于 健，劉 江，郭玉彬，付建寶

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222；2.大連空港建設(shè)發(fā)展有限公司，遼寧 大連 116033）

超高能級強夯法現(xiàn)場試驗分析

于 健1，劉 江2，郭玉彬1，付建寶1

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222；2.大連空港建設(shè)發(fā)展有限公司，遼寧 大連 116033）

強夯法是一種工藝簡單、經(jīng)濟可靠的地基處理方式。文中涉及的場地由高回填的開山碎石料形成，地處濱海地區(qū)，為消除地基沉降，計劃采用強夯法對回填碎石料進行密實處理。由于本場地的回填料較厚，開展了國內(nèi)罕見的夯擊能為18 000 kJ、25 000 kJ、30 000 kJ的超高能級強夯試驗，為了驗證施工工藝的可行性及地基處理效果，在強夯施工過程進行了地基沉降、位移、孔隙水壓力的動態(tài)觀測以及加固后的原位試驗檢測。監(jiān)測、檢測結(jié)果表明：超高能級的強夯處理效果明顯，地基壓縮變形明顯，地基密實度提高，有效地消除地基沉降，同時建議30 000 kJ夯擊能試驗區(qū)的夯點間距進一步擴大。

超高能級強夯；沉降；位移；孔隙水壓力；動力觸探試驗；靜載荷試驗

0 引言

強夯法最早于1969年由法國的梅那公司發(fā)明，我國最早于1978年首次由中交天津港灣工程研究院及其協(xié)作單位在天津新港三號路進行了強夯試驗現(xiàn)場研究。在初步掌握這種方法的基礎(chǔ)上，于1979年又在秦皇島碼頭堆煤場細(xì)砂地基上進行了現(xiàn)場試驗并正式應(yīng)用，其加固效果顯著[1]，此后強夯法在全國各地迅速推廣。30多a來，強夯法廣泛應(yīng)用于工民建、倉庫、油罐、公路、鐵路、機場跑道及碼頭的地基處理中，主要適用于加固砂土、碎石土、低飽和度粉土、黏性土、濕陷土、雜填土和素填土等地基。

1 強夯法地基加固機理

強夯法地基處理是在極短的時間內(nèi)對地基土體施加一個巨大的沖擊能量，這種突然釋放的巨大能量將以縱波、橫波、瑞利波等形式傳到地下，在這些波的綜合作用下，土體顆粒重新排列相互靠攏，排出孔隙中的氣體或液體，使土體擠密壓實，強度提高。

根據(jù)地基土的不同性質(zhì)，地基強夯法加固地基的機理可分為動力密實和動力固結(jié)。對非飽和砂土，特別是孔隙多的粗粒土，強夯的巨大夯擊能量所產(chǎn)生的沖擊波和動應(yīng)力在土中傳播，使顆粒破碎或使顆粒產(chǎn)生瞬間的相對運動，迫使顆粒重新排布，從而使土體孔隙體積減少，使地基土形成較密實的結(jié)構(gòu)；對于飽和的粉土、粉砂或黏性土，夯擊時巨大的沖擊能量在土中產(chǎn)生強大動應(yīng)力，動應(yīng)力使土體中的孔隙水壓力瞬間升高，隨后孔隙水壓力慢慢消散，土體固結(jié)，強度增長。

2 某強夯處理試驗區(qū)工程概況

某填海造地工程離岸約4 km，陸域形成回填料采用周邊山體的開山石料，以石灰?guī)r為主，采用爆破的方式開采，回填時基本以碎石、塊石為主，含泥量較少，回填料粒徑不均，級配較差、孔隙大。

陸域形成后，建設(shè)單位開展了多個地基處理試驗區(qū)來處理回填的開山碎石層，其中采用了夯擊能分別為18 000 kJ、25 000 kJ、30 000 kJ的超高能級強夯法來處理填料厚度約23 m的地基，并進行了一些有針對性的監(jiān)測、檢測工作，為后續(xù)地基處理的設(shè)計施工提供參數(shù)或工程經(jīng)驗[2-4]。

3 強夯試驗方案

1）夯擊能18 000 kJ強夯試驗區(qū)

點夯3遍，第1、2遍點夯夯擊能為18 000 kJ，間距10 m，正方形布置，每點夯擊20擊，最后2擊平均夯沉量臆200 mm，第3遍點夯夯擊能為8 000 kJ，夯點間距為9 m，排距4.5 m，等腰三角形布置，每點夯擊16擊，最后2擊平均夯沉量臆200 mm。

2）夯擊能25 000 kJ強夯試驗區(qū)

點夯3遍，第1、2遍點夯夯擊能為25 000 kJ，間距12 m，正方形布置，每點夯擊22擊，最后2擊平均夯沉量臆300 mm，第3遍點夯夯擊能為10 000 kJ，夯點間距為12 m，排距6 m，等腰三角形布置，每點夯擊20擊，最后2擊平均夯沉量臆200 mm。

