真空降水—低能強夯聯合加固法處理粉土地基的現場試驗研究

宋修廣，王紅紅，張宏博，苗海濤，劉相宜

(山東大學 土建與水利學院，濟南 250061)

真空降水—低能強夯聯合加固法處理粉土地基的現場試驗研究

宋修廣，王紅紅，張宏博，苗海濤，劉相宜

(山東大學 土建與水利學院，濟南 250061)

結合具體工程，提出真空降水—低能強夯聯合加固技術。為評價其應用效果，埋設相關儀器對孔隙水壓力、水平位移和地表沉降進行監測。試驗結果表明，采用真空降水降低了淺層土含水量，明顯加快了施工速度，處理效果良好。

粉土地基 真空降水 低能強夯 現場試驗 應用效果

黃河沖積平原區的道路改擴建工程，由于舊路基經多年運營后固結沉降基本完成，而新建路基仍會產生較大的工后沉降，易造成新老路基銜接處差異沉降大，引起路面結構的縱裂［1］。因此，對于舊路改擴建工程，新舊地基均需進行合理的地基處理，在保證舊路基強度的條件下，達到減小差異沉降的目的［2］。

目前，對于黃河沖積平原的粉土地區常用的地基加固處理方法包括粉噴樁、排水固結和強夯等技術。其中，粉噴樁類復合地基技術雖加固效果好，但造價較高;排水固結法價格低廉，但工期要求較長;強夯加固法施工速度快，成本較低，但當地下水位較高時，易發生液化現象［3-6］。為揚長避短，提高加固效果，國道220線濱州至濟南一級公路舊路改建工程，采用真空降水—低能強夯聯合加固技術進行地基處理。該方法的原理為首先采用真空降水方法降低地下水位，使淺層土體的飽和度顯著降低，并產生一定的負孔隙水壓力，然后，再施以強夯法進行處理。為了驗證加固方法的合理性，埋設相關儀器設備進行了現場監測。

1 工程地質條件

國道220線濱州至濟南一級公路舊路改建工程地處黃河沖積平原區，地層由素填土、粉土、黏土、亞黏土和淤泥質土組成，其特征表現為土質較為松軟、含水量高(平均超過34%)、孔隙比大(平均超過0.95)、飽和度大(平均接近95%)、壓縮性高(屬中 ～高壓縮性土)、抗剪強度低。地下水埋深1.07～3.26 m。

2 現場試驗方案

2.1 監測儀器布設

監測儀器布設于公路兩側，試驗區共布設9個水位觀測孔、10個孔隙水壓力計 (如圖1中斷面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ所示)以及標樁9個和地表沉降監測點14個。

監測所用儀器見表1：

表1 監測內容及儀器設備

孔隙水壓力計及水位管布置見圖1。

圖1 孔隙水壓力計及水位管布置(單位：m)

2.2 施工工藝采用“三降三夯”工藝

1)首先進行真空降水。

降水參數：外圍排水管直徑35 mm，長6 m，間距1.2 m，雙排布置;內圍排水管直徑42 mm，長6 m，間距4 m，雙排布置。

當水位降至4 m以下時，將夯擊試驗區的內圍排水管拔掉并封口，外圍排水管繼續進行真空降水，連續48 h不間斷降水。

2)第一遍點夯的單點夯擊能1 000 kN·m，夯擊次數為4擊，點夯間距4 m×4 m。

3)第二遍降水在第一遍強夯后，要求降至地面4 m以下，連續降水6 d。

4)第二遍點夯的單點夯擊能1 000 kN·m，夯擊次數為5擊，點夯間距4 m×4 m，夯點位于第一遍夯點的中間，如圖2所示。

5)第三遍降水在第二遍強夯后，要求降至地面4 m以下，連續降水6 d。

6)第三遍夯擊為普夯，單點夯擊能500 kN·m，每點2擊，夯跡間1/4 d(d為夯錘直徑)搭接。

初步確定試驗區施工時兩遍強夯間隔時間≥6 d。

圖2 夯點布置示意(單位：m)

