強(qiáng)夯作用下飽和粉砂質(zhì)土地基響應(yīng)及加固效果研究

劉玉宏 （甘肅省民航建設(shè)（集團(tuán)）有限公司，甘肅 蘭州 730000）

強(qiáng)夯法作為成本低廉、設(shè)備簡單、加固效率高、質(zhì)量易控制的主動(dòng)地基處理方法，充分利用了巖土體自身材料加固壓密后抗壓強(qiáng)度高的特性，在我國土木工程領(lǐng)域受到日益廣泛的應(yīng)用[1]。強(qiáng)夯法通過借助重錘自由落體產(chǎn)生的沖擊動(dòng)能壓縮土體，使土體固體顆粒重新排列和固結(jié)密實(shí)，孔隙水排出，進(jìn)而達(dá)到提高力學(xué)強(qiáng)度、改善土體剛度的目的[2-4]。強(qiáng)夯過程中的沖擊荷載是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，其加固機(jī)理受到多方面因素的影響。強(qiáng)夯法對(duì)碎石土地基、砂性土、粉土和一般黏性土都具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，目前的強(qiáng)夯法地基也已經(jīng)推廣至軟土地基和飽和粉砂、粉土中[5]。與一般的黏性土或砂性土不同，含有一定黏粒的飽和粉砂質(zhì)土在強(qiáng)夯沖擊波的作用下，孔隙水壓力瞬時(shí)增加，并持續(xù)較長的時(shí)間進(jìn)行消散，嚴(yán)重影響加固效果。為此，研究強(qiáng)夯作用下飽和粉砂質(zhì)土地基的動(dòng)力響應(yīng)特征，是分析強(qiáng)夯法在該類土體中加固機(jī)理的前提，對(duì)評(píng)估其加固效果具有十分重要的意義。

1 工程概況

甘肅省某加固場地工程面積為30000m2，根據(jù)工程地質(zhì)鉆探揭示，在加固深度15m 范圍內(nèi)場區(qū)地層主要由3層組成，分別為飽和素填土、飽和粉砂質(zhì)黏土、飽和粉土，各層土的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。地基加固采用8000kN·m能級(jí)和3000kN·m能級(jí)的夯錘分3遍強(qiáng)夯施工，夯錘直徑均為2.5m，地基處理后的地基土承載力特征值驗(yàn)收要求不小于300kPa，壓縮模量驗(yàn)收要求不小于20MPa。

表1 加固場區(qū)土體的物理力學(xué)性能指標(biāo)

2 強(qiáng)夯法作用下飽和粉砂質(zhì)土地基響應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)測布置

強(qiáng)夯作用下地表的變形特征、土體內(nèi)部的應(yīng)力變化是強(qiáng)夯加固的直接效果[5-6]。為了獲得飽和粉砂質(zhì)土地基在強(qiáng)夯沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特征，采用現(xiàn)場實(shí)測的方法，獲得土體沉降變形、動(dòng)應(yīng)力以及孔隙水壓力等參數(shù)的時(shí)空變化曲線，分析加固過程中土體的動(dòng)力壓密和排水規(guī)律。為此，在場區(qū)選取24m×24m 的試驗(yàn)夯區(qū)，布置3 個(gè)不同的加固點(diǎn)進(jìn)行測試，分別編號(hào)為夯點(diǎn)A、夯點(diǎn)B 和夯點(diǎn)C，夯點(diǎn)之間的間隔為8m。如圖1所示，每個(gè)加固點(diǎn)周圍地表布置表面變形觀測點(diǎn)排列，以判斷夯坑周圍地表是否出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，第1 個(gè)表面變形觀測點(diǎn)距離夯擊點(diǎn)中心距離為2m，其余每個(gè)表面變形觀測的間距為0.5m，每個(gè)夯實(shí)點(diǎn)分3遍進(jìn)行夯實(shí)處理，第1遍和第2遍采用8000kN·m能級(jí)夯錘施工，第3 遍采用3000kN·m 能級(jí)的夯錘施工，夯錘下落高度均為10m。通過水準(zhǔn)儀測量3次夯擊后測點(diǎn)的變形值，夯錘的震動(dòng)沖量、施加的最大沖擊力和考慮能量耗散系數(shù)的施工最大沖擊應(yīng)力峰值分別按公式（1）～公式（3）計(jì)算[7-9]。

