黃新連

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600

隨著能源需求量的不斷增大，我國在沿海地區(qū)興建了多個(gè)大型石油煉化工程，且工程規(guī)模越來越大，部分已達(dá)巨型。但是煉廠場址多處于濱海地帶和沖積平原等軟土發(fā)育區(qū)域，下臥地層土一般具有高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度等特征，導(dǎo)致地基土具有明顯的固結(jié)過程。除在工期期間發(fā)生沉降外，油罐地基在工期后會產(chǎn)生長期的工后沉降。隨著油罐長期沉降的增加，差異沉降也相應(yīng)增加，由此導(dǎo)致油罐結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的持續(xù)改變。當(dāng)內(nèi)力超過油罐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限時(shí)，油罐便會產(chǎn)生縱、橫向裂縫，從而危及其正常使用及安全運(yùn)營。因此，必須對地基中存在的軟弱土層進(jìn)行預(yù)先處理[1-8]。

1 工程背景

本研究依托國內(nèi)某2 000萬t/a重油加工工程項(xiàng)目，該工程項(xiàng)目場區(qū)地基土依次由第四系人工填土層、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組成。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)黏性土在場地上部廣泛分布：粉細(xì)砂層中的②1層細(xì)砂層具有級配不良、松散為主、局部稍密、中等液化的特點(diǎn)；粉細(xì)砂層中的②2層粉細(xì)砂層具有級配不良、稍密～中密、飽和、土層輕微～中等液化和局部嚴(yán)重液化的特點(diǎn)；淤泥質(zhì)黏性土具有軟塑～可塑、孔隙比及有機(jī)質(zhì)含量大、低抗剪強(qiáng)度、高壓縮性、高靈敏度及強(qiáng)流變性等不良的工程特性。

粉細(xì)砂層和淤泥質(zhì)黏性土這兩類軟弱土層的處理對工程安全運(yùn)營具有顯著的影響，處理方案對投資和工程進(jìn)度也有很大影響，因此軟弱土層的加固處理尤為關(guān)鍵。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。本次進(jìn)行5個(gè)試驗(yàn)區(qū)的強(qiáng)夯現(xiàn)場試驗(yàn)，編號分別為A1、A2、B1、B2、B3，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)面積均為50 m×50 m。使用的夯錘參數(shù)：圓形、直徑2.5 m、質(zhì)量46.6 t。強(qiáng)夯布置如圖1所示，各試驗(yàn)區(qū)地層分布情況見圖2。

（2）試驗(yàn)方法。強(qiáng)夯前、后分別進(jìn)行了旁壓試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)，以測定強(qiáng)夯前后地基土工程特性變化的情況；夯后進(jìn)行了平板載荷試驗(yàn)，以測定地基承載力。對于A1～A2、B1～B3 5個(gè)試驗(yàn)區(qū)，上述4個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目在強(qiáng)夯前、強(qiáng)夯后各有3個(gè)測點(diǎn)。

3 單點(diǎn)夯試驗(yàn)結(jié)果分析

為確定不同夯能的合理擊數(shù)、收錘標(biāo)準(zhǔn)、有效影響深度和范圍、不同夯擊遍數(shù)的時(shí)間間隔，分別采用15 000、12 000 kN·m能級進(jìn)行單點(diǎn)試夯，并在夯擊過程中監(jiān)測夯坑沉降。2個(gè)能級下單點(diǎn)夯夯坑累計(jì)沉降與夯擊擊數(shù)間關(guān)系如圖3所示。

由圖3可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：第一，各夯能單點(diǎn)夯過程中均未見坑周土體明顯隆起，單擊夯沉量隨擊數(shù)增加而降低，尤其是前6擊的單擊夯沉量比較明顯，隨后夯沉效果逐漸變差，反映出強(qiáng)夯時(shí)夯沉量變化的一般規(guī)律。第二，15 000、12 000 kN·m夯能的第7擊已滿足最后2擊平均夯沉量小于20 cm的要求。第三，15 000 kN·m夯能前3擊的夯沉量略大于12 000 kN·m前3擊的夯沉量，但7擊后的累計(jì)夯沉量，二者相差不大。第四，基于上述分析，考慮到不同場地土層條件的差異，大面積施工時(shí)每遍夯擊的擊數(shù)宜控制在8～9擊，再增加擊數(shù)對于提高加固效果的作用有限。

圖1 強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)布置

圖2 各試驗(yàn)區(qū)地層分布情況

圖3 單點(diǎn)夯累計(jì)夯沉量與夯擊數(shù)關(guān)系曲線

4 群夯試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 旁壓試驗(yàn)

在A2、B3試驗(yàn)區(qū)的典型位置分別進(jìn)行了1個(gè)孔位的旁壓試驗(yàn)，此兩孔位不同深度的旁壓試驗(yàn)曲線如圖4所示。由旁壓試驗(yàn)得到了強(qiáng)夯前后旁壓模量、變形模量及地基承載力特征隨深度分布情況，如圖5所示。

