朱紅興, 張國林, 劉君榮

(云南建工水利水電建設有限公司, 云南 昆明, 650041)

強夯法加固砂卵礫石層壩基及其應用

朱紅興, 張國林, 劉君榮

(云南建工水利水電建設有限公司, 云南 昆明, 650041)

強夯法作為一種高效經濟的地基加固處理方法，被廣泛應用于地基沉降處治工程中. 介紹了強夯對地基的加固機理、強夯參數(shù)的設計、強夯的施工工藝以及強夯施工控制，并以具體壩基工程為實例，通過試驗分析研究了強夯對砂卵礫石層壩基的加固效應. 試驗結果表明： 應用強夯法加固處理砂卵礫石層壩基，對進一步提高壩基土強度，降低壓縮性，消除不均勻沉降，改善土的物理力學性質和工程特性具有明顯的效果.

強夯法；砂卵礫石層；動力觸探；效果檢測

強夯法[1-2]又稱動力固結法[3]，是利用起重設備將大噸位重錘提升到一定高度后自由落下，在極短的時間內對地基土施加巨大的沖擊能量，沖擊產生的壓縮波、剪切波和瑞利波反復使土體受到瞬時加荷、卸荷和剪切的作用，使土顆粒之間原有的連接形式破壞而產生位移，形成新的較為穩(wěn)定的形式，從而達到減小孔隙比、增加土體密度、提高土體強度的目的[4].

我國自1975年開始介紹并引進強夯技術，1978年開始在工程中試用，曾叫做“超重錘夯實”. 由于我國地震高烈度區(qū)、濕陷性黃土區(qū)和軟粘土區(qū)分布廣泛，因此，作為一種適用性廣、經濟有效的地基處理方法，強夯技術在我國得到比較廣泛的推廣，強夯法的應用在深度和廣度上都在進一步迅速發(fā)展中. 當前應用強夯法處理地基的工程范圍極廣，已付諸實踐的有工業(yè)與民用建筑、重型構筑物、機場、堤壩、公路和鐵路路基、貯倉、飛機場跑道及碼頭、核電站、油庫、油罐、人工島等. 近年來強夯法在工程建設與環(huán)境保護協(xié)調方面己發(fā)展應用于垃圾填埋場、沙漠地基、核廢料場等的處理[5]. 總之，強夯法在某種程度上比其它機械的、化學的或力學的加固方法使用更為廣泛和有效, 對青山嘴水庫砂卵礫石層壩基強夯加固便是成功例證.

1 工程概況

青山嘴水庫位于云南省楚雄市西北東瓜鎮(zhèn)青山嘴村旁的龍川江上，水庫樞紐由粘土心墻石碴主壩、右岸粘土均質副壩、右岸溢洪道及輸水隧洞、導流泄洪隧洞組成. 主壩最大壩高41.5 m，總庫容10 805.2×104 m3，為大型水庫，工程等別為II等.

壩基地形及地質：主壩壩址處地形開闊，河段為“Z”型，河谷為“U”型寬谷，兩岸為侵蝕岸坡，河床為河谷階地，壩軸線較長. 右岸山坡較陡，局部陡崖，左崖相對較緩，上覆殘坡積層厚0～5 m，為砂質粘土、壤土、砂壤土夾碎石. 河床灘地面積較大，廣泛分布第四系沖洪積層，具二元結構，上部為粉土、粉細砂層，結構松散，高壓縮性，強度低；下部為砂卵礫石、漂石層，夾有孤石及粉細砂、粘土透鏡體，巖性成分不均勻，局部有架空現(xiàn)象，中～高壓縮性. 河床第四系沖洪積層存在地震液化及壓縮變形問題. 心墻強～弱風化巖體(含長石石英砂巖夾粉砂質泥巖)強度較高，其中強風化巖體低壓縮性，不存在壓縮變形，但存在滲漏問題. 心墻壩基F2-1、F2-2斷層帶構造擠壓強烈，斷層面不連續(xù)，構造節(jié)理密集，斷層帶內巖石破碎、糜棱巖、碎裂巖，巖體中等～強透水，存在滲漏問題.

