池 海，劉燕才

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

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碎石土回填地基強夯加固現場試驗研究與應用

池 海，劉燕才

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

摘要：地基加固處理中應用強夯法，具有工期短、施工工藝簡單、工程造價低的優(yōu)點。本文結合“中國石油大連石化長興島煉化項目地基處理工程”系統(tǒng)介紹了強夯加固碎石土回填地基的試夯與試驗方案，通過孔隙水壓力觀測、靜力載荷試驗、動力觸探試驗、瑞利波測試以及加固前后土體指標的對比，對各強夯能級強夯加固效果進行了定性和定量的評價，確定了合理的施工控制參數，可為類似碎石土回填地基加固設計提供借鑒。

關鍵詞：碎石土；強夯法；夯擊能；經驗系數

引 言

強夯法亦稱為動力固結法，自1969年問世以來經歷了30年的發(fā)展，引入我國也有20年的歷史，其間經歷了成功、失敗諸多事例，到目前為止可以認為它是一種技術上比較成熟、經濟而實用的地基加固處理方法。由于強夯法處理地基基礎具有效果顯著、設備簡單、施工方便、適用范圍廣、經濟易行和節(jié)省材料等優(yōu)點，因此越來越廣泛地被應用于工民建、公路路基、鐵路路基、機場跑道、碼頭等地基處理工程。實踐中強夯法要求的控制參數很多，如：錘重、落距、夯擊遍數、夯點間距等，必須根據具體的工程地質條件合理的選擇設計參數。因此，一般正式施工前需要選定典型施工區(qū)進行試夯，通過試夯取得相關設計參數，確定最終合理的設計控制要求。本文以長興島某工程廠區(qū)地基處理工程為例，通過現場綜合試驗研究，確定合理的施工控制參數，對加固效果做出客觀的評價。

1 工程概況

示例場區(qū)占地面積約為5.5 km2，位于濱海區(qū)域，場地由海灘及淺海經人工回填形成，地形大部分相對較為平坦，局部起伏較大。依據勘察資料，場地地層指標如表1。

表1 各土層指標

2 使用要求及地基處理方法

1）地基處理設計要求

工后地基承載力≥250 kPa，壓縮模量≥25 MPa。

2）地基處理方法

本工程上部主要為新近回填碎石土，主要以劈山塊石、碎石為主，巖性為石英砂巖、板巖、片巖、輝綠巖，骨架粒徑含量占60 %～80 %以上，余為粘性土、礫石等?；靥钔辆鶆蛐圆?，欠固結，未經處理，不宜做天然地基,擬采用強夯法對回填碎石土進行地基處理。

3 試夯參數

目前強夯法尚無成熟的設計計算方法，主要設計參數如有效加固深度、夯擊能、夯擊次數、夯擊遍數、間隔時間、夯擊點布置和處理范圍等都是根據規(guī)范或工程經驗初步選定，其中有些參數還應通過試夯進行驗證，并經必要的修改調整，最厚確定適合現場土質條件的設計參數。

夯擊能確定：

根據《港口工程地基規(guī)范》(JTS147-1-2010)，強夯法有效加固土層可按下式驗算：

式中：α為經驗系數，取0.4～0.7；M為夯錘的重量，kN；h為夯錘落距，m。

表2 強夯有效加固深度計算

本工程碎石土填土厚度平均為13.0 m，場地碎石土厚度分布差別較大，從技術經濟性最優(yōu)化考慮，本次試夯場地擬設置不同夯擊能的6塊場地，試夯參數如表3。

表3 試夯參數

4 試夯施工工序

設備進場→設備安裝→試夯區(qū)確定→測量場地標高→夯點測定→設備就位→落距調整→第一遍點夯→推平夯坑、場地平整→第二遍點夯→推平夯坑、場地平整→測量場地標高→第三遍點夯→推平夯坑、場地平整→測量場地高程→滿夯→第三方檢測→試夯結束參數確定。第三方檢測內容主要包括孔隙水壓力消散觀測、靜力載荷試驗、動力觸探試驗、瑞利波檢測。其中點夯第三遍降低夯擊能，滿夯第一遍2 000 kN·m；第二遍1 000 kN·m。實測結果見表4。

表4 點夯實測主要成果

5 孔隙水壓力消散觀測

一般強夯施工兩遍夯擊之間應有一定的時間間隔，以利于土中超靜孔水壓力的消散。所以夯擊間隔時間取決于超靜孔水壓力的消散時間，土中超靜孔水壓力的消散塑料與土的類別、夯點間距等因素有關。

