注：文中強(qiáng)夯能級(jí)kJ=kN.m

摘要：強(qiáng)夯法是一種工藝簡單、經(jīng)濟(jì)可靠的地基處理方式。文中涉及的場地由高回填的開山碎石料形成，地處濱海地區(qū)，為消除地基沉降，計(jì)劃采用強(qiáng)夯法對(duì)回填碎石料進(jìn)行密實(shí)處理。由于本場地的回填料較厚，開展了國內(nèi)罕見的夯擊能為18 000kJ、25 000 kJ、30 000 kJ的超高能級(jí)強(qiáng)夯試驗(yàn)，為了驗(yàn)證施工工藝的可行性及地基處理效果，在強(qiáng)夯施工過程進(jìn)行了地基沉降、位移、孔隙水壓力的動(dòng)態(tài)觀測以及加固后的原位試驗(yàn)檢測。監(jiān)測、檢測結(jié)果表明：超高能級(jí)的強(qiáng)夯處理效果明顯，地基壓縮變形明顯，地基密實(shí)度提高，有效地消除地基沉降，同時(shí)建議30 000 kJ夯擊能試驗(yàn)區(qū)的夯點(diǎn)間距進(jìn)一步擴(kuò)大。

關(guān)鍵詞：超高能級(jí)強(qiáng)夯；沉降；位移；孔隙水壓力；動(dòng)力觸探試驗(yàn)；靜載荷試驗(yàn)

0   引言

強(qiáng)夯法最早于1969年由法國的梅那公司發(fā)明，我國最早于1978年首次由中交天津港灣工程研究院及其協(xié)作單位在天津新港三號(hào)路進(jìn)行了強(qiáng)夯試驗(yàn)現(xiàn)場研究。在初步掌握這種方法的基礎(chǔ)上，于1979年又在秦皇島碼頭堆煤場細(xì)砂地基上進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)并正式應(yīng)用，其加固效果顯著，此后強(qiáng)夯法在全國各地迅速推廣。30多年來，強(qiáng)夯法廣泛應(yīng)用于工民建、倉庫、油罐、公路、鐵路、 機(jī)場跑道及碼頭的地基處理中，主要適用于加固 砂土、碎石土、低飽和度粉土、黏性土、濕陷土、雜填土和素填土等地基。

1   強(qiáng)夯法地基加固機(jī)理

強(qiáng)夯法地基處理是在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)地基土體施加一個(gè)巨大的沖擊能量，這種突然釋放的巨大能量將以縱波、橫波、瑞利波等形式傳到地下，在這些波的綜合作用下，土體顆粒重新排列相互靠攏，排出孔隙中的氣體或液體，使土體擠密壓實(shí)，強(qiáng)度提高。根據(jù)地基土的不同性質(zhì)，地基強(qiáng)夯法加固地基的機(jī)理可分為動(dòng)力密實(shí)和動(dòng)力固結(jié)。對(duì)非飽和砂土，特別是孔隙多的粗粒土，強(qiáng)夯的巨大夯擊能量所產(chǎn)生的沖擊波和動(dòng)應(yīng)力在土中傳播，使顆粒破碎或使顆粒產(chǎn)生瞬間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，迫使顆粒重新排布，從而使土體孔隙體積減少，使地基土形成較密實(shí)的結(jié)構(gòu)；對(duì)于飽和的粉土、粉砂或黏性土，夯擊時(shí)巨大的沖擊能量在土中產(chǎn)生強(qiáng)大動(dòng)應(yīng)力，動(dòng)應(yīng)力使土體中的孔隙水壓力瞬間升高，隨后孔隙水壓力慢慢消散，土體固結(jié)，強(qiáng)度增長。

2   某強(qiáng)夯處理試驗(yàn)區(qū)工程概況

某填海造地工程離岸約4 km，陸域形成回填料采用周邊山體的開山石料，以石灰?guī)r為主，采用爆破的方式開采，回填時(shí)基本以碎石、塊石為主，含泥量較少，回填料粒徑不均，級(jí)配較差、孔隙大。陸域形成后，建設(shè)單位開展了多個(gè)地基處理試驗(yàn)區(qū)來處理回填的開山碎石層，其中采用了夯擊能分別為18 000 kJ、25 000 kJ、30 000 kJ的超高能級(jí)強(qiáng)夯法來處理填料厚度約23 m的地基，并進(jìn)行了一些有針對(duì)性的監(jiān)測、檢測工作，為后續(xù)地基處理的設(shè)計(jì)施工提供參數(shù)或工程經(jīng)驗(yàn)。