2 壩基強夯處理

2.1 強夯加固機理

強夯對壩基的加固機理可概括為加密作用、液化作用、固結作用和時效作用[6].

a. 加密作用：所夯之處液體和氣體的體積都有所減少，土體得到加密，根據(jù)試驗每夯擊一遍氣體體積可減少40%.

b. 液化作用：在巨大的沖擊壓力作用下，土中孔隙水壓力迅速提高，當土中孔隙水壓力上升到與覆蓋壓力相等時，土體即產生局部液化，土的強度喪失，土?？勺杂膳帕?

c. 固結作用：當強夯在壩基中產生的超孔隙水壓力大于土粒間的側向壓力時，土粒便會出現(xiàn)裂隙，形成排水通道，此時土的滲透性改變，滲透系數(shù)劇增，孔隙水得以順利排出，加速了土的固結，當孔隙水壓力消散到小于土粒間的側向壓力時，排水的裂隙即自行閉合，土中水的運動又重新恢復常態(tài).

d. 時效作用：隨著時間的推移，孔隙水壓力消散，土顆粒又重新組合緊密接觸，自由水也重新被土顆粒吸附而變成吸附水，土的強度逐漸恢復，稱為時間效應.

2.2 強夯參數(shù)設計

考慮到砂卵石層深度有限，強夯效果較好，可采用梅那(L. Menard)公式[7]進行估算：

式中：H為強夯加固地基影響深度(m)；a為修正系數(shù)，范圍0.38～0.8；M為夯錘重量(kN)；h為落距(m). 根據(jù)公式(1)，當修正系數(shù)a取0.6、錘重20 t、落距18 m時，估算的最大加固深度為11.4 m.

強夯能級確定(指單點夯擊)，公式[8]為：式中：E為單擊強夯能級(kN·m)；W為夯錘重量(kN)；h為落距(m).

經過現(xiàn)場試夯, 本壩基工程強夯確定采用帶有自動脫鉤裝置的QUY50A履帶式起重機，最大吊高27 m，夯錘重W=200 kN，夯錘底面對稱設置4個與其頂面貫通的排氣孔，孔徑300 mm. 點夯3遍，每遍 12擊，落距h=20 m，根據(jù)公式(2)，單擊夯擊能E=W·h=200 kN· 20 m=4 000 kN· m ; 滿夯一遍，每遍10擊，錘印彼此搭接35 cm. 夯錘重W=200 kN，落距h=5 m，單擊夯擊能E=W·h=200 kN· 20 m=4 000 kN· m, 在滿足設計的夯擊次數(shù)，并應滿足最后2擊的平均夯沉量≤50 mm，夯坑周圍地面不應發(fā)現(xiàn)過大的隆起及不應夯坑過深而發(fā)生提錘困難情況下可以收錘.

強夯采用正方形布置夯點，遍數(shù)為點夯三遍，滿夯一遍. 第一遍強夯時，夯點位于正方形的頂點強夯，第二遍強夯時夯點布置在第一遍夯點組成的正方形的形心處，第三遍強夯的夯點布置在第二遍夯點組成的正方形形心處. 第一遍夯點間距離6 m，采用逐漸加密法施工，強夯夯點具體布置如圖1所示. 強夯處理范圍為上、下游壩殼(包括下游貼坡排水)基礎輪廓線外加一排夯點(6 m). 處理從砂卵礫石、漂石層到河床第四系底界，深度為1.2～9.4 m，其中砂卵礫石層厚度為1.3～11.8 m.