表5 孔隙水壓力消散統(tǒng)計值

根據以上統(tǒng)計資料可知，12 000 kN·m、15 000 kN·m夯擊能加固深度較深，加固深度達到素填土以下的粉砂層和淤泥質粉質粘土層，孔壓的增長與消散存在滯后性，間隔時間較長，另外也顯示夯點間距越大，孔壓消散越快。3 000 kN·m、6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m夯擊能主要加固深度范圍內碎石土，土體滲透性好，孔壓相應快，顯示為孔壓消散均較快。

綜合以上可知，如果采用12 000 kN·m、15 000 kN·m夯擊能建議間隔時間為6天；如果采用3 000 kN·m、6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m夯擊能建議間隔時間為3天。

6 靜力載荷試驗

6.1 試驗設備及試驗方法

試驗裝置由加載穩(wěn)壓系統(tǒng)、反力裝置與變形觀測3部分組成。加載穩(wěn)壓裝置包括剛性承壓板、壓力傳感器、千斤頂與應變儀等，反力為堆載重物，變形觀測系統(tǒng)包括固定支架及百分表。

依據設計要求，處理后的場地承載力特征值不小于250 kPa，按規(guī)范要求，實際加載不應低于承載力特征值(250 kPa)的2倍，即按500 kPa進行加載。圓形承載板直徑1 600 mm，實際加荷為500 kPa×2 m2＝1 000 kN。為保證試驗安全，反力荷載至少應為試驗荷載的1.2倍，即為1 200 kN。

6.2 試驗終止條件

1）承壓板周圍的土明顯的側向擠出；

2）沉降s急劇增大，荷載－沉降曲線出現陡降段；

3）在某一荷載下，24 h沉降速率不能達到穩(wěn)定標準；

4）s/b≥0.06。

6.3 測試結果及其分析

根據現場觀測資料6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m、12 000 kN·m、15 000 kN·m夯擊能區(qū)在500 kPa與3000 kN·m夯擊能區(qū)在400 kPa的試驗荷載內既沒有出現屈服極限也無比例界限，說明強夯場地淺層承載力特征值不小于250 kPa與200 kPa。

場地淺層變形模量E0可取p~s曲線的初始直線段，按下式計算：

式中：I0為剛性承載板的性狀系數，圓形取0.785，方形取0.866；μ為泊松比，碎石土取0.27；d承載板直徑或邊長，m。

經計算與理論分析，6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m、12 000 kN·m、15 000 kN·m試夯壓縮模量不小于25 MPa，3 000 kN·m試夯區(qū)壓縮模量不小于20 MPa，強夯對于提高素填土的壓縮模量效果顯著。

7 動力觸探試驗

對素填土層采用N120超重型動力觸探測試，對粉砂層采用N63.5重型動力觸探測試，對淤泥質粉質粘土層采用標準貫入試驗。

7.1 動力觸探結果統(tǒng)計表

不同土層不同能級各點位處的貫入度曲線見圖1~圖3。

圖1 素填土層貫入度曲線

圖2 粉砂層貫入度曲線

圖3 淤泥質粉質粘土層貫入度曲線

7.2 加固前后指標對比

分析可以得出，15 000 kN·m、12 000 kN·m、10 000 kN·m試夯區(qū)的強夯影響深度較深，素填土層得到有效加固，粉砂層和淤泥質粉質粘土層表層承載力均得到有效提高；8 000 kN·m、6 000 kN·m試夯區(qū)素填土層得到有效加固，粉砂層表層承載力均得到有效提高；3 000 kN·m試夯區(qū)的強夯影響深度較淺，素填土層分布深度內不能全部得到有效加固。

表6 各試夯區(qū)加固前后指標

8 瑞利波檢測

強夯加固前后在試驗場地分別進行了瑞利波檢測，監(jiān)測結果如表7所示。

表7分別給出夯前與夯后實測特征深度處瑞利波波速，夯后瑞利波波速顯著提高，說明強夯加固效果較好。在特征深度內，6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m、12 000 kN·m、15 000 kN·m夯擊區(qū)夯后實測瑞利波速平均值不小于260 m/s，依據《建筑地基基礎技術規(guī)范》（DBJ 03-07-2006），表明強夯場地承載力特征值不小于250 kPa。3 000 kN·m試夯區(qū)，夯后實測瑞利波速平均值不小于240 m/s，表明強夯地基承載力特征值不小于200 kPa。說明強夯加固效果明顯。

