李 浩, 劉東甲, 侯超群
(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)
所謂雜填土[1],是由于人類的生產(chǎn)和生活活動(dòng)形成的地面填土層,其填筑物隨著地區(qū)的生產(chǎn)和生活水平不同而異,其性質(zhì)與其組成和原地貌有關(guān),回填的方法通常是任意堆放。
目前雜填土地基處理的主要方法是:① 機(jī)械振動(dòng)壓實(shí)法;② 換上擴(kuò)建層法;③ 重錘夯實(shí)法;④ 短樁處理;⑤ 擠密碎石樁復(fù)合地基;⑥ 素混凝土樁復(fù)合地基;⑦ 強(qiáng)夯法;⑧ 振沖擠密法;⑨ 灌漿法[2]。
本文屬于工程實(shí)際問題,該工程是咸陽市上林路K2+420~K2+560段雜填土地基處理。通過各種地基處理方法的比選,用強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理,進(jìn)行強(qiáng)夯法設(shè)計(jì),由此論述了強(qiáng)夯法的具體施工過程,并對(duì)處理效果進(jìn)行了檢驗(yàn),檢驗(yàn)是否符合設(shè)計(jì)要求。
該場地土層主要由第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖積細(xì)砂、中砂組成,大部分堆積較厚的生活垃圾與建筑垃圾混合物雜填土。其層序和各層土的特征如下:
(1)雜填土?;液谏煞只靵y,磚瓦碎塊、煤碴、礦石、混凝土塊,夾有大量生活垃圾等,臭味濃烈,分布極不均勻。層底埋深0.4~12.6 m,層底標(biāo)高372.2~385.6 m。
(2)細(xì)砂?;尹S色,上部局部夾有黃土狀土,主要成分為石英和長石,厚度為1.5~5.5 m,層底埋深為5.5~5.9 m,層底標(biāo)高378.9~380.4 m。
(3)黃土狀土?;尹S色,具少量大孔隙,只分布在1號(hào)鉆孔處,厚度約為3.0 m,層底埋深5.6 m,層底標(biāo)高380.4 m。
(4)中砂。黃褐色—黃色,主要礦物成分為石英、長石、和少量云母。本層顆粒上部細(xì),向下變粗,上部夾粉土和粉細(xì)砂透鏡體。呈中密—密實(shí)狀態(tài)。該砂層未穿透,最大揭露深度20.0 m,揭露厚度達(dá)7.2 m。
由室內(nèi)試驗(yàn)土工實(shí)驗(yàn)及野外原位測試結(jié)果,經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)獲得主要土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值,見表1、表2所列。由表1、表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果,對(duì)主要地基土層的物理力學(xué)性質(zhì)作如下評(píng)述:
(1)雜填土。主要由建筑垃圾及生活垃圾組成,分布不均勻,成分復(fù)雜,實(shí)測動(dòng)探擊數(shù)2~8.7擊,平均值3.6擊,松散—稍密。工程性能差異很大,性質(zhì)不穩(wěn)定。
(2)細(xì)砂。實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)為11~21擊,平均值16.6擊,稍密—中密。工程性能較好。
(3)中砂。實(shí)測標(biāo)貫試驗(yàn)擊數(shù)19~59擊,平均34.6擊,呈中密—密實(shí)狀態(tài),工程性能好。
由土工試驗(yàn)標(biāo)貫及動(dòng)探試驗(yàn)原位測試結(jié)果,依據(jù)文獻(xiàn)[3-4]和地區(qū)建筑經(jīng)驗(yàn)確定各層地基土的承載力特征值,見表3所列。
