拋石擠淤強夯法在軟基處理中的應用與分析

陳子龍

(中鐵十一局集團第三工程有限公司，湖北十堰 442012)

1 工程概況

該工程地處山嶺微丘區,其中E1K0+215～E1K0+601.7段路基穿越水稻田,該區四周山丘,呈低洼積水區,水位常年較高(處于地表下30 cm處),地表為淤泥土,厚度3.0～5.96 m,淤泥土下為黏土層。該段路基最高填方達16 m,填方寬度達70 m,整個處理面積約2萬m2。

地基各土層物理力學性質指標見表1。

表1 地基各土層物理力學性質指標

2 設計方案的比較與選擇

依據本工程的特點和地質條件,可行的地基處理方案有如下4種：清淤換填、樁基礎、振密碎石樁、填石擠淤強夯法(強夯置換法)。

對于清淤換填方案,由于地下水位較高,清淤深度較深,全部清淤換填施工難度大,場地限制,約10萬m3淤泥棄砟場難找,不利于環保,且該方法施工慢,工期會滯后；樁基方案,由于表層有厚3～6 m的極軟淤泥的存在,無論是先打樁后填方還是先填方后打樁,都難以實施；振密碎石樁,成熟施工工藝,技術上可行,但造價比強夯置換高1倍；通過綜合比較,最后確定采用拋石擠淤強夯置換方案。

3 強夯片石置換法方案設計

3.1 置換材料

因地制宜,選擇合適的優質散體材料,并符合下列條件。

(1)因復合地基要達到較高的地基承載力、減少沉降和良好的排水條件,首先考慮選用高抗剪性能的塊石、碎石,其次考慮選用礫石和粗砂。

(2)選擇合理的顆粒級配,形成最緊密的排列,以提高地基的承載力,減少地基沉降。充填材料最大粒徑不宜大于1/5的錘底直徑,最大顆粒含量不宜超過全重的30%。

(3)控制含泥量,含泥量要小于10%,因為含泥量的增加或碎石風化成黏粒將大大影響墩柱體的排水效果,減緩地基固結。

3.2 夯點的布置

采用等邊三角形布置,墩間距即夯點間距,應視土體性質和上部結構形式而定,最主要是根據試夯資料確定,一般取2～3倍的夯錘底面直徑。本工程采用3.5 m×3.5 m等邊三角形布點。

3.3 夯擊參數

采用強夯片石墩時,錘底面直徑控制在2.0 m以內。因為在夯擊能和地質條件一定的條件下,夯擊深度與單位底面積的夯擊能密切相關,錘底面積越小,對地基的楔入效果和貫入力就越大,夯擊后獲得的置換深度就越深。因此,強夯塊石墩與普遍強夯相比,宜采用錘底面積較小的夯錘。本工程采用直徑為1.5 m的夯錘,此夯錘夯擊產生的塊石墩墩徑為1.9～2.2 m。單點夯擊能采用(200×15) kN·m(即錘重200 kN,落距15 m)。每墩夯擊次數先暫定為15擊,可根據現場試夯調整確定,且應同時滿足下列條件：(1)墩底穿透軟弱土層,且達到設計墩長；(2)累計夯沉量為設計墩長的1.0～1.5倍；(3)最后兩擊的平均夯沉量不大于100 mm。

滿夯設計：在點夯完成后,對表層進行滿夯,采用夯錘的直徑1.5 m,錘重200 kN,單擊夯擊能(200×4) kN·m,夯印搭接面積不小于錘底面積的1/3。

3.4 復合地基承載力驗算

強夯塊石墩復合地基承載力標準值由現場復合地基載荷試驗確定,也可用單墩和墩間土的載荷試驗按下式確定

fsp,k=mfp,k+(1-m)fs,k(1)

式中：fsp,k為復合地基的承載力標準值,kPa；fp,k為墩體單位截面積承載力標準值,kPa；fs,k為墩間土的承載力標準值,kPa；m為面積置換率；d為墩的直徑,m；de為等效影響圓的直徑，m；等邊三角形布置時,de=1.05Sd(Sd為夯點間距)。

4 強夯片石置換施工方法

施工機械采用帶有自動脫鉤裝置的履帶式起重機,在臂桿端部設置輔助門架,防止落錘時機架傾覆。強夯片石置換法與強夯法施工工藝也基本相同,所不同的僅是強夯片石置換法在夯擊過程中不斷填入和夯實符合要求的散體材料,形成復合地基。工藝流程見圖1。

圖1 強夯置換法工藝流程(單位：m)