圖1 強夯夯點布置圖

2.3 強夯施工工藝

a. 清除場地內堆積物，整平施工場地，各區(qū)場地地坪標高平整到起夯設計標高；

b. 設置施工測量基點；

c. 測量整平場地起夯地坪高程，地坪標高誤差在200 mm以內；

d. 標出第一遍夯點位置，校正夯錘、起重機位置，使夯錘對準夯點；

e. 將夯錘起吊到預定高度，待夯錘脫鉤自由下落后，放下吊鉤，測量錘頂高程，若發(fā)現(xiàn)因坑底傾斜而造成夯錘歪斜時，及時將坑底整平；

f. 重復步驟d、e，按設計規(guī)定的技術及控制標準完成一、二、三遍每一個夯點的夯擊作業(yè)；

g. 換夯點，重復步驟c至f，完成第一至第三遍全部夯點的夯擊；

h. 用推土機將夯坑填平，并測量場地高程；

i. 進行低能量滿夯，將場地表層松土夯實，并測量夯后場地高程.[9]

2.4 強夯施工控制

a. 每一錘在正式提升前，強夯機和夯錘就位，夯錘對準夯點中心，誤差控制在±15 cm內；

b. 每一錘都要提升到設計要求的高度；

c. 錘落下后，如夯坑底有傾斜，當超過20°時，用土將坑底補平，再進行下次夯擊；

d. 當施工場地及夯坑由于降雨或地下水位上升等原因積水時，要及時采取排水措施，待水排干后，才能填坑；

e. 夯擊過程中，如遇到基土含水量過高，形成“橡皮土”，或夯坑周邊隆高過大等異?，F(xiàn)象時，應停止作業(yè)，采取適當?shù)拇胧┻M行處理；

f. 每夯擊完一遍，用新土或周圍土將夯擊坑填平，并測出本遍場地的平均標高，求出沉降量；

g. 夯坑回填時需用推土機等略加壓實，并稍高于附近地面，以防止坑內填土吸水過多；

h. 相鄰兩遍的間隔時間，要符合根據(jù)空隙水力消散要求的設計天數(shù).

2.5 強夯安全措施

a. 由于強夯機組高大，穩(wěn)定性較差，因此對施工場地要求較嚴，不得軟硬不勻，不得有虛填坑洞和淺層墓坑；

b. 強夯時有土塊石子等飛出，現(xiàn)場人員必須戴安全帽. 吊車上應安裝防護網(wǎng)，非施工人員不得進入現(xiàn)場；

c. 應隨時注意檢查機具的工作狀態(tài)，經常維修和保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)不安全之處應及時處理；

d. 在強夯施工區(qū)附近有建筑物時，應經常觀察振動的影響，對較近的建筑物應挖防震溝，其深度應超過該建筑物的基礎深度；

e. 強夯機械使用交流電源時，特別注意各用電設施的接地防護裝置，施工現(xiàn)場附近有高壓線路通過時，必須根據(jù)機具的高度、線路的電壓，詳細測定其安全距離，防止高壓放電，發(fā)生觸電事故.

3 強夯效果檢測與分析

3.1 上游強夯效果檢測與分析

壩基強夯完成后，對上游壩基夯后重型動力觸探[10]、干密度、含水率、強夯面高程及夯點沉降量進行了檢測，并與夯前各檢測項目比較，結果見表1.

表1 上游壩基強夯檢測

由表1我們可以得知，上游壩基重型動力觸探檢測28組，夯前14組，夯后14組，夯前重型動力觸探貫入10 cm最小擊數(shù)為1擊，最大大于50擊，其中大于50擊有6組，占總測點的42.85%；夯后最小擊數(shù)為15擊，最大大于50擊，其中大于50擊有14組，占總測點的100%，夯后較夯前提高了133.37%. 土體干密度檢測21組，夯前6組，夯后15組，夯前干密度最小為1.64 g/cm3，最大為2.18 g/cm3，平均干密度為1.973 g/cm3；夯后干密度為最小1.89 g/cm3，最大為2.43 g/cm3，平均干密度為2.077 g/cm3，夯后較夯前平均干密度提高了5.27%.土體含水率檢測21組，夯前6組，夯后15組，夯前含水率最小為6.2%，最大為21.3%，平均含水率為12.183%；夯后含水率最小為4.9%，最大為15.8%，平均含水率為9.888%，夯后較夯前平均含水率降低了23.21%. 強夯面高程檢測197組，夯前99組，夯后88組，強夯面平均壓縮量為564 mm. 強夯點累計沉降量檢測351組，平均累計沉降1 098 mm. 這充分說明上游基礎經過強夯，土體內孔隙被壓縮，水分和氣體被排除，土體得到緊密壓實，從而提高地基容許承載能力，強夯效果顯著.