表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果
表2 動(dòng)探試驗(yàn)結(jié)果
表3 地基承載力特征值 k Pa
地基處理方法很多,每種處理方法都有一定的適用范圍、局限性和優(yōu)缺點(diǎn)。排水固結(jié)法主要特點(diǎn)是理論成熟,但需要壓荷載而且預(yù)壓時(shí)間較長,對(duì)工期緊迫、缺乏壓載條件的工程是難以應(yīng)用的;深層攪拌法適宜于加固飽和軟黏土,但對(duì)水質(zhì)要求較高,而且會(huì)不同程度上造成環(huán)境污染;水泥土攪拌法不僅可以較大提高地基承載力,而且可以減少原地基沉降量的1/3~2/3,沉降較快趨于穩(wěn)定,但是這種方法造價(jià)高,水泥用量很大;石灰樁法在生產(chǎn)石灰的地區(qū)是首選的方法,具有較強(qiáng)的區(qū)域性,這種方法目前的施工工具和施工工藝也還不能滿足要求,同時(shí)存在著環(huán)境污染的問題;振沖碎石樁法具有排水固結(jié)和置換擠密雙重作用,但軟土側(cè)向約束作用較差,透水性差,高靈敏的軟土被擠密后破壞了原來的結(jié)構(gòu),不能達(dá)到預(yù)期的加固目的;強(qiáng)夯法是一種施工簡單、經(jīng)濟(jì)有效的地基處理方法,但這種方法施工中所產(chǎn)生噪音、振動(dòng)會(huì)造成一定的環(huán)境污染。
在諸多地基處理方法中,強(qiáng)夯法所用設(shè)備簡單,原理直觀,適用范圍廣泛,可用于加固各種填土、濕陷性黃土、碎石土、砂土、一般黏性土、軟土以及工業(yè)、生活垃圾等地基,特別是對(duì)于非飽和土加固效果顯著。
當(dāng)今,強(qiáng)夯法是當(dāng)前最經(jīng)濟(jì)而簡便的地基加固方法之一[5-6],廣泛應(yīng)用于房建、橋涵、道路、港口、碼頭、機(jī)場、大型設(shè)備基礎(chǔ)等工程,顯示出其蓬勃的生命力,投資節(jié)省和加固速度快是其主要優(yōu)勢(shì)所在,見表4所列。
表4 幾種主要地基處理方法單位面積造價(jià)時(shí)間比
強(qiáng)夯法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用,但至今尚無一套成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。目前通常是針對(duì)具體工程根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步選定設(shè)計(jì)參數(shù),再通過現(xiàn)場試驗(yàn)的驗(yàn)證和必要修改后,最終確定適合于現(xiàn)場土質(zhì)條件的設(shè)計(jì)參數(shù)。強(qiáng)夯法的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括:有效加固深度、夯擊能、夯擊次數(shù)、夯擊遍數(shù)、間隔時(shí)間、夯擊點(diǎn)布置和處理范圍等。
根據(jù)“上林路市政工程施工圖設(shè)計(jì)文件”,可知該路規(guī)劃紅線寬50 m,道路紅線外兩側(cè)各控制5 m寬綠化帶,道路斷面為三塊板型式,其中,機(jī)動(dòng)車道 23 m,隔離帶2×2.5 m,非機(jī)動(dòng)車道2×5 m,綠化帶2×3 m,人行道2×3 m。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下。
(1)機(jī)動(dòng)車道路面結(jié)構(gòu),各層厚度如下。
面層:AC-16Ⅰ型中粒式瀝青混凝土5 cm。
下面層:AC-30Ⅰ型粗粒式瀝青混凝土7 cm。
噴灑乳化瀝青透油層:1.0 kg/m2。
