鄧?yán)罪w，韓冉冉

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

20世紀(jì)30年代，德國(guó)STUERMAN首次利用振沖法完成了柏林的一幢建筑物粗砂地基的加固處理，并取得了良好的效果[1]。其后的30 a，振沖法在美洲、歐洲、亞洲及非洲得到了廣泛的應(yīng)用及改進(jìn)。我國(guó)最早由南京水利科學(xué)研究院引入，并將其應(yīng)用于南京船廠船體車間工程的地基加固。由于振沖法具有施工簡(jiǎn)單、工期短、工藝簡(jiǎn)便、處理效果顯著等特點(diǎn)[2-3]，在我國(guó)地基處理工程中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是近20 a來，填海造陸工程快速發(fā)展，使得該方法得到了進(jìn)一步的發(fā)展和優(yōu)化。

通常振沖法分為有填料和無填料兩種方法，其中無填料振沖法主要應(yīng)用于砂土地基加固，從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)看無填料振沖法對(duì)砂土中的細(xì)粒含量較為敏感，如Mitchell在文獻(xiàn)[4]中給出了適于振沖法加固地基的顆粒級(jí)配范圍，該文將顆粒級(jí)配范圍從左到右分為3個(gè)區(qū)，A區(qū)相對(duì)顆粒較粗易導(dǎo)致振沖器損壞，B區(qū)加固效果最好，C區(qū)顆粒較細(xì)加固難度較大。Massarsch[5]結(jié)合靜力觸探結(jié)果，研究了土體的振沖加密性，并得到了適于振沖加固的土類范圍。文獻(xiàn)[6]對(duì)無填料振沖法的適用范圍進(jìn)行了總結(jié)，指出無填料振沖法適用于細(xì)粒(小于0.074 mm)含量不大于10%的中、粗砂地基。周健[7]等總結(jié)了無填料振沖加固粉細(xì)砂地基失敗的原因，指出傳統(tǒng)振沖工藝產(chǎn)生的流態(tài)區(qū)，粉細(xì)砂的初始密實(shí)狀態(tài)和黏粒含量均對(duì)加固效果有影響。此外,文獻(xiàn)[8-10]提供了無填料振沖法加固粉細(xì)砂地基的成功案例。從上述研究成果可以看出，采用無填料振沖法加固粉細(xì)砂時(shí)，其細(xì)粒含量的控制百分比還未有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，決定加固效果的關(guān)鍵因素尚不明確。

為了研究無填料振沖法加固細(xì)粒土的適用性，尤其是無填料振沖對(duì)處理粒徑小于0.074 mm的顆粒含量超過10%的粉細(xì)砂、粉砂及粉土地基的可行性，本文將結(jié)合濰坊港中港區(qū)南岸吹填粉土地基處理工程，通過實(shí)測(cè)振沖過程中孔隙水壓力變化及加固前后的沉降變化，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)分析無填料振沖對(duì)吹填粉土地基的處理效果。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于濰坊港中港區(qū)港池南岸擬建碼頭堆場(chǎng)區(qū)，工程場(chǎng)地系抽取海底粉土吹填而成，地形平坦。根據(jù)勘察資料(表1)，其場(chǎng)區(qū)地層自上而下分為3層：吹填粉土(Q4ml)、粉土(Q4m)、粉質(zhì)粘土(Q4m)。其中，吹填粉土厚7.00～9.50 m，平均厚度7.50 m，淺黃-淺灰色，松散-稍密，稍濕-飽和，標(biāo)慣擊數(shù)N=5.7擊。粉土厚度5.50～8.00 m，平均7.38 m，淺灰色，中密-密實(shí)，飽和，標(biāo)慣擊數(shù)N=19.7擊。粉質(zhì)粘土，厚度3.10～4.50 m，平均厚度3.80 m，灰色-淺灰色，可塑，標(biāo)慣擊數(shù)N=8.6擊。其中吹填粉土層為主要的振沖加固土層，其粒徑小于0.074 mm的顆粒含量高達(dá)75%，顆粒級(jí)配范圍位于文獻(xiàn)[4]中所指的C區(qū)右側(cè)區(qū)域，說明本工程土體顆粒更細(xì)，加固難度更大。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical properties of soil layers

圖1 加固區(qū)振沖點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.1 Layout of the vibroflotation reinforcing and measuring point of the reinforcement area

