同能級強夯法的設計參數選取

【摘 要】對8000 kN?m能級強夯進行了試夯參數設計。能級組合400kN×20m，夯點布置分別為錘徑2.5m，間距7m正方形布點;錘徑3.2m，間距8m正方形布點;錘徑3.2m，間距7m三角形布點。通過對試驗區域夯前、夯后夯點、夯間探井取樣進行濕陷性消除程度對比、干密度提高程度比較、土體加密區與加固影響區的承載力與壓縮模量的評價，得出適合本區域強夯施工的最優組合工藝參數，為濕陷性黃土地基處理設計、施工、檢測提供參考。

【關鍵詞】濕陷性黃土;地基處理;強夯;工藝參數

The Choice of Technological Parameter for Dynamic Compaction Treatment in Same Energy

Xiang Xing-hua1，2

(1.Shanxi Provincial academy of communications sciences taiyuan Shanxi 030006;2. Taiyuan University of Technology taiyuan Shanxi 030021)

【Abstract】Three scheme of different technological parameter were put forward for 8000KN.m dynamic compaction. The hammer weight is 400KN and the tamping height is 20m. In the first scheme the hammer diameter is 2.5m and the compaction points are square arrayed between which the distance is 7m. While in the second scheme the hammer diameter is 3.2m and the compaction points are square arrayed between which the distance is 8m. In the third scheme the hammer diameter is 3.2m and the compaction points are triangle arrayed between which the distance is 7m. After the conduction of a series of experiments， the improvement of Collapsibility、dry density、bearing capacity、modulus of compressibility in each test field was contrasted. Based on the above analysis the optimal scheme is put forward which can provide reference for design， construction and detection of collapsible loess treatment.

【Key words】Collapsible loess; Foundation treatment; Dynamic compaction; Technological parameter

1. 引言

強夯法對消除黃土的濕陷性，提高土層的均勻性、減少差異沉降方面具有顯著的效果。根據濕陷土層的厚度、上部荷載的大小，設計時一般采用梅那公式提供的影響深度或規范所給的有效加固深度來確定夯擊能。實際在施工過程中，同一場地、同一夯擊能，在錘重和落距相同的情況下，錘徑、錘底靜壓力、布點間距、布點方式不同，地基處理效果也是有差異的。因此，大面積施工之前，應盡可能選擇不同的參數進行試驗，以便取得地基處理效果與經濟性的最優組合。

2. 工程概況

山西焦化股份有限公司建筑場地位于山西省洪洞縣明姜溝鎮。場地為梯田，地貌單元為山前洪積扇，地形為北高南低，整平后場地平均高程589.3m，高程差小于2.0m。場地地基土自上而下依次為: 

①層，黃土狀粉土(Q41)，壓縮系數 a1-2為0.14MPa-1，具強烈濕陷，土層平均厚度為6.5m。

②層，黃土狀粉土(Q41)，壓縮系數a1-2 為0.07 MPa-1 ，具中等至強烈濕陷，土層平均厚度為3.7m。

③層，黃土狀粉土(Q41)，壓縮系數a1-2 為0.10 MPa-1，具輕微-中等濕陷性，土層平均厚度為3.8m。

④層，黃土狀粉質粘土(Q3)，壓縮系數a1-2 為0.05 MPa-1 ，在較高壓力下具濕陷性，土層平均厚度為1.5m。

⑤層，黃土(Q3)，壓縮系數a1-2 為0.05 MPa-1 ，在300~400KPa壓力下具濕陷性，土層平均厚度為8.4m。

⑥層，老黃土(Q2)，壓縮系數a1-2 為0.05MPa-1 ，在400KPa壓力下具濕陷性，土層平均厚度為10.7m。

⑦層，老黃土(Q2)，壓縮系數a1-2 為0.04 MPa-1，在400KPa壓力下不具濕陷性。

該區構造物荷載大，對沉降要求嚴格，場地濕陷土層厚，設計強夯能級采用8000kn.m。為選擇合理有效且經濟的強夯參數組合，選擇三個區域進行試夯試驗。試驗區域見圖1。 

圖1 試夯區平面布置圖

為對比試夯前后地基處理效果，對3個試夯區域進行探井取I級原狀土樣進行濕陷性評價，評價結果見表1:

表1 試夯各區濕陷量計算

勘探點自重濕陷量的計算值(mm)濕陷量的計算值(mm)濕陷性黃土層最大埋深(m)濕陷類型濕陷等級

Ⅰ區312.0616.2515.7自重III級(嚴重)

Ⅱ區306.5613.1015.4自重III級(嚴重)

Ⅲ區322.0620.0515.7自重III級(嚴重)

表2 試夯區工藝參數表

分類場區夯點類別強夯能級(KN#8226;m)每點擊數夯點間距(m)錘重(KN)錘底面積(㎡) 錘徑(m)