基層:二灰碎石(石灰、粉煤灰、碎石的配比為7.5∶17.5∶75)23 cm。
底基層:石灰土(含灰量10%)30 cm。
(2)非機(jī)動(dòng)車道路面結(jié)構(gòu),各層厚度如下。
面層:AC-16Ⅰ型中粒式瀝青混凝土5 cm。
噴灑乳化瀝青透油層:1.0 kg/m2。
基層:二灰碎石(石灰、粉煤灰、碎石的配比為7.5∶17∶75)20 cm。
底基層:石灰土(含灰量10%)30 cm。
(3)人行道路面結(jié)構(gòu),各層厚度如下。
面層:面磚采用200×100×60彩色通體透水磚6 cm。
座漿層:M7.5水泥砂漿3 cm。
墊層:C20混凝土6 cm。
基層:石灰土(含灰量10%)15 cm。
由此可計(jì)算公路基礎(chǔ)自重約為:G=2.37×0.13+2.05×0.23+2.15×0.3=1.42 t/m2,即設(shè)計(jì)荷載為14.2 k Pa。
根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知輪胎接地壓強(qiáng)p為700 k Pa,見如表5所列,取擴(kuò)散角為35°,則輪胎接地壓強(qiáng)作用于地基上的荷載為:
表5 標(biāo)準(zhǔn)軸載計(jì)算參數(shù)
所以基底附加應(yīng)力為基礎(chǔ)自重與輪胎接地壓強(qiáng)的和,即40 k Pa,小于雜填土的承載力特征值。由此可知地基強(qiáng)度條件滿足下文處理地基變形條件。
強(qiáng)夯法的有效加固深度是指起夯面以下,經(jīng)強(qiáng)夯加固后,土的物理力學(xué)指標(biāo)已達(dá)到或超過設(shè)計(jì)值的深度。根據(jù)不同的地層和加固目的,有效加固深度的判別標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)方法也不相同。對(duì)軟土地基,主要是提高地基承載力和減少沉降量;對(duì)飽和砂土和粉土,主要是消除液化趨勢(shì);對(duì)黃土及新近堆積黃土主要是消除濕陷性、提高地基承載力。對(duì)不同的土質(zhì)條件和不同的工程應(yīng)采用不同的標(biāo)準(zhǔn)。
地基土的壓縮是由外界壓力在地基中引起的附加應(yīng)力所產(chǎn)生的。在理論上,附加應(yīng)力可深達(dá)無窮遠(yuǎn),但實(shí)際計(jì)算地基土的壓縮量時(shí),只須考慮某一深度范圍內(nèi)土層的壓縮量,這一深度范圍內(nèi)的土層就稱為“壓縮層”。在水利工程中通常按豎向附加應(yīng)力σz與自重應(yīng)力σs之比確定。對(duì)于一般黏性土,當(dāng)?shù)鼗成疃鹊母郊討?yīng)力σz與自重應(yīng)力σs之比等于0.2時(shí),該深度范圍內(nèi)的土層即為壓縮層;對(duì)于軟黏土,則以σz/σs=0.1為標(biāo)準(zhǔn)確定壓縮層的厚度[8]。
由勘查報(bào)告可知,需要處理的地基的長l=140 m,寬b=50 m。經(jīng)過承載力估算確定該地基受均布荷載40 k Pa,若取壓縮深度z=10 m,據(jù)此可求地基中心點(diǎn)處的附加應(yīng)力,因l1=l/2=140/2=70 m,b1=b/2=50/2=25 m,則l1/b1=70/25=0.8,z/b1=10/25=0.4。由文獻(xiàn)[8]查得應(yīng)力系數(shù),所求的附加應(yīng)力和自重應(yīng)力為:
則σz/σs=39.062 4/200=0.195 312<0.2,所以壓縮深度取10 m,即有效加固深度為10 m。
單擊夯擊能等于錘重乘以落距,由處理深度根據(jù)修正后 Menard公式[9]確定單擊夯擊能E,即則E=Mh=(H/a)2×10=(10/0.8)2×10=1 563 k N·m。其中,H為加固深度;M為錘重;h為落距;a為小于1的修正系數(shù),變動(dòng)范圍為0.35~0.80,飽和軟土取0.45~0.50,一般黏土取0.50,砂性土取0.70,填土取0.60~0.80,黃土取0.35~0.50。
