陳向陽，郭冰鑫，謝玲霞，馬永峰.中國港灣工程有限責(zé)任公司科技部，北京0007.中國石油工程建設(shè)公司環(huán)境巖土分公司，山東青島6607

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砂土地基強(qiáng)夯影響因素及振動(dòng)規(guī)律的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

陳向陽1，郭冰鑫1，謝玲霞1，馬永峰2
1.中國港灣工程有限責(zé)任公司科技部，北京100027
2.中國石油工程建設(shè)公司環(huán)境巖土分公司，山東青島266071

摘要：針對(duì)某些大型建筑工程地基軟土地質(zhì)發(fā)育，下臥地層常為高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度土層的情況，開展了砂土地基強(qiáng)夯的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析了地下水位、軟土夾層、滿夯遍數(shù)及振動(dòng)碾壓對(duì)砂土地基強(qiáng)夯加固效果的影響，探討了不同能級(jí)強(qiáng)夯振動(dòng)規(guī)律。研究結(jié)果表明：地下水位對(duì)強(qiáng)夯加固深度和效果有明顯影響，砂土地基強(qiáng)夯時(shí)，若地下水位過高，需將地下水位降至地面下2～3 m后再施工；加固深度內(nèi)若有軟土夾層，則會(huì)明顯減小強(qiáng)夯夯能向下傳遞效果，因此需提高單擊夯能來提高強(qiáng)夯加固效果；第二遍滿夯的加固效果不明顯，可與第一遍滿夯合并，或者用具有相同加固效果的振動(dòng)碾壓方式來替代；通過對(duì)不同級(jí)別強(qiáng)夯振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提出了不同能級(jí)強(qiáng)夯振動(dòng)的三向加速度峰值衰減系數(shù)和當(dāng)量系數(shù)值，并給出了不同能級(jí)強(qiáng)夯振動(dòng)的安全距離。

關(guān)鍵詞：砂土地基；強(qiáng)夯；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；影響因素

隨著能源需求的進(jìn)一步加大，我國在沿海地區(qū)興建了越來越多的大型煉廠或港口等大型建筑工程，且規(guī)模朝著大型或巨型方向發(fā)展。由于在濱海、沖積平原等區(qū)域軟土地質(zhì)發(fā)育，下臥地層常為高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度的土層，因此土層存在著明顯的固結(jié)過程，這不但使地基產(chǎn)生顯著沉降，同時(shí)也決定了地基沉降是一個(gè)長期復(fù)雜的過程。隨著軟土地基固結(jié)過程的發(fā)展，長期沉降持續(xù)增加，差異沉降相應(yīng)增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的橫向、縱向內(nèi)力分布規(guī)律連續(xù)發(fā)生改變，當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力超過強(qiáng)度極限時(shí)，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱、橫向裂縫，從而影響建筑的正常使用及安全運(yùn)營，因此，必須對(duì)大型建筑工程地基中軟弱土層進(jìn)行先行處理。強(qiáng)夯法作為地基加固的常用方法，在諸多工程應(yīng)用中取得了良好的地基處理效果和經(jīng)濟(jì)效益，因而亦常用于大型石化工程或港口工程的地基處理中。在石化工程中，一些學(xué)者對(duì)強(qiáng)夯法的應(yīng)用進(jìn)行了研究：高廣運(yùn)等［1］探討了高能級(jí)強(qiáng)夯在大型石化工程中的應(yīng)用，劉紅軍等［2］對(duì)大型儲(chǔ)罐高能級(jí)強(qiáng)夯碎石地基變形進(jìn)行了數(shù)值分析，滿俊英等［3］對(duì)預(yù)增濕高能級(jí)強(qiáng)夯處理大型儲(chǔ)罐地基進(jìn)行了試驗(yàn)研究，嵇轉(zhuǎn)平［4］對(duì)廣東某石化廠油罐非均勻回填土地基進(jìn)行高能級(jí)強(qiáng)夯試驗(yàn)，何國富等［5］闡述了石化地基松散回填土場(chǎng)地柔性墩強(qiáng)夯置換法地基處理效果，欒帥等［6］對(duì)殘積土回填地基高能級(jí)強(qiáng)夯進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，給出了不同類型地基強(qiáng)夯的有效加固深度。

