劉利平,孫運青,郭 軍

(河北建設勘察研究院有限公司,河北石家莊 050031)

強夯法加固不同飽和土地基的比較試驗研究

劉利平,孫運青,郭 軍

(河北建設勘察研究院有限公司,河北石家莊 050031)

通過室內試驗就中海石油煉化山東公司東營港 (堆場區(qū))場地的土性條件和加固前、加固后的變形和強度特征的變化進行了比較。此外,根據(jù) 3個場地的現(xiàn)場實測資料的比較,分析了不同地層條件下強夯荷載作用引起的孔隙水壓力的分布特征,最后研究強夯法加固飽和土地基的土性適用條件。

強夯法;飽和軟土;孔隙水壓力;剪切強度;變形特征

0 引言

強夯法早期的應用主要是處理碎石填土或砂礫石土,最大處理深度可達到 30 m。近年來,利用強夯法的夯擊機具并與排水固結法中排水系統(tǒng) (如塑料排水板、輕型井點法)相結合進行軟土地基處理也已經(jīng)比較成熟[1,2]。白冰等[3]利用“動靜結合排水固結法”對飽和軟土地基進行了加固。孟慶山等[4]通過現(xiàn)場測試對動力排水固結法的機理進行過探索。鄭穎人等[5]對該法的施工參數(shù)進行了研究。

實際上,用強夯法加固飽和軟土地基時應特別注意下面一些問題:強夯加固地基的土性條件;地層條件 (即軟硬不同的典型的地基場地);強夯的影響深度和范圍;合理強夯能量的選擇[6]。

本文以 3個不同地層條件 (即軟硬不同的典型的地基場地)的強夯試驗結果來說明強夯荷載作用下孔隙水壓力的分布特征,重點對中海石油煉化山東公司東營港 (堆場區(qū))吹填土地基的物理力學指標進行分析。

1 三個場地的基本物理性質

3個不同地質條件的場地包括:場地 1,東營中海油加固地基場地,本文重點給出加固前和加固后該場地的變形和強度特征的室內試驗結果;場地 2,山東大唐東營電廠廠區(qū)吹填粉土地基;場地 3,京滬高速鐵路某路段松軟土地基。

1.1 東營中海油加固地基場地

對擬進行試驗的場地在降水后的現(xiàn)場吹填軟土地基進行取樣 (深度為表層 1 m)進行了室內試驗,測定土的基本物理、力學性質指標。室內試驗得到的表層土塑限、液限和塑性指數(shù)分別為 wP=2012%,wL=2914%,IP=912。按照“建筑地基基礎設計規(guī)范 (GB 50007-2002)”分類法,屬于粉土。表層土的密度 Gs=2171 g/cm3。現(xiàn)場軟土的含水量w=1717%～2212%,重度為 2112 kN/m3。結合液塑限試驗結果,為流塑狀態(tài)。對降水后的吹填軟土層土樣 (強夯前)進行了變水頭滲透試驗,測定的滲透系數(shù) k=1118×10-4cm/s。對現(xiàn)場取得的土樣進行室內顆粒分析試驗(包括強夯前和強夯后),采用篩分法和密度計法聯(lián)合測定,顆粒級配曲線見圖 1。

1.2 山東大唐東營電廠廠區(qū)吹填粉土地基

山東大唐東營電廠廠區(qū)吹填粉土地基場地上部地層主要為飽和吹填粉土 (灰色,均勻),吹填區(qū)域內表面積水較多。吹填土層厚度一般在310～315m之間,平均厚度約 313 m?，F(xiàn)場軟土層搖振反應迅速,平均含水量 w=3118%,重度為 2112 kN/m3,液性指數(shù) IL=1133,呈流塑狀態(tài)。吹填軟土層的塑限、液限和塑性指數(shù)分別為 wP=2012%,wL=2819%,IP=817,土粒密度 Gs=2170 g/cm3。

圖 1 吹填軟土顆粒級配曲線

首先用水沖法沖孔埋設豎向排水管 (直徑 32 mm),然后再敷設橫向排水管 (直徑 63 mm)。豎向排水管井點排距 2 m。

經(jīng)過降水后 (大約 15天),進行強夯試驗。分 3遍進行,前兩遍為點夯,最后一遍為滿夯。每遍夯點為正方形排列,兩遍錯落布置。夯錘直徑為 2125 m,夯錘高度為 017 m,夯錘質量為 10 t。

