□□ 竇啟文

(山西省建筑科學(xué)研究院檢測中心有限公司，山西 太原 030001)

引言

地基決定著上層建筑的穩(wěn)定及牢固，對(duì)整個(gè)建筑工程具有非常重要的作用。處理好地基具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。因而地基處理作為建筑工程施工的第一步，也有著極其重要的作用。根據(jù)地質(zhì)情況的不同，地基處理方式也不盡相同，相比于傳統(tǒng)的地基處理技術(shù)，快速液壓夯實(shí)地基處理技術(shù)因其施工的靈活性及施工質(zhì)量的穩(wěn)定性，成為廣為應(yīng)用的新型施工技術(shù)，解決了很多復(fù)雜條件下的地基處理。因此，研究分析快速液壓夯實(shí)技術(shù)在建筑工程不良地基中的應(yīng)用具有重要的意義。

1 快速液壓夯實(shí)技術(shù)

1.1 快速液壓夯實(shí)技術(shù)及力學(xué)分析

快速液壓夯實(shí)機(jī)通過使用液壓提升設(shè)備將夯錘提升至一定高度后釋放，利用夯錘的重力以及液壓蓄能器向下的沖擊力壓實(shí)土壤，在夯擊完成后，通過液壓缸快速牽引夯錘進(jìn)行上下往復(fù)動(dòng)作完成對(duì)地基土體的夯實(shí)?？焖僖簤汉粚?shí)機(jī)一般采用裝載機(jī)或挖掘機(jī)裝配液壓夯實(shí)系統(tǒng)來工作，利用液壓提升系統(tǒng)的高頻率，實(shí)現(xiàn)不斷的快速夯實(shí)，完成對(duì)作業(yè)面的壓實(shí)要求。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 快速液壓夯實(shí)機(jī)工作原理

快速液壓夯實(shí)主要是將機(jī)械能與勢能的相互轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)換為動(dòng)能施加于地基。當(dāng)夯錘接觸地面，引起土體的劇烈震動(dòng)，在地基中產(chǎn)生震蕩波，并傳向四周。夯錘的夯擊過程可以視作自由落體運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)過程中勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而在夯擊地面的過程中，動(dòng)能一部分以聲波形式向四周傳播，另一部分與土體摩擦變?yōu)闊崮埽Ｓ嗟膭?dòng)能則以壓縮波、剪切波和瑞利波的形式共同在地基內(nèi)傳播，形成一個(gè)波場，如圖2所示。在應(yīng)力波的作用下破壞土體原有結(jié)構(gòu)，使得孔隙水壓力迅速增大至超孔隙水壓力，在原土體內(nèi)產(chǎn)生新的裂隙，溢出孔隙水。夯擊造成的夯擊壓力消失后，外部壓力消失導(dǎo)致超孔隙水壓力迅速消散，土體回縮，使土體的密實(shí)度更加提高。

圖2 振動(dòng)波加固土體

1.2 不同地基處理技術(shù)比較分析

與傳統(tǒng)的強(qiáng)夯加固技術(shù)相比較，快速液壓夯實(shí)法的動(dòng)態(tài)壓實(shí)頻率比較高，頻率可補(bǔ)充在施工過程中的能量不足，操作相對(duì)簡便。同時(shí)，快速液壓夯實(shí)法主要是在相關(guān)裝載機(jī)的壁架上進(jìn)行安裝，結(jié)合夯實(shí)機(jī)不斷快速的夯實(shí)地面來固定地基，安全性更高，且相比較換土墊層等不良地基處理方法，減少了施工工序，有助于加快施工進(jìn)度。同時(shí)快速液壓夯實(shí)處理技術(shù)適應(yīng)環(huán)境能力更強(qiáng)，且對(duì)周邊建筑物造成的影響較小。兩者對(duì)比見表1。

