丁 祺

(天津港工程監(jiān)理咨詢有限公司，天津 300461)

強(qiáng)夯法又稱動(dòng)力壓實(shí)法［1，2］，是將重錘反復(fù)提到高處使其自由下落，給土體以沖擊和振動(dòng)能量，將土體夯實(shí)，降低其壓縮性，從而達(dá)到改善土體的目的。該法自20世紀(jì)70年代末引入我國，先后在天津新港、河北廊坊、山西白楊墅等地進(jìn)行了試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐，取得了較好的加固效果。由于其適用土類廣、設(shè)備簡單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，目前已在全國范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用。然而，有關(guān)強(qiáng)夯機(jī)理的研究，至今沒有統(tǒng)一的理論。究其原因是各類土體的性質(zhì)千差萬別，難以得到統(tǒng)一強(qiáng)夯加固理論。同時(shí)，重型動(dòng)力觸探［3］作為一種有效的檢測土體密實(shí)度的手段，可以用來分析強(qiáng)夯對(duì)土體的加固效果。本文便借助重型動(dòng)力觸探，對(duì)經(jīng)過強(qiáng)夯處理的斜坡式水工護(hù)岸碎石土進(jìn)行檢測，分析其加固效果，并為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

大連港東部地區(qū)搬遷改造工程位于大連灣南岸，大連港大港區(qū)東側(cè)的寺兒溝地區(qū)，根據(jù)項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度安排，7，8標(biāo)段全部及4標(biāo)段大部分均采用斜坡式水工護(hù)岸，總里程約1.6 km。該區(qū)段處理方式為通過爆炸擠淤的方式處理海底的可壓縮性土體，然后換填大塊石，形成堤身，再在后方30 m范圍內(nèi)陸拋開山石，最后安裝胸墻，而胸墻的安裝位置為護(hù)岸軸線后方18.0 m，該處上部為開山石(碎石土)，下部為大塊石(如圖1所示)。因此需要對(duì)上部土體進(jìn)行強(qiáng)夯處理，以便消除大部分沉降，避免胸墻過大的不均勻沉降而產(chǎn)生開裂。

圖1 斜坡式水工護(hù)岸斷面示意圖

2 動(dòng)力觸探試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理及過程

圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)的類型分為輕型，重型和超重型三種，根據(jù)土體類型本試驗(yàn)選擇重型。其主要設(shè)備由圓錐觸探頭、觸探桿和穿心錘三部分組成。其原理為利用一定質(zhì)量的落錘，以一定高度的自由落距將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的圓錐形探頭打入土中，根據(jù)探頭貫入的難易程度判定土層性質(zhì)。在具體操作過程中，15擊/min～30擊/min連續(xù)貫入土中，當(dāng)貫入深度12.0 m時(shí)停止試驗(yàn)，在貫入過程中，每貫入10 cm記錄相應(yīng)錘擊數(shù)。

2.2 試驗(yàn)成果及分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制了重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)隨深度的變化曲線。圖2為典型強(qiáng)夯重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)隨深度變化趨勢:0 m～0.5 m深度范圍內(nèi)碎石土錘擊數(shù)平均10擊，碎石土的密實(shí)度處于稍密和中密之間，在0.5 m～6 m范圍內(nèi)，碎石土的錘擊數(shù)平均達(dá)到15擊，碎石土體的密實(shí)度處于中密，6 m～8 m范圍內(nèi)碎石土錘擊數(shù)平均約10擊，碎石土的密實(shí)度下降為稍密和中密之間過渡狀態(tài)，8 m～12 m范圍內(nèi)碎石土錘擊數(shù)平均約6擊，碎石土接近松散與稍密的分界線。從上述情況可知，土體在0.5 m～6 m范圍內(nèi)強(qiáng)夯效果最為顯著，0 m～0.5 m及6 m～8 m范圍次之，8 m～12 m范圍內(nèi)加固效果甚微。值得注意的是在8 m～12 m范圍碎石土錘擊數(shù)隨深度變換表現(xiàn)為S形波動(dòng)，而在上部土體中這種規(guī)律表現(xiàn)的并不突出。

