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        水氣分離集成井降水強(qiáng)夯法試驗(yàn)研究

        2015-03-18 05:21:48陳慧剛
        關(guān)鍵詞:管井井點(diǎn)夯法

        劉 偉,陳慧剛,李 平,3,陸 海

        (1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京210098;2.平湖市建筑工程管理處,浙江 平湖314200;3.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心,江蘇南京210098;4.江蘇誠豐建設(shè)有限公司,江蘇江陰214400)

        降水強(qiáng)夯由于其工藝簡單、造價(jià)低、施工速度快等特點(diǎn)已經(jīng)成為我國軟土地基處理的一種常用方法。但是它也存在著不足,如井點(diǎn)降水深度較淺,從而會影響到強(qiáng)夯的加固效果;而管井降水強(qiáng)夯法降水深度雖然較深,可是其耗時(shí)較長;再者針對于真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯法在水位下降的過程中,會有空氣從水位之上的濾孔進(jìn)入,使真空度下降,從而影響其降水效率。針對以上問題,國內(nèi)外學(xué)者對降水強(qiáng)夯法進(jìn)行了改進(jìn),周健[1-3]較早的提出了低能量強(qiáng)夯與井點(diǎn)降水的結(jié)合,利用真空井點(diǎn)降水技術(shù),提高了軟粘土的固結(jié)速率,但是其降水深度又限制了強(qiáng)夯的作用,從而制約了其加固深度;劉嘉[4]、徐敏生[5]、林佑高[6]對井點(diǎn)降水強(qiáng)夯法都進(jìn)行了改進(jìn)和應(yīng)用,但是受限于傳統(tǒng)井點(diǎn)降水深度的影響,僅適用于淺層基礎(chǔ)的加固;劉寶臣[7]、張群[8]采用強(qiáng)夯法與管井降水的結(jié)合,利用管井降水技術(shù)加大了降水深度,有效的阻止了“橡皮土”現(xiàn)象,但是管井降水時(shí)間長限制了其在工程上的應(yīng)用;蘭韡[9]、馮建斌[10]分別采用超強(qiáng)真空井點(diǎn)降水和高真空井點(diǎn)降水使降水深度取得了不錯(cuò)的進(jìn)步,可是隨著空氣的滲入,會影響其真空效果,對降水速度依舊沒有很大的提升。在此基礎(chǔ)上,本文開發(fā)了一種水氣分離集成井降水與強(qiáng)夯相結(jié)合的工藝,結(jié)合揚(yáng)中灝港通用碼頭軟土地基處理工程,對試驗(yàn)區(qū)分別采用常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯工藝和水氣分離集成井降水強(qiáng)夯工藝進(jìn)行處理,通過對地基加固效果現(xiàn)場監(jiān)測、檢驗(yàn)的對比分析,從而為今后類似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

        1 工程概況

        試驗(yàn)場地位于江蘇省揚(yáng)中經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)三躍鎮(zhèn)石城村。擬建碼頭上游距泰州大橋約4.3 km,下游與鎮(zhèn)江興隆港碼頭相鄰。試驗(yàn)區(qū)原為灘地、農(nóng)田等,采用吹填砂填筑,其土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

        2 試驗(yàn)方案

        試驗(yàn)區(qū)總面積約4.5×104m2,分為水氣分離集成管井降水強(qiáng)夯區(qū)(1號區(qū),面積約 2.3×104m2)和常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯區(qū)(2號區(qū),面積約2.2×104m2)兩個(gè)部分,設(shè)計(jì)夯擊能為 2 500 kN·m。強(qiáng)夯要求擊穿②粉質(zhì)粘土層,使吹填土層與粉細(xì)砂層貫通,達(dá)到加固目的。

        2.1 真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯

        常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯即運(yùn)用真空井點(diǎn)降低地下水位,并聯(lián)合強(qiáng)夯工藝對地基進(jìn)行加固。在試驗(yàn)區(qū)布置網(wǎng)絡(luò)為4 m×4 m的真空輕型井點(diǎn)進(jìn)行降水。在水位下降至地表以下3 m時(shí),拔除夯點(diǎn)間井點(diǎn)管,進(jìn)行第一遍強(qiáng)夯,夯點(diǎn)間距為5 m×5 m,呈正方形布置,夯擊能為2 500 kN·m,每點(diǎn)4~5擊。夯后推平,連接未拔井點(diǎn)管,繼續(xù)進(jìn)行降水。當(dāng)孔壓消散至90%以上時(shí),進(jìn)行第二遍強(qiáng)夯,夯點(diǎn)呈梅花形布置與第一遍相交叉,夯擊能不變。第二遍夯后再次連接未拔井點(diǎn)管,繼續(xù)進(jìn)行降水,在孔壓再次消散到90%以上時(shí),進(jìn)行滿夯。滿夯夯印搭接1/4,夯擊能為1 000 kN·m,每點(diǎn)2擊,夯后推平。