圖4 不同能級強(qiáng)夯加固前、后旁壓試驗(yàn)曲線

由圖4～5可得出結(jié)論：第一，15 000 kN·m能級強(qiáng)夯后，地面以下10 m左右范圍內(nèi)砂土工程特性明顯改善，基本都達(dá)到了中密～密實(shí)狀態(tài)，變形模量分別達(dá)到27 MPa以上，地基承載力比強(qiáng)夯前明顯提高；場地11 m以下范圍內(nèi)的砂土受影響程度有限，旁壓模量未明顯變化。第二，12 000 kN·m能級強(qiáng)夯后，以粉質(zhì)黏土層（深度范圍為9～12 m，見圖2）為界限，距其1 m以上的砂土的工程特性得到了改善，但效果差于15 000 kN·m能級，粉質(zhì)土及以下土體工程特性減弱，說明粉質(zhì)黏土對強(qiáng)夯效果影響較大，由此可見軟弱夾層對強(qiáng)夯效果有隔斷效應(yīng)，其影響起點(diǎn)為軟弱夾層以上1m左右（A2試驗(yàn)區(qū)粉質(zhì)黏土埋深18～19m，對強(qiáng)夯效果影響很?。?。

圖5 不同能級強(qiáng)夯下旁壓試驗(yàn)得出的旁壓模量、變形模量及地基承載力

4.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

強(qiáng)夯加固前后靜力不同能級典型標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)曲線如圖6所示，強(qiáng)夯前后土層的修正擊數(shù)值、壓縮模量建議值及地基承載力特征值建議值如圖7所示。

圖6 典型標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)曲線

圖7 不同能級強(qiáng)夯下標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)得出的修正擊數(shù)值、壓縮模量建議值及地基承載力特征值建議值

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入檢測結(jié)果，15 000、12 000 kN·m能級強(qiáng)夯后，土層均勻性得到較好的改善，有效加固深度分別為13 m和12 m左右；有效加固深度范圍內(nèi)，砂土液化可能性已消除。

4.3 靜力觸探試驗(yàn)

強(qiáng)夯加固前后不同能級典型靜力觸探試驗(yàn)曲線如圖8所示，強(qiáng)夯前后土層的錐尖阻力平均值、壓縮模量建議值及地基承載力建議值如圖9所示。

圖8 典型靜力觸探試驗(yàn)曲線

15 000、12 000 kN·m能級強(qiáng)夯明顯改善了地面以下10、11 m左右范圍內(nèi)砂土工程特性，基本都達(dá)到了中密～密實(shí)狀態(tài)，地基承載力達(dá)到250 kPa以上，壓縮模量達(dá)到25 MPa以上，場地的均勻性也得到了明顯提高，有效消除了地面以下10、11 m范圍內(nèi)砂層液化的可能性。強(qiáng)夯效果詳細(xì)分析如下：

（1）15 000 kN·m能級強(qiáng)夯效果。第一，地面以下10～11m存在軟土層，該層土體的靜力觸探錐尖阻力在強(qiáng)夯加固后沒有提高，說明15 000 kN·m能級強(qiáng)夯無法有效加固此土層。第二，10～11 m軟土夾層的存在明顯降低了強(qiáng)夯夯能及動應(yīng)力的繼續(xù)向下傳遞；對于場地10～11 m以下范圍內(nèi)的砂土，15 000 kN·m能級強(qiáng)夯無法進(jìn)行有效加固；如果11 m以下存在可能液化的土體，15 000 kN·m能級強(qiáng)夯無法有效消除其液化勢，需根據(jù)具體情況選擇碎石樁或者其他方案進(jìn)行加固處理。第三，根據(jù)每遍夯后的檢測結(jié)果，第二遍滿夯后相對于第一遍滿夯后的靜探檢測結(jié)果未見有明顯提高，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。

圖9 不同能級下靜力觸探試驗(yàn)得出的錐尖阻力平均值、壓縮模量建議值及地基承載力建議值

（2）12 000 kN·m能級強(qiáng)夯效果。第一，強(qiáng)夯的加固效果受場地的土體類型影響較大，強(qiáng)夯對場地內(nèi)11 m以下淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾層的加固效果不明顯。第二，由于受到地面下10～11 m深度軟土夾層的影響，對比15 000 kN·m和12 000 kN·m能級加固處理后的靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果可知，兩者的有效加固深度差別不大，基本都局限在地面以下10～11 m范圍內(nèi)；但對于5～10 m范圍內(nèi)砂層的加固效果，15 000 kN·m能級優(yōu)于12 000 kN·m能級。

4.4 平板載荷試驗(yàn)

強(qiáng)夯施工結(jié)束一定時(shí)間后，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)均進(jìn)行了3個(gè)點(diǎn)的平板載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)采用分級維持荷載沉降相對穩(wěn)定法進(jìn)行加載，2個(gè)能級試驗(yàn)最大加荷量為500 kPa，地基沉降量通過百分表測量。測讀時(shí)間、終止試驗(yàn)條件以及地基極限承載力的確定均按照規(guī)范執(zhí)行。

