回填土地基的強夯加固機理與承載力綜合檢測技術(shù)研究

李福德

（滄州水利勘測規(guī)劃設(shè)計院有限公司，河北 滄州）

引言

強夯法是建筑工程領(lǐng)域內(nèi)一種切實可行的施工方法，建設(shè)用地（就是用來建造構(gòu)筑物、開發(fā)工程的土地資源）作為現(xiàn)代工業(yè)和服務業(yè)的主要載體，只有足夠的、規(guī)范的建設(shè)用地，才能為社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供支撐條件。

現(xiàn)階段，強夯施工法是處理回填土地基和軟弱地基的主要方法之一，在山區(qū)地區(qū)采用強夯法處理地基土，不僅經(jīng)濟而且安全[1]。強夯加固地基的方法很簡單，但是在深入工程領(lǐng)域的研究中發(fā)現(xiàn)，相關(guān)此方法的加固機理研究還處在半經(jīng)驗、半理論階段，而且強夯法施工前的機械安裝操作比較麻煩。此項施工技術(shù)可以用于處理各種低、矮建筑的回填土地基，而且強夯加固的效果很好[2]。相比其他回填夯實施工技術(shù)，強夯技術(shù)的施工速度快、工作效率高，適合大范圍的作業(yè)施工。

強夯施工對周圍的建筑物會造成一定的影響，但是其對環(huán)境的污染很小，所以，相關(guān)此項技術(shù)的研究受到了很多學者的關(guān)注[3]。然而，現(xiàn)階段針對碎石土回填區(qū)地基處理的相關(guān)研究還很缺乏，而且各種地基加固方法又各有所長，為實現(xiàn)強夯施工技術(shù)在工程領(lǐng)域內(nèi)的全面推廣，本文將對此展開如下所示的研究，以確保其在工程中應用的安全性和穩(wěn)定性。

1 回填土地基的強夯加固機理

1.1 強夯加固中的振動波理論

在深入此方面內(nèi)容的研究中發(fā)現(xiàn)，回填土地基在強夯加固時，主要利用強夯過程中重錘下落到地基時所產(chǎn)生的動能，當動能釋放到地基土中時，動能在土體中將以“波”的形式傳播，此時，土體之間由于存在縫隙，使得顆粒之間產(chǎn)生滑動，滑動后土體之間的排列呈現(xiàn)更加緊密的趨勢，適當?shù)恼駝涌梢詼p少土體的沉降，以此提高土體的強度[4]。

“土”可以被看作是一種無限大的彈性介質(zhì)，當夯擊的重錘與地面發(fā)生碰撞時，會引起地面土層強烈的振動，除了聲場的傳播和與土壤的摩擦所產(chǎn)生的熱能外，其余的振動能量會以波動的方式，從夯坑逐步向下傳輸。此過程產(chǎn)生的振動波可以被分為兩種，分別為“面波”與“體波”，前者又被稱之為R 波，只能在地層（土層）表面?zhèn)鞑ィ笳叩膫鞑ミ^程可以被分為剪切波（又被稱之為S 波）、縱波（P 波）[5]。強夯過程中，重錘發(fā)生夯擊行為，此時地基中產(chǎn)生的所有波可以用圖1 表示。

圖1 強夯過程中重錘發(fā)生夯擊行為產(chǎn)生的所有波

R 波在地基層傳播的過程又被稱之為瑞雷波，通常情況下，瑞雷波攜帶的能量較大，在基底上傳播，但對基底的振動密實度幾乎沒有影響[6]。最終，僅占總能的1/3的波經(jīng)振動作用于土，也就是縱、橫波作用于土。由于縱波的波速要大于橫向的波速，因此，縱波先對土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，然后沿著液相運動，導致孔隙水壓力增加，土體骨架被破壞，此時，橫向波帶著更大的能量抵達，使土顆粒重新排列為更密實的狀態(tài)[7]。

