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(huì)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(huì)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(duì)地基中存在的軟弱土層進(jìn)行預(yù)先處理[1-8]。
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(jí)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(jí)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(duì)工程安全運(yùn)營具有顯著的影響,處理方案對(duì)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。
(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(hào)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(duì)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)。
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(jí)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(jí)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(duì)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
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(jí)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(jí)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(jí)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(jí),粉質(zhì)土及以下土體工程特性減弱,說明粉質(zhì)黏土對(duì)強(qiáng)夯效果影響較大,由此可見軟弱夾層對(duì)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(duì)強(qiáng)夯效果影響很?。?/p>
圖5 不同能級(jí)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
強(qiáng)夯加固前后靜力不同能級(jí)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(jí)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(jí)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。
強(qiáng)夯加固前后不同能級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(dòng)應(yīng)力的繼續(xù)向下傳遞;對(duì)于場地10~11 m以下范圍內(nèi)的砂土,15 000 kN·m能級(jí)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(jí)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(duì)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(jí)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(jí)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(duì)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(duì)比15 000 kN·m和12 000 kN·m能級(jí)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(duì)于5~10 m范圍內(nèi)砂層的加固效果,15 000 kN·m能級(jí)優(yōu)于12 000 kN·m能級(jí)。
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(jí)維持荷載沉降相對(duì)穩(wěn)定法進(jìn)行加載,2個(gè)能級(jí)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)。考慮到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。
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(jí)有關(guān)。
規(guī)范建議的修正系數(shù)α和不同能級(jí)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(duì)8 000 kN·m以下的低能級(jí),對(duì)于高能級(jí)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(jí)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(jí)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(huì)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(huì)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(duì)高能級(jí)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(jí)合理選擇相應(yīng)修正系數(shù)。
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(duì)提高加固效果作用有限。
(2) 15 000、12 000 kN·m能級(jí)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(duì)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(jí)第二遍滿夯后靜力觸探結(jié)果相對(duì)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(jí)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。