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)場(chǎng)地為50 m×35 m的長(zhǎng)方形區(qū)域，根據(jù)設(shè)計(jì)振沖點(diǎn)位距離不同分為A、B、C三個(gè)加固試驗(yàn)區(qū)，A、B、C區(qū)振沖點(diǎn)位間距分別為2.1 m、2.5 m和3.0 m，按梅花形布置，振沖點(diǎn)位布置詳見圖1。振沖器[11]型號(hào)ZCQ-75，功率為75 kW，振動(dòng)頻率1 460 rpm，振幅6.0 mm，額定電流150.0 A，外形尺寸φ351 mm ×3 010 mm。

2.1 施工工藝

(1)加固前面層處理。由于吹填粉土地基，含水量高，壓縮性大，面層承載力難以支撐振沖器起吊設(shè)備，需采用水路挖土機(jī)、推土機(jī)進(jìn)行表層擾動(dòng)、碾壓排水，使表層形成厚約1.0 m的硬殼層。

(2)無填料振沖施工。根據(jù)施工前放樣振沖點(diǎn)位安排施工機(jī)械就位，然后開始進(jìn)行試振沖試驗(yàn)。本項(xiàng)目采用3次成孔成形法，第1次勻速下沉至地面以下9.0 m，留振20 s，勻速上拔至孔口留振20 s；第2次勻速下沉至地面以下8.5 m，留振20 s，勻速上拔，每間隔0.5 m留振8～10 s直至地面；第3次勻速下沉至地面以下8.0 m處，留振20 s，勻速上拔，每間隔1.0 m留振8～10 s直至地面，振沖結(jié)束，移至下一組孔位。振沖結(jié)束前檢查施工孔位，如有孔洞，需回填現(xiàn)場(chǎng)的吹填土并重新振密實(shí)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

(1)孔隙水壓力。為了研究無填料振沖加固吹填粉土地基的孔隙水變化及粉土液化情況，選擇有代表性的振沖點(diǎn)對(duì)振沖過程中孔隙水壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為便于比較分析，可分別在振沖點(diǎn)間距2.1 m、2.5 m及3.0 m振沖點(diǎn)附近分別埋設(shè)1組孔隙水壓力計(jì)，如圖1所示。埋設(shè)時(shí)以圖示振沖點(diǎn)位中心為圓心，沿著半徑方向向外每間隔一定距離埋設(shè)1只孔壓傳感器，以便分析孔隙水壓力在振沖過程中的變化情況。

(2)土體沉降。土體沉降是地基處理的一個(gè)重要指標(biāo)，通常情況下地基在經(jīng)過加固處理(無外加物)后，均會(huì)產(chǎn)生不同程度沉降，使得土體孔隙比減小，壓縮模量增大及承載力提高。為了了解無填料振沖加固吹填粉土的地基沉降變形規(guī)律，選擇3個(gè)振沖點(diǎn)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，分別對(duì)應(yīng)前文所述的3個(gè)振沖點(diǎn)間距，如圖1所示。

(3)加固效果。振沖加固完成后，須對(duì)地基處理效果進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的方法一般采用靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及平板載荷試驗(yàn)中的一種或多種組合的方式，本項(xiàng)目在具體實(shí)施中采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)兩種方法對(duì)無填料振沖加固后的吹填粉土地基進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)點(diǎn)布置詳見圖1。

3 檢測(cè)結(jié)果與分析

3.1 孔隙水壓力分析

振沖加固吹填粉土過程中的液化和密實(shí)情況，可通過觀測(cè)孔隙水壓力的變化情況進(jìn)行分析，圖2～圖4分別為振沖點(diǎn)間距2.1 m、2.5 m和3.0 m等3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的孔隙水壓力變化曲線。從3個(gè)無填料振沖試驗(yàn)區(qū)的孔隙水變化規(guī)律看，增長(zhǎng)和消散變化特點(diǎn)基本一致。以圖2為例，K1-1～K1-5測(cè)試點(diǎn)距離振沖點(diǎn)依次漸遠(yuǎn)，分別為1.0 m、3.0 m、5.0 m、9.0 m和13.0 m。由圖2可知，振沖過程中孔隙水壓力增加的最大值為35.8 kPa，發(fā)生在距離振沖點(diǎn)最近的1.0 m測(cè)試點(diǎn)位置，距振沖點(diǎn)3.0 m處的峰值孔隙水壓力次之，孔隙水壓力增加最小點(diǎn)為距離振沖點(diǎn)最遠(yuǎn)的13.0 m處，僅為4.1 kPa。由此可見，隨著測(cè)試點(diǎn)距離的增大，孔隙水壓力增加的幅度逐漸減小。