3   強(qiáng)夯試驗(yàn)方案

1)夯擊能18 000kJ強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)點(diǎn)夯3遍，第1、2遍點(diǎn)夯夯擊能為18 000 kJ，間距10m，正方形布置，每點(diǎn)夯擊20擊， 最后2擊平均夯沉量≤200 mm，第3遍點(diǎn)夯夯擊能為8000 kJ，夯點(diǎn)間距為9 m，排距4．5 m，等腰三角形布置，每點(diǎn)夯擊16擊，最后2擊平均夯沉量≤200 mm。

2)夯擊能25 000kJ強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)點(diǎn)夯3遍，第1、2遍點(diǎn)夯夯擊能為25 000 kJ，間距12m，正方形布置，每點(diǎn)夯擊22擊， 最后2擊平均夯沉量≤300 mm，第3遍點(diǎn)夯夯擊能為15000 kJ，夯點(diǎn)間距為12 m，排距6 m，等腰三角形布置，每點(diǎn)夯擊20擊，最后2擊平均夯 沉量≤200 mm。

3)夯擊能30 000kJ強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)點(diǎn)夯3遍，第1、2遍點(diǎn)夯夯擊能為30 000 kJ，間距12m，正方形布置，每點(diǎn)夯擊25擊， 最后2擊平均夯沉量≤300 mm，第3遍點(diǎn)夯夯擊能為18000 kJ，夯點(diǎn)間距為12 m，排距6 m，等腰三角形布置，每點(diǎn)夯擊20擊，最后2擊平均夯沉量≤200 mm。

各試驗(yàn)區(qū)每遍點(diǎn)夯之后均進(jìn)行場地整平，并補(bǔ)填至交工標(biāo)高，然后進(jìn)行一遍普夯，夯擊能量為1 500 kJ，每點(diǎn)2～3擊；最后采用激振力200～ 400 kN的振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓5～8遍，直至無輪跡為止。在試夯過程中，進(jìn)行了沉降、深層水平位移、 地下水位、孔隙水壓力等監(jiān)測工作，在強(qiáng)夯完成后進(jìn)行了超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、平板載荷試驗(yàn)等檢測工作。監(jiān)測項(xiàng)目平面布置見圖1。

4   施工過程中監(jiān)測情況

4．1 土體深層水平位移監(jiān)測情況及分析

為分析點(diǎn)夯施工時(shí)，夯擊能對(duì)夯點(diǎn)周邊土體 的影響，在某一夯點(diǎn)一側(cè)布置了4個(gè)測斜管來監(jiān)測深層土體的水平位移情況，測斜管離試驗(yàn)夯點(diǎn)的距離分別為6 m、8 m、10 m、12 m。該點(diǎn)點(diǎn)夯后深層水平位移隨深度的變化趨勢見圖2。圖中均以指向中心夯點(diǎn)的方向?yàn)檎较颉?/p>

觀測結(jié)果表明，距夯點(diǎn)中心不同距離處，以及不同深度處的土體均發(fā)生了水平位移，其中：

1)在水平方向上，離夯點(diǎn)越近，土體的深層水平位移越大，3種夯擊能在距夯點(diǎn)最近的6 m 位置處引起的土體最大水平位移分別為132．5 mm、240 mm、250 mm；距夯點(diǎn)最遠(yuǎn)的12 m位置處引起土體最大水平位移分別為19．8 mm、21mm、43．8 mm。

2)在垂直方向上，地表以下約2～3 m深度范圍內(nèi)土體發(fā)生向夯點(diǎn)方向的位移，深度2～3 m以下的土體則發(fā)生遠(yuǎn)離夯點(diǎn)方向的水平位移，且隨著夯擊能的增加，最大水平位移發(fā)生的深度分別為6．0 m、6．5 m、7．5 m，高能級(jí)對(duì)于深層土體加固更為有利。

