黃偉明，孫 興

（溫州設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325000）

0 引 言

沖擊壓實(shí)工藝自上世紀(jì)90年代傳入我國(guó)后，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于建筑、交通、水利、機(jī)場(chǎng)等各類工程中的土基處理及填土壓實(shí)，具有效率高、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)。

采用沖壓法進(jìn)行動(dòng)力固結(jié)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先，沖壓施工相當(dāng)于一種連續(xù)的夯拍過(guò)程，具有波浪起伏及周期間歇等特點(diǎn)，這種間歇周期可以通過(guò)合理劃分作業(yè)面積等手段很容易與土基的孔壓消散周期相協(xié)調(diào),使孔壓消散持續(xù)地發(fā)生在最有效的消散階段，保證動(dòng)力固結(jié)過(guò)程持續(xù)高效進(jìn)行。相比于傳統(tǒng)強(qiáng)夯法,沖壓法可更有效地利用沖擊能，并大大縮短固結(jié)周期。其次，沖壓的應(yīng)力作用方式兼具揉、擠、沖擊等多種作用，在這種作用下很容易使土體中產(chǎn)生大量的微裂隙，而這些裂隙的存在可大大加速地基土中孔隙水的排出以加速土體固結(jié)。沖壓相當(dāng)于小能量的強(qiáng)夯，而在動(dòng)力固結(jié)理論中，固結(jié)過(guò)程應(yīng)該是由表層至深層逐漸發(fā)生的，這種低能量的強(qiáng)夯對(duì)淺層固結(jié)，即處理硬殼層是十分有效的。溫州市地質(zhì)表層就屬于這種情況，本文以溫州市濱海大道工程作為實(shí)例，分析沖擊壓實(shí)工藝在典型軟土地區(qū)的應(yīng)用前景。

1 概 述

1.1 工程概況

溫州市濱海大道工程用地基本為農(nóng)田，其地質(zhì)屬濱海淤積平原，地形平坦。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，擬建場(chǎng)地地基土可劃分為6個(gè)工程地質(zhì)層：表部為人工填土及“地表硬殼層”粘土，其下依次為含砂淤泥、淤泥、淤泥質(zhì)粘土和角礫；場(chǎng)地除巨厚的軟土外,未見其他不良地質(zhì)現(xiàn)象，場(chǎng)地總體穩(wěn)定性較好。

溫州市濱海大道工程填方路基頂面一般高于原地面0.5～3.0 m，考慮動(dòng)荷載以及地下水位變化等因素,采用分層總和法計(jì)算最不利情況下地基總沉降量為37.5～44.4 cm；施工期按3個(gè)月考慮，工后沉降量達(dá)33～40 cm，不能滿足規(guī)范[1]最小30 cm的要求，需進(jìn)行地基處理。

1.2 地基處理方法

針對(duì)本工程地形、地質(zhì)條件和工期要求，擬采用淺層動(dòng)力固結(jié)聯(lián)合堆載預(yù)壓方法。

淺層動(dòng)力固結(jié)主要采用三邊型沖壓機(jī)對(duì)原土基進(jìn)行沖擊壓實(shí)，達(dá)到加厚硬殼層、提高土基強(qiáng)度、減少工后沉降的目的。硬殼層加厚后可以大大減少因土基受荷時(shí)的側(cè)向變形而引起的瞬時(shí)沉降。同時(shí)土基沉降主要發(fā)生在淺層，在沖擊壓實(shí)的作用下，一定深度范圍內(nèi)地基土將在動(dòng)力條件下固結(jié)，達(dá)到一定程度的超固結(jié)狀態(tài)，即相當(dāng)于對(duì)后期的固結(jié)沉降進(jìn)行了預(yù)處理，從而達(dá)到減少工后沉降的目的。另外，淺層動(dòng)力固結(jié)可使一定深度范圍內(nèi)的土基密度增加，強(qiáng)度提高，這對(duì)調(diào)整地基的均勻性，減少不均勻沉降也是十分有效的。在淺層動(dòng)力固結(jié)后，結(jié)合處理情況進(jìn)行堆載預(yù)壓，可進(jìn)一步減少土基沉降至滿足最終沉降要求，確保工程質(zhì)量。