1.3 京滬高速鐵路某路段松軟土地基

試驗場地為沖湖積平原,地形平坦,地勢開闊,原大部辟為耕地。地表覆蓋第四系全新統(tǒng)沖湖積層

(Q3

al+1)粉質粘土,黃褐色,堅硬～硬塑,含姜石、砂礫,平均厚度為 310 m。其下為花崗片麻巖,較為堅硬。場地地下水位深度為 1179 m。現(xiàn)場地基土的平均含水量 w=1915%,孔隙比 e=0155,重度為2110 kN/m3,干密度為 118 g/cm3。塑限、液限和塑性指數(shù)分別為 wP=2418%,wL=3818%,IP=1410,土顆粒密度 Gs=2172 g/cm3。液性指數(shù) IL=-0138,為堅硬狀態(tài)。

2 加固前后地基土的力學指標比較

對于東營中海油加固地基場地,對降水后不同條件下 (強夯加固前、強夯加固后)的土樣進行了室內側限固結試驗。試樣厚度為 2 cm,試樣直徑為6118 cm。e-logp曲線見圖 2。

經(jīng)過計算,降水后但未進行強夯處理的土樣的壓縮系數(shù) a1-2=0112 MPa-1,為中壓縮性土。進行夯擊處理后,壓縮系數(shù) a1-2=0128 MPa-1。

由圖 2可以看出,對于降水但未進行處理的土樣,其 e-logp曲線要比強夯后的 e-logp曲線陡峭,但呈直線壓縮特征,說明強夯后土層的壓縮性有一定改善。

圖 2 不同工況下的 e-logp曲線

對土樣進行室內直剪試驗 (不固結快剪)。試樣厚度為 2 cm,試樣直徑為 6118 cm。剪切速率為014 mm/min。圖 3給出剪應力 -剪切位移之間相互關系。圖 4給出四種土樣的抗剪強度包線。表 1給出抗剪強度包線擬合方程及強度指標。

圖 3 剪應力 -剪切位移相互關系曲線

圖 4 抗剪強度包線

表 1 抗剪強度包線擬合方程及強度指標

由圖 3a可以看出,未經(jīng)過加固的吹填土 (原始狀態(tài))的應力應變關系呈現(xiàn)應變硬化的特征。當采取降水措施后 (圖 3b),土樣強度就比原始狀態(tài)土樣強度 (圖3a)有明顯增大,此時土樣的應力應變關系也呈現(xiàn)超固結土的一些性狀,即呈現(xiàn)一定的應變軟化的特征。當采取強夯措施后(圖 3c),土樣強度也有較大程度增大,并且呈現(xiàn)更為明顯的應變軟化的特點 (特別是在圍壓較小時),即在剪切位移較大時出現(xiàn)峰值,然后剪切應力減小。

由表 1和圖 4所給出的抗剪強度指標來看,經(jīng)過降水過程 (即降水后)以及強夯后,土樣的抗剪強度比未經(jīng)過處理的原始狀態(tài) (降水前)的土樣抗剪強度明顯增大,而內摩擦角的增加量則更為明顯。

3 不同土性條件孔隙水壓力的比較

圖 5給出 3個不同土性條件 (即不同地質條件)下強夯荷載作用下地層中孔隙水壓力的分布特征。其中,圖 5(a)為東營中海油加固地基場地的不同的強夯能量對地層孔隙水壓力的影響范圍(第一遍強夯,單點強夯能量分別為 1000、2000、3000 kN·m)。

由圖 5(a)可以看出,東營中海油加固地基場地產(chǎn)生的孔隙水壓力值大小介于場地 2(即山東大唐東營電廠廠區(qū)吹填粉土地基)和場地 3(京滬高速鐵路某路段松軟土地基)之間。而其地質條件也介于這兩個場地之間。所以,對于較為堅硬的土層一般產(chǎn)生較大的孔隙水壓力。另一方面,孔隙水壓力分布與場地 2(即山東大唐東營電廠廠區(qū)吹填粉土地基)顯示的孔隙水壓力比較接近。

圖 5 孔隙水壓力沿深度方向分布

由圖 5(b)可以看出,對于場地 2,吹填粉土地基在第 1、2、3遍強夯作用下,孔隙水壓力在深度 5 m范圍內的反映是明顯的,而深度 6 m處孔隙水壓力幾乎為零。這里需要說明,第一遍強夯能量為800 kN·m。因此,可以認為孔隙水壓力的影響深度在 5 m以內。測試結果表明,在水平距離 6 m范圍內,超孔隙水壓力上升比較明顯 (水平距離 6 m處為 8 kPa)。

