某沉箱碼頭后方強夯試驗研究

高志義，高潮

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通行業重點試驗室，天津市港口巖土工程技術重點試驗室，天津 300222）

0 引言

某沉箱碼頭的基槽開挖至標高-18 m，邊坡為1：2，坡底以下為黃褐色或黃綠色殘積土，其下為全風化花崗閃長巖。長20 m、寬15 m、高18.5 m的沉箱座落在-16 m至-18 m的拋石基床上。沉箱后方開挖后，-5 m以上回填含黏粒較多的風化砂，-5 m以下回填中粗砂。

碼頭后方原設計地基加固方案為：距沉箱后壁15.0 m范圍內為振沖法加固回填砂；距沉箱后壁15.0～43.5 m范圍內采用強夯加固法，其中15～23.5 m、23.5～43.5 m兩范圍內的夯擊能分別為 1 000～1 500 kN·m、2 500 kN·m；43.5 m以外采用打設塑料排水板堆載預壓法加固地基。

為提高強夯加固效果，降低造價，縮短工期，欲通過強夯試驗區，探索將強夯區擴大至距沉箱后壁12.5 m處的可行性，以及提高夯擊能的可能性；對因此而引起的對碼頭結構內力的影響，以及對碼頭整體穩定性的影響進行判斷，以指導大面積強夯施工。

1 機理分析

強夯法是將重錘 （一般100～400 kN）從高處 （6～40 m）自由落下產生的沖擊波使地基密實的加固方法。

夯錘自由落下的過程，也是勢能轉化為動能的過程，隨著夯錘下落，勢能越來越小，動能越來越大。夯錘夯擊地面時，除極少部分動能轉化為聲波、熱能外，絕大部分動能使土體產生自由振動，并產生一個波場（見圖1）。波場包含體波和面波，其中體波包括壓縮波（P波）和剪切波（S波），它們沿著半球波陣面徑向向地基中傳播；面波為瑞利波（R波），沿1個圓柱波陣面徑向向地基中傳播。壓縮波的質點運動屬于平行于波陣面的一種推拉運動，它大部分通過液相運動，使孔隙水壓力增大，同時使土顆粒錯位，土骨架解體；隨后的剪切波使土顆粒更密實。剪切波的質點運動屬于和波陣面正交的橫向位移，而瑞利波的質點運動則是由水平和豎向兩個分量所組成的。豎向分量起到松動土的作用，剪切波和瑞利波的水平分量使土顆粒間受剪，使土體得到密實。

圖1 重錘夯擊在彈性半空間地基中產生的波場

根據Miller計算，壓縮波占總能量的7%，剪切波占26%，瑞利波占67%[1]。因瑞利波占總能量的2/3，而且它的衰減速度隨距離增加比體波慢得多，所以瑞利波更具有重要意義。這也是采用減震溝的意義所在，同時也是形成夯擊點附近地表隆起的原因。上述這些波通過地基后，土顆粒將趨于新的、更加穩定的最終狀態，從而使地基土得到加固。

強夯加固地基的3方面機理：1）加密作用，指空氣或氣體排出；2）固結作用，指水或氣體的排出；3）預壓變形作用，指各種顆粒成分在結構上的重新排列。

2 監測儀器布置及試驗過程

如圖2所示，沿碼頭橫向距沉箱后壁10.0 m至37.5 m，以及沿碼頭縱向長20 m的范圍內為試驗區，總面積550 m2。后軌道梁縱向穿過試驗區，見圖3。試驗期間已回填至+4.5 m。強夯采用上海W-1001型吊機，夯錘為4個帶孔的圓臺形鑄鐵錘，底面直徑2.0 m，高0.7 m，錘質量16.5 t，落距15.2 m，單點夯擊能2 500 kN·m。

采用3遍夯擊，第1遍夯擊5 m×5 m正方形角點，第2遍夯擊正方形中心點，第3遍為低能量滿夯，每點兩擊。第1、第2遍的單點夯擊擊數均為10擊左右，個別可達11～12擊，并滿足最后兩擊的平均夯沉量≯5 cm的設計要求。

