李文濤（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院勘測總隊　新疆　昌吉　831100）

強夯法在濕陷性黃土地基中的試驗探討

李文濤
（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院勘測總隊新疆昌吉831100）

本文針對西沙河水庫濕陷性黃土在大壩壩基處理前，對地基黃土的物理、力學性質(zhì)等各項試驗參數(shù)的統(tǒng)計，比照強夯后黃土地基濕陷變形特性的各項參數(shù)做出評價，通過試驗表明強夯處理基本消除了黃土地基的濕陷性，同時提高了地基承載力，也為黃土渠道地基工程的研究提供些許借鑒與參考。

黃土；強夯法；干密度；空隙比；濕陷性；載荷試驗

1　概述

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，水利工程建設(shè)項目越來越多，進行地基處理時不可避免會遇到濕陷性黃土地基沉降變形問題。對此，如何及時采取合理有效的處理方法以消除濕陷性黃土對工程建設(shè)以及今后運行過程中所造成的不利影響非常重要，同時工程的順利完工和安全運行也對本地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展有著非常重大的意義。

西沙河水庫濕陷性黃土地段長約2.0km，該工程計劃采用強夯法處理此段黃土濕陷性地基。該方法是將大噸位夯錘從高處自由落下，在極短的時間內(nèi)對土體產(chǎn)生巨大的沖擊能量，使土體受到外力的作用，土體結(jié)構(gòu)受到破壞，土顆粒沿垂直受力方向和水平受力方向滑動，大量孔隙水迅速排出，土體四周產(chǎn)生裂隙呈隆起狀，土體結(jié)構(gòu)的變化，地基結(jié)構(gòu)變?yōu)榉€(wěn)定形式，使土體被壓密，提高土抗壓強度及抗剪強度。本次選擇其中一段黃土濕陷性地層為強夯試驗段，在壩基基礎(chǔ)底部，選擇兩段10m×10m間距為10m的試驗區(qū)，Ⅰ區(qū)為強夯前的試驗區(qū)，Ⅱ區(qū)為強夯后的試驗區(qū)，對兩段試驗區(qū)黃土的物理力學性質(zhì)作出評價，為工程濕陷性黃土地基段的現(xiàn)場施工處理提供必要的決策依據(jù)。

2　強夯法設(shè)計要求與現(xiàn)場試驗參數(shù)

強夯試驗區(qū)為10m×10m正方型布置，主夯點中心距為5.0m，采用6000kN·m能級強夯加固處理，滿夯采用3000kN·m能級，設(shè)備采用YTHQ450，夯錘重量為36.0t，履帶式起重機，并配有卷揚機和龍門支架，夯錘錘底直徑2.5m。強夯落距為15m～30m，分兩遍進行夯擊，采用打梅花樁方式向外擴展延伸，夯擊數(shù)及夯擊遍數(shù)根據(jù)單點最后兩擊夯沉量小于5mm的原則，單點夯擊遍數(shù)控制在8擊～12擊之間，夯擊時先進行6000kN·m能級強夯，點夯擊后地面平均下沉量為40cm～50cm，然后用裝載機整平夯后余土高度，再進行3000kN·m能級滿夯，滿夯夯擊便數(shù)控制在2擊至5擊，滿夯后地面平均下沉量為15cm～20cm，夯點間距可取夯錘直徑的2.5倍～4.0倍，夯后余土高度控制在5cm～10cm以內(nèi)為佳。

3　強夯前黃土的物理力學性質(zhì)

3.1黃土物理性質(zhì)

試驗前在Ⅰ區(qū)的3個各深7m的探坑深度內(nèi)，每隔1m取一組原狀樣進行物理力學性試驗（共取22組），對22組原狀樣進行顆粒分析及液塑限試驗（詳見表1）。通過試驗數(shù)據(jù)分析黃土在天然狀態(tài)下土的結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，黃土肉眼看具有大孔隙豎直節(jié)理發(fā)育，富含硫酸鹽、碳酸鹽及氯化物鹽類等可溶性鹽類，是一種具有較強結(jié)構(gòu)性的非飽和土。當覆蓋土層受水侵蝕時，在自重壓力和附加應力的作用下土的結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著的附加下沉，其強度也迅速降低。