表1 不同壓實(shí)法比較

2 快速液壓夯實(shí)技術(shù)在不良地基處理中的應(yīng)用

某建筑工程項(xiàng)目規(guī)劃占地約為5.83 hm2，總建筑面積約為30萬m2，項(xiàng)目以居住建筑為主，規(guī)劃布置有商業(yè)、辦公等公共建筑；依國家標(biāo)準(zhǔn)配置9個(gè)班的幼兒園，總占地為4 000 m2，建筑面積為2 385.7 m2?；A(chǔ)形式包括獨(dú)立基礎(chǔ)及筏板基礎(chǔ)兩種，設(shè)計(jì)要求單位荷載為70～220 kN·m-2。通過地質(zhì)勘察結(jié)果來看，該建筑工程項(xiàng)目地表土層平均深度為6.8 m的素填土層，素填土層分布范圍大，且基本位于工程所有建筑的基底標(biāo)高范圍內(nèi)，地基處理涉及的軟弱土層較深?？紤]不良地基對(duì)該工程的影響，擬采用快速液壓夯實(shí)技術(shù)對(duì)不良地基進(jìn)行處理。

2.1 快速夯實(shí)法參數(shù)確定

結(jié)合工程情況，采用快速液壓夯實(shí)技術(shù)處理不良地基，具體的施工參數(shù)如下：

(1)選擇夯擊能。該工程的快速液壓夯實(shí)設(shè)備選擇HC36型快速液壓夯實(shí)機(jī)，此設(shè)備質(zhì)量為6.4 t，額定沖擊能量為36 kJ，錘體的質(zhì)量為3 t，整個(gè)錘體范圍是0.2～1.2 m，具體夯錘的直徑為1 m，夯擊的頻率能夠達(dá)到30～80次·min-1。

(2)布置夯點(diǎn)。根據(jù)快速液壓夯實(shí)處理技術(shù)，該工程的夯點(diǎn)選擇半徑為500 mm，并按照分散間隔型布設(shè)方案布置，夯點(diǎn)之間間距為1.2 m，如圖3所示。作業(yè)主要使用直線作業(yè)方法，按橫向或豎向前進(jìn)夯擊，直至夯完該序列。

圖3 夯點(diǎn)布置圖

(3)夯擊的能量和作業(yè)錘數(shù)量。該工程施工階段的夯擊能主要分為3檔，最大的夯擊能為36 kJ。第1次進(jìn)行作業(yè)的次數(shù)為3錘，并且每次累加3錘，繼續(xù)進(jìn)行夯實(shí)操作。在進(jìn)行最后3錘操作中，若相對(duì)沉降<1 cm時(shí)，則停止夯擊操作。

2.2 夯擊水平方向影響范圍測定

為了了解快速液壓夯實(shí)技術(shù)對(duì)該工程不良地基的處理效果，在該工程施工現(xiàn)場布置了壓力盒，壓力盒量程為2 MPa，靈敏度可以達(dá)到0.001 MPa，過載量>150%，并配備相應(yīng)的智能讀數(shù)儀器。在布置壓力盒時(shí)，夯錘進(jìn)行錘擊的下方布置力學(xué)傳感器，來確保能夠快速測量到夯實(shí)作用下的響應(yīng)。在縱向上布置壓力盒依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和推算結(jié)果進(jìn)行，主要設(shè)定為1.5 m，采取相應(yīng)的固定方式減少作業(yè)過程中造成的偏移問題。

確定好夯實(shí)位置，將液壓夯實(shí)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作。作業(yè)時(shí)，應(yīng)按照試驗(yàn)和設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行，需要專門的工作人員進(jìn)行指揮，確保位置精準(zhǔn)。夯實(shí)的范圍和順序主要是從邊緣向中央進(jìn)行。壓力盒1～4所讀取的數(shù)值來自于夯實(shí)機(jī)進(jìn)行作業(yè)的正上方，而5～8選取的數(shù)值是夯實(shí)機(jī)在測量點(diǎn)相鄰的南側(cè)所讀取的數(shù)值。具體測量結(jié)果見表2。

表2 壓力盒測量結(jié)果

從表2可以看出，快速液壓夯實(shí)機(jī)能夠產(chǎn)生的有效深度范圍在1.5 m左右，部分深度能夠達(dá)到2 m。在水平范圍內(nèi)，整體的下降速度較快，距離1 m的夯錘水平區(qū)域內(nèi)，可以忽略應(yīng)力值的影響?？梢哉f明，快速液壓夯實(shí)處理技術(shù)的夯錘的有效影響可以產(chǎn)生的距離≯0.5 m。