在單擊夯擊能相同的情況下,實(shí)踐表明,增加錘重W比增加落距h更有效,但錘重越大,對(duì)起吊設(shè)備要求越高[9-10]。所以選擇錘重為12 t,落距為13 m。夯錘用圓形,直徑為2.5 m。
強(qiáng)夯中,夯擊次數(shù)是強(qiáng)夯設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于碎石土、砂土、低飽和度的濕陷性黃土和填土等地基,夯擊時(shí)夯坑周圍往往沒有隆起或雖有隆起但其量很小,這種情況下,應(yīng)盡量增多夯擊次數(shù),以減少夯擊遍數(shù)。但對(duì)于飽和度較高的黏性土地基,隨著夯擊次數(shù)的增加,土的孔隙體積因壓縮而逐漸減小,但因這類土的滲透性較差,孔隙水壓力將逐漸增長,并促使夯坑下的地基土產(chǎn)生較大的側(cè)向擠出,引起夯坑周圍地面的明顯隆起,此時(shí)若繼續(xù)夯擊,并不能使地基土得到有效的夯實(shí),而造成浪費(fèi)。
在施工場地選取一個(gè)地質(zhì)條件有代表性的試驗(yàn)區(qū),平面尺寸為28 m×32 m[11]。在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)的原位測試,采取原狀土樣測定有關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)擬定的試驗(yàn)方案進(jìn)行現(xiàn)場試夯施工。施工中應(yīng)做好現(xiàn)場測試和記錄。測試內(nèi)容包括:夯點(diǎn)沉降觀測(測出每個(gè)夯點(diǎn)的每一擊夯沉量及總夯沉量)、夯坑周圍隆起、振動(dòng)影響范圍、飽和軟黏土孔隙水壓力的增長和消散情況等。試夯結(jié)束后1~4周進(jìn)行試夯效果檢驗(yàn),并與試夯前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。檢驗(yàn)試夯前后的檢測資料,分析試夯效果是否符合要求。如果不符合要求,應(yīng)補(bǔ)夯或調(diào)整強(qiáng)夯參數(shù)后再進(jìn)行試驗(yàn)。如果符合要求,則由夯沉量與夯擊數(shù)關(guān)系曲線確定最佳夯擊數(shù),并正式確定強(qiáng)夯施工所采用的其他技術(shù)參數(shù)。
根據(jù)現(xiàn)場試夯畫出夯擊次數(shù)N與每擊沉降量Δs的關(guān)系曲線,當(dāng)Δs-N曲線趨于穩(wěn)定接近常數(shù)時(shí),且滿足最后2次平均沉降量不大于50 mm;夯坑周圍地面沒有發(fā)生過大的隆起;不因夯坑過深而起錘困難3個(gè)條件時(shí),可取相應(yīng)的夯擊次數(shù)為最佳夯擊數(shù)[12]。
夯擊遍數(shù)是指將整個(gè)強(qiáng)夯場地中同一編號(hào)的夯擊點(diǎn)夯完后算作1遍。夯擊遍數(shù)應(yīng)根據(jù)地基土的性質(zhì)確定。一般來說,有粗顆粒土組成的滲透性強(qiáng)的地基,夯擊遍數(shù)可少些;由細(xì)顆粒土組成的滲透系數(shù)小的地基,夯擊遍數(shù)要求多些[13]。根據(jù)日本資料報(bào)導(dǎo),對(duì)于碎石、砂礫、砂質(zhì)土和垃圾土,夯擊遍數(shù)為2~3遍;粉性土為3~8遍,泥炭為3~5遍。最后在對(duì)全部場地進(jìn)行輕量級(jí)夯擊,使表層土得以夯實(shí)。