3）夯擊能30 000 kJ強夯試驗區(qū)

點夯3遍，第1、2遍點夯夯擊能為30 000 kJ，間距12 m，正方形布置，每點夯擊25擊，最后2擊平均夯沉量臆300 mm，第3遍點夯夯擊能為18 000 kJ，夯點間距為12 m，排距6 m，等腰三角形布置，每點夯擊20擊，最后2擊平均夯沉量臆200 mm。

各試驗區(qū)每遍點夯之后均進行場地整平，并補填至交工標(biāo)高，然后進行一遍普夯，夯擊能量為1 500 kJ，每點2耀3擊；最后采用激振力200耀400 kN的振動壓路機振動碾壓5耀8遍，直至無輪跡為止。

在試夯過程中，進行了沉降、深層水平位移、地下水位、孔隙水壓力等監(jiān)測工作，在強夯完成后進行了超重型動力觸探試驗、平板載荷試驗等檢測工作。監(jiān)測項目平面布置見圖1。

圖1 監(jiān)測點平面布置圖（m）Fig.1Plan layout of monitoring-point（m）

4 施工過程中監(jiān)測情況

4.1 土體深層水平位移監(jiān)測情況及分析

為分析點夯施工時，夯擊能對夯點周邊土體的影響，在某一夯點一側(cè)布置了4個測斜管來監(jiān)測深層土體的水平位移情況，測斜管離試驗夯點的距離分別為6 m、8 m、10 m、12 m。該點點夯后深層水平位移隨深度的變化趨勢見圖2。圖中均以指向中心夯點的方向為正方向。

圖2 夯點周邊土體深層水平位移變化圖Fig.2 Deep soil horizontal shift variation diagram of tamping point perimeter

觀測結(jié)果表明，距夯點中心不同距離處，以及不同深度處的土體均發(fā)生了水平位移，其中：

1）在水平方向上，離夯點越近，土體的深層水平位移越大，3種夯擊能在距夯點最近的6 m位置處引起的土體最大水平位移分別為132.5 mm、240 mm、250 mm；距夯點最遠的12 m位置處引起土體最大水平位移分別為19.8 mm、21 mm、43.8 mm。

2）在垂直方向上，地表以下約2~3 m深度范圍內(nèi)土體發(fā)生向夯點方向的位移，深度2~3 m以下的土體則發(fā)生遠離夯點方向的水平位移，且隨著夯擊能的增加，最大水平位移發(fā)生的深度分別為6.0 m、6.5 m、7.5 m，高能級對于深層土體加固更為有利。

4.2 場區(qū)沉降及土體深層沉降監(jiān)測情況及分析

施工過程中在夯前及3遍點夯后均進行了場地標(biāo)高測量，各試驗區(qū)加固邊線內(nèi)場地平均沉降量見表1。

為了掌握點夯施工過程中不同深度處土體的沉降情況，在試驗時還進行了深層土體的沉降監(jiān)測。夯擊能18 000 kJ試驗區(qū)的深層沉降板埋設(shè)深度分別為12 m、16 m、20 m，埋設(shè)位置位于相鄰兩個夯點之間，即離夯點4.5 m。夯擊能25 000 kJ試驗區(qū)的深層沉降板埋設(shè)深度分別為11 m、14 m、17 m、20 m，埋設(shè)位置也位于相鄰兩個夯點之間，即離夯點6.0 m。

在第1遍點夯過程中，點夯引起土體的側(cè)向位移較大，對測量精度有一定的影響，且在第2遍點夯儀器均已被破壞，因此只得到第1點夯完成后的觀測數(shù)據(jù)。夯擊能18 000 kJ試驗區(qū)深度分別為12 m、16 m、20 m的深層沉降板第1遍點夯后的沉降量分別為167 mm、64 mm、12 mm，夯擊能25 000 kJ試驗區(qū)深度分別為11 m、14 m、17 m、21 m的深層沉降板第1遍點夯后的沉降量分別為353 mm、142 mm、72 mm、6 mm。

對于30 000 kJ試驗區(qū)，在2個夯點之間（距某個夯點6 m位置）埋設(shè)了1組分層沉降儀，對該夯點夯擊后對深層土體產(chǎn)生的沉降進行觀測，觀測結(jié)果見圖3。

表1 各試驗區(qū)沉降量統(tǒng)計Table1 Settlement statistics of each test area

圖3 分層沉降觀測結(jié)果Fig.3 Observations of lamination settlement

可見：18 000 kJ試驗區(qū)的主要沉降量發(fā)生在深度12 m以上范圍內(nèi)，25 000 kJ試驗區(qū)的主要沉降量發(fā)生在深度14 m以上范圍內(nèi)；結(jié)合表1中第1遍點夯后場區(qū)平均沉降量分別為0.78 m、0.94 m，18 000 kJ試驗區(qū)在12 m深度以上范圍內(nèi)的土體壓縮量為51 mm/m，25 000 kJ試驗區(qū)在17 m深度以上范圍內(nèi)的土體壓縮量為51 mm/m。