本文基于砂土地基強(qiáng)夯的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，分析了地下水位、軟土夾層、滿夯遍數(shù)及振動(dòng)碾壓對(duì)砂土地基強(qiáng)夯加固效果的影響，探討了不同能級(jí)強(qiáng)夯振動(dòng)加速度變化規(guī)律，并給出了粉細(xì)砂土地基強(qiáng)夯振動(dòng)的安全距離。

1　試驗(yàn)工程地質(zhì)條件

依托工程場(chǎng)區(qū)地貌單元為榕江三角洲平原，地形較平坦開闊。場(chǎng)區(qū)地基土主要為第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)的風(fēng)-水堆積層、沼澤相沉積層、海陸相交互沉積層、第四系上更新統(tǒng)的海陸相交互沉積層、沖洪積層、殘積層以及燕山期花崗巖層。揭露巖層分別為全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層，局部為微風(fēng)化層。工程場(chǎng)地上部廣泛分布著10.0～20.0 m厚的第四系風(fēng)-水堆積粉細(xì)砂層及0.5～21.0 m厚的淤泥質(zhì)黏性土，其中②1層細(xì)砂層級(jí)配不良，以松散狀態(tài)為主，局部稍密，屬于中等液化土層；②2層粉細(xì)砂層級(jí)配不良，稍密～中密，飽和，屬于輕微～中等液化土層，局部嚴(yán)重液化；淤泥質(zhì)黏性土呈軟塑～可塑狀態(tài)，具有抗剪強(qiáng)度低、孔隙比及有機(jī)質(zhì)含量大、壓縮性高、靈敏度高及流變性強(qiáng)等不良工程特性。上述軟弱土層處理將對(duì)工程的正常與安全運(yùn)營產(chǎn)生顯著影響，處理方案的選取和優(yōu)化亦影響項(xiàng)目的投資和工程進(jìn)度，因此場(chǎng)地軟弱土層的加固處理已成為工程建設(shè)的關(guān)鍵問題。

2　強(qiáng)夯效果的影響因素分析

2.1地下水位

地下水位對(duì)強(qiáng)夯加固效果及加固深度有一定的影響，為研究砂土地基采用強(qiáng)夯加固時(shí)地下水位的影響程度，以提高強(qiáng)夯加固效果，在場(chǎng)地的典型區(qū)域進(jìn)行了降水前后的強(qiáng)夯對(duì)比試驗(yàn)。

降水前地下水位埋深約0.5 m左右，經(jīng)井點(diǎn)降水后，地下水位下降至地面以下2.5 m左右。降水前后均進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)，試驗(yàn)方案為：強(qiáng)夯分4遍進(jìn)行；第1、2遍為點(diǎn)夯，夯擊能為3000kN·m，點(diǎn)夯間距6m，呈正方形布置，夯點(diǎn)的收錘標(biāo)準(zhǔn)為最后兩擊的平均夯擊沉降量小于50 mm；點(diǎn)夯結(jié)束后，采用1 000 kN·m夯擊能滿夯2遍，每夯點(diǎn)兩擊。未降水和降水條件下強(qiáng)夯前后靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1　未降水與降水條件下強(qiáng)夯前后靜力觸探試驗(yàn)曲線

由圖1可知，地下水位對(duì)強(qiáng)夯加固深度和加固效果具有顯著影響。當(dāng)?shù)叵滤挥?.5 m降低到2.5 m左右時(shí)，強(qiáng)夯加固后的靜力觸探試驗(yàn)錐尖阻力可以提高30％～60％，有效加固深度可以增大10％～30％。強(qiáng)夯加固砂土主要依靠強(qiáng)夯夯擊產(chǎn)生的剪切波和壓縮波對(duì)砂土顆粒發(fā)生的共同作用，地下水位較淺時(shí)，地表附近砂土含水率和飽和度很高，夯能主要被淺層砂土孔隙水所吸收，這導(dǎo)致砂土顆粒吸收和傳遞的有效夯能顯著減小，從而明顯降低強(qiáng)夯動(dòng)應(yīng)力的傳遞深度。所以地下水位過高，嚴(yán)重影響強(qiáng)夯的加固效果和加固深度。