4.1 強夯片石墩的施工步驟

(1)場地平整、清基,達到設計的基面高程并鋪設一層厚度為1.0～2.0 m的砂石施工墊層。

(2)標出夯點位置,并測量場地高程。

(3)布置夯點,施工機械就位。

(4)測量夯前錘頂高程。

(5)夯擊并逐擊記錄夯坑深度。當夯坑過深而發生起錘困難時停夯,向坑內填料直至與坑頂平,記錄填料數量,如此重復直至滿足規定的夯擊次數及控制標準完成一個墩體的夯擊。當夯點周圍軟土擠出影響施工時,可隨時清理并在夯點周圍鋪墊碎石,繼續施工。

(6)按由內而外,隔行跳打原則完成全部夯點的施工。

(7)在規定的時間間隔后,推平場地,用低能量滿夯,將場地表層松土夯實,并測量夯后場地高程。

(8)鋪設墊層,并分層碾壓密實,墊層厚度不小于500 mm,墊層材料可與墩體相同,粒徑不宜大于100 mm。

4.2 注意事項

(1)場地表土軟弱或地下水位較高,夯坑底積水影響施工時,采用人工降低地下水位或鋪填一定厚度的松散性材料,使地下水位低于坑底面以下2 m。

(2)施工前查明場地范圍內的地下構筑物和各種地下管線的位置及高程等,并采取必要的措施,以免因施工而造成損壞。

(3)強夯施工所產生的振動對鄰近建筑物或設備會產生有害的影響時,應設置監測點,并采取挖通振溝等隔振或防振措施。

5 質量檢驗

(1)檢查施工過程中的各項測試數據和施工記錄,不符合設計要求時應補夯或采取其他有效措施。強夯置換施工中可采用超重型或重型圓錐動力觸探檢查置換墩觸底情況。強夯置換后的地基竣工驗收時,承載力檢驗除采用單墩載荷試驗檢驗外,尚應采用動力觸探等有效手段查明置換墩著底情況及承載力與密度隨深度的變化,強夯置換地基載荷試驗檢驗和置換墩著底情況檢驗數量均不應少于墩點數的l%,且不應少于3點。

(2)現場承載力試驗：本工程試驗采用淺層平板載荷試驗,以確定處理后地基的地基承載力特征值是否滿足170 kPa的設計要求。本次試驗采用地錨提供反力,采用1 000 kN油壓千斤頂施壓,試板兩側對稱安裝0～10 mm百分表測量試點各級荷載作用下的沉降量。每一級荷載,自加荷開始按時間間隔,10、10、10、15、15 min,以后每隔30 min觀測一次承壓板沉降,直至在連續2 h沉降量不超過0.1 mm/h,或連續1h內每30 min沉降不超過0.05 mm,即可施加下一級荷載。終止加載條件按有關規范進行。

通過對測試數據的整理,并繪制出P-S曲線(圖2)。根據測試點的試驗情況及P-S曲線的變化特征,測試點地基承載力特征值能滿足170 kPa的設計要求。

6 結語

針對本工程大面積軟基處理工程實例,通過對現場靜荷載試驗,現場堆載試驗和沉降觀測資料的分析,證明拋石擠淤強夯置換法在淤泥地基處理中的應用是可行的。高飽和土所處的地域地下水位一般都比較高,經強夯置換處理后的地基在使用過程中,樁間土極易受到地下水的侵蝕,而使其承載力降低,樁間土承載力的降低會減弱其對片石墩的側限,片石墩的承載力也會隨之降低。建議今后對類似工程,可以采用“分層強夯,能量漸增”的方法進行強夯施工,以更有效地提高地基土的強度并減小工后沉降。下臥層固結導致的沉降的時間效應,即隨著時間的增長,沉降越來越小,針對這種情況,為合理利用沉降的時間效應,可對其進行堆載預壓,并適當持續一定時間。

圖2 P-S曲線

但由于目前在理論上仍有一些問題不夠成熟,如強夯的一些參數與復合地基的壓縮模量之間對應關系如何等問題,還有待于進一步深入研究。

[1] 劉惠珊，陳克星.強夯加固軟土的新發展—強夯置換[J].工業建筑,1990.

[2] 龔曉南.復合地基設計和施工指南[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3] 王鐵宏.全國重大工程項目地基處理工程實錄[M].北京：中國建筑工業出版社，1998.

[4] 王敏力，肖 俊.拋石擠淤強夯置換加固海涂地基理論與實踐[J].科學論壇，2007.