根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn),本次強(qiáng)夯法的強(qiáng)夯次數(shù)確定為9次,強(qiáng)夯遍數(shù)確定為2遍。最后再以35 t壓路機(jī)振動(dòng)碾壓一遍,其目的是將松動(dòng)的表層土碾壓密實(shí)。
當(dāng)基礎(chǔ)面積較大時(shí),可按正方形布置夯擊點(diǎn)的平面位置。夯擊點(diǎn)間距的確定一般根據(jù)地基土的性質(zhì)和有效加固深度要求確定。細(xì)顆粒土為了便于超靜孔隙水壓力的消散,夯點(diǎn)間距不宜過小。當(dāng)要求加固深度較大時(shí),第1遍的夯點(diǎn)間距更不宜過小,以免夯擊時(shí),在淺層形成密實(shí)層而影響夯擊能往深層傳遞。此外,若夯點(diǎn)間距太小,在夯擊時(shí)上部土體易向側(cè)向已夯成的夯坑中擠出,從而造成坑壁坍塌、夯錘歪斜和傾倒,以致影響夯實(shí)效果。這一點(diǎn)已被實(shí)踐所證明。根據(jù)國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)第1遍夯擊點(diǎn)間距可取夯錘直徑的2.5~3.5倍,對(duì)處理深度較深或單擊夯擊能較大的工程,第1遍夯擊點(diǎn)間距應(yīng)適當(dāng)增大。第2遍夯擊點(diǎn)位于第1遍夯擊點(diǎn)之間。又由于強(qiáng)夯夯擊時(shí),應(yīng)力向外擴(kuò)散,因此,夯擊點(diǎn)必須間隔5~9 m夯距。若夯點(diǎn)緊接,應(yīng)力疊加,效率降低。經(jīng)綜合考慮取夯擊點(diǎn)間距為7 m,如圖1所示。
由于應(yīng)力擴(kuò)散作用,夯擊點(diǎn)范圍應(yīng)大于建筑物基礎(chǔ)范圍,每邊超出基礎(chǔ)外緣的寬度,宜為設(shè)計(jì)處理深度的1/2~2/3,但不宜小于3 m。本工程取6 m。
圖1 夯點(diǎn)平面布置圖
間歇時(shí)間是指2遍夯擊之間的時(shí)間間隔。間歇時(shí)間取決于土中孔隙水壓力的消散時(shí)間。對(duì)于砂性土,孔隙水壓力的消散時(shí)間只有3~4 min,故可連續(xù)作業(yè);對(duì)于細(xì)粒土,當(dāng)缺少實(shí)測資料時(shí),可根據(jù)地基土的滲透性確定;對(duì)排水條件差的飽和粉土和黏性土地基,一般不少于3~4周[14]。本工程取間歇時(shí)間為7 d。
強(qiáng)夯法的施工設(shè)備主要包括夯錘、起重機(jī)、脫鉤裝置等。需要注意的是,由于履帶式起重機(jī)空車停置時(shí)對(duì)地面的壓力為80~100 k Pa,空車行駛時(shí)為100~190 kPa,起重時(shí)為170~300 k Pa。因此,為保證起重機(jī)正常施工,要求在地基先鋪設(shè)厚度為0.5~2.0 m的粗粒料墊層,用推土機(jī)推平并來回碾壓,以形成一層稍硬的表層作為施工場地的通道,以支承超重設(shè)備[15]。
(1)試夯后清理并平整施工場地,進(jìn)行場地測量放線,平整范圍應(yīng)大于基礎(chǔ)外圍輪廓線,每邊外伸6 m。
(2)標(biāo)明第1遍夯點(diǎn)位置。對(duì)每一夯點(diǎn),用石灰標(biāo)出夯錘底面外圍輪廓線,并測量場地高程。
(3)起重機(jī)就位,夯錘對(duì)準(zhǔn)夯點(diǎn)位置,位于石灰線內(nèi),測量夯前錘頂高程。
(4)將夯錘起吊到預(yù)定高度,自動(dòng)脫鉤,使夯錘自由下落夯擊地基,放下吊鉤,測量錘頂高程。若因坑底傾斜造成夯錘歪斜時(shí),應(yīng)及時(shí)整平坑底。
(5)重復(fù)步驟(4),按設(shè)計(jì)規(guī)定的夯擊次數(shù)即9次,及控制標(biāo)準(zhǔn),完成一個(gè)夯點(diǎn)的夯擊。