監測儀器平面和斷面布置如圖2和圖3所示。4月30日至5月1日進行強夯試驗區第1遍強夯，夯擊順序按圖2中第1至第8夯點進行；待孔隙水壓力消散趨于穩定時，5月5日進行第2遍強夯，夯擊順序為圖2第1′至第6′夯點；5月9日又補夯了1″、2″、3″3個夯點。待孔隙水消散一周后，5月15、16、17日進行3個孔的標準貫入試驗。

圖2 強夯試驗區夯點及觀測儀器布置平面圖（單位：m）

圖3 強夯試驗區觀測儀器布置斷面圖（單位：m）

3 監測結果及其分析

3.1 孔隙水壓力監測結果及其分析

3.1.1 沿深度的變化

孔壓沿深度在某時刻監測結果見圖4，從圖4可以看出：

1）一般最大孔壓增量發生在中間部位，即-5.5 m上下的第3個測頭附近。這是由于體波從波源沿著1個半球波陣面徑向向地基傳播形成的。

2）當孔壓的測孔距振源近時，土體上部一般會形成1個次最大孔壓增量。如圖4（a），上部的K1-1、K2-1和圖4（b）的K2-1成為次最大孔壓增量。這主要是由于面波沿著1個圓柱波陣面沿表層向外傳播所致；而圖4（c）的K3組旁為1個減震溝與振源相隔，將面波大大減弱，所以表層的K3-1、K3-2孔壓增量為最小，打破上述規律。

圖4 孔隙水壓力監測結果

3）當測孔距振源越遠時，最大孔壓峰值增量的位置越偏下。如圖4（c）中K3，所以K3最大孔壓峰值增量發生在中部和中下部K3-3和K3-4處。這是體波沿半球陣面向地基傳播，越遠傳播越往下所致。

3.1.2 每遍夯擊時孔隙水壓力變化時程線

每個夯點在10多錘的夯擊下，其孔壓的時程線如圖5，從圖5中可以看出：

1）在數秒到1、2 min內孔壓迅速形成峰值，又在數秒到2、3 min內迅速消散，但消散過程要慢于形成過程。

2）如前所述，因埋設儀器引起的超靜孔壓還未消散完畢，在夯擊過程中這部分超靜孔壓仍在繼續消散，致使孔壓最低值的連線，呈逐漸下移的趨勢。

圖5 5'夯點K1-1傳感器孔隙水壓力時間過程線

3.2 最佳夯擊能的確定

理論上講，在一定的夯擊能作用下，且在要求加固深度處的地基中，所產生超靜孔隙水壓力Δu達到土體的自重應力時，這時的夯擊能稱為最佳夯擊能。在黏土中因此時土體才可產生豎向裂隙或初始液化，孔壓消散慢，隨夯擊能增大，孔壓亦相應疊加，可根據孔壓的疊加值來確定最佳夯擊能；而砂土中，孔壓增長與消散僅為幾分鐘，孔壓增量不能隨夯擊能的增加而疊加。繪出孔壓增量峰值與夯擊次數（夯擊能）的關系曲線（如圖6所示），可確定出最佳夯擊能：當孔壓增量隨夯擊次數增加而逐漸趨于恒定時，可以認為該種砂土所接受的能量已達到飽和狀態，此時能量即為最佳夯擊能，即2 500 kN·m×10=25 000 kN·m。

圖6 同夯點不同深度最大孔壓增量與夯擊數關系

超過最佳夯擊能，夯坑雖可加深，但主要為側向擠出或隆起，錘底以下土體已無擠密，也不能提高有效加固深度。

3.3 土壓力監測結果及分析

為消除潮位影響，全部換算為設計水位4.32 m時的土壓力監測值。從監測結果看出：

1）土壓力測點距夯點較近時，引起測點較淺處的土壓力增量較大；反之，引起較深處的土壓力增量較大。這是由于最大波能沿夯點向地基的斜下方向傳播所致。

2）土壓力增量沿深度分布呈中間大、上下端小，且夯點近時最大值偏上，反之偏下。這也是最大波能沿斜下方向傳播所致。

3）強夯期間土壓力變化時程線的形態，與圖5相仿。

4）土壓力實測最大值與設計允許值的比較：以實測最大土壓力進行最不利組合得到圖7。從圖7看出，沿深度實測最大土壓力平均值約為設計允許值的72.8%。從而判斷出，單點夯擊能提高到2 500 kN·m，且強夯區向碼頭后壁前移后，不會引起沉箱結構的損壞。