表7 強夯加固前后在試驗場地瑞利波檢測結果

9 強夯有效加固深度

結合以上強夯過程和強夯前后的試驗結果，各夯擊能條件下場地的有效加固深度如表10。表中“有效加固深度”指夯后實測瑞利波速平均值不小于260 m/s或240 m/s的深度范圍。影響深度內，土體基本都得到有效加固，滿足設計要求。

表10 各夯擊能條件下場地的有效加固深度

將試驗所得的夯擊能和強夯有效深度帶入經驗公式，求得經驗系數如表11。

表11 經驗系數

根據以上分析結果，本工程區(qū)域有效加固深度經驗系數修正為0.35,另外采用較大的夯擊能情況下，有效加固深度以下3 m范圍內土體可以得到較大改善。

10 結 語

從以上試夯區(qū)加固前后的指標對比，可以得出以下結論：

1）強夯有效加固深度經驗系數需要根據實際工程地質條件強夯確定，本工程區(qū)域建議為0.35。

2）12 000 kN·m、15 000 kN·m夯擊能加固深度較深，加固深度達到素填土以下的粉砂層和淤泥質粉質粘土層，孔壓的增長與消散存在滯后性，間隔時間較長，另外也顯示夯點間距越大，孔壓消散越快。3 000 kN·m、6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m夯擊能主要加固深度范圍內碎石土，土體滲透性好，孔壓相應快，顯示為孔壓消散均較快。本工程如果采用12 000 kN·m、15 000 kN·m夯擊能建議間隔時間為6天；如果采用3 000 kN·m、6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m夯擊能建議間隔時間為3天。

3）能級越高，加固有效深度越深，對本場地目前回填厚度而言，8 000 kN·m和10 000 kN·m宜作為主要夯擊能，當回填厚度較大時，宜采用12 000 kN·m 和15 000 kN·m的高能級強夯。

4）強夯法對上部回填碎石土層加固效果良好，采用較大的夯擊能對下部粉砂層和淤泥質粉質粘土層的土體指標也起到一定的改善作用，但是由于下部軟土層分布厚度較大，如果本工程對基礎的沉降控制有嚴格的要求，還應考慮采用復合地基等方案對基礎進行處理，以減少使用期沉降變形帶來的不利影響，保證結構安全。

強夯法雖然已在工程中得到廣泛應用，有關強夯的機理的研究，國內外已做了不少工作，但至今未取得滿意的結果。究其原因主要是各類地基土的性質差別很大，很難建立適用于各類土的強夯加固理論，設計中有必要按照不同土類分別研究強夯機理及其設計計算方法，本文推薦碎石土回填地基設計實踐滿足一定的可靠度要求,可供工設計人員在類似工程設計中參考。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國交通運輸部. JTS 147-1-2010港口工程地基規(guī)范[S].

[2] 中國工程建設標準協(xié)會. 強夯地基處理技術規(guī)程[S].2010.

[3] 中國建筑工業(yè)出版社. 地基處理手冊[M]. 2008, 6.

Field Experimental Research and Application of Dynamic Compaction Reinforcement of Foundation Backfilled with Crushed Stone Soil

Chi Hai, Liu Yancai
(CCCC First Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300222, China)

Abstract:Dynamic compaction applied in foundation reinforcement has the advantages of short duration, simple construction process and low project cost. Based on "Foundation treatment of CNPC Dalian petrochemical Changxing Island refinery project", an introduction has been given systematically to the trial tamping and testing option for the dynamic compaction reinforcement of the foundation backfilled with crushed stone soil. By using pore water pressure observation, static load test, dynamic sounding test, Rayleigh wave detection and the contrast of soil indices before and after reinforcement, the qualitative and quantitative evaluation have been carried out for the reinforcement effects of different dynamic compaction levels, and reasonable construction control parameters have been determined, which serve as a reference for the design of reinforcing foundation backfilled with crushed stone soil.

Key words:crushed stone soil; dynamic compaction method; tamping energy; empirical coefficient

作者簡介：池海（1984-），女，工程師，主要從事港口與航道工程水工結構設計工作。

收稿日期：2015-08-21

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160119

中圖分類號：TU472.3+1

文獻標識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）01-0080-05