2.3 動(dòng)力觸探的成果修正

在通常情況下，動(dòng)力觸探的原始成果，作為強(qiáng)夯檢測的手段，能較為直觀的分析其加固效果，而要更為準(zhǔn)確的得到土體加固后的密實(shí)程度則要通過探桿及地下水位兩項(xiàng)修正后才能得到。

當(dāng)采用重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)時(shí)需要對(duì)探桿長度進(jìn)行修正，在碎石土中的錘擊數(shù)公式為:

其中，N63.5為修正后的重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù);α1為重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)修正系數(shù);N'63.5為實(shí)測重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)。

當(dāng)粗粒土和卵石中存在地下水時(shí)，錘擊數(shù)公式為:

由式(1)，式(2)可得:

上述公式便是碎石土中同時(shí)考慮桿長及地下水位修正的錘擊數(shù)公式。根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)資料可知側(cè)壁摩擦影響對(duì)碎石土一定深度范圍內(nèi)錘擊數(shù)影響較小可以不予考慮。

圖2 典型強(qiáng)夯N63.5—h曲線

圖3 典型強(qiáng)夯修正N63.5—h曲線

根據(jù)修正公式得到修正錘擊數(shù)隨深度變化曲線如圖3所示。對(duì)比修正前后錘擊數(shù)隨深度變化曲線，可知在整體上，碎石土錘擊數(shù)提高了0.5擊～1.5擊，但在同一深度處實(shí)測錘擊數(shù)越大，其修正值相對(duì)越小。在碎石土深度9.0 m以下，當(dāng)實(shí)測錘擊數(shù)超過10擊時(shí)修正甚微，修正值可以忽略。

3 強(qiáng)夯加固碎石土效果分析及其影響因素

3.1 強(qiáng)夯加固碎石土效果分析

為了更好的分析強(qiáng)夯加固碎石土的效果，根據(jù)現(xiàn)場具體施工情況對(duì)工程結(jié)合部進(jìn)行了動(dòng)力觸探試驗(yàn)。其中圖4為兩標(biāo)段強(qiáng)夯分界線處動(dòng)力觸探錘擊數(shù)隨深度的變化曲線，而圖5為強(qiáng)夯區(qū)外3.0 m動(dòng)力觸探錘擊數(shù)隨深度的變化曲線。與圖3相比不難發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)夯區(qū)分界線處動(dòng)力觸探錘擊數(shù)比典型強(qiáng)夯動(dòng)力觸探錘擊數(shù)偏低，尤其是表層0 m～1.0 m范圍內(nèi)的碎石土，非典型強(qiáng)夯表層土體處于松散與稍密之間，與圖5未經(jīng)強(qiáng)夯的區(qū)域類似，說明該層土體加固效果不明顯。從圖5可以看出，未經(jīng)強(qiáng)夯處理的碎石土，密實(shí)度大部分處于稍密，錘擊數(shù)約7擊，在12.0 m深度范圍內(nèi)變化不大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在0 m～2.0 m及5.0 m～8.0 m范圍內(nèi)土體密實(shí)度比3.0 m～4.0 m范圍內(nèi)提高一個(gè)等級(jí)，這說明雖然碎石土未在強(qiáng)夯加固區(qū)外，但依舊受到強(qiáng)夯作用，認(rèn)為表層土體密實(shí)度提高與土體側(cè)向擠密有關(guān)，而深部土體是由于強(qiáng)夯能量擴(kuò)散引起，但該影響范圍類似一橢球體，只有某一深度范圍內(nèi)的碎石土可以受到影響，而其上部和下部土體影響微弱。

