砂土地基強夯影響因素及振動規(guī)律的現(xiàn)場試驗研究

陳向陽，郭冰鑫，謝玲霞，馬永峰.中國港灣工程有限責任公司科技部，北京0007.中國石油工程建設(shè)公司環(huán)境巖土分公司，山東青島6607

?

砂土地基強夯影響因素及振動規(guī)律的現(xiàn)場試驗研究

陳向陽1，郭冰鑫1，謝玲霞1，馬永峰2
1.中國港灣工程有限責任公司科技部，北京100027
2.中國石油工程建設(shè)公司環(huán)境巖土分公司，山東青島266071

摘要：針對某些大型建筑工程地基軟土地質(zhì)發(fā)育，下臥地層常為高含水量、高壓縮性、低強度土層的情況，開展了砂土地基強夯的現(xiàn)場試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，分析了地下水位、軟土夾層、滿夯遍數(shù)及振動碾壓對砂土地基強夯加固效果的影響，探討了不同能級強夯振動規(guī)律。研究結(jié)果表明：地下水位對強夯加固深度和效果有明顯影響，砂土地基強夯時，若地下水位過高，需將地下水位降至地面下2～3 m后再施工；加固深度內(nèi)若有軟土夾層，則會明顯減小強夯夯能向下傳遞效果，因此需提高單擊夯能來提高強夯加固效果；第二遍滿夯的加固效果不明顯，可與第一遍滿夯合并，或者用具有相同加固效果的振動碾壓方式來替代；通過對不同級別強夯振動的現(xiàn)場試驗，提出了不同能級強夯振動的三向加速度峰值衰減系數(shù)和當量系數(shù)值，并給出了不同能級強夯振動的安全距離。

關(guān)鍵詞：砂土地基；強夯；現(xiàn)場試驗；影響因素

隨著能源需求的進一步加大，我國在沿海地區(qū)興建了越來越多的大型煉廠或港口等大型建筑工程，且規(guī)模朝著大型或巨型方向發(fā)展。由于在濱海、沖積平原等區(qū)域軟土地質(zhì)發(fā)育，下臥地層常為高含水量、高壓縮性、低強度的土層，因此土層存在著明顯的固結(jié)過程，這不但使地基產(chǎn)生顯著沉降，同時也決定了地基沉降是一個長期復(fù)雜的過程。隨著軟土地基固結(jié)過程的發(fā)展，長期沉降持續(xù)增加，差異沉降相應(yīng)增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的橫向、縱向內(nèi)力分布規(guī)律連續(xù)發(fā)生改變，當結(jié)構(gòu)內(nèi)力超過強度極限時，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱、橫向裂縫，從而影響建筑的正常使用及安全運營，因此，必須對大型建筑工程地基中軟弱土層進行先行處理。強夯法作為地基加固的常用方法，在諸多工程應(yīng)用中取得了良好的地基處理效果和經(jīng)濟效益，因而亦常用于大型石化工程或港口工程的地基處理中。在石化工程中，一些學者對強夯法的應(yīng)用進行了研究：高廣運等［1］探討了高能級強夯在大型石化工程中的應(yīng)用，劉紅軍等［2］對大型儲罐高能級強夯碎石地基變形進行了數(shù)值分析，滿俊英等［3］對預(yù)增濕高能級強夯處理大型儲罐地基進行了試驗研究，嵇轉(zhuǎn)平［4］對廣東某石化廠油罐非均勻回填土地基進行高能級強夯試驗，何國富等［5］闡述了石化地基松散回填土場地柔性墩強夯置換法地基處理效果，欒帥等［6］對殘積土回填地基高能級強夯進行了現(xiàn)場試驗研究，給出了不同類型地基強夯的有效加固深度。

本文基于砂土地基強夯的現(xiàn)場試驗結(jié)果，分析了地下水位、軟土夾層、滿夯遍數(shù)及振動碾壓對砂土地基強夯加固效果的影響，探討了不同能級強夯振動加速度變化規(guī)律，并給出了粉細砂土地基強夯振動的安全距離。

1　試驗工程地質(zhì)條件

依托工程場區(qū)地貌單元為榕江三角洲平原，地形較平坦開闊。場區(qū)地基土主要為第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)的風-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層。揭露巖層分別為全風化層、強風化層、中風化層，局部為微風化層。工程場地上部廣泛分布著10.0～20.0 m厚的第四系風-水堆積粉細砂層及0.5～21.0 m厚的淤泥質(zhì)黏性土，其中②1層細砂層級配不良，以松散狀態(tài)為主，局部稍密，屬于中等液化土層；②2層粉細砂層級配不良，稍密～中密，飽和，屬于輕微～中等液化土層，局部嚴重液化；淤泥質(zhì)黏性土呈軟塑～可塑狀態(tài)，具有抗剪強度低、孔隙比及有機質(zhì)含量大、壓縮性高、靈敏度高及流變性強等不良工程特性。上述軟弱土層處理將對工程的正常與安全運營產(chǎn)生顯著影響，處理方案的選取和優(yōu)化亦影響項目的投資和工程進度，因此場地軟弱土層的加固處理已成為工程建設(shè)的關(guān)鍵問題。