圖1 現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)布置

式中I為強(qiáng)夯沖擊下落產(chǎn)生的沖量，kN·s；m為重錘的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；h為重錘下落高度，m；t0為重錘作用地表達(dá)到最大沖擊力的時(shí)間，s；η為能量耗散系數(shù)；W為夯錘的重量，kN。

如圖1所示，為觀測夯錘沖擊波作用下土體內(nèi)部的應(yīng)力演變過程和孔隙水壓力消散過程，在夯錘點(diǎn)正下方不同深度方向上布置了動(dòng)土壓力盒和孔隙水壓力計(jì)，動(dòng)土壓力和孔隙水壓力計(jì)并列布置。布置深度范圍為15m，共計(jì)15個(gè)動(dòng)土壓力和孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的間隔均為1m。圖1中地表水平方向?yàn)閤軸，深度方向?yàn)閥軸。

3 飽和粉砂質(zhì)土地基的動(dòng)力響應(yīng)特征分析

圖2 為3 個(gè)夯點(diǎn)的表面變形沿著水平測線的分布曲線，圖中x正值方向?yàn)閳D1中x軸所指方向，即在夯錘右側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)，反之則為x 負(fù)值。從圖2 中可以看出，不同夯點(diǎn)左右兩端的水平位移分布規(guī)律基本一致，均為對(duì)稱的指數(shù)變化規(guī)律，在夯點(diǎn)左側(cè)最近的監(jiān)測點(diǎn)水平位移平均值為102.87mm，隨著距離的增加迅速衰減，在最遠(yuǎn)處的監(jiān)測點(diǎn)水平位移平均值為7.97mm，僅占夯擊邊緣2m位置處的7.7%。同理，在夯點(diǎn)右側(cè)最近的監(jiān)測點(diǎn)水平位移平均值為107.49mm，隨著距離的增加迅速衰減，在最遠(yuǎn)處的監(jiān)測點(diǎn)水平位移平均值為10.83mm，僅占夯擊邊緣2m位置處的10.1%。在x軸的負(fù)距離段，3個(gè)不同夯點(diǎn)的水平位移與距離x的擬合關(guān)系如公式（4）所示，擬合決定系數(shù)為0.8654；在x軸的正距離段，3個(gè)不同夯點(diǎn)的水平位移與距離x的擬合關(guān)系如公式（5）所示，擬合決定系數(shù)為0.8053。

圖2 不同距離位置表面變形監(jiān)測點(diǎn)水平位移分布

式中δ為地表的水平位移，mm；x為表面變形監(jiān)測點(diǎn)與夯錘中心距離，m。

圖3 為夯點(diǎn)A 下第一個(gè)動(dòng)土壓力盒測試得到的動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線。從圖3 中可以看出，在重錘夯擊作用下，飽和粉砂質(zhì)土的動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的脈沖變化，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，并迅速衰減，并在隨后的時(shí)間內(nèi)維持一個(gè)較為恒定的值，該監(jiān)測點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力峰值為331.73kPa。由此表明，強(qiáng)夯法的能量作用時(shí)間非常短暫，對(duì)于能量的轉(zhuǎn)換主要集中在動(dòng)應(yīng)力脈沖峰值附近。

圖3 夯點(diǎn)A下第一個(gè)動(dòng)土壓力盒測得的動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線

對(duì)3個(gè)不同夯點(diǎn)的所有動(dòng)應(yīng)力峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按深度繪制曲線，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可以看出，不同夯點(diǎn)位置處的動(dòng)應(yīng)力峰值隨深度的變化規(guī)律一致，均呈對(duì)數(shù)衰減的變化趨勢，在夯點(diǎn)下1m 位置處的動(dòng)應(yīng)力峰值平均值為324.58kPa，動(dòng)應(yīng)力峰值隨著深度迅速減小，在15m 位置處的動(dòng)應(yīng)力峰值平均值為95.23kPa，下降為1m 位置處動(dòng)應(yīng)力峰值平均值的3.4%。對(duì)3 個(gè)不同夯點(diǎn)處的動(dòng)力峰值與深度的關(guān)系進(jìn)行擬合，可以得到夯點(diǎn)A 的擬合決定系數(shù)為0.9864，夯點(diǎn)B的擬合決定系數(shù)為0.9957，夯點(diǎn)C的擬合決定系數(shù)為0.9908。