3.2 地下水對(duì)強(qiáng)夯效果的影響

由于目前對(duì)強(qiáng)夯機(jī)理研究并不完善，強(qiáng)夯的加固效果主要通過有效加固深度來反映［4-6］，同時(shí)也是設(shè)計(jì)計(jì)算的主要參數(shù)。本工程強(qiáng)夯夯機(jī)能為8 000 kN·m，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)其加固碎石土的有效加固深度為10 m～10.5 m，但沒有考慮地下水位的影響。然而本工程作業(yè)范圍為水工護(hù)岸軸線后方5.0 m～25.0 m范圍，因此極易受潮水影響，尤其在大潮時(shí)，護(hù)岸頂部標(biāo)高約為4.5 m，而設(shè)計(jì)高潮位為3.82 m，考慮潮水滲透到護(hù)岸碎石土中存在一定的水頭損失和滯后現(xiàn)象，則護(hù)岸碎石土中最高水位接近1.0 m，而且距離護(hù)岸軸線越近，水位越高。因此當(dāng)強(qiáng)夯在高潮位進(jìn)行時(shí)，其一部分能量將分擔(dān)到較高的碎石土海水中(假定在高潮位時(shí)，3.82 m以下土體為飽和狀態(tài))，而本工程典型強(qiáng)夯重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)隨深度變化曲線也充分說明這一點(diǎn)，即在深度8.0 m以下強(qiáng)夯碎石土處理效果不明顯，從而可以認(rèn)為在具有高地下水位的碎石土中，強(qiáng)夯的有效加固深度需進(jìn)行一定程度的折減。

圖4 非典型強(qiáng)夯修正N63.5—h曲線

根據(jù)圖4表現(xiàn)出來的強(qiáng)夯加固特點(diǎn)(表層土體的加固效果差)，由相關(guān)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為是沒有進(jìn)行滿夯或是滿夯控制出現(xiàn)問題所致。但通過調(diào)查得知，雖該區(qū)域處于兩標(biāo)分界處，但施工工藝及參數(shù)完全一致，說明不存在機(jī)械和施工因素。通過測量發(fā)現(xiàn)該區(qū)域標(biāo)高較低約4.0 m，高潮位時(shí)護(hù)岸幾乎全部被海水淹沒，因此認(rèn)為此處強(qiáng)夯時(shí)接近高潮，海水吸收了較多的夯擊能量，使得土體整體上較典型強(qiáng)夯差，而表層土體強(qiáng)夯效果表現(xiàn)尤其差。經(jīng)分析認(rèn)為當(dāng)夯錘高速接近飽和碎石土?xí)r，由于碎石土處于松散狀態(tài)，壓縮性大，而水和碎石本身的壓縮性極小，這就使得高速夯錘在與土體接近瞬間，先將能量作用到水和碎石骨架上，之后碎石骨架之間的空隙被壓縮，而水只能被擠出骨架之間的空隙。這與固結(jié)現(xiàn)象類似，只是強(qiáng)夯能量極大，使得飽和碎石土在強(qiáng)夯作用時(shí)有類似于“投石如水”的現(xiàn)象產(chǎn)生，碎石土接近表面的水體會(huì)被高速夯錘激起而對(duì)碎石土起頂托作用，反而對(duì)土體擠密產(chǎn)生消極作用，且速度愈大頂托作用越大，表層強(qiáng)夯效果越差。由于碎石土滲透性極好能很快地將能量傳遞給骨架本身。

4 結(jié)語

1)通過重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)，得到了碎石土的錘擊數(shù)，并利用桿長及地下水修正公式，對(duì)錘擊數(shù)進(jìn)行了修正，利用此結(jié)果對(duì)強(qiáng)夯加固效果進(jìn)行了分析。

2)進(jìn)一步分析了地下水對(duì)強(qiáng)夯效果的影響，通過實(shí)測數(shù)據(jù)與相關(guān)規(guī)范對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)叵滤^高(本文為潮位較高)時(shí)，強(qiáng)夯的影響深度比相關(guān)規(guī)范小，說明碎石土中地下水位對(duì)強(qiáng)夯有一定的影響，尤其高水位時(shí)。

3)利用重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果，初步探討了碎石土飽和狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)夯對(duì)表層土體加固效果不明顯的原因，有待于做進(jìn)一步的理論分析。

［1］龔曉楠.地基處理手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008:6.

［2］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］工程地質(zhì)手冊編委會(huì).工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［4］王成華.強(qiáng)夯地基加固深度估算方法評(píng)述［J］.地基處理，1991，2(1):3.

［5］錢家歡.動(dòng)力固結(jié)的理論與實(shí)踐［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1986，8(6):91-92.

［6］Scott R.A.，Pearce R.W..Soil Compaction by Impact［J］.Geotechnique，1975，25(1):33-34.