對于場地 3,由圖 5(c)可以看出,第一、二遍強夯荷載作用下,深度 6 m處孔隙水壓力分別可達17011和 10312 kPa,表明強夯作用的影響在深度 6 m以上是非常顯著的。這里需要說明,第一遍強夯能量為 2000 kN·m。這一影響深度可以使得本場地 4～5 m深度范圍內土層的密實度和強度得到明顯改善。而第三遍滿夯作用下,淺層土的孔隙水壓力仍然較大,但此時土層較深處的孔隙水壓力則相對較小 (如深度 6 m處的孔隙水壓力為 1515 kPa)。測試結果表明,在水平距離 4175 m的范圍內,超孔隙水壓力上升比較明顯。由此可以認為,在夯擊能量為 2000 kN·m時,其水平影響距離可以達到4175 m。

上述分析表明,在水平方向,較硬土層地基 (如京滬松軟土地基)所產(chǎn)生的孔隙水壓力似乎比超軟弱土層 (如吹填粉土地基)的孔隙水壓力要小。然而,由于較硬土層地基有更強的向下的荷載傳遞效應,因此較硬土層在深度方向產(chǎn)生的孔隙水壓力遠大于超軟弱土層的孔隙水壓力。

由上述 3個不同地質條件的強夯試驗結果可以看出,隨著場地地質條件增強,強夯荷載作用下的影響深度一般也增大。

4 結論

(1)對于降水但未進行處理的土樣,其壓縮曲線要比降水及強夯后的土樣的壓縮曲線陡峭,但呈直線壓縮特征,說明強夯后土層的壓縮性有一定改善。

(2)當采取降水措施后,土樣強度就比原始狀態(tài)土樣強度有明顯增大,此時土樣的應力應變關系也呈現(xiàn)超固結土的一些性狀。當采取強夯措施后,土樣強度也有較大程度增大,并且呈現(xiàn)更為明顯的應變軟化的特點。

(3)經(jīng)過降水過程 (即降水后)以及強夯后,土樣的抗剪強度比未經(jīng)過處理的原始狀態(tài)的土樣抗剪強度明顯增大,而內摩擦角的增加量則更為明顯。

(4)3個不同地質特征的強夯試驗表明,對于較為堅硬的土層一般產(chǎn)生較大的孔隙水壓力。而且,土層地質條件不同,其孔隙水壓力的分布特征也不同。

[1] 丘建金,張礦成.動力排水固結法在軟基加固工程中的應用[J].工程勘察,1995,(6):7-10.

[2] Gunaratne M,Ranganath M,Thilakasiri S,et al.Study of Pore Pressure Induced in Laboratory Dynamic Consolidation[J].Com-puters and Geotechnics,1996,18(2):127-143.

[3] Bai Bing. Consolidation Characteristics and Undrained Shear Strength underRepeated ImpactLoading[J].Geotechincal Testing Journal,2006,29(4):289-297.

[4] 孟慶山,汪稔.沖擊荷載下飽和軟土動態(tài)響應特征的試驗研究[J].巖土力學,2005,26(1):17-21.

[5] 鄭穎人,陸新,李學志.強夯加固軟粘土地基的理論與工藝研究[J].巖土工程學報,2000,22(1):18-22.

[6] 蔡袁強,陳超,徐長節(jié).強夯加固回填土地基的三維數(shù)值模擬[J].巖土力學,2007,28(6):1108-1112.

Comparative Exper iment on the Dynam ic Compaction Consolidation for Various Saturated Soil Foundation

L IU Li-ping,SUN Yun-qing,GUO Jun(HebeiResearch Institute of Construction and Geotechnical Investigation Co.Ltd.,Shi-jiazhuang Hebei 050031,China)

By the laboratory tests,the soil conditions of a container yard in Shandongwere compared aswell as the varia-tions of ground deformation and strength characteristics before and after the consolidation.According to the comparative a-nalysis on the field test data of 3 sites,analysiswasmade on the distribution of porewaterpressure caused by dynamic com-paction loading in different formations;and the applicable conditions for consolidation of saturated soft soil with dynamic compaction was discussed.

dynamic compaction;saturated soft soil;pore water pressure;shear strength;deformation characteristics

TU472.3

A

1672-7428(2011)06-0055-04

2010-12-08

劉利平 (1968-),男 (漢族),河北人,河北建設勘察研究院有限公司,巖土工程專業(yè),從事巖土工程設計施工工作,河北省石家莊市建華南大街 58號,hbjk2010@126.com。