圖2 K1組孔隙水壓力變化曲線Fig.2 Curve of pore water pressure in K1 group圖3 K2組孔隙水壓力變化曲線Fig.3 Curve of pore water pressure in K2 group

圖4 K3組孔隙水壓力變化曲線Fig.4 Curve of pore water pressure in K3 group圖5 K1組孔隙水壓力變化曲線Fig.5 Curve of pore water pressure in K1 group

振沖過程中粉土液化問題也是學(xué)者們普遍關(guān)注的問題，它對(duì)振沖加固效果有重要影響。本工程孔壓測(cè)點(diǎn)埋設(shè)深度均為3.5 m，該深度土體的有效自重壓力σ′為33.3 kPa。結(jié)合圖2～圖4可知，在距離振沖點(diǎn)1.0 m測(cè)試點(diǎn)位置處，振沖點(diǎn)間距2.1 m、2.5 m和3.0 m試驗(yàn)區(qū)孔壓比值△u/σ′分別為1.08、0.98、1.02，土體剛剛處于完全液化狀態(tài)，而其他各測(cè)點(diǎn)均未達(dá)到完全液化狀態(tài)，這與文獻(xiàn)[2]中提及的振動(dòng)孔隙水壓力的研究規(guī)律相似。

圖5為振沖點(diǎn)間距2.1 m試驗(yàn)區(qū)無填料振沖不同階段孔隙水壓力變化圖。從圖中可以看出，在振沖點(diǎn)3次振沖成孔加固過程中，第1次和第2次成孔孔隙水壓力增加幅度較大，如距離振沖點(diǎn)1.0 m位置的測(cè)試點(diǎn)，第1次成孔時(shí)的孔隙水壓力增加了12.8 kPa，第2次成孔時(shí)，該點(diǎn)孔隙水壓力增大到31.7 kPa，增幅達(dá)147%，而第3次成孔孔隙水壓力增加幅度相對(duì)前兩次卻很小。由于該方面研究尚沒有文獻(xiàn)提及，筆者認(rèn)為在振沖過程中，通過前兩次成孔的擾動(dòng)作用，使得土體處于半流動(dòng)-流動(dòng)狀態(tài)，土體結(jié)構(gòu)的破壞使得土體中存在大量的“毛細(xì)通道”，從而增多了吹填粉土的排水通道，有利于超孔隙水壓力的快速排出，表現(xiàn)為第3次振沖成孔時(shí)孔隙水壓力增幅變小。

3.2 沉降分析

由于無填料振沖施工速度較快，且施工過程中振沖點(diǎn)周圍土體呈半流態(tài)，實(shí)施沉降過程監(jiān)測(cè)難度較大，通常情況下采用施工前后對(duì)照的方式進(jìn)行土體沉降觀測(cè)。為了了解無填料振沖加固后的吹填粉土沉降變形情況，在振沖點(diǎn)周圍以振沖點(diǎn)為圓心每間隔0.5 m或1.0 m布置一個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。

圖6為3個(gè)試驗(yàn)區(qū)振沖點(diǎn)附近沉降變形情況，C1～C3點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)振沖點(diǎn)間距2.1 m、2.5 m和3.0 m等3個(gè)試驗(yàn)區(qū)沉降變形情況。從圖6-a可以看出3組曲線變化規(guī)律基本相似，振沖點(diǎn)中心區(qū)域3個(gè)試驗(yàn)區(qū)沉降量分別為957 mm、982 mm、904 mm。若以地面沉降200 mm為振沖影響較明顯區(qū)域，則無填料振沖的顯著影響半徑約為3.0 m。由圖6-a還可以看出，當(dāng)距離振沖點(diǎn)8.0 m時(shí)，振沖加固后3個(gè)試驗(yàn)區(qū)地面沉降量?jī)H為10 mm左右，說明振沖對(duì)該范圍土體的加固效果很微弱。

通過對(duì)圖6-a沉降曲線進(jìn)一步分析，可以得到距離和對(duì)數(shù)沉降曲線圖6-b。從該圖可以發(fā)現(xiàn)，加固后振沖點(diǎn)附近地面的對(duì)數(shù)沉降與距振沖點(diǎn)的距離呈較好的線性關(guān)系，可以表述為y=ae-bx，其中x為距振沖點(diǎn)的距離，y為與x對(duì)應(yīng)的沉降。