3.2黃土的力學性質(zhì)

在Ⅰ區(qū)共取22組天然原狀樣進行相關(guān)力學性試驗，詳情見表2。從試驗結(jié)果分析來看：Ⅰ區(qū)黃土隨著取樣深度的變化，在不同壓力下濕陷系數(shù)也在增大，均呈現(xiàn)出由弱到強不同程度的弱濕陷性、中等濕陷性和強濕陷性，直至7.0m以下不具有明顯濕陷性。天然狀態(tài)下壓縮系數(shù)介于低壓縮性土至中壓縮性土之間，以中壓縮性土為主，飽和狀態(tài)下壓縮系數(shù)介于中壓縮性土至高壓縮性土之間，黃土在天然狀態(tài)下土孔隙內(nèi)水和氣體排除量較少使土體積不易壓縮，由于膠結(jié)物的凝聚和結(jié)晶作用被牢固的粘結(jié)著，因此在天然狀態(tài)下黃土結(jié)構(gòu)強度相對穩(wěn)定。當黃土遇水侵蝕時結(jié)合水膜增厚并楔入顆粒之間，于是結(jié)合水連續(xù)減弱，鹽類溶于水中，各種膠結(jié)物軟化，使黃土的骨架強度降低。所以一般分析認為黃土濕陷發(fā)生的機理，其內(nèi)因為大空隙、垂直節(jié)理發(fā)育，而外因則是水的侵蝕滲入和外荷載的作用所造成得黃土地基失穩(wěn)。

表1Ⅰ區(qū)細粒土物理性試驗結(jié)果

試樣組數(shù)試驗深度液限　塑限　塑性指數(shù)不均勻系數(shù)d10　Cu　Cc%　　—　　含量（%）　mm—　—/范圍值21.6～28.4＜＜0.002 ωL　　ωP　IP＞0.50.5～0.25 0.075～0.005 0.25～0.075粒徑組成（mm）　　有效粒徑0.005曲率系數(shù)土代號N m 221.0～7.0 12.6～18.9 7.7～9.5 0.0～12.3 0.1～3.8 15.0～46.8 43.4～76.8 0.8～12.5 0.1～9.5 0.0025 ～0.060 1.3～27.6 0.2～22.5 ML～MLS

4　強夯后黃土的物理力學性質(zhì)

強夯后在Ⅱ區(qū)的4個各深7m的探坑深度范圍內(nèi)，每隔1m取一組原狀樣進行物理力學性試驗（共取79組），從試驗結(jié)果分析可以看出：黃土基礎(chǔ)夯前平均值干密度為1.49 g/cm3、夯后提高到1.64g/cm3，夯前平均值空隙比0.814、夯后減小到0.641，土體的密實程度由松散至稍密，增加到中密至密實狀態(tài)。濕陷系數(shù)平均值為0.033，由夯前中等濕陷性黃土，夯后為0.0087變?yōu)榉菨裣菪渣S土。自重濕陷系數(shù)平均值由夯前 0.0167減小到夯后0.0064，變?yōu)榉菨裣菪渣S土。黃土天然狀態(tài)下壓縮系數(shù)范圍值為 0.07MPa-1～0.240MPa-1，由低壓縮性至中壓縮性黃土，夯后壓縮系數(shù)范圍值為0.045MPa-1～0.105 MPa-1，變?yōu)榈蛪嚎s性黃土，詳見表3。通過試驗數(shù)據(jù)分析可以看出強夯試驗對黃土濕陷特性有非常明顯的影響，其土體密度有了很大的提高，強夯破壞了土體的結(jié)構(gòu)，使土體疏松的結(jié)構(gòu)與垂直節(jié)理排列方式發(fā)生改變，變?yōu)槊軐嵔Y(jié)構(gòu)，阻斷了孔隙水的下滲通道，阻止了黃土濕陷性的發(fā)生。由于強夯后產(chǎn)生強大的沖擊波，夯擊點向四周擴散使土體產(chǎn)生垂直與水平振動，產(chǎn)生的沖擊波使土體中的空氣和水從土體空隙迅速消散，使土體結(jié)構(gòu)破壞土顆粒重新滑移排列，土體被壓縮，空隙減小。另外土體的含水量也是決定強夯密實程度的重要指標。一般認為土體的含水量在1%～3%時土體不易被壓縮，孔隙水無多余的水量排出，強夯前土體應進行預浸水試驗，含水率最好接近最優(yōu)含水率，夯后使孔隙水壓力承擔強夯后土體的結(jié)構(gòu)強度，達到最佳密實程度。