2 沖壓施工

2.1 沖壓參數(shù)

為達(dá)到質(zhì)量好、工期快、投資少的目的，沖壓施工采用32 kJ三邊形沖壓機(jī)，沖壓8、12、16、20、24、28、32遍。

2.2 施工程序

場(chǎng)地清理→測(cè)量場(chǎng)地標(biāo)高→采用小于30 cm粒徑的宕渣填筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高（厚度約1.20 m)→沖壓→沖壓合理間歇后再?zèng)_壓→測(cè)量沖壓后標(biāo)高→地基檢測(cè)→施工質(zhì)量驗(yàn)收→進(jìn)入下一道施工工序。

沖壓施工采用輪跡交錯(cuò)法進(jìn)行，即行進(jìn)中輪隙交錯(cuò)推進(jìn)，直至覆蓋完整處理區(qū)域?yàn)橐槐?，依次完成設(shè)計(jì)遍數(shù)。

2.3 施工監(jiān)測(cè)[2]

在沖壓施工的整個(gè)過(guò)程中，進(jìn)行了孔壓監(jiān)測(cè)，在沖壓至第8遍后每隔4遍進(jìn)行沉降觀測(cè)以及干密度檢測(cè)，以期通過(guò)沖壓過(guò)程中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)來(lái)了解動(dòng)力固結(jié)的發(fā)展變化規(guī)律以及有效處理深度等相關(guān)數(shù)據(jù)，以便選擇合理的施工及控制參數(shù)。

2.3.1 孔壓監(jiān)測(cè)

孔壓監(jiān)測(cè)自開始沖壓施工開始，分別讀取施工過(guò)程中的瞬間消散量、孔壓峰值及沖壓12、16、20、24、28遍時(shí)的消散周期。

在沖擊壓實(shí)施工過(guò)程中，分別讀取各遍施工中各點(diǎn)傳感器的瞬間消散量，將各組傳感器的瞬間消散量匯總后，繪制間隔4遍沖壓的瞬間消散量曲線，如圖1所示。

圖1 沖壓的瞬間消散量曲線

由圖1可知，隨沖壓遍數(shù)增加，瞬間消散量整體呈下降趨勢(shì)，2 m埋深傳感器讀數(shù)的最大消散量為15 kPa，最小消散量為5 kPa；埋深為2 m傳感器的瞬間消散量明顯大于埋深4 m傳感器的瞬間消散量，說(shuō)明隨深度增加,動(dòng)力固結(jié)效果減弱，在4 m處其動(dòng)力固結(jié)效果已不十分明顯。

孔壓峰值讀數(shù)為沖壓各遍施工過(guò)程中的孔壓相對(duì)穩(wěn)定值，即不包含瞬間消散的孔壓值。將各組傳感器的孔壓峰值匯總后繪制間隔4遍沖壓的孔壓峰值曲線，如圖2所示。

圖2 沖壓過(guò)程中孔壓峰值曲線

由圖2可知，各埋深孔壓變化規(guī)律一致，整體呈上升趨勢(shì)，2 m處孔壓明顯高于4 m處孔壓。另外，在第28遍施工吋埋深2 m傳感器的孔壓峰值已達(dá)25 kPa，為上覆土自重的62.5%。

在沖壓施工中,根據(jù)孔壓消散、天氣狀況及作業(yè)安排等因素，共經(jīng)歷了3個(gè)間歇期及第28遍施工結(jié)束后觀測(cè)期。其中第12遍沖壓結(jié)束后間歇時(shí)間為32 h，16遍沖壓結(jié)束后間歇期為6 d，第24遍沖壓結(jié)束后間歇4 d，第28遍沖壓結(jié)束后經(jīng)歷了6 d觀測(cè)期。將第16、24、28遍沖壓結(jié)束后間歇期的各次孔壓讀數(shù)匯總后繪制間歇期孔壓記錄曲線，如圖3所示。

圖3 各間歇期孔壓記錄曲線

由圖3可知，各間歇期孔壓變化趨勢(shì)一致,在間歇初期孔壓均有小量反彈，即孔壓不降反升，第16遍間歇期孔壓消散相對(duì)較大，隨遍數(shù)增加孔壓消散趨于困難。28遍后的觀測(cè)期孔壓幾乎不發(fā)生消散。