2　強夯效果的影響因素分析

2.1地下水位

地下水位對強夯加固效果及加固深度有一定的影響，為研究砂土地基采用強夯加固時地下水位的影響程度，以提高強夯加固效果，在場地的典型區(qū)域進行了降水前后的強夯對比試驗。

降水前地下水位埋深約0.5 m左右，經(jīng)井點降水后，地下水位下降至地面以下2.5 m左右。降水前后均進行強夯試驗，試驗方案為：強夯分4遍進行；第1、2遍為點夯，夯擊能為3000kN·m，點夯間距6m，呈正方形布置，夯點的收錘標準為最后兩擊的平均夯擊沉降量小于50 mm；點夯結(jié)束后，采用1 000 kN·m夯擊能滿夯2遍，每夯點兩擊。未降水和降水條件下強夯前后靜力觸探試驗結(jié)果見圖1。

圖1　未降水與降水條件下強夯前后靜力觸探試驗曲線

由圖1可知，地下水位對強夯加固深度和加固效果具有顯著影響。當?shù)叵滤挥?.5 m降低到2.5 m左右時，強夯加固后的靜力觸探試驗錐尖阻力可以提高30％～60％，有效加固深度可以增大10％～30％。強夯加固砂土主要依靠強夯夯擊產(chǎn)生的剪切波和壓縮波對砂土顆粒發(fā)生的共同作用，地下水位較淺時，地表附近砂土含水率和飽和度很高，夯能主要被淺層砂土孔隙水所吸收，這導(dǎo)致砂土顆粒吸收和傳遞的有效夯能顯著減小，從而明顯降低強夯動應(yīng)力的傳遞深度。所以地下水位過高，嚴重影響強夯的加固效果和加固深度。

根據(jù)本次試驗結(jié)果，結(jié)合國內(nèi)外類似工程經(jīng)驗，采用強夯法加固砂土地基時，若現(xiàn)場地下水位過高，可采用井點降水結(jié)合明溝排水的方式來降低地下水位，將地下水位降低到地面以下2～3 m后再進行強夯施工，且夯能越大，要求地下水位降深越大。

2.2軟土夾層

場地內(nèi)部分區(qū)域存在不同厚度的軟土夾層，軟土夾層的存在會對強夯夯能傳遞產(chǎn)生一定程度的影響。從所做的15 000 kN·m和12 000 kN·m能級強夯試驗結(jié)果可知，試驗區(qū)場地10～11 m深度附近存在的軟土夾層對強夯夯能傳遞產(chǎn)生顯著影響。由于該軟土夾層對夯能的吸收作用，導(dǎo)致15 000 kN·m和12 000 kN·m能級強夯對軟土夾層下面砂土幾乎不再產(chǎn)生加固作用。

為進一步探討淺層軟土夾層對夯能傳遞的影響，對相同夯能作用下不同軟土夾層情況的強夯效果進行了對比。圖2為有無軟土夾層存在時3 000 kN·m能級強夯后的靜力觸探試驗對比曲線，從圖中可以看出，當在深度2 m左右存在一薄層軟土夾層時，軟土夾層對強夯夯能的傳遞具有明顯的減弱作用，可以明顯降低軟土夾層下面砂土的加固效果。深度2 m左右的這一軟土夾層的存在，可以減小加固后軟土夾層下面砂土的靜力觸探錐尖阻力15％左右，減小有效影響深度10％左右。

圖2　不同軟土夾層情況下強夯加固后靜力觸探試驗曲線

從本次試驗結(jié)果可知，在場地設(shè)計加固深度內(nèi)若存在軟土夾層，將會明顯減小強夯夯能向下傳遞效果。因此，在進行強夯設(shè)計時應(yīng)考慮該軟土夾層的影響，需根據(jù)軟土夾層的埋深和厚度適當增加強夯的單擊夯擊能量。

2.3不同能級滿夯兩遍的對比分析

本工程分別采用了15 000 kN·m和12 000 kN·m能級進行了強夯試驗，其中15 000 kN·m的試驗小區(qū)在點夯后分別進行了3 000 kN·m和1 000 kN·m的滿夯；在12 000 kN·m的試驗小區(qū)則在每遍點夯后分別進行了2 000 kN·m和1 000 kN·m的滿夯。為對比分析點夯后相鄰兩遍不同夯能滿夯的加固效果，每遍滿夯后均在相應(yīng)試驗區(qū)的典型位置進行靜力觸探試驗，具體試驗結(jié)果見圖3。