各測點(diǎn)平板載荷試驗(yàn)曲線如圖10所示，5個(gè)試驗(yàn)區(qū)不同測點(diǎn)平板載荷試驗(yàn)最大沉降、回彈量、卸載后的殘余沉降、回彈率的統(tǒng)計(jì)值見表1。由表1可見：殘余沉降量除A2-JZ2點(diǎn)為56.1%外，其余均在71.5%以上，最大殘余沉降達(dá)99.3%，回彈率介于0.7%～43.9%，地基的彈性工作特性不明顯，且具有明顯的可壓縮性。

圖10 平板載荷試驗(yàn)曲線

表1 平板載荷試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

由圖10和表1可以看出：荷載-沉降曲線（p- s 曲線）未出現(xiàn)陡降，為典型的平板載荷試驗(yàn)曲線。15個(gè)點(diǎn)均未加載至地基土破壞。根據(jù)規(guī)范確定的地基承載力特征為250 kPa（A1 - JZ3點(diǎn)試驗(yàn)期間，地基土受雨水浸泡，沉降量較大，地基承載力特征值建議值為241 kPa）?？紤]到A1-JZ3點(diǎn)受降雨影響，5個(gè)試驗(yàn)區(qū)夯后地基土承載力特征值建議取250 kPa。

5 不同能級強(qiáng)夯有效加固深度分析

強(qiáng)夯法有效加固深度既是反映處理效果的重要參數(shù)，又是選擇地基處理方案的重要依據(jù)。目前我國JGJ 79—2012《建筑地基處理規(guī)范》建議采用Menard公式來估算強(qiáng)夯有效加固深度：

式中：H為加固深度，m；M為夯錘質(zhì)量，t；h為夯錘落距，m；α為小于1的修正系數(shù)，規(guī)范建議一般取0.34～ 0.80，與土質(zhì)條件和能級有關(guān)。

規(guī)范建議的修正系數(shù)α和不同能級的有效加固深度是根據(jù)大量現(xiàn)場實(shí)測資料歸納總結(jié)提出的，但主要是針對8 000 kN·m以下的低能級，對于高能級強(qiáng)夯的有效加固深度目前尚缺乏足夠的經(jīng)驗(yàn)資料。

從現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果可知，15 000、12 000 kN·m能級的有效加固深度約為11 m。若采用Menard公式進(jìn)行估算，相應(yīng)的修正系數(shù)α分別為0.28、0.32，見表2。

表2 不同能級強(qiáng)夯的有效加固深度及修正系數(shù)

由于本場地加固深度范圍內(nèi)存在軟土夾層，加固前部分試驗(yàn)區(qū)淺層土體密實(shí)度很高，而軟土夾層的存在會吸收部分夯擊能，從而阻止夯能的繼續(xù)向下傳遞。淺層砂層初始密實(shí)度過大會降低夯能向深層土體的有效傳遞。此現(xiàn)象表明：夯能影響深度范圍內(nèi)的下臥軟土夾層、加固前淺層原始土層的密實(shí)度以及夯能等因素對高能級強(qiáng)夯加固砂性土地基有效加固深度的影響是明顯的，在預(yù)估強(qiáng)夯有效加固深度時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際土層條件和夯能級合理選擇相應(yīng)修正系數(shù)。

6 結(jié)論

軟土地基處理是巖土及地下工程設(shè)計(jì)與施工的重要問題，結(jié)合大型石化工程地基處理實(shí)踐，通過現(xiàn)場試驗(yàn)及分析，得到以下結(jié)論：

（1）大面積施工時(shí)每遍夯擊的擊數(shù)宜控制在8～9擊，再增加擊數(shù)對提高加固效果作用有限。

（2） 15 000、12 000 kN·m能級強(qiáng)夯明顯改善了地面以下10、11 m左右范圍內(nèi)砂土工程特性，基本都達(dá)到了中密～密實(shí)狀態(tài)，地基承載力達(dá)到了250 kPa以上，壓縮模量達(dá)到25 MPa以上；場地的均勻性也得到了明顯的提高，有效消除了地面以下10、11 m范圍內(nèi)砂層液化的可能性。

（3） 軟弱夾層對強(qiáng)夯效果有明顯的隔斷效應(yīng)，其影響起點(diǎn)為軟弱夾層以上1 m左右。

（4）15 000 kN·m能級第二遍滿夯后靜力觸探結(jié)果相對第一遍差異不大，大面積施工時(shí)可考慮合并第一和第二遍滿夯。

（5）綜合各種試驗(yàn)方法所得結(jié)果，15 000、12 000 kN·m能級強(qiáng)夯有效加固深度均為11 m，因場地加固深度范圍內(nèi)存在軟土夾層，導(dǎo)致有效加固深度修正系數(shù)比規(guī)范建議值略小。