圖7 實測最大土壓力值與設計允許值的比較

3.4 深層水平位移監測結果及分析

篇幅所限，各處深層水平位移曲線省略，其各處的深層水平位移曲線特征值如表1，由表看出：

1）C3距強夯試驗區最近，水平位移最大，且最大值處位置最高；反之，最遠的C1，水平位移最小，其最大值處位置最低。這是由于最大波能沿斜下方向地基中傳播引起的。

表1 深層水平位移監測曲線征值

2）C1、C3間距僅為6 m，則最大位移已衰減95.5%，說明波能隨距離的傳播，其衰減是非常快的。

3）沉箱后壁旁挖了深3 m、底標高為+1.45 m的減震溝，C4處在沉箱與減震溝之間。在減震溝高程內C4最大水平位移61.48 mm是挖減震溝引起的，并非強夯引起。

4）C4在+1.45 m以下未發生水平位移。證明單點夯擊能提高到2 500 kN·m，且強夯區向碼頭前移后，碼頭不會發生傾斜、滑動和轉動，即碼頭整體穩定是沒有問題的。

3.5 碼頭位移、沉降觀測結果及分析

試驗期間，專人一直觀測碼頭的位移和沉降，始終未發現有位移、沉降出現。碼頭上的位移、沉降點監測結果再次說明，單點夯擊能提高到2 500 kN·m，且強夯區向碼頭后壁前移后，對碼頭整體穩定性毫無影響。

3.6 標準貫入試驗結果及分析

強夯試驗結束1周后做了3個標貫試驗。各孔標貫試驗結果見表2，其標貫曲線省略。按規范規定[2]，地下水位以下的中粗砂，應在標貫試驗的基礎上增加5擊，從表2看出：

1）位于夯坑中心的SP1，影響深度約6 m，N63.5=30～42擊，所以N值最大。

2）位于4個相鄰夯點間的SP2、SP3，影響深度約7.5 m，比SP1影響深，這是因為4夯點最大波能均沿斜下方傳播疊加的結果。

3）SP2的N為 19～28擊，SP3的N為 12～20擊，均低于SP1，因兩者均在4夯點間之故。SP3在-5 m以下為原地基，故表2中未增加5擊，-11.0 m已為風化土，所以N值較大。

表2 標準貫入擊數N63.5檢測結果

4 結論

1）強夯試驗區是將強夯設計加固區沿碼頭橫向向前擴大至距沉箱后壁12.5 m處，并將全部強夯試驗區的單點夯擊能改為2 500 kN·m。從監測的各種數據均說明：碼頭整體穩定性滿足要求，并且沉箱內力未超過設計允許值，也不會引起沉箱結構損壞，而且也突破了強夯區應距建筑物15 m的限制。

2）從碼頭胸墻上的位移和沉降觀測點監測，以及沉箱后壁旁與減震溝之間的深層沉降C4監測結果，均未發現表層和深層位移或沉降，這說明沉箱碼頭未出現傾斜、滑移和轉動等各種失穩現象。試驗證明，碼頭整體是穩定的。

3）試驗期間實測最大土壓力值為設計允許土壓力值的72.8%，說明強夯引起沉箱結構的內力，并無超過設計允許內力值。從而判斷：單點夯擊能提高到2 500 kN·m，且強夯區向碼頭后壁前移后，不會引起結構的破壞或裂縫等不利后果。

4）由實測孔壓值推算最佳總夯擊能為25 000 kN·m；強夯引起孔壓增量峰值一般在幾分鐘可消散，說明消散是較快的；沿深度孔壓、土壓增量的最大值一般出現在中部。若測點距夯點近，則最大值偏上，否則逐漸下移。在沉箱后壁處一般出現在-5 m上下。

5）試驗區旁C3與C1間距為6 m，其位移最大值分別為119.85 mm和5.34 mm，即在6 m范圍內可衰減95.5%。這說明，在此處強夯波能傳播的衰減速度是非常快的；由于減震溝的存在，致使沉箱后壁處土體上部K3-1和K3-2的孔隙水壓力一般偏小，這說明減震溝的作用是明顯的。建議大面積施工時，靠近沉箱后壁處應設置減震溝。

[1]《地基處理手冊》編寫委員會.地基處理手冊[M].北京：交通出版社，1989：217-218.

[2]JTJ240-97，港口工程地質勘察規范[S].