4．2場區(qū)沉降及土體深層沉降監(jiān)測情況及分析

施工過程中在夯前及3遍點(diǎn)夯后均進(jìn)行了場地標(biāo)高測量，各試驗(yàn)區(qū)加固邊線內(nèi)場地平均沉降量見表1。

為了掌握點(diǎn)夯施工過程中不同深度處土體的沉降情況，在試驗(yàn)時(shí)還進(jìn)行了深層土體的沉降監(jiān)測。夯擊能18 000 kJ試驗(yàn)區(qū)的深層沉降板埋設(shè)深度分別為12 m、16 m、20 m，埋設(shè)位置位于相鄰兩個(gè)夯點(diǎn)之間，即離夯點(diǎn)4．5 m。夯擊能25 000 kJ試驗(yàn)區(qū)的深層沉降板埋設(shè)深度分別為11 m、14 m、 17 m、20 m，埋設(shè)位置也位于相鄰兩個(gè)夯點(diǎn)之間， 即離夯點(diǎn)6．0 m。在第1遍點(diǎn)夯過程中，點(diǎn)夯引起土體的側(cè)向位移較大，對(duì)測量精度有一定的影響，且在第2 遍點(diǎn)夯儀器均已被破壞，因此只得到第1點(diǎn)夯完成后的觀測數(shù)據(jù)。夯擊能18 000 kJ試驗(yàn)區(qū)深度分 別為12 m、16 m、20 m的深層沉降板第1遍點(diǎn)夯后的沉降量分別為167 mm、64 mm、12 mm，夯擊能25 000 kJ試驗(yàn)區(qū)深度分別為1 1 m、14 m、 17 m、21 m的深層沉降板第1遍點(diǎn)夯后的沉降量分別為353 mm、142 mm、72 mm、6 mm。對(duì)于30 000 kJ試驗(yàn)區(qū)，在2個(gè)夯點(diǎn)之間(距某個(gè)夯點(diǎn)6 m位置)埋設(shè)了1組分層沉降儀，對(duì)該夯點(diǎn)夯擊后對(duì)深層土體產(chǎn)生的沉降進(jìn)行觀測，觀測結(jié)果見圖3。

可見：18 000 kJ試驗(yàn)區(qū)的主要沉降量發(fā)生在 深度12 m以上范圍內(nèi)，25 000 kJ試驗(yàn)區(qū)的主要沉降量發(fā)生在深度14 m以上范圍內(nèi)；結(jié)合表1中第1遍點(diǎn)夯后場區(qū)平均沉降量分別為0．78 m、 0．94 m，18 000 kJ試驗(yàn)區(qū)在12m深度以上范圍內(nèi) 的土體壓縮量為51 mm／m，25 000 kJ試驗(yàn)區(qū)在17 m 深度以上范圍內(nèi)的土體壓縮量為51 mm／m。

4．3土體孔隙水壓力及地下水位監(jiān)測為了了解強(qiáng)夯能量在土體中引起的應(yīng)力分布情況，在某個(gè)夯點(diǎn)周邊埋設(shè)了多組孔隙水壓力計(jì) 來觀測土體中孔隙水壓力的變化，試圖借以分析強(qiáng)夯時(shí)土體有效應(yīng)力的變化情況。在砂土地基，強(qiáng)夯時(shí)產(chǎn)生超靜孔壓往往在數(shù)秒到1～2 min內(nèi)形 成峰值，又在2～3 min內(nèi)迅速消散，本場地地基 為碎石料，空隙較大，因此采用自動(dòng)采集裝置進(jìn)行觀測，觀測周期為1～5 S，觀測多個(gè)時(shí)段發(fā)現(xiàn)孔隙水壓力基本不變，只有個(gè)別測點(diǎn)的壓力值會(huì)有突變，但會(huì)瞬間消失。孔壓觀測的同時(shí)還進(jìn)行了地下水位的觀測，并結(jié)合當(dāng)天相應(yīng)工程區(qū)域內(nèi)的潮汐變化情況，對(duì)試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯施工時(shí)地下水位變化情況與潮汐的關(guān)系進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見圖4。