        2.2 水氣分離集成井降水強(qiáng)夯

        水氣分離集成井降水技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備如圖1所示,設(shè)備管蓋連接有排水管、抽真空吸氣管和壓力檢測管,其中抽真空吸氣接管直接連接真空泵,在真空泵作用下,集成井內(nèi)部會形成負(fù)壓,使周圍土體中的水和氣通過滲透孔進(jìn)入管井,由管井內(nèi)部連接抽水管的潛水泵將其排出,形成主動(dòng)降水,從而達(dá)到降低水位的目的。檢測管中安置真空表和水氣分離平衡閥。該設(shè)備的優(yōu)勢所在是由真空泵直接連接管井,減少了真空度的損耗,由水氣分離平衡閥控制管井內(nèi)部的真空度也避免了能源的浪費(fèi)。

        改進(jìn)降水強(qiáng)夯法的水氣分離集成井布置設(shè)外圍管井和內(nèi)層管井,管井直徑為250 mm,管井入土深度為10 m,內(nèi)置0.75 kW潛水泵。外圍管井井距10 m,布置在需加固區(qū)域周邊;內(nèi)層管井設(shè)置在中部,井距15 m,梅花形布置。

        在設(shè)置管井過程中,充分考慮需加固區(qū)域地下水及土質(zhì)分層條件,管井濾水器設(shè)置在滲透系數(shù)較小的②粉質(zhì)粘土上。強(qiáng)夯方案與常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯區(qū)域相同,在進(jìn)行最后一遍滿夯時(shí),需用振搗器對管井回填土進(jìn)行搗實(shí),并要求在滿夯時(shí)遇到管井點(diǎn)采取1 000 kN·m的夯擊能,每點(diǎn)補(bǔ)打5~6擊。

        表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical indicators of soil

        3 現(xiàn)場監(jiān)測

        3.1 監(jiān)測方案項(xiàng)目

        為比較兩種處理方法的加固效果異同,在施工過程中預(yù)埋一定數(shù)量的監(jiān)測儀器分析各加固區(qū)的表面沉降、孔隙水壓力、地下水位等變化規(guī)律。每個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)孔壓計(jì)共埋設(shè)3組,采用1孔1計(jì)的方法埋設(shè),布置沉降板10塊,水位觀測管2個(gè)。

        3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

        3.2.1 超孔隙水壓力變化

        圖2和圖3為試驗(yàn)區(qū)超孔隙水壓力的變化曲線,可以看出在強(qiáng)夯期間超孔隙水壓力上升明顯,同時(shí)由兩圖的孔隙水壓力消散、增長過程對比可以發(fā)現(xiàn),采用水氣分離集成井降水技術(shù)夯后超孔隙水壓力的消散僅為1~2天,明顯少于常規(guī)降水技術(shù)。從全程的加固效果比較,除強(qiáng)夯期間,改進(jìn)降水強(qiáng)夯技術(shù)的超孔隙水壓力一直處于較低水平,表面加固效果明顯,孔隙水壓力消散速度較快。由10 m處的超孔隙水壓力比較可以看出,改進(jìn)降水強(qiáng)夯技術(shù)的超空隙水壓力大部分處于負(fù)壓狀態(tài),表明加固深度要比常規(guī)方法要深。

        3.2.2 地下水位變化

        圖4為地下水位監(jiān)測結(jié)果,其中水位點(diǎn)1位于常規(guī)降水強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū),水位點(diǎn)2位于水氣分離集成井降水強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)。由現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果可以看出,在降水初期兩種工藝水位下降速度都較快,水位點(diǎn)1的水位整體穩(wěn)定在地下深度3 m左右,而水位點(diǎn)2的水位穩(wěn)定在5~6 m左右,最深達(dá)到了6.012 m,這表明水氣分離集成井降水深度要明顯大于常規(guī)井點(diǎn)降水。在土體經(jīng)受強(qiáng)夯加固后水位都有明顯的上升,由對比可見在隨后的二遍、三遍降水中,水氣分離集成井降水工藝在1~2天就可以降到5 m以下,明顯要快于常規(guī)井點(diǎn)降水。此外,地下水位變化曲線中還存在多處波動(dòng),這主要是由于在監(jiān)測期間降水較為頻繁和地處江邊地下水位變化較大的原因。