圖3　滿夯后靜力觸探試驗結(jié)果

由靜力觸探試驗結(jié)果可知，第一遍滿夯采用的是3 000 kN·m或2 000 kN·m夯能，再進行第二遍1 000 kN·m滿夯后，其靜力觸探檢測結(jié)果相比第一遍未見有明顯變化，因此，在進行完第一遍3000kN·m 或2 000 kN·m夯能滿夯后再進行第二遍滿夯作用不大。大面積施工時可考慮合并第一和第二遍滿夯。

2.4振動碾壓加固效果分析

曾有學者在洋山港等地（洋山港的吹填粉細砂和本工程的粉細砂顆粒組成相近）進行過振動碾壓加固前后的對比試驗，試驗采用自身重力不小于180 kN、激振力不小于350 kN的振動壓路機，碾壓時采用先穩(wěn)壓一遍，再振動碾壓6遍的方法（振動碾壓機一個來回為一遍）。碾壓前后的典型靜力觸探試驗結(jié)果見圖4。當?shù)叵滤宦裆畈恍∮? m時，對于粉細砂土，振動碾壓的最大加固深度可達到地面以下2m。由于第一遍滿夯后再進行最后一遍1 000 kN·m能級滿夯的目的是加固淺層1～2 m的粉細砂層，而振動碾壓的最大加固深度也可達地面以下2 m，因此可考慮采用振動碾壓來代替最后一遍的1 000 kN·m能級的滿夯。

圖4　洋山港振動碾壓前后靜力觸探試驗曲線（強夯加固后）

3　不同能級強夯振動規(guī)律

3.1強夯振動測試方案

為確定不同能級夯擊振動的水平影響范圍，以確保周圍建（構(gòu)）筑物的安全，在進行單點夯時選擇典型剖面進行振動加速度測試。加速度監(jiān)測方法是在地表距離夯點不同位置處（3、5、10、20、30 m）分別放置一個三向加速度傳感器，測試強夯過程中引起地表加速度的變化情況。每一測點的加速度分為徑向（測點與夯擊點連線方向相同）、切向（測點與夯擊點連線的垂直方向且平行于水平面）和豎向。為防止夯擊時加速度計被彈起，將加速度傳感器埋入砂層內(nèi)0.5 m深度處。

3.2強夯振動加速度變化規(guī)律

15 000、12 000、8 000、3 000、1 000 kN·m 的5個能級強夯典型加速度時程曲線見圖5。

圖5　不同能級下三向振動加速度峰值衰減曲線

從圖5中距夯點中心不同位置處的振動加速度測試值可知：

（1）在各能級強夯作用下，豎向、徑向和切向的加速度峰值均與距夯點中心的距離有關(guān)，各級夯能下的加速度峰值均隨距夯點的距離增大而近似呈負冪函數(shù)的形式急劇減小，徑向加速度衰減速度最快，豎向較徑向略小，切向加速度衰減速度最慢。由各級夯能作用引起的不同位置處的地面振動加速度峰值可以用下式表示：

式中：a為距夯點R處的地面加速度峰值，m/s2；g為重力加速度，m/s2；R為測點距離夯點的距離，m；W是夯錘質(zhì)量，t；H為夯錘落高，m；Es為加固前土的壓縮模量，MPa；β為加速度峰值衰減系數(shù)；k為當量系數(shù)。

根據(jù)實測結(jié)果，利用式（1）擬合后的不同能級三向加速度峰值衰減系數(shù)β和當量系數(shù)k見表1。

表1　不同能級三向加速度峰值衰減系數(shù)和當量系數(shù)值

（2）各向加速度峰值隨單擊夯能的增加而增加，但增加幅度逐漸減小，當夯能大于12 000 kN·m時，各向加速度峰值受單擊夯能增加的影響很小。夯能越大，各向加速度峰值衰減得越快。

（3）同一點三個方向上的加速度峰值，徑向較豎向略大，切向明顯小于豎向和徑向。

3.3強夯振動安全距離分析

目前國內(nèi)外在對強夯振動的安全距離進行分析時，大多根據(jù)建（構(gòu)）筑物破壞標準和人體對振動的允許標準確定強夯施工振動的安全距離，一般將強夯振動影響劃分為3個區(qū)域：破壞區(qū)（振動加速度＞0.5 g，速度＞5 cm/s）、損壞區(qū)（振動加速度0.1 ～0.5 g，速度1～5 cm/s）及相對安全區(qū)（振動加速度＜0.1 g，速度＜1 cm/s）。考慮到強夯振動的徑向加速度最大，且一般建（構(gòu)）筑物對水平加速度更敏感，因此本次確定不同能級強夯振動安全影響范圍以水平徑向加速度為控制指標。根據(jù)實測不同能級強夯振動加速度結(jié)果，利用式（1）可初步得到粉細砂土地基上各能級強夯施工時振動的相對安全距離，見表2。