表2 下游壩基強夯檢測

3.2 下游強夯效果檢測與分析

壩基強夯完成后，對下游壩基夯后重型動力觸探、干密度、含水率、強夯面高程及夯點沉降量進行了檢測，并與夯前各檢測項目進行比較，結果見表2.

由表2我們可以得知，上游壩基重型動力觸探檢測27組，夯前7組，夯后20組，夯前重型動力觸探貫入10 cm最小擊數(shù)為2擊，最大大于50擊，其中大于50擊有6組，占總測點的85.71%；夯后最小擊數(shù)為15擊，最大大于50擊，其中大于50擊有20組，占總測點的100%，夯后較夯前提高了16.67%. 土體干密度檢測17組，夯前7組，夯后10組，夯前干密度最小為1.95 g/cm3，最大為1.98 g/cm3，平均干密度為1.961 g/cm3；夯后干密度為最小1.87 g/cm3，最大為2.55 g/cm3，平均干密度為2.14 g/cm3，夯后較夯前平均干密度提高了9.13%. 土體含水率檢測17組，夯前7組，夯后10組，夯前含水率最小為8%，最大為9.5%，平均含水率為8.686%；夯后含水率最小為7.8%，最大為9%，平均含水率為8.37%，夯后較夯前平均含水率降低了3.78%. 強夯面高程檢測177組，夯前80組，夯后97組，強夯面平均壓縮量為608 mm. 強夯點累計沉降量檢測333組，平均累計沉降1 003 mm. 這充分說明下游基礎經過強夯，土體內孔隙被壓縮，水分和氣體被排除，土體得到緊密壓實，從而提高地基容許承載能力，強夯效果顯著.

4 結論

a. 通過對壩基重型動力觸探、干密度、含水率、強夯面高程及夯點沉降量進行檢測，均得到了滿意的結果，表明砂卵礫石層壩基經過強夯后得到了很好的加固效果，應用強夯法加固砂卵礫石層壩基是切實可行的.

b. 由于壩基的復雜性，采用其它地基加固處理方法均具有局限性，而本工程采用強夯法加固，工藝簡單，工期較短，且造價較低，具有較好的技術經濟性.

c. 通過強夯面高程的檢測，強夯面經強夯均有顯著壓縮，很大程度地降低了壩基的壓縮性，消除了不均勻沉降.

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Application of dynamic compaction to reinforce dam foundation with sand gravel stratum

ZHU Hong-xing, ZHANG Guo-lin, LIU Jun-rong
(Yunnan Construction and Hydropower Engineering Co. Ltd., Kunming 650041, China )

As a kind of method effective and economic method of foundation reinforcement , dynamic compaction has been widely applied in treating foundation settlement engineering . This composition has introduced the reinforcement mechanism and the parameters design of dynamic compaction, and technology and control of dynamic compaction construction. As an example, by the dynamic compaction test, this composition has analyzed and researched reinforcement effects of dam foundation with sand gravel layer. The test results show that the effects of applying dynamic compaction to reinforce sand gravel stratum dam foundation on further increasing strength, reducing compressibility, eliminating non-uniform settlement, improving soil physical and mechanical properties of engineering characteristics are obvious.

dynamic compaction; sand gravel stratum; dynamic penetration; effect detection

TU 411.5

：A

1672-6146(2010)04-0074-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2010.04.020

2010-11-02

朱紅興(1972-), 男, 高級工程師, 主要從事水利工程研究.