在部分碎石地基上，有可能會有大塊石頭掉進填埋場，也有可能會有建筑廢料被扔進填埋場，當填埋場的降雨較多或地基的地下水過多時，會產(chǎn)生不均勻的土層分層現(xiàn)象[8]。波在穿過一個土層時可能會有部分能量發(fā)生反射，即波在土層中并不是以直線狀態(tài)傳輸?shù)?，其中一部分會被反射回來，而另外一部分則會到達其他土層，此過程見圖2。

圖2 波在分層地基中波的傳輸

1.2 碎石土地基的強夯設(shè)計

目前，強夯施工技術(shù)在工程領(lǐng)域內(nèi)的應用較多，部分工程在施工強夯施工時，重錘的夯擊能甚至已經(jīng)達到了1.2×104kN·m，根據(jù)現(xiàn)有的理論與大量的實踐，提出如圖3 所示的強夯設(shè)計與步驟。

圖3 強夯設(shè)計與步驟

當夯錘從高空墜落時，其強大的動能將導致土體破裂，并伴隨著壓力與波動的共同作用，使得土體內(nèi)部的水分與氣體不斷被抽離，孔隙不斷縮小，顆粒間的結(jié)構(gòu)發(fā)生了重新組合。為確保此方面工作的規(guī)范性，將土體的密度作為參照，按照下述公式，計算強夯前、強夯后作業(yè)區(qū)域的土體干密度。

式中：γd1代表強夯前作業(yè)區(qū)域的土體干密度；γd代表強夯后作業(yè)區(qū)域的土體干密度；ms代表土體中的顆粒總量；g 代表夯擊過程中的重力加速度。Vi代表夯擊次數(shù)為i 時土體體積；R 代表強夯錘的半徑；hi代表夯擊次數(shù)為i 時強夯錘的下降高度。根據(jù)上述公式，可以計算得到夯擊次數(shù)為i 時，對應土體的干重度提升率，計算公式如下

2 承載力綜合檢測技術(shù)

2.1 檢測裝置設(shè)計

采用平板載荷方法對回填土地基進行承載力綜合檢測，這種檢測技術(shù)是采用一塊鋼板，在初始荷載作用下，在初始荷載作用下逐級遞增，從而引起地基變形。通過對房屋基礎(chǔ)工作狀態(tài)的仿真，得到了基礎(chǔ)的承載能力和變形模量，并對加固效果進行了評估。通過加載系統(tǒng)、反力系統(tǒng)、量測系統(tǒng)三者之間的相互配合，實現(xiàn)了整個檢測過程。加載系統(tǒng)是由承壓板和液壓千斤頂兩部分構(gòu)成的，其中，液壓千斤頂可以施加載荷，并通過反力系統(tǒng)將壓力作用在承壓板上，從而使其模擬基礎(chǔ)承受荷載。反力系統(tǒng)可以通過堆載或地錨來提供反力。在施工現(xiàn)場，一般都是用強夯機來代替堆載，在強夯施工結(jié)束之后，強夯機處于閑置狀態(tài)。由于強夯機體型大、重量足、移動方便等優(yōu)點，很適合用作移動的堆載裝置。還可以通過這種方法來節(jié)省制作堆載所需要的時間，從而提高了檢測效率。測量儀是將沉降數(shù)據(jù)以可視化的方式反饋給記錄員，以方便記錄員記錄和分析，其主要由百分表、托架、水平儀等構(gòu)成。檢測過程中所需裝置理論如圖4 所示。

圖4 檢測過程中所需裝置理論

2.2 加載與檢測數(shù)據(jù)分析

在檢測的過程中可以采用邊長為1.5 m 的剛性方形承壓板，根據(jù)規(guī)定，最大加載量不應小于設(shè)計要求的2.5 倍，因此其最大的加載量可以設(shè)置為400 kPa。同時，加載分級不應當小于八級，加載的方式為緩速進行。在檢測的過程中可以設(shè)置不同加載分級條件，可從80 kPa逐漸增加到400 kPa。在每一次加載之后，應當按照時間間隔為10 min 或15 min 的要求完成沉降量的記錄。在檢測的2 h 以內(nèi)，每小時的沉降量都應小于或等于0.1，此時說明沉降已經(jīng)達到了相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在這一狀態(tài)下，可以進一步施加下一級荷載。若在檢測的過程中出現(xiàn)了以下幾種情況，則需要立即停止加載。