(6)重復(fù)步驟(3)~(5),按設(shè)計(jì)強(qiáng)夯點(diǎn)的次序圖,完成第1遍全部夯點(diǎn)的夯擊。
(7)用推土機(jī)將夯坑填平,并測量場地高程。標(biāo)出第2遍夯點(diǎn)位置。
(8)按規(guī)定時(shí)間間歇7 d,待前一遍強(qiáng)夯產(chǎn)生的土中孔隙水壓力消散后,再按上述步驟,逐次完成全部夯擊遍數(shù),本工程遍數(shù)為2遍。最后采用低能量滿夯,本工程采用35 t振動(dòng)壓路機(jī)碾壓,以將場地表層松土壓實(shí),并測量場地夯后高程。
(1)強(qiáng)夯施工所產(chǎn)生的振動(dòng),對(duì)鄰近建筑物或設(shè)備產(chǎn)生有害影響時(shí),應(yīng)采取防振措施。強(qiáng)夯法振動(dòng)的主要影響范圍一般為10~15 m,在此范圍內(nèi)應(yīng)采取防振措施,如設(shè)充填溝,溝底寬一般大于50 cm,溝深應(yīng)大于鄰近建筑物基礎(chǔ)底面標(biāo)高。
(2)夯擊前要查明強(qiáng)夯范圍內(nèi)的地下構(gòu)筑物及各種地下管線的位置及標(biāo)高,并采取必要的防護(hù)措施,以免因強(qiáng)夯施工而造成損失。
(3)強(qiáng)夯前要做好場地平整,周圍作好排水溝,按夯點(diǎn)布置測量放線確定夯位。地下水位較高時(shí),要采取降低地下水位后再夯擊。
(4)應(yīng)按規(guī)定的起錘高度、錘擊數(shù)量的控制指標(biāo)施工,也可采用試夯后確定的沉降量控制。
(5)地基中的含水量對(duì)強(qiáng)夯加固效果有直接影響,一般當(dāng)土體的含水量越接近塑限時(shí)強(qiáng)夯效果越好,若表土過干應(yīng)采取加水等相應(yīng)措施,適當(dāng)增加含水量。若地基土含水量過多,可能會(huì)形成橡皮土,可通過鋪設(shè)砂墊層或采用人工降低地下水位等措施進(jìn)行處理。
(6)夯錘上部排氣孔如遇堵塞,應(yīng)立即疏通。
(7)強(qiáng)夯時(shí)有石塊、土塊等飛擊,應(yīng)注意安全。
(8)雨季施工,夯擊坑內(nèi)或夯擊過的場地內(nèi)有積水時(shí),必須及時(shí)清除。
本工程在施工結(jié)束2周后對(duì)強(qiáng)夯地基進(jìn)行了質(zhì)量檢測。檢測采用6組重型動(dòng)力觸探和3組平板載荷試驗(yàn)以檢驗(yàn)地基處理效果,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6、表7所列。
表6 重型動(dòng)力觸探擊數(shù)N強(qiáng)夯處理前后對(duì)比
表7 路基頂面平板載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)
動(dòng)力觸探試驗(yàn)表明強(qiáng)夯處理后各土層承載力得到很大提高,路基土的物理力學(xué)性質(zhì)得到較大改善。文獻(xiàn)[7]規(guī)定土基回彈模量值應(yīng)大于30 MPa。該場地經(jīng)強(qiáng)夯法處理后回彈模量為46.33 MPa,承載力為214.67 k Pa,滿足了市政道路對(duì)路基的承載力要求。
強(qiáng)夯法施工原理簡單,經(jīng)濟(jì)效益明顯,但施工時(shí)產(chǎn)生較大的振動(dòng),對(duì)周圍的構(gòu)筑物有較大影響。強(qiáng)夯理論不成熟,需現(xiàn)場試夯才能確定夯擊參數(shù)。該工程經(jīng)強(qiáng)夯處理后,土基回彈模量提高了165%,承載力提高了168%,證明其處理效果良好。
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