        3.2.3 表面沉降變化

        圖5為表面沉降的監(jiān)測結(jié)果,不難發(fā)現(xiàn)在兩種工藝的加固作用下,降水期間沉降都較為穩(wěn)定但是速率緩慢,在強(qiáng)夯期間都會有大幅度的沉降。但是,水氣分離集成井降水強(qiáng)夯工藝試驗(yàn)區(qū)的沉降深度明顯大于常規(guī)井點(diǎn)降水強(qiáng)夯,水氣分離集成井降水強(qiáng)夯的最大沉降量為0.606 m。

        4 現(xiàn)場檢測

        4.1 靜力觸探試驗(yàn)

        表2 為靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果,可以看出經(jīng)過常規(guī)降水強(qiáng)夯(J8和J12孔)加固后表層吹填土比貫入阻力提高明顯,最小值為5.05 MPa,第二層粉質(zhì)粘土層的比貫入阻力尚可,最小值為2.14 MPa。同時(shí)經(jīng)過水氣分離集成井降水強(qiáng)夯法(J9和J10孔)處理后表層吹填土比貫入阻力相對增大更多,最小值達(dá)到5.56 MPa,第二層粉質(zhì)粘土層的比貫入阻力最小值也達(dá)到2.40 MPa。

        4.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

        各試驗(yàn)區(qū)測點(diǎn)的N63.5標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果見表3。分析可知,常規(guī)降水強(qiáng)夯法加固后表層吹填土標(biāo)貫擊數(shù)由原來的最低2~3擊(詳見表1)提高到最低12擊,第二層粉質(zhì)粘土層的標(biāo)貫擊數(shù)由原來的最低2擊提高到最低6擊。同時(shí)水氣分離集成井強(qiáng)夯法加固后表層吹填土標(biāo)貫擊數(shù)同常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯,但第二層粉質(zhì)粘土層的標(biāo)貫擊數(shù)則提高幅度較大,由原來的最低2擊提高到了最低8擊。相比較可見,改進(jìn)的水氣分離集成井降水強(qiáng)夯法地基強(qiáng)度提高幅度更大,加固效果較為明顯。

        4.3 平板靜載荷試驗(yàn)

        平板靜荷載試驗(yàn)在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)設(shè)置3個(gè)測點(diǎn),其中1#、2#、3#點(diǎn)處于常規(guī)井點(diǎn)降水強(qiáng)夯加固區(qū),4#、5#、6#點(diǎn)處于水氣分離集成井降水強(qiáng)夯區(qū)。采用相對沉降法計(jì)算地基承載力特征值,即在ps曲線中取s/b=0.01時(shí)所對應(yīng)的荷載為地基承載力特征值,由圖6可以看出,1#、2#、3#對應(yīng)的地基承載力特征值分別為153、163和159 kPa,而4#、5#、6#對應(yīng)的地基承載力特征值則分別為175、165和178 kPa。比較可見,水氣分離集成井降水強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)加固后地基承載力要明顯的高于常規(guī)井點(diǎn)降水強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)。

        表2 靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The result of static penetration test

        表3 N63.5標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The result of N63.5standard penetration test

        5 結(jié)論

        1)通過對試驗(yàn)區(qū)地下水位的觀測,與常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯工藝相比,水氣分離集成井降水強(qiáng)夯法降水深度可達(dá)地表以下5~6m,突破了深層加固因降水深度限制的瓶頸,在夯擊過程中使夯擊能對土體的加固深度、效果明顯提高。

        2)從表面沉降監(jiān)測結(jié)果看,常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯工藝的加固效果雖然能達(dá)到設(shè)計(jì)所需的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),但是工后沉降還是比水氣分離集成井降水強(qiáng)夯工藝要大。

        3)與常規(guī)真空井點(diǎn)降水強(qiáng)夯工藝相比,采用水氣分離集成井降水技術(shù)夯后孔隙水壓力的消散僅為1~2天,時(shí)間明顯少于前者,而且由于工藝簡單、投入設(shè)備及人力較少,可以大大加快軟弱地基加固處理速度。

        4)現(xiàn)場檢測試驗(yàn)結(jié)果對比表明,采用水氣分離集成井降水強(qiáng)夯工藝對軟土地基進(jìn)行加固,在加固深度、土體強(qiáng)度和地基承載力方面均有較大幅度的提升,其中第二層粉質(zhì)粘土標(biāo)貫擊數(shù)由原來的最低2擊提高到了最低8擊,平板載荷試驗(yàn)地基承載力特征值最小值達(dá)到165 kPa,地基加固效果明顯。

        [1]周健,史旦達(dá),賈敏才,等.低能量強(qiáng)夯法加固粉質(zhì)黏土地基試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2007,28(11):2359-2364.

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