6-a 沉降隨振點(diǎn)距離變化曲線6-b 對(duì)數(shù)沉降隨振點(diǎn)距離變化曲線圖6 振沖加固后沉降變化曲線Fig.6 Settlement curve after vibroflotation reinforcing

3.3 土體密實(shí)度分析

本工程設(shè)定不同的振沖點(diǎn)間距，主要是為了分析無填料振沖加固效果與振沖點(diǎn)間距的關(guān)系。表2為3個(gè)試驗(yàn)區(qū)加固前后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果。由該表可以看出，吹填粉土經(jīng)無填料振沖處理后，各個(gè)試驗(yàn)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)均有了較大的提高，其中A區(qū)提高了247%，幅度最為明顯；B區(qū)為213%，次之；C區(qū)為117%，最小。通過比較可知，當(dāng)振沖點(diǎn)間距從3.0 m減小到2.5 m后，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)增幅達(dá)到106%，而從振沖點(diǎn)間距2.5 m減小到2.1 m，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)增幅僅為34%，說明振沖點(diǎn)間距從3.0 m調(diào)整到2.5 m效果更明顯。從加固后土體密實(shí)狀態(tài)看，3個(gè)加固區(qū)均處于中密狀態(tài)，密實(shí)狀態(tài)接近?？紤]到過小的振沖點(diǎn)間距將大大增加施工成本和工期，結(jié)合土體密實(shí)度分析，經(jīng)比較認(rèn)為振沖點(diǎn)間距2.5 m為本項(xiàng)目最優(yōu)選擇。

表2 加固前后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)對(duì)比Tab.2 Comparison of standard penetration test before and after vibroflotation reinforcing

3.4 土體承載力分析

平板載荷試驗(yàn)是驗(yàn)證地基處理效果最直接最有效的方法。表3為加固前后平板載荷試驗(yàn)成果。表中采用了安全系數(shù)法[12]和相對(duì)變形法[13]兩種方法對(duì)地基承載力進(jìn)行了計(jì)算，并以其中的小值評(píng)定加固前后的地基承載力。由表3可知，加固前3個(gè)試驗(yàn)區(qū)采用相對(duì)變形法得到的承載力均比安全系數(shù)法低，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[13]，采用相對(duì)變形法計(jì)算承載力特征值，經(jīng)計(jì)算A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)承載力特征值依次為71.5 kPa、71.0 kPa和69.7 kPa，而加固后相應(yīng)承載力特征值分別為175.0 kPa、175.0 kPa、151.7 kPa，3個(gè)試驗(yàn)區(qū)承載力增幅分別為A區(qū)145%、B區(qū)146%、C區(qū)118%，說明B區(qū)加固效果最為明顯，C區(qū)加固效果最差。

表3 加固前后地基承載力對(duì)比Tab.3 Comparison of bearing capacity of foundation before and after vibroflotation reinforcing

注：采用相對(duì)變形法確定承載力特征值時(shí)，取s/b=0.015對(duì)應(yīng)的荷載值。

4 結(jié)語

根據(jù)對(duì)無填料振沖加固吹填粉土地基現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及加固前后的檢測(cè)結(jié)果，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)在無填料振沖加固吹填粉土地基過程中，孔隙水壓力的增幅與測(cè)點(diǎn)距振沖點(diǎn)的距離有關(guān)，距振沖點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，孔隙水壓力增加幅度越小。在整個(gè)區(qū)振沖加固完成后，孔隙水壓力消散較快，一般在3次成孔振沖后，1 h內(nèi)孔隙水壓力消散約80%；(2)無填料振沖加固吹填粉土地基后，土體產(chǎn)生較大的沉降量，且振沖點(diǎn)附近地面距振沖點(diǎn)的距離與該點(diǎn)的對(duì)數(shù)沉降成較好的線性關(guān)系；(3)通過對(duì)比加固前后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及平板載荷試驗(yàn)結(jié)果可知，加固后土體標(biāo)貫擊數(shù)明顯增大，土體密實(shí)度得到大幅度提高，土體承載力得到了顯著提高。此外，還比較了不同振沖點(diǎn)間距對(duì)加固效果的影響，綜合土體密實(shí)度、承載力、經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)指標(biāo)，認(rèn)為振沖點(diǎn)間距2.5 m為本工程最優(yōu)振沖點(diǎn)間距。