根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合國內(nèi)外類似工程經(jīng)驗(yàn)，采用強(qiáng)夯法加固砂土地基時(shí)，若現(xiàn)場(chǎng)地下水位過高，可采用井點(diǎn)降水結(jié)合明溝排水的方式來降低地下水位，將地下水位降低到地面以下2～3 m后再進(jìn)行強(qiáng)夯施工，且夯能越大，要求地下水位降深越大。

2.2軟土夾層

場(chǎng)地內(nèi)部分區(qū)域存在不同厚度的軟土夾層，軟土夾層的存在會(huì)對(duì)強(qiáng)夯夯能傳遞產(chǎn)生一定程度的影響。從所做的15 000 kN·m和12 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)區(qū)場(chǎng)地10～11 m深度附近存在的軟土夾層對(duì)強(qiáng)夯夯能傳遞產(chǎn)生顯著影響。由于該軟土夾層對(duì)夯能的吸收作用，導(dǎo)致15 000 kN·m和12 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯對(duì)軟土夾層下面砂土幾乎不再產(chǎn)生加固作用。

為進(jìn)一步探討淺層軟土夾層對(duì)夯能傳遞的影響，對(duì)相同夯能作用下不同軟土夾層情況的強(qiáng)夯效果進(jìn)行了對(duì)比。圖2為有無軟土夾層存在時(shí)3 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯后的靜力觸探試驗(yàn)對(duì)比曲線，從圖中可以看出，當(dāng)在深度2 m左右存在一薄層軟土夾層時(shí)，軟土夾層對(duì)強(qiáng)夯夯能的傳遞具有明顯的減弱作用，可以明顯降低軟土夾層下面砂土的加固效果。深度2 m左右的這一軟土夾層的存在，可以減小加固后軟土夾層下面砂土的靜力觸探錐尖阻力15％左右，減小有效影響深度10％左右。

圖2　不同軟土夾層情況下強(qiáng)夯加固后靜力觸探試驗(yàn)曲線

從本次試驗(yàn)結(jié)果可知，在場(chǎng)地設(shè)計(jì)加固深度內(nèi)若存在軟土夾層，將會(huì)明顯減小強(qiáng)夯夯能向下傳遞效果。因此，在進(jìn)行強(qiáng)夯設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮該軟土夾層的影響，需根據(jù)軟土夾層的埋深和厚度適當(dāng)增加強(qiáng)夯的單擊夯擊能量。

2.3不同能級(jí)滿夯兩遍的對(duì)比分析

本工程分別采用了15 000 kN·m和12 000 kN·m能級(jí)進(jìn)行了強(qiáng)夯試驗(yàn)，其中15 000 kN·m的試驗(yàn)小區(qū)在點(diǎn)夯后分別進(jìn)行了3 000 kN·m和1 000 kN·m的滿夯；在12 000 kN·m的試驗(yàn)小區(qū)則在每遍點(diǎn)夯后分別進(jìn)行了2 000 kN·m和1 000 kN·m的滿夯。為對(duì)比分析點(diǎn)夯后相鄰兩遍不同夯能滿夯的加固效果，每遍滿夯后均在相應(yīng)試驗(yàn)區(qū)的典型位置進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3　滿夯后靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果

由靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果可知，第一遍滿夯采用的是3 000 kN·m或2 000 kN·m夯能，再進(jìn)行第二遍1 000 kN·m滿夯后，其靜力觸探檢測(cè)結(jié)果相比第一遍未見有明顯變化，因此，在進(jìn)行完第一遍3000kN·m 或2 000 kN·m夯能滿夯后再進(jìn)行第二遍滿夯作用不大。大面積施工時(shí)可考慮合并第一和第二遍滿夯。

2.4振動(dòng)碾壓加固效果分析

曾有學(xué)者在洋山港等地（洋山港的吹填粉細(xì)砂和本工程的粉細(xì)砂顆粒組成相近）進(jìn)行過振動(dòng)碾壓加固前后的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)采用自身重力不小于180 kN、激振力不小于350 kN的振動(dòng)壓路機(jī)，碾壓時(shí)采用先穩(wěn)壓一遍，再振動(dòng)碾壓6遍的方法（振動(dòng)碾壓機(jī)一個(gè)來回為一遍）。碾壓前后的典型靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果見圖4。當(dāng)?shù)叵滤宦裆畈恍∮? m時(shí)，對(duì)于粉細(xì)砂土，振動(dòng)碾壓的最大加固深度可達(dá)到地面以下2m。由于第一遍滿夯后再進(jìn)行最后一遍1 000 kN·m能級(jí)滿夯的目的是加固淺層1～2 m的粉細(xì)砂層，而振動(dòng)碾壓的最大加固深度也可達(dá)地面以下2 m，因此可考慮采用振動(dòng)碾壓來代替最后一遍的1 000 kN·m能級(jí)的滿夯。