Ⅰ區第一遍800012-1574004.912.5

第二遍80009-1274004.912.5

第三遍20005搭接2004.912.5

Ⅱ區第一遍800012-1584008.043.2

第二遍80009-1284008.043.2

第三遍20005搭接2004.912.5

Ⅲ區第一遍800012-1574008.043.2

第二遍40009-1274008.043.2

第三遍20005搭接2004.912.5

圖2 試夯場地夯點布置形式圖

2. 強夯試驗設計

強夯能級設計為8000KN#8226;m，試夯擬采用錘重400KN，落距20m進行組合。本次試驗選用2.5m和3.2m兩種不同錘徑的夯錘進行對比試驗，夯錘底面積分別為4.91m2、8.04m2，錘底靜壓力81KPa和49KPa。夯點布置采用了三種不同間距的形式進行對比試驗，夯點間距取夯錘直徑的2.5~3.5倍。夯點布置見圖2:

3. 強夯試驗效果評價

3.1 夯擊次數與夯沉量。

試驗所得夯擊次數與夯沉量關系可以確定每遍的最佳夯擊次數，本場地三個試夯區域現場記錄夯沉量數據見表3:

試夯區的各項工藝參數見表2。

從表2可以看出:三個區域第一遍最佳夯擊次數均為13擊(以最后兩擊夯沉量均小于0.10m控制);第二遍最佳夯擊次數為9擊(以最后兩擊夯沉量均小于0.05m控制)。

3.2 濕陷性消除程度。

分別在試夯區夯前、夯點、夯間挖探井在濕陷性土深度15.0m范圍內每米取Ⅰ級不擾動土樣，采用室內壓縮試驗測定黃土的濕陷系數δs，濕陷系數與深度關系曲線見圖3~圖5: 

由圖表數據可以看出，Ⅰ區試夯場地內0-11m土層δs均小于0.015，濕陷性得到消除，比較夯間土的濕陷性可以認為加固深度達到11m，大于濕陷性土層厚度的2/3;加固后本場地自重濕陷量小于70mm，總濕陷量為3.66cm，為非自重濕陷性場地。

Ⅱ區試夯場地內0-9m土層δs均小于0.015，濕陷性得到消除，比較夯間土的濕陷性可以認為加固深度達到9m，小于濕陷性土層厚度的2/3;加固后場地自重濕陷量為小于70mm;總濕陷量為7.87cm;即加固后本場地為非自重濕陷性場地。

Ⅲ區試夯場地內0-11m土層δs均小于0.015，濕陷性得到消除，比較夯間土的濕陷性可以認為加固深度達到11m，大于濕陷性土層厚度的2/3; 加固后場地自重濕陷量為 小于70mm;總濕陷量為3.115cm;即加固后本場地為非自重濕陷性場地。

圖3 Ⅰ區濕陷性系數與深度關系曲線圖4 Ⅱ區濕陷性系數與深度關系曲線圖5 Ⅲ區濕陷性系數與深度關系曲線

3.3 干密度評價。

干密度影響深度是土體壓實質量控制的標準，干密度越大，表明土體壓得越密實，工程質量越好。據試夯前后取土樣，進行室內試驗，測得土樣干密度數據見表4:

根據上表分析:

Ⅰ區:(1)6m以上干密度較大，形成加密區 ;(2)夯間土的干密度在0-11m內得到顯著提高，且值均大于1.55g/cm3;11m以下土體得到小幅度提高，但未達到控制標準。

Ⅱ區:(1)6m以上干密度較大，形成加密區;(2)夯間土的干密度在0-9m內得到顯著提高，且值均大于1.55g/cm3;9m以下土體得到小幅度提高，但未達到控制標準。

Ⅲ區:(1)6m以上干密度較大，形成加密區;(2)夯間土的干密度在0-10m內得到顯著提高，且值均大于1.55g/cm3;10m以下土體得到小幅度提高，但未達到控制標準。

3.4 地基土承載力與壓縮模量。

對夯后土體進行室內土工試驗，得到承載力及壓縮模量相關數據，見下表5，根據夯后土的物理力學性質，將夯后地基土的豎向上分為三個單元，即顯著加密區、加固影響區、未影響區。表中數據表明Ⅰ區強夯效果最好，Ⅲ區次之，Ⅱ區最差。