4.3 土體孔隙水壓力及地下水位監(jiān)測

為了了解強夯能量在土體中引起的應(yīng)力分布情況，在某個夯點周邊埋設(shè)了多組孔隙水壓力計來觀測土體中孔隙水壓力的變化，試圖借以分析強夯時土體有效應(yīng)力的變化情況。在砂土地基，強夯時產(chǎn)生超靜孔壓往往在數(shù)秒到1~2 min內(nèi)形成峰值，又在2~3 min內(nèi)迅速消散[5]，本場地地基為碎石料，空隙較大，因此采用自動采集裝置進行觀測，觀測周期為1耀5 s，觀測多個時段發(fā)現(xiàn)孔隙水壓力基本不變，只有個別測點的壓力值會有突變，但會瞬間消失?？讐河^測的同時還進行了地下水位的觀測，并結(jié)合當(dāng)天相應(yīng)工程區(qū)域內(nèi)的潮汐變化情況，對試驗區(qū)強夯施工時地下水位變化情況與潮汐的關(guān)系進行了對比，結(jié)果見圖4。

圖4 6月7日地下水位與潮汐關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between groundwater level and tide in June 7th

由圖中曲線可以看出，試驗區(qū)域地下水位與潮汐變化基本同步，而水位觀測位置離海邊超過300 m，表明試驗區(qū)的回填料的透水條件極好，因此對于該類型的地基土強夯不會引起孔隙水壓力的變化或者引起的超靜孔壓在形成的一瞬間便消散，現(xiàn)有儀器設(shè)備基本觀測不到，同時也說明對于該類型的碎石回填料的強夯加固，其加固機理是動力密實作用，不存在動力固結(jié)作用。

5 加固效果檢測

為了進一步評價強夯加固效果在強夯加固前后分別進行了超重型動力觸探試驗，在強夯后還進行了平板載荷試驗。

5.1 超重型動力觸探試驗

各試驗區(qū)在強夯加固前、后分別進行了超重型動力觸探試驗檢測，為了便于強夯加固前后的對比分析，未考慮桿長、上覆壓力等對動探擊數(shù)的影響，按標(biāo)高對加固前、后每1 m范圍內(nèi)的實測動力觸探錘擊數(shù)進行統(tǒng)計平均，繪制試驗對比曲線見圖5。

圖5 加固前后動力觸探錘擊數(shù)對比曲線Fig.5 Contrast curves of dynamic penetration hammer before and after reinforcement

從加固前、后的試驗對比曲線可以看出，3個試驗區(qū)在地表均有2耀3 m后的相對松散層，分別在標(biāo)高約為-9 m、-11 m、-12 m深度范圍內(nèi)（標(biāo)高約-11.0 m以上），超重型動力觸探錘擊數(shù)與加固前相比增長較為明顯。

5.2 靜載荷試驗

設(shè)計要求場地地基承載力不得小于150 kPa，經(jīng)靜載荷試驗驗證場地的地基承載力完全能夠滿足設(shè)計要求，通過超重型動力觸探試驗結(jié)果也可以看出該場地的地基承載力應(yīng)遠大于150 kPa。根據(jù)規(guī)范[6]松散狀態(tài)的碎石土承載力在200耀400 kPa之間，可見本項目采用回填料而形成的場地地基承載力較高，場地內(nèi)回填料的強夯處理設(shè)計應(yīng)以消除沉降為目的。

6 結(jié)語

1）30 000 kJ夯擊能的點夯在距夯點12 m位置仍能使土體發(fā)生43.8 mm的水平位移，而距夯點8 m位置產(chǎn)生的水平位移與25 000 kJ夯擊能下離夯點6 m位置引起的側(cè)向水平位移接近，因此30 000 kJ的夯點間距應(yīng)可以放大16 m左右，減小夯點之間的相互擠壓作用，有利于對深層土體的加固。

2）在垂直方向上，地表以下約2~3 m深度范圍內(nèi)土體發(fā)生向夯點方向的位移，深度2~3 m以下的土體則發(fā)生遠離夯點方向的水平位移，且隨著夯擊能的增加，最大水平位移發(fā)生的深度分別為6.0 m、6.5 m、7.5 m，高能級對于深層加固更有利。