在間歇初期孔壓的上升可以理解為：在沖壓過(guò)程中產(chǎn)生的部分裂隙是逐漸閉合的，隨著裂隙的逐漸閉合土體排水通道關(guān)閉，導(dǎo)致此階段孔壓上升。

2.3.2 沉降觀測(cè)

在沖壓過(guò)程中，每隔4遍平整場(chǎng)地并進(jìn)行標(biāo)高測(cè)量，將觀測(cè)資料整理列于表1。

表1 沉降觀測(cè)結(jié)果

由表1可以看出：總的趨勢(shì)是，隨沖壓遍數(shù)的增加，沉降量逐漸減少；累計(jì)沖壓沉降量趨于穩(wěn)定，沖壓20遍后表面累計(jì)沉降37.9 cm,28遍后表面累計(jì)沉降27.4 cm。

2.3.3 沖壓遍數(shù)與壓實(shí)度檢測(cè)

沖壓過(guò)程中每間隔4遍沖壓進(jìn)行墊層干密度和壓實(shí)度檢測(cè)，沖壓遍數(shù)與墊層干密度及壓實(shí)度關(guān)系見表2。

表2 沖壓遍數(shù)與墊層干密度及壓實(shí)度關(guān)系

由表2可以看出，墊層干密度隨沖壓遍數(shù)增加整體呈上升趨勢(shì)，在第20、28遍時(shí)壓實(shí)度大于93%。

另外，墊層干密度在20遍時(shí)最大，24遍時(shí)反而降低。其原因是，前20遍沖壓效果較好,但由于連續(xù)沖擊，強(qiáng)度過(guò)大，排水通道被破壞，使土基孔壓普遍升高，即大面積出現(xiàn)“彈簧土”，造成沖擊20遍后的間歇期中，土基在超孔隙水壓力下反彈隆起，表現(xiàn)為表面沉降量為負(fù)，墊層干密度降低。28遍施工結(jié)束后的孔壓消散也表現(xiàn)為消散異常困難，長(zhǎng)時(shí)間維系較高孔壓水平。

由此可見，在一定程度上，施工工藝是動(dòng)力固結(jié)處理地基成敗的關(guān)鍵，不合理的施工不僅達(dá)不到處理目的，反而適得其反，造成土基破壞，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量，甚至必須采用大面積換填，造成巨大浪費(fèi)。

3 沖壓結(jié)束后檢測(cè)

3.1 物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)

在沖擊壓實(shí)處理完成后，間歇5 d后通過(guò)鉆機(jī)取樣，進(jìn)行了室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

對(duì)照地勘場(chǎng)地土室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：地基土在經(jīng)過(guò)沖擊壓實(shí)動(dòng)力固結(jié)處理后，干密度增加，孔隙比降低，壓縮模量提高，各項(xiàng)指標(biāo)均有所提高。第一層土效果最為明顯，干密度由1.51 g/cm3提高至1.57 g/cm3,壓實(shí)度達(dá)99%，壓縮模量由5.83 MPa提高為7.30 MPa,但處理效果隨深度增加而逐漸減弱。

表3 場(chǎng)地各土層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3.2 墊層顆粒分析試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)資料，沖壓機(jī)具有較大的沖擊能，其作用于粗顆粒填料時(shí)，在一定程度上可使填料顆粒破碎，級(jí)配改良。

在沖壓施工結(jié)束后取場(chǎng)地墊層填料進(jìn)行了沖壓后顆粒分析試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果繪制成沖壓后墊層填料顆粒級(jí)配曲線，如圖4所示。

圖4 沖壓后墊層填料顆粒分析曲線

由級(jí)配曲線計(jì)算得：墊層填料在沖壓處理后，不均勻系數(shù)Cu=25.5,曲率系數(shù)o=3.16；對(duì)比沖壓前顆分?jǐn)?shù)據(jù)，處理后填料不均勻系數(shù)明顯增大，級(jí)配改良。