表3 夯擊次數與夯沉量對應數據一覽表

擊數12345678910111213

Ⅰ區第一遍0.611.011.461.772.072.292.462.612.752.862.993.073.16

第一遍單擊0.610.400.350.310.300.220.170.150.140.110.130.080.09

第二遍0.50.871.181.441.641.781.861.911.95

第二遍單擊0.50.370.310.260.200.140.080.050.04

Ⅱ區第一遍0.380.670.951.151.321.471.641.801.942.072.192.292.36

第一遍單擊0.380.290.280.200.170.150.170.160.140.130.120.100.07

第二遍0.270.430.630.780.890.971.081.141.18

第二遍單擊0.270.160.200.150.110.080.090.060.04

Ⅲ區第一遍0.540.871.131.341.521.691.872.032.162.272.392.482.55

第一遍單擊0.540.330.260.210.180.170.180.160.130.110.120.090.07

第二遍0.360.580.770.941.081.171.241.281.33

第二遍單擊0.360.220.190.170.140.090.070.040.05

表4 夯擊前后各深度干密度變化

Ⅰ區Ⅱ區Ⅲ區

夯前夯間夯點夯前夯間夯點夯前夯間夯點

11.6810夯沉量>1m夯沉量>1m1.6710夯沉量>1m夯沉量>1m1.6694夯沉量>1m夯沉量>1m

21.53111.76561.76561.52111.96651.96651.52271.88521.8852

31.66941.75111.81311.65691.86631.86611.65891.78501.9353

41.49931.76081.64951.50211.83191.83911.49941.68911.8403

51.24261.70831.53771.24511.78631.75901.24201.63071.7009

61.32521.70891.73831.32021.69101.75001.30671.59211.5678

71.37891.64431.57691.38531.65791.62081.37291.60781.5929

81.45291.63251.59031.45041.60081.57361.44821.62011.5606

91.36581.61341.59391.36321.55491.55311.36441.57791.5505

101.47431.63081.61001.47271.35361.63281.47061.54741.6273

111.47461.56941.58161.47261.34421.63201.47241.53771.5829

121.51411.36221.55421.51211.42391.58141.51151.47801.5485

131.32241.39971.53121.32471.46381.56031.32441.54631.4740

141.36941.38031.45651.37421.45351.51171.37431.43841.5512

151.36081.46241.43151.36261.49341.49661.36351.53531.4922

4. 結論

通過本次全面系統的對同能級強夯不同參數組合的夯后效果檢測分析:

(1)Ⅰ區和Ⅲ區0~11m內土層δs均小于0.015，Ⅱ區基底0-9m內土層δs均小于0.015;

(2)Ⅰ區夯間土的干密度在0-11m內得到顯著提高，且值均大于1.55g/cm3;Ⅱ區夯間土的干密度在0~9m內得到顯著提高，且值均大于1.55g/cm3;Ⅲ區夯間土的干密度在0~10m內得到顯著提高，且值均大于1.55g/cm3;

(3)Ⅰ區和Ⅲ區夯后夯點夯間土的加固效果較好，6m以上土的干密度很大，形成加密層，6m以下至10m土的性質有明顯改善，11m以下無濕陷性; Ⅱ區濕陷等級由自重濕陷Ⅲ級(嚴重)變為非自重Ⅰ級(輕微);但9m以下濕陷未消除，并且7m以上夯間土的性質明顯差于夯點，濕陷處理效果明顯不如Ⅰ區和Ⅲ區。

表5 地基土的承載力與壓縮模量

試夯分區深度(m)承載力特征值(KPa)壓縮模量(MPa)

Ⅰ區6m以上(加密區)31032

6-11m(加固影響區)22025

Ⅱ區6m以上(加密區)25025

6-9m(加固影響區)19022

Ⅲ區6m以上(加密區)30032

6-10m(加固影響區)20020

(4)承載力與壓縮模量的數據進一步驗證Ⅰ區強夯效果最好，Ⅲ區次之，Ⅱ區最差。

綜上按Ⅰ區、Ⅲ區試夯工藝，強夯影響深度為11m，但是Ⅰ區干密度效果更好，應為最佳方案;Ⅱ區強夯影響深度9m，其影響程度較輕。場地大面積強夯施工的建議工藝參數按Ⅰ區設置，采用夯點間距為7m的正方形布點形式，夯錘直徑2.5m。

通過本實例說明，強夯法應用廣泛，但理論及機理研究尚未成熟和完善。強夯效果受場地土質、夯擊能、夯擊參數組合(錘重和落距)、錘徑、布點方式等影響較大。為達到對地基處理的最佳效果，在夯前應根據成熟經驗，進行強夯設計參數有效組合進行試驗。

參考文獻

[1] 山西華晉巖土工程勘察公司. 山西焦化股份有限公司30萬噸/年焦油加工改造項目巖土工程勘察報告. 2003

[2] 中華人民共和國建設部. GB 50025-2004 中華人民共和國國家標準濕陷性黃土地區建筑規范.北京:中國建筑工業出版社.2004

[3] 陳希哲. 土力學地基基礎. 北京:清華大學出版社，2008

[4] 王錫良，水偉厚，吳延煒，等.強夯施工機械研究現狀及發展述評[J].機械工程師，2004，7:9-12.

[5] 楊文革. 強夯法有效加固深度分析[J]. 地基基礎工程，2001(9) :12217.

[6] 巨玉文，孫廣燦，張學飛. 強夯法的機理探討與工程應用[J]. 山西建筑. 1009-6825 (2010) 01-0139-03.

[7] 徐通禮. 強夯法地基處理施工技術[J].技西鐵科技， 2006(增刊):46-47.術

[8] 石靜. 影響強夯法加固深度的因素[J]. 河南建材.2009(2):84-85

[9] 張繼文，屈百經 ，王軍 ，王東紅，劉生軍.超高能級強夯法加固濕陷性黃土地基的試驗研究.2010(1):15-1

[文章編號]1619-2737(2010)09-01-191

[作者簡介] 相興華(1972.11-)，女，1995年畢業于成都理工學院水文地質與工程地質系水文地質與工程地質專業，高級工程師，現在山西省交通科學研究院工作，太原理工大學在讀研究生。