程佳 張春輝 賈亞會(huì) 尚艷亮

(石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1) 河北石家莊 050041 河北省高校橋隧智慧建造應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心2) 河北石家莊 050041 中國(guó)兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司3) 河北石家莊 050011 河北省地下空間工程巖土技術(shù)創(chuàng)新中心4) 河北石家莊 050011)

強(qiáng)夯法因其具有施工設(shè)備簡(jiǎn)單、節(jié)約材料、工期短、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，其機(jī)理研究也到了進(jìn)一步發(fā)展[1]。目前，針對(duì)碎石土、黃土、砂土和非飽和粘性土的地基處理已經(jīng)具備較完善的設(shè)計(jì)施工參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)高水位砂土地區(qū)的地基處理，還未形成成熟的強(qiáng)夯法經(jīng)驗(yàn)。本文以某能源化工項(xiàng)目為工程實(shí)例，探討在高水位砂土地區(qū)的強(qiáng)夯施工參數(shù)。

1 強(qiáng)夯法加固機(jī)理

強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理是將夯錘提升至一定高度，使其自由落體，從而產(chǎn)生較大的沖擊能量，在地基土中以沖擊波的形式傳播，使其壓密，提高地基土強(qiáng)度、減少沉降、消除濕陷性等[2]。目前，將強(qiáng)夯法加固的地基土大致分為兩類，一類是非飽和地基土，另一類是細(xì)顆粒飽和地基土。針對(duì)第一類地基土主要應(yīng)用了動(dòng)力夯實(shí)原理，即較大的沖擊能使土顆粒發(fā)生重分布，土中氣泡從孔隙排除，減小了孔隙體積，形成了相對(duì)密實(shí)結(jié)構(gòu)。第二類地基土中，強(qiáng)夯法破壞了原有結(jié)構(gòu)，使其滲透性增加，孔隙水壓力消散后土體發(fā)生固結(jié)，主要應(yīng)用了動(dòng)力固結(jié)原理。P.W.Mayne[3]等人推導(dǎo)了普通土體在強(qiáng)夯作用下的夯沉量、應(yīng)力波傳播、動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)等方面的求解公式，推動(dòng)了強(qiáng)夯加固機(jī)理的研究。郭玉玲[4]等人通過(guò)試驗(yàn)研究，探討了濕陷性黃土在強(qiáng)夯作用下的動(dòng)應(yīng)力和加固深度關(guān)系。目前，對(duì)于強(qiáng)夯法加固飽和土地基原理的研究還很淺顯，有些理論還建立在假設(shè)的基礎(chǔ)上，因此有必要進(jìn)行深入研究[5]。

2 強(qiáng)夯試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 概況

某能源化工項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗烏審召工業(yè)園內(nèi)，內(nèi)蒙古自治區(qū)最南端，毛烏素沙地腹地。項(xiàng)目地基作用在軟弱土和高水位砂土上，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，利用強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理。土體表層屬于全新統(tǒng)風(fēng)積砂和素填土，其余為中細(xì)砂和粉細(xì)砂，屬于第四系全新統(tǒng)沖湖積形成，地層由素填土、細(xì)砂、粉細(xì)砂、中細(xì)砂、全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖組成。場(chǎng)地內(nèi)地下水位埋深較淺，靜止水位深度范圍為1.20～2.60 m，為上層滯水與孔隙潛水的結(jié)合水。根據(jù)地基設(shè)計(jì)的要求，地基承載力不應(yīng)小于210 kPa，壓縮模量需不應(yīng)小于8.5 MPa。為達(dá)到地基設(shè)計(jì)要求，初步確定強(qiáng)夯的加固深度約為10 m。

2.2 強(qiáng)夯參數(shù)的選擇

（1）夯擊能的確定

夯擊能一般根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件、加固后地基承載力等來(lái)確定單擊夯擊能，常采用梅納公式來(lái)計(jì)算[6]，即

式中，G為夯擊能(t·m)；M為夯錘重量(t)；k為不同地基土的修正系數(shù)；H為加固深度(m)。

由式(1)可得夯擊能為：

該項(xiàng)目預(yù)估處理深度為10 m，場(chǎng)地以細(xì)砂和粉細(xì)砂為主，根據(jù)場(chǎng)地勘察資料及地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)，確定修正系數(shù)k值，也可根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79-2012)確定單擊夯擊能[7]。因此該項(xiàng)目前兩遍單擊夯擊能為8000 kN·m，最后一遍單擊夯擊能為3000 kN·m。

（2）夯點(diǎn)布置與間距

依據(jù)場(chǎng)地的工程勘察報(bào)告，細(xì)砂層與粉砂層是強(qiáng)夯處理的主要土層，處理面積廣，故第一遍和第二遍采用正方形布點(diǎn)，第三遍滿夯采用等腰三角形布點(diǎn)。根據(jù)相鄰夯點(diǎn)間的擴(kuò)散情況進(jìn)行夯距計(jì)算，加固深度與加固深度之間的關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 加固深度與加固寬度計(jì)算圖