圖4 3個(gè)不同夯點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力峰值隨深度變化規(guī)律

圖5 為夯點(diǎn)A 下第一個(gè)孔隙水壓力計(jì)測試得到的超孔隙水壓力時(shí)程曲線。從圖5中可以看出，飽和粉砂質(zhì)土地基的超孔隙水壓力的變化大致可以分為2 個(gè)階段，分別為沖擊階段和固結(jié)階段。在沖擊階段，由于粉砂質(zhì)土地基中含有黏粒，砂土顆粒之間的排水通道被堵塞，粉砂質(zhì)土在受到強(qiáng)夯沖擊后，其固體顆粒發(fā)生重新排列，將動(dòng)力荷載傳遞給孔隙水，導(dǎo)致孔隙水壓力在短時(shí)間內(nèi)迅速增加，粉砂質(zhì)土相當(dāng)于半排水邊界條件的黏性土。因此，在0.5s后，土體進(jìn)入固結(jié)階段的超孔隙水壓力并不會(huì)立刻下降為零，而是維持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值；在之后的一段時(shí)間內(nèi)，隨著強(qiáng)夯動(dòng)荷載的卸載和孔隙水的排出，超孔隙水壓力才逐步回落。

4 飽和粉砂質(zhì)土地基的強(qiáng)夯加固效果分析

為了檢驗(yàn)強(qiáng)夯法對(duì)飽和粉砂質(zhì)土地基的加固效果，在加固場區(qū)選取6 個(gè)試樣點(diǎn)，對(duì)加固前后的土體進(jìn)行取樣試驗(yàn)，在室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)中獲得壓縮模量，對(duì)比加固前后3 層土體的壓縮模量變化情況，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 中可以看出，經(jīng)過強(qiáng)夯后，各個(gè)土層的壓縮模量均得到大幅度的提升，且深度越淺，其壓縮模量的提升幅度越大。加固前粉砂質(zhì)粉土的壓縮模量平均值為12.6MPa，加固后壓縮模量平均值為31.9MPa，提升幅度為153%；加固前粉砂質(zhì)黏土的壓縮模量平均值為10.5MPa，加固后壓縮模量平均值為23.9MPa，提升幅度為128%；加固前粉土的壓縮模量平均值為11.7MPa，加固后壓縮模量平均值為21.5MPa，提升幅度為84%。所有土層加固后的壓縮模量均達(dá)到了不小于20MPa的驗(yàn)收要求。

圖6 不同土層強(qiáng)夯加固前后壓縮模量對(duì)比

5 結(jié)語

以甘肅省某加固場地為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場實(shí)測方法，獲得土體沉降變形、動(dòng)應(yīng)力以及孔隙水壓力等參數(shù)的時(shí)空變化曲線，分析加固過程中土體的動(dòng)力壓密和排水規(guī)律，并評(píng)估其在場區(qū)中的加固效果，得到以下結(jié)論：

（1）不同夯點(diǎn)左右兩端的水平位移分布規(guī)律基本一致，均為對(duì)稱的指數(shù)變化規(guī)律。夯點(diǎn)周圍5m監(jiān)測點(diǎn)處的水平位移約為2m監(jiān)測點(diǎn)處的10%；不同夯點(diǎn)位置處的動(dòng)應(yīng)力峰值隨深度均呈對(duì)數(shù)衰減的變化趨勢，在夯點(diǎn)下15m 位置處的動(dòng)應(yīng)力峰值平均值約為1m 位置處動(dòng)應(yīng)力峰值平均值的3.4%。

（2）在重錘夯擊作用下，飽和粉砂質(zhì)土的動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的脈沖變化，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，并迅速衰減，能量的轉(zhuǎn)換主要集中在動(dòng)應(yīng)力脈沖峰值附近；飽和粉砂質(zhì)土地基的超孔隙水壓力變化大致可分為沖擊階段和固結(jié)階段，在固結(jié)階段，超孔隙水壓力在相當(dāng)長的一段時(shí)間維持為恒定值。

（3）經(jīng)過強(qiáng)夯后，各個(gè)土層的壓縮模量均得到大幅度的提升，且深度越淺，其壓縮模量提升幅度越大，所有土層加固后的壓縮模量均達(dá)到了不小于20MPa的驗(yàn)收要求，表明采用強(qiáng)夯法對(duì)飽和粉砂質(zhì)土地基的加固效果良好。