圖4　洋山港振動(dòng)碾壓前后靜力觸探試驗(yàn)曲線（強(qiáng)夯加固后）

3　不同能級(jí)強(qiáng)夯振動(dòng)規(guī)律

3.1強(qiáng)夯振動(dòng)測(cè)試方案

為確定不同能級(jí)夯擊振動(dòng)的水平影響范圍，以確保周圍建（構(gòu)）筑物的安全，在進(jìn)行單點(diǎn)夯時(shí)選擇典型剖面進(jìn)行振動(dòng)加速度測(cè)試。加速度監(jiān)測(cè)方法是在地表距離夯點(diǎn)不同位置處（3、5、10、20、30 m）分別放置一個(gè)三向加速度傳感器，測(cè)試強(qiáng)夯過程中引起地表加速度的變化情況。每一測(cè)點(diǎn)的加速度分為徑向（測(cè)點(diǎn)與夯擊點(diǎn)連線方向相同）、切向（測(cè)點(diǎn)與夯擊點(diǎn)連線的垂直方向且平行于水平面）和豎向。為防止夯擊時(shí)加速度計(jì)被彈起，將加速度傳感器埋入砂層內(nèi)0.5 m深度處。

3.2強(qiáng)夯振動(dòng)加速度變化規(guī)律

15 000、12 000、8 000、3 000、1 000 kN·m 的5個(gè)能級(jí)強(qiáng)夯典型加速度時(shí)程曲線見圖5。

圖5　不同能級(jí)下三向振動(dòng)加速度峰值衰減曲線

從圖5中距夯點(diǎn)中心不同位置處的振動(dòng)加速度測(cè)試值可知：

（1）在各能級(jí)強(qiáng)夯作用下，豎向、徑向和切向的加速度峰值均與距夯點(diǎn)中心的距離有關(guān)，各級(jí)夯能下的加速度峰值均隨距夯點(diǎn)的距離增大而近似呈負(fù)冪函數(shù)的形式急劇減小，徑向加速度衰減速度最快，豎向較徑向略小，切向加速度衰減速度最慢。由各級(jí)夯能作用引起的不同位置處的地面振動(dòng)加速度峰值可以用下式表示：

式中：a為距夯點(diǎn)R處的地面加速度峰值，m/s2；g為重力加速度，m/s2；R為測(cè)點(diǎn)距離夯點(diǎn)的距離，m；W是夯錘質(zhì)量，t；H為夯錘落高，m；Es為加固前土的壓縮模量，MPa；β為加速度峰值衰減系數(shù)；k為當(dāng)量系數(shù)。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，利用式（1）擬合后的不同能級(jí)三向加速度峰值衰減系數(shù)β和當(dāng)量系數(shù)k見表1。

表1　不同能級(jí)三向加速度峰值衰減系數(shù)和當(dāng)量系數(shù)值

（2）各向加速度峰值隨單擊夯能的增加而增加，但增加幅度逐漸減小，當(dāng)夯能大于12 000 kN·m時(shí)，各向加速度峰值受單擊夯能增加的影響很小。夯能越大，各向加速度峰值衰減得越快。