表2　?、駞^(qū)原狀土樣物理力學性試驗結(jié)果

表3　?、騾^(qū)原狀土樣物理力學性試驗成果表

圖1　載荷試驗荷載～沉降量關(guān)系曲線圖

5　強夯后黃土的載荷試驗

地基強夯完成后，在強夯區(qū)進行了兩組載荷試驗，采用尺寸為72cm×72cm的方形承壓板，表面積大于0.5m2，安裝高壓液壓泵，加壓裝置為分離式50T千斤頂和4個百分表進行測試，采用分級加載、待測表讀數(shù)穩(wěn)定后再施加下一級壓力，直至試驗結(jié)束。最大壓力均為500kPa，載荷試驗荷載～沉降量關(guān)系曲線圖1。

從圖1中可看出：強夯完成后，黃土地基承載力在340kPa～400kPa之間，經(jīng)室內(nèi)22組試驗驗證7.0m以內(nèi)300kPa壓力下，經(jīng)強夯后處理的土層濕陷性基本消除，只有少部分黃土在相應壓力下有輕微濕陷性，這部分占試驗組數(shù)的5%～10%左右，下一步希望通過調(diào)節(jié)各夯點的距離、夯擊次數(shù)、夯擊落高，已達到土層的最佳密實狀態(tài)。綜上所述強夯法加固深層濕陷性黃土，地基承載力可提高15%～30%左右，可為地基的穩(wěn)定性提供安全措施。

6　結(jié)語

此次采用強夯法處理后的黃土地基在7.0m深度范圍內(nèi)濕陷性基本消除，強夯后黃土地基的壓實密度合格率可達到88.0%以上，建議施工期間可在現(xiàn)場建立小型土工試驗室，便于在夯擊結(jié)束后能現(xiàn)場取樣進行相關(guān)試驗，并及時提供準確試驗數(shù)據(jù)，隨時調(diào)節(jié)施工參數(shù)，為消除黃土的濕陷性提供有利保證。

本次強夯法試驗積累了豐富的試驗參數(shù)，為濕陷性黃土地基處理提供了參考數(shù)據(jù)，也為類似黃土地區(qū)基礎(chǔ)施工提供了技術(shù)及參數(shù)支持。但是本次黃土強夯試驗也存在不足之處，由于試驗周期緊張，黃土夯擊前浸水效果不甚理想，未能達到或接近最優(yōu)含水狀態(tài)。夯擊能量過大，也不利于土體孔隙水壓力的迅速消散及孔隙水的排出。點夯后天數(shù)間隔時間太短，或影響土體的夯實密度。為了滿足設(shè)計施工的各項技術(shù)要求，施工時可根據(jù)現(xiàn)場條件隨時調(diào)整夯擊能量、落距、夯擊點布置及間距、夯擊擊數(shù)、夯擊編數(shù)、間隔時間、浸水時間以接近最優(yōu)含水率為最佳?？傊畯姾环ㄊ┕ぴO(shè)備簡單，施工方便、節(jié)省工期、適用廣泛，對濕陷性黃土地基處理效果顯著。陜西水利

［1］土工試驗規(guī)程（SL237-1999）［S］.1999.

［2］濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范（GB50025-2004）［S］.2004.

［3］席永慧.土力學與基礎(chǔ)工程［M］.上海：同濟大學出版社.2006.

（責任編輯：暢妮）

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