2.3 地基土體沉降結(jié)果和土體孔隙率

工程中對(duì)地基的土體沉降進(jìn)行了測量。通過現(xiàn)場試驗(yàn)來看，隨著夯擊的進(jìn)行，夯坑總沉降量持續(xù)變大，呈平滑的上升曲線，但曲線斜率逐漸變小，即相對(duì)沉降量逐漸變小，如圖4所示。這是因?yàn)楹粨糸_始時(shí)，土體較為疏松，易夯實(shí)，隨后土體趨于密實(shí)，則較難進(jìn)一步夯實(shí)。

圖4 夯擊次數(shù)與夯坑相對(duì)沉降量的關(guān)系

進(jìn)一步對(duì)土體孔隙率進(jìn)行測算，通過現(xiàn)場試驗(yàn)來看，前6次的夯擊能夠看出，夯點(diǎn)下方深度范圍為0.5 m的土體孔隙率出現(xiàn)減小情況，當(dāng)夯擊次數(shù)達(dá)到11次時(shí)，則停止。夯點(diǎn)下方在1 m范圍內(nèi)的土體孔隙率處于夯擊次數(shù)為第7次和14次之間存在明顯的減少狀況。這種情況在深度為1.5 m以下的土體孔隙率中并未出現(xiàn)。可以認(rèn)為是沖擊能量對(duì)于上層土地能夠做出有效壓實(shí)功，當(dāng)上層土體難以進(jìn)行下一步的壓實(shí)操作時(shí)，存在部分能量沖擊到下層土體，做出有效壓實(shí)功，直到能量消散。0.5 m深度的土體孔隙率主要是在第1次進(jìn)行夯擊作業(yè)時(shí)就產(chǎn)生了相應(yīng)的變化；當(dāng)夯擊次數(shù)達(dá)到第3次時(shí)，變化的差值到達(dá)頂峰，之后開始緩慢下降；當(dāng)夯擊次數(shù)達(dá)到第7次時(shí)，深度為1 m的土體孔隙率產(chǎn)生轉(zhuǎn)變；第8次是整體的轉(zhuǎn)變，差值達(dá)到最大，之后出現(xiàn)平臺(tái)期。在土體受擾前的土地之間接觸存在一定的強(qiáng)度，會(huì)受到一定的沖擊與荷載影響。當(dāng)受到?jīng)_擊影響時(shí)，沒有進(jìn)行一次性的破壞，存在部分顆粒未產(chǎn)生破壞的現(xiàn)象。

2.4 壓實(shí)度測定試驗(yàn)

在測量不良地基壓實(shí)度時(shí)，該工程采用灌砂法來檢驗(yàn)每個(gè)工況的壓實(shí)程度，進(jìn)行測量主要使用到3個(gè)夯點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，具體夯實(shí)后壓實(shí)度見表3。

表3 快速液壓夯實(shí)后壓實(shí)度測定表

從表3中可以看出，壓實(shí)度的增長速度會(huì)伴隨著夯擊次數(shù)的不斷增多而變得更加迅速。經(jīng)過9次夯擊后，整體的壓實(shí)度全部達(dá)到了90%以上。經(jīng)過試驗(yàn)3～9次的夯擊后，壓實(shí)度的增長會(huì)出現(xiàn)減緩狀況；在9次夯擊之后，整體的壓實(shí)度趨于平緩；并在12次夯擊后基本達(dá)到壓實(shí)度99%以上。經(jīng)過對(duì)三檔15次夯擊后的壓實(shí)土體進(jìn)行取樣檢測，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)度降低的土層厚度約為20 cm。在對(duì)三檔15次夯擊后的土體進(jìn)行1檔位3次滿夯施工后，壓實(shí)度達(dá)到99%以上，滿足了工程的施工要求。

3 結(jié)語

綜上所述，圍繞快速液壓強(qiáng)夯技術(shù)在建筑地基處理中的應(yīng)用展開分析，結(jié)合實(shí)例來看，快速液壓夯實(shí)技術(shù)能夠快速解決建筑工程中的不良地基問題，有效深度范圍在1.5 m左右，部分深度能夠達(dá)到2 m，同時(shí)壓實(shí)度可以達(dá)到建筑工程施工要求的95%以上。同時(shí)，該技術(shù)能夠有效降低震動(dòng)，減少對(duì)周邊建筑物的擾動(dòng)，且施工周期短，成本較低，具有較高的推廣和應(yīng)用價(jià)值。