3）該項目位于濱海地區(qū)，場地內(nèi)地下水位與潮汐變化基本同步，表明回填料的透水條件極好，從加固機理上講，強夯是通過自由落下的夯錘在地基中引起機械外力使碎石顆粒能夠發(fā)生相對錯動而密實，不同于黏性土、粉土、粉砂地基，外力首先引起孔隙水壓力變化，超靜孔隙水壓力消散后土顆粒發(fā)生錯動或進一步的相互擠壓接觸而使土體有效應(yīng)力增大，因此該地基加固不存在土體固結(jié)的作用。

4）通過加固后的超重型動力觸探試驗和靜載荷試驗結(jié)果來看，該場地的地基承載力較高，能夠滿足陸域形成的設(shè)計要求，接下來的強夯處理設(shè)計應(yīng)根據(jù)場地上部結(jié)構(gòu)的使用要求以消除沉降為主要目的；超重型動力觸探結(jié)果表明夯擊能18 000 kJ、25 000 kJ、30 000 kJ的強夯處理分別在約13 m、15 m、16 m深度范圍內(nèi)有著非常明顯的加固效果。

[1] 葉國良，徐賓賓.強夯加固理論及研究綜述[J].中國港灣建設(shè)，2015（4）：1-5.YE Guo-liang,XU Bin-bin.Reinforcement mechanism of dynamic compaction and its literature review[J].China Harbour Engineering,2015(4):1-5.

[2]郭玉彬.大連臨空產(chǎn)業(yè)園填海造地工程清淤換填區(qū)強夯地基處理試驗區(qū)1-1區(qū)、2-1區(qū)監(jiān)測（檢測）報告[R].天津：天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，2016.GUO Yu-bin.Monitoring test report of dynamic consolidation foun原dation treatment zone in desilting replacement area of Dalian Air原port Industrial Park reclamation project for district 1-1and 2-1[R].Tianjin:Tianjin Harbour Engineering Quality Inspection Center Co.,Ltd.,2016.

[3]于健.大連臨空產(chǎn)業(yè)園填海造地工程清淤換填區(qū)強夯地基處理試驗區(qū)1-2區(qū)、2-2區(qū)監(jiān)測（檢測）報告[R].天津：天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，2016.YU Jian.Monitoring test report of dynamic consolidation founda原tion treatment zone in desilting replacement area of Dalian Airport Industrial Park reclamation project for district 1-2and 2-2[R].Tianjin:Tianjin Harbour Engineering Quality Inspection Center Co.,Ltd.,2016.

[4]于健.大連臨空產(chǎn)業(yè)園填海造地工程清淤換填區(qū)強夯地基處理試驗區(qū)1-2a區(qū)監(jiān)測（檢測）報告[R].天津：天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，2016.YU Jian.Monitoring test report of dynamic consolidation founda原tion treatment zone in desilting replacement area of Dalian Airport Industrial Park reclamation project for district 1-2a[R].Tianjin:Tianjin Harbour Engineering Quality Inspection Center Co.,Ltd.,2016.

[5]高志義，高潮.某沉箱碼頭后方強夯試驗研究[J].中國港灣建設(shè)，2010（5）：34-38.GAO Zhi-yi,GAO Chao.Research on dynamic compaction test at the back of a caisson dock[J].China Harbour Engineering,2010(5):34-38.

[6]TB 10012—2007，鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].TB 10012—2007,Code for geology investigation of railway engi原neering[S].

Field test analysis on super high energy dynamic compaction

YU Jian1,LIU Jiang2,GUO Yu-bin1,FU Jian-bao1
（1.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering of the Ministry of Communications,Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering of Tianjin,Tianjin 300222,China;2.Dalian Airport Construction Development Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116033,China）

Dynamic consolidation is a simple,economical and reliable foundation treatment method.In this paper,the site is formed by high backfill crushed stones,which is located in the coastal area,the dynamic compaction method is adopted to treat the newly backfilled rockfill to eliminate the settlement of the foundation.Because the backfill is thick on this site,we carried out a rare test of ultra high energy dynamic compaction in China,the tamping energy is 18 000 kJ,25 000 kJ and 30 000 kJ,and carried out dynamic observation of foundation settlement,displacement,pore water pressure and in-situ test after reinforcement in the course of dynamic consolidation in order to verify the feasibility of construction technology and the effect of foundation treatment.Monitoring and testing results show that the effect of super high strength dynamic compaction is obvious,the foundation compression deformation is obvious,the foundation density is improved,and the settlement of the foundation is effectively eliminated,and it is suggested that the spacing of tamping points in 30 000 kJ tamping test zone will be further extended.

super high energy dynamic compaction;settlement;displacement;pore water pressure;dynamic penetration test;static load test

U655.4；TU472.31

A

2095-7874（2017）12-0042-05

10.7640/zggwjs201712010

2017-05-19

2017-07-02

于健 （1984— ），男，山東乳山人，工程師，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計、試驗檢測以及軟土地基處理方面的試驗研究工作。E-mail：yujian@tpei.com.cn