，工程師可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)基在建筑荷載下的行為，計(jì)算公式如下：

其中，C1= 1 - 0.5(σ'vo/q')

式中C1為深度修正系數(shù)；σ'vo為地基某和深度處的有效應(yīng)力；q'是地基下土層上的有效應(yīng)力增量；C2為次級(jí)蠕變因子；C3為形狀系數(shù)；Izi是應(yīng)變影響因素；Hi是第i層的土層厚度；Esi是第i層土的壓縮模量或彈性模量。

按照每0.5m 分層計(jì)算，T1 根據(jù)ZLT 試驗(yàn)結(jié)果，T2 根據(jù)PLT 試驗(yàn)結(jié)果，50 年預(yù)測(cè)沉降量分別為7.383mm，16.627mm，均滿足設(shè)計(jì)中50年沉降不超過(guò)50mm的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

⑴由于大粒徑碎石的孔隙比影響，在正式強(qiáng)夯施工中，需要嚴(yán)格控制碎石的最大粒徑和土石混合比例。

⑵強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)夯后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)、區(qū)域荷載試驗(yàn)(ZLT)和板荷載試驗(yàn)(PLT)可有效評(píng)估地基加固效果，經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)和計(jì)算，SPT 值、不均勻沉降、地基回彈模量、內(nèi)摩擦角、地基承載力、長(zhǎng)期沉降量預(yù)測(cè)等指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求，為后期現(xiàn)場(chǎng)大面積強(qiáng)夯施工提供理論基礎(chǔ)。

⑶經(jīng)過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)，采用強(qiáng)夯法處理最大粒徑700mm的碎石土地基，可有效提高地基承載力和降低不均勻沉降，在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施中，可以就地取材，與傳統(tǒng)的分層回填碾壓工藝相比，強(qiáng)夯法完全克服含水率的影響，大幅降低工程造價(jià)成本，縮短施工周期，降低施工難度，對(duì)類似材料的地基加固項(xiàng)目有一定借鑒意義。