表2　不同能級強夯振動的安全影響距離

4　結(jié)論

（1）地下水位對強夯加固深度和效果有明顯的影響，降低地下水位可提高強夯加固深度和效果。砂土地基強夯時，若地下水位過高，需將地下水位降至地面下2～3 m后再施工。

（2）加固深度內(nèi)的軟土夾層會明顯減小強夯夯能向下傳遞效果，在進行強夯設(shè)計時應(yīng)考慮該軟土夾層的影響，根據(jù)軟土夾層的埋深和厚度適當增加強夯的單擊夯擊能量。

（3）第一遍滿夯后，再進行第二遍滿夯，其加固效果已不明顯，故可和第一遍滿夯合并處理，或者用具有相同加固效果的振動碾壓方式來替代。

（4）通過對不同能級的單擊夯能振動現(xiàn)場試驗，分析了強夯振動規(guī)律，提出了不同能級的三向加速度峰值衰減系數(shù)和當量系數(shù)值，并給出了不同能級強夯振動的安全距離，可為強夯施工安全與設(shè)計提供借鑒與參考。

參考文獻

［1］高廣運，水偉厚，王亞凌，等.高能級強夯在大型石化工程中的應(yīng)用［J］.巖土力學，2004，25（8）：1 275- 1 278.

［2］劉紅軍，趙世斌，賈貴智.大型儲罐高能級強夯碎石地基變形數(shù)值分析［J］.巖土工程學報，2010，32（S2）：228- 231.

［3］滿俊英，王樂福，袁致明，等.預(yù)增濕高能級強夯處理大型儲罐地基試驗研究［J］.施工技術(shù)，2012，41（8）：77- 79，83.

［4］嵇轉(zhuǎn)平.高能級強夯法處理非均勻回填地基試驗研究［J］.施工技術(shù)，2012，28（5）：44- 47.

［5］何國富，張玲云，韓根榮.松散回填土場地柔性墩強夯置換法地基處理［J］.施工技術(shù)，2013，42（15）：96- 99.

［6］欒帥，王鳳來，水偉厚.殘積土回填地基高能級強夯有效加固深度試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2014，35（10）：151- 158.

Field Test on Influencing Factors and Vibration Law of Dynamic Compaction for Sand Foundation

CHEN Xiangyang1，GUO Bingxin1，XIE Lingxia1，MAYongfeng2
1. Research & Technology Department，China Harbour Engineering Company Ltd.，Beijing 100027，China
2. Geotechnical Engineering Department，China Petroleum East China Design Institute，Qingdao 266071，China

Abstract：Aimed at the condition of soft foundation and underlying stratum with high water content，high compressibility and low strength in some large scale construction projects，the field test of sand foundation dynamic compaction was conducted. Based on the test results，the influences of underground water depth，soft soil interlayer，number of full- compaction and vibro- rolling on foundation reinforcement effect have been analyzed. Vibration law of different energy- level dynamic compaction has been investigated. Some conclusions have been drawn. Firstly，underground water depth has an obvious influence on reinforcement depth and effect. For dynamic compaction in sand foundation，if the underground water level is high，the water level should be reduced to 2～3 m under the ground surface. Secondly，when soft soil interlayer exists in reinforcement depth，the transmitting effect of compaction energy will be weakened and single compaction energy should be increased to improve reinforcement effect. Thirdly，reinforcement effect of the second time full- compaction is not very obvious. Therefore，the second time full- compaction can be combined with the first time full- compaction or substituded by vibro- rolling which has the same reinforcement effect as the second time full- compaction. Based on vibro test of different energy- level dynamic compaction，attenuation coefficients and equivalent coefficients of peak accelerations in three directions are proposed. And vibration safety distance of different energy- level dynamic compaction in fine sand foundation is also proposed.

Keywords：sand foundation；dynamic compaction；field test；influence factor

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.017

作者簡介：

陳向陽（1982-），男，湖北咸寧人，工程師，2009年畢業(yè)于河海大學水利水電工程專業(yè)，碩士，主要從事港口、路橋工程設(shè)計與管理方面的工作。Email：chenxy0317@gmail.com

收稿日期：2015- 12- 15