3 試驗數據分析

3.1 孔隙水壓力監測結果分析

降水試驗從8月17日開始，采用沖孔灌砂，增加隔水等措施，降水效果明顯。從開始降水到水位降至4 m以下，時間控制在2 d內。

為對比該處理方法的加固效果，對斷面Ⅰ采用“兩降三夯”工藝，分別于9月19日和9月29日進行第一遍和第二遍點夯，第一遍點夯后不進行降水;斷面Ⅱ采用“三降三夯”工藝，分別于9月23日和9月29日進行第一遍和第二遍的點夯，兩次點夯后分別進行真空降水;最后進行滿夯施工。圖3、圖4分別為斷面Ⅰ和斷面Ⅱ孔隙水壓力時程變化曲線。結合圖1可知：①強夯作用下，淺層土的孔隙水壓力均有較大增長，且孔隙水壓力計埋深越小，超靜孔隙水壓力增長量越大，表明低能強夯對路基淺層的加固作用更為明顯;②對比斷面Ⅰ和斷面Ⅱ，真空降水加快了孔隙水壓力的消散速度，這表現為：斷面Ⅰ第一遍點夯后未進行降水，孔隙水壓力需4 d才能基本消散完;而斷面Ⅱ點夯后即進行降水，孔隙水壓力2 d左右就能消散完畢，縮短了48 h。

圖3 斷面Ⅰ孔隙水壓力時程變化曲線

圖4 斷面Ⅱ孔隙水壓力時程變化曲線

圖5、圖6分別為斷面Ⅱ的不同土層深度，第一遍和第二遍點夯過程中的超靜孔隙水壓力，由圖5、圖6可知：

1)第一遍點夯后，地面以下5 m內，強夯沖擊波作用效果顯著，到地面以下9 m處，強夯作用效果微弱;第二遍點夯后，3 m處孔隙水壓力的增幅為33.3 kPa，5 m處孔隙水壓力的增幅為26.9 kPa，9 m處孔隙水壓力的增幅為 0.4 kPa。由此推斷，在強夯試驗1 000 kN·m的點夯能量下地基土的有效加固深度在7～8 m左右。

圖5 斷面Ⅱ第一遍點夯過程中超靜孔隙水壓力沿土層深度變化曲線

圖6 斷面Ⅱ第二遍點夯過程中超靜孔隙水壓力沿土層深度變化曲線

表2 施工中標樁沉降與水平位移

2)第一遍點夯深度3 m處土體的超靜孔隙水壓力的增加量(20.5 kPa)大于其在5 m處的增加量(14.5 kPa);而第二遍點夯時深度5 m處土體的超靜孔隙水壓力增加量可達到26.5 kPa。這是由于首次強夯時，其能量主要用于加固淺層土體，使淺層形成一硬殼層，使第二次強夯時能量能更有效地向深層土體傳遞，而同時又不過度破壞淺層土體結構，這也正是低能量強夯法區別于傳統強夯法的特點。

3.2 地表沉降與水平位移結果分析

在施工中對標樁測點坐標與高程測量了3次，各標樁沉降和水平位移如表2所示。

由表2可以看出：

1)沉降位移：土體沉降位移隨夯擊遍數的增加呈現逐漸遞減的趨勢，說明夯錘強夯土層后使得土體密實度得以明顯增加。

2)水平位移：水平位移在這3次夯擊后變化較小，特別是滿夯后的位移，幾乎沒有變化。

4 結論

1)利用真空降水技術，不僅能有效地降低和控制強夯區的地下水位，而且還能夠加速強夯引起的超靜孔隙水壓力的消散，一般在強夯后1～3 d即可消散80%～90%。在含水量較高的粉土地基中，隨著深度的增加，超靜孔隙水壓力的增加幅度逐漸減小，在9 m以下孔隙水壓力幾乎沒有增長。

2)強夯的夯擊能為1 000 kN·m時，地基土的有效加固深度在7～8 m。本次試驗表明，采用真空降水—低能強夯聯合加固技術加固粉土地基取得了良好的應用效果，可為以后類似工程提供借鑒。

［1］呂國仁，崔新壯.舊路改建高速公路中地基強夯效應測試與工藝參數分析［J］.巖土力學，2008，29(9)：2542-2548.

［2］地基處理手冊編寫委員會.地基處理手冊第二版［Z］.北京：中國建筑工業出版社，2000.

［3］宋修廣，盧盛松，李維寅.強夯加固的動態有限元法分析研究［J］.河海大學學報，1999，27(3)：22-25.

［4］宋修廣，李英勇，韓軍.強夯法加固地基的多重耦合分析［J］.巖土力學，2003，24(3)：471-474.

［5］宋修廣，張曉平.強夯法加固地基的三維有限元動力固結分析［J］.山東大學學報(工學版)，2004，34(4)：55-58.

［6］劉漢龍，曾長女，周云東.飽和粉土液化后變形特性試驗研究［J］.巖土力學，2007，28(9)：1866-1870.

TU472

B

1003-1995(2011)03-0087-03

2010-09-10;

2011-01-31

山東省自然科學基金(Y2007F35)

宋修廣(1966— )，男，山東威海人，教授，博士。

(責任審編 葛全紅)