由圖2 可知，強(qiáng)夯加固寬度b為：

圖2 強(qiáng)夯布點(diǎn)示意圖

式中，b為加固寬度(m)；D為夯錘直徑(m)；θ為擴(kuò)散角，根據(jù)土質(zhì)情況確定，一般為22 °～30° ；H為加固深度。

夯點(diǎn)間距L為：

式中，h'為滿夯時(shí)的有效影響深度，一般為1 m～3 m；L為夯點(diǎn)間距；其他意義同前。

該工程滿夯(第三遍)時(shí)夯擊能為3000 kN·m，此時(shí)h'取值為1.5 m；θ為30°；夯錘直徑為2.5 m。代入式(4)得L=4.0 m。夯點(diǎn)布置，如圖2 所示。

（3）夯擊次數(shù)和夯擊遍數(shù)

該項(xiàng)目場(chǎng)地地基土以細(xì)砂和粉細(xì)砂為主，土體密實(shí)度較小，第一遍和第二遍的夯擊次數(shù)為10～15 擊，每個(gè)夯點(diǎn)的最后兩擊平均沉降量不應(yīng)大于規(guī)范要求。根據(jù)項(xiàng)目場(chǎng)地土質(zhì)情況，確定夯實(shí)遍數(shù)為2 遍，最后在滿夯一遍。

（4）間隔時(shí)間

間隔時(shí)間取決于超靜孔隙水壓力消散時(shí)間，由于項(xiàng)目場(chǎng)地為砂土地基，靜孔隙水壓力消散時(shí)間很短，故可連續(xù)夯擊。

（5）試夯檢測(cè)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

按上述強(qiáng)夯參數(shù)在試夯區(qū)進(jìn)行試夯，施工結(jié)束14 d 后進(jìn)行檢測(cè)，處理后地基承載力達(dá)到210 kPa以上，壓縮模量達(dá)到8.5 MPa 以上。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判定強(qiáng)夯參數(shù)是否需要修正。

3 強(qiáng)夯質(zhì)量檢測(cè)研究

為確定強(qiáng)夯的處理效果，采用不同方法進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。

3.1 靜載荷試驗(yàn)

靜力載荷試驗(yàn)，也被稱為載荷試驗(yàn)，是一種測(cè)試方法，旨在模擬地基在實(shí)際工作狀態(tài)下的情況，該試驗(yàn)?zāi)軌蚓C合性地反映土層的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系特征[8]。圖3 所示為試驗(yàn)裝置示意圖。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖

本項(xiàng)目靜載荷試驗(yàn)通過(guò)200 噸千斤頂進(jìn)行加壓，剛性方形承壓板的邊長(zhǎng)為1.41 m，壓力通過(guò)負(fù)荷傳感器測(cè)讀，傳感器的量程為1000 kN，測(cè)量采用50 mm 量程的百分表。當(dāng)最終荷載為420 kPa時(shí)，所有試驗(yàn)點(diǎn)總沉降量范圍為18.90 mm～28.52 mm，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，p～s曲線呈現(xiàn)出緩變型特征。圖4 為檢測(cè)最大沉降的夯點(diǎn)及夯間p～s曲線圖。

圖4 p～s 曲線圖

3.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)可以檢驗(yàn)地基土的密實(shí)情況以及其強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的檢測(cè)時(shí)間需強(qiáng)夯施工完成7 d 后進(jìn)行，8 個(gè)夯間處的具體試驗(yàn)擊數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果表

3.3 動(dòng)力觸探試驗(yàn)

動(dòng)力觸探是利用一定的落錘能量，將探頭打入地基土中，根據(jù)打入的難易程度判斷土體性質(zhì)的一種原位測(cè)試方法[9]。動(dòng)力觸探試驗(yàn)的檢測(cè)時(shí)間同樣需強(qiáng)夯施工完成7 天后進(jìn)行，檢測(cè)采用超重型（120 kg）動(dòng)力觸探試驗(yàn)，檢測(cè)為4 個(gè)夯點(diǎn)和4 個(gè)夯間。8 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的具體試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果表

根據(jù)表2 三種檢測(cè)結(jié)果可以判斷，該強(qiáng)夯參數(shù)可以滿足設(shè)計(jì)要求：（1）地基承載力特征值不小于210 kPa；（2）根據(jù)原位測(cè)試結(jié)果和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，試夯區(qū)地基土的壓縮模量最優(yōu)取值如下：在4 m深度以內(nèi)為14 MPa，在4 m 深度以下為20 MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)工程實(shí)例，證明強(qiáng)夯法適合處理高水位砂土地基，其處理效果較好。

（2）在高水位砂土地區(qū)進(jìn)行強(qiáng)夯施工時(shí)，采用夯擊能量較大的方法以提高地基的承載力，夯擊遍數(shù)不少于3 遍。

（3）針對(duì)高水位砂土地基的特點(diǎn)，我們提出了三種不同的檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以確保處理后地基的承載力和變形值的準(zhǔn)確確定。