由圖中曲線可以看出，試驗(yàn)區(qū)域地下水位與潮汐變化基本同步，而水位觀測位置離海邊超過300 m，表明試驗(yàn)區(qū)的回填料的透水條件極好，因此對(duì)于該類型的地基土強(qiáng)夯不會(huì)引起孔隙水壓力的變化或者引起的超靜孔壓在形成的一瞬間便消散，現(xiàn)有儀器設(shè)備基本觀測不到，同時(shí)也說明對(duì)于該類型的碎石回填料的強(qiáng)夯加固，其加固機(jī)理是動(dòng)力密實(shí)作用，不存在動(dòng)力固結(jié)作用。

5   加固效果檢測

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)強(qiáng)夯加固效果在強(qiáng)夯加固前后分別進(jìn)行了超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，在強(qiáng)夯后還進(jìn)行了平板載荷試驗(yàn)。

5．1超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

各試驗(yàn)區(qū)在強(qiáng)夯加固前、后分別進(jìn)行了超重 型動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測，為了便于強(qiáng)夯加固前后的對(duì)比分析，未考慮桿長、上覆壓力等對(duì)動(dòng)探擊數(shù)的影響，按標(biāo)高對(duì)加固前、后每1m范圍內(nèi)的實(shí)測動(dòng)力觸探錘擊數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，繪制試驗(yàn)對(duì)比曲線見圖5。

從加固前、后的試驗(yàn)對(duì)比曲線可以看出，3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)在地表均有2～3 m后的相對(duì)松散層，分別在標(biāo)高約為-9m、-11 m、-12 m深度范圍內(nèi) (標(biāo)高約-1 1．0m以上)，超重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)與加固前相比增長較為明顯。

5．2靜載荷試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求場地地基承載力不得小于150 kPa， 經(jīng)靜載荷試驗(yàn)驗(yàn)證場地的地基承載力完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求，通過超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果也可以看出該場地的地基承載力應(yīng)遠(yuǎn)大于150 kPa。根據(jù)規(guī)范松散狀態(tài)的碎石土承載力在200～400 kPa 之間，可見本項(xiàng)目采用回填料而形成的場地地基承載力較高，場地內(nèi)回填料的強(qiáng)夯處理設(shè)計(jì)應(yīng)以消除沉降為目的。

6   結(jié)語

1)30 000 kJ夯擊能的點(diǎn)夯在距夯點(diǎn)12m位置仍能使土體發(fā)生43．8 mm的水平位移，而距夯點(diǎn)8 m位置產(chǎn)生的水平位移與25 000 kJ夯擊能下離夯點(diǎn)6m位置引起的側(cè)向水平位移接近，因此 30 000 kJ的夯點(diǎn)間距應(yīng)可以放大16 m左右，減小夯點(diǎn)之間的相互擠壓作用，有利于對(duì)深層土體的加固。

2)在垂直方向上，地表以下約2～3 m深度范圍內(nèi)土體發(fā)生向夯點(diǎn)方向的位移，深度2～3m以下的土體則發(fā)生遠(yuǎn)離夯點(diǎn)方向的水平位移，且隨著夯擊能的增加，最大水平位移發(fā)生的深度分別為6．0 m、6．5 m、7．5 m，高能級(jí)對(duì)于深層加固更有利。

3)該項(xiàng)目位于濱海地區(qū)，場地內(nèi)地下水位與潮汐變化基本同步，表明回填料的透水條件極好，從加固機(jī)理上講，強(qiáng)夯是通過自由落下的夯錘在地基中引起機(jī)械外力使碎石顆粒能夠發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)而密實(shí)，不同于黏性土、粉土、粉砂地基，外力首先引起孔隙水壓力變化，超靜孔隙水壓力消散后土顆粒發(fā)生錯(cuò)動(dòng)或進(jìn)一步的相互擠壓接觸而使土體有效應(yīng)力增大，因此該地基加固不存在土體固結(jié)的作用。

4)通過加固后的超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)和靜載 荷試驗(yàn)結(jié)果來看，該場地的地基承載力較高，能夠滿足陸域形成的設(shè)計(jì)要求，接下來的強(qiáng)夯處理設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)場地上部結(jié)構(gòu)的使用要求以消除沉降為主要目的；超重型動(dòng)力觸探結(jié)果表明夯擊能18 000 kJ、25 000 kJ、30000 kJ的強(qiáng)夯處理分別在約13 m、15m、16m深度范圍內(nèi)有著非常明顯的加固.

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