3.3 面層回彈模量

計(jì)算所得各區(qū)未經(jīng)原點(diǎn)修正的回彈模量值見表4。

表4 承載板法回彈模量統(tǒng)計(jì)表

由承載板法回彈模量結(jié)果可以看出，處理后土基面層回彈模量最小值為66.78 MPa,滿足設(shè)計(jì)要求。

4 沉降分析

經(jīng)淺層動(dòng)力固結(jié)處理后,一定深度內(nèi)土層固結(jié)程度增加，可壓縮性降低，局部土層處于超固結(jié)狀態(tài)。其固結(jié)壓力若與上部附加荷載相近或更大的話，則附加荷載施加過(guò)程主要是處理回彈再壓縮變形,該過(guò)程可在較短時(shí)間內(nèi)完成。而工后沉降主要發(fā)生于固結(jié)程度較低的土層在工后仍在進(jìn)行的固結(jié)過(guò)程之中。

4.1 處理后的沉降量

通過(guò)沖擊壓實(shí)試驗(yàn)的表面沉降觀測(cè)可知，在沖壓面層處理后總共沉降了27.4 cm，其中墊層的壓密沉降量通過(guò)其密度變化換算成體積壓縮,得出墊層壓密沉降量約為18.0 cm,則下伏土體經(jīng)沖擊壓實(shí)的淺層動(dòng)力固結(jié)作用發(fā)生沉降9.4 cm，在沖壓第20遍后，計(jì)算原地面處理沉降近20 cm。說(shuō)明淺層動(dòng)力固結(jié)起到了一定作用。

4.2 工后沉降計(jì)算

經(jīng)過(guò)沖壓處理后,場(chǎng)地原土基在一定深度范圍內(nèi)的土體密度增加，孔隙比減小，壓縮模量增加，可壓縮性降低，按分層總和法計(jì)算的總沉降量為28.3～39.7 cm.根據(jù)單面排水固結(jié)理論計(jì)算其工后沉降為22.64～27.79 cm,滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)處理，硬殼層厚度增加，土體由側(cè)向變形引起的瞬時(shí)沉降大為減小，這對(duì)于減小工后沉降十分有利。

由于動(dòng)力固結(jié)只作用于原土基淺層，而本場(chǎng)地存在著巨厚的軟土層，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算其壓縮層厚度大于30 m,動(dòng)力固結(jié)是無(wú)法達(dá)到該深度的，因此應(yīng)結(jié)合堆載預(yù)壓方法，對(duì)于較深的下伏土層進(jìn)一步處理沉降，并在沉降速率滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行下步施工，以確保工程質(zhì)量。

5 結(jié)論與建議

（1）地基土在經(jīng)過(guò)沖擊壓實(shí)動(dòng)力固結(jié)處理后，干密度增加，孔隙比降低，壓縮模量提高，各項(xiàng)指標(biāo)均有所提高。處理效果隨深度增加而逐漸減弱。

（2）經(jīng)沖壓處理后填料不均勻系數(shù)明顯增大，級(jí)配改良。

（3）經(jīng)沖壓處理后土基強(qiáng)度提高，均勻性增加，可滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）沖擊壓實(shí)的淺層動(dòng)力固結(jié)作用是有效的。

（5）為保證工程質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行沖壓施工控制，必要時(shí)在全場(chǎng)區(qū)布置孔壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（6）在沖壓施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，在觀察到地面出現(xiàn)“彈簧”、“翻漿”等現(xiàn)象后立即停止沖壓，在合理間歇后再進(jìn)行沖壓施工。

（7）在沖壓過(guò)程中，應(yīng)盡量避兔對(duì)掉頭轉(zhuǎn)角等位置的連續(xù)沖壓次數(shù),可通過(guò)交錯(cuò)施工，調(diào)整作業(yè)順序的方法解決；在場(chǎng)地由于沖擊遍數(shù)增加而不平整時(shí)，應(yīng)進(jìn)行推平后再繼續(xù)沖壓施工。

（8）動(dòng)力固結(jié)只作用于土基淺層，當(dāng)場(chǎng)地存在著巨厚的軟土層時(shí)應(yīng)結(jié)合堆載預(yù)壓的處理方法，對(duì)于較深的下伏土層進(jìn)一步處理沉降，直至工后沉降滿足設(shè)計(jì)要求。