（3）同一點(diǎn)三個(gè)方向上的加速度峰值，徑向較豎向略大，切向明顯小于豎向和徑向。

3.3強(qiáng)夯振動(dòng)安全距離分析

目前國內(nèi)外在對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)的安全距離進(jìn)行分析時(shí)，大多根據(jù)建（構(gòu)）筑物破壞標(biāo)準(zhǔn)和人體對(duì)振動(dòng)的允許標(biāo)準(zhǔn)確定強(qiáng)夯施工振動(dòng)的安全距離，一般將強(qiáng)夯振動(dòng)影響劃分為3個(gè)區(qū)域：破壞區(qū)（振動(dòng)加速度＞0.5 g，速度＞5 cm/s）、損壞區(qū)（振動(dòng)加速度0.1 ～0.5 g，速度1～5 cm/s）及相對(duì)安全區(qū)（振動(dòng)加速度＜0.1 g，速度＜1 cm/s）?？紤]到強(qiáng)夯振動(dòng)的徑向加速度最大，且一般建（構(gòu)）筑物對(duì)水平加速度更敏感，因此本次確定不同能級(jí)強(qiáng)夯振動(dòng)安全影響范圍以水平徑向加速度為控制指標(biāo)。根據(jù)實(shí)測(cè)不同能級(jí)強(qiáng)夯振動(dòng)加速度結(jié)果，利用式（1）可初步得到粉細(xì)砂土地基上各能級(jí)強(qiáng)夯施工時(shí)振動(dòng)的相對(duì)安全距離，見表2。

表2　不同能級(jí)強(qiáng)夯振動(dòng)的安全影響距離

4　結(jié)論

（1）地下水位對(duì)強(qiáng)夯加固深度和效果有明顯的影響，降低地下水位可提高強(qiáng)夯加固深度和效果。砂土地基強(qiáng)夯時(shí)，若地下水位過高，需將地下水位降至地面下2～3 m后再施工。

（2）加固深度內(nèi)的軟土夾層會(huì)明顯減小強(qiáng)夯夯能向下傳遞效果，在進(jìn)行強(qiáng)夯設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮該軟土夾層的影響，根據(jù)軟土夾層的埋深和厚度適當(dāng)增加強(qiáng)夯的單擊夯擊能量。

（3）第一遍滿夯后，再進(jìn)行第二遍滿夯，其加固效果已不明顯，故可和第一遍滿夯合并處理，或者用具有相同加固效果的振動(dòng)碾壓方式來替代。

（4）通過對(duì)不同能級(jí)的單擊夯能振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了強(qiáng)夯振動(dòng)規(guī)律，提出了不同能級(jí)的三向加速度峰值衰減系數(shù)和當(dāng)量系數(shù)值，并給出了不同能級(jí)強(qiáng)夯振動(dòng)的安全距離，可為強(qiáng)夯施工安全與設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

參考文獻(xiàn)

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Field Test on Influencing Factors and Vibration Law of Dynamic Compaction for Sand Foundation

CHEN Xiangyang1，GUO Bingxin1，XIE Lingxia1，MAYongfeng2
1. Research & Technology Department，China Harbour Engineering Company Ltd.，Beijing 100027，China
2. Geotechnical Engineering Department，China Petroleum East China Design Institute，Qingdao 266071，China

Abstract：Aimed at the condition of soft foundation and underlying stratum with high water content，high compressibility and low strength in some large scale construction projects，the field test of sand foundation dynamic compaction was conducted. Based on the test results，the influences of underground water depth，soft soil interlayer，number of full- compaction and vibro- rolling on foundation reinforcement effect have been analyzed. Vibration law of different energy- level dynamic compaction has been investigated. Some conclusions have been drawn. Firstly，underground water depth has an obvious influence on reinforcement depth and effect. For dynamic compaction in sand foundation，if the underground water level is high，the water level should be reduced to 2～3 m under the ground surface. Secondly，when soft soil interlayer exists in reinforcement depth，the transmitting effect of compaction energy will be weakened and single compaction energy should be increased to improve reinforcement effect. Thirdly，reinforcement effect of the second time full- compaction is not very obvious. Therefore，the second time full- compaction can be combined with the first time full- compaction or substituded by vibro- rolling which has the same reinforcement effect as the second time full- compaction. Based on vibro test of different energy- level dynamic compaction，attenuation coefficients and equivalent coefficients of peak accelerations in three directions are proposed. And vibration safety distance of different energy- level dynamic compaction in fine sand foundation is also proposed.

Keywords：sand foundation；dynamic compaction；field test；influence factor

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.017

作者簡介：

陳向陽（1982-），男，湖北咸寧人，工程師，2009年畢業(yè)于河海大學(xué)水利水電工程專業(yè)，碩士，主要從事港口、路橋工程設(shè)計(jì)與管理方面的工作。Email：chenxy0317@gmail.com

收稿日期：2015- 12- 15