第一，承壓板周圍的土體發(fā)生顯著的橫向擠壓，周邊的土體產(chǎn)生顯著的隆起或開裂，并不斷擴大。

第二，在目前荷載下，沉降值是上一次荷載下沉降值的5 倍以上，P-S 曲線呈陡峭的下降趨勢。

第三，對于某一級別的荷載，24 h 的沉降率仍未達到一個穩(wěn)定值。

第四，在不同的荷載作用下，土體的整體沉降占承壓板的比例超過了0.06。

在完成加載操作后，按逐級方式卸載，記錄回彈量，并在卸載至0 kPa 時，進行回彈觀察，等待3 h，記錄每30 min 的回彈量。地基承載能力的特征量是由加載試驗得出的基坑土體在直線形變范圍內(nèi)的特定變形量與基坑承載能力的特征量，該特征量的最大值即為該特征量。在P-S 曲線的拐點處，相應的載荷值為成比例極限壓力。在決定該地基的承載力的時候，同一土層的試驗數(shù)據(jù)不能低于3 組，當各檢測點的承載力的極差低于各點承載力平均值的30%時，那么平均值就是這個土層的承載力特征值的平均值。假設(shè)土體的變形模量為，其計算公式如下

對表1 中數(shù)據(jù)分析，結(jié)合工程現(xiàn)場實際情況，將強夯設(shè)計劃分為兩個分區(qū)。共設(shè)置10 個平板載荷檢測點。結(jié)合上述公式進一步分析，在土質(zhì)條件、施工條件和環(huán)境條件均不變的情況下，隨著壓力系數(shù)的不斷增加，與其相對應的沉降量呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢，并且在每一個區(qū)域內(nèi)都存在拐點。拐點一般出現(xiàn)在300 kPa～400 kPa 范圍內(nèi)。對地基整體10 個點位而言，該回填土地基土層承載力檢測得到的極差為80 kPa，承載力的平均值為270 kPa，符合地基設(shè)計需求值。

表1 依托工程平板載荷檢測15 個點位檢測結(jié)果

結(jié)束語

隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)的步伐越來越快，建設(shè)土地資源越來越緊張，如何解決土地資源稀缺等問題，成為了工程管理部分、建設(shè)單位的關(guān)注重點。部分地區(qū)山地類資源較多，由于此類地區(qū)的地質(zhì)陡峭，且存在大量斜坡，可供工程的建設(shè)用地較為寶貴，為最大限度地發(fā)揮土地資源價值，保證當?shù)鼐用衽c工業(yè)發(fā)展的正常生產(chǎn)需要，部分建設(shè)工程項目開始向丘陵地區(qū)發(fā)展。此類地區(qū)多為陡峭、交通不便之地，為使這類土地能滿足工程建設(shè)的需求，一般采用建筑廢棄物將山地挖空后直接回填，通過此種方式，使土地得以重新使用。但由于早期的回填施工技術(shù)操作不規(guī)范，導致了碎石土的粒度極不均勻。而路基的穩(wěn)定性直接關(guān)系或影響著人民的生命和財產(chǎn)，如果未能及時、有效、科學地處理路基，將會影響到社會的穩(wěn)定發(fā)展。

為解決此方面問題，本文開展了此次研究，通過本文研究，明確了強夯施工技術(shù)的工程中應用的可行性，為實現(xiàn)對與之方面工作在實施中進一步深化，在后續(xù)的研究中，將以某具體工程項目為實例，結(jié)合工程概況與施工具體要求，設(shè)計工程的強夯加固施工技術(shù)，以此種方式，帶動強夯施工技術(shù)在工程領(lǐng)域內(nèi)的推廣使用。