強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基的研究

孫 政，楊慶義，曹 勁

(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 10095；2.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；3.中國電力規(guī)劃設(shè)計協(xié)會，北京 100120)

強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基的研究

孫 政1，楊慶義2，曹 勁3

(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 10095；2.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；3.中國電力規(guī)劃設(shè)計協(xié)會，北京 100120)

結(jié)合某電廠工程，對采用強(qiáng)夯法提高地基土承載力、消除濕陷性黃土的適用性試驗(yàn)研究，通過現(xiàn)場有效的質(zhì)量控制，采用平板載荷試驗(yàn)、鉆探與取樣、井探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測評價對比，在一定深度內(nèi)能夠有效提高復(fù)合地基的承載力并消除其濕陷性，更趨經(jīng)濟(jì)合理，具有推廣價值。

濕陷性；黃土；強(qiáng)夯；地基處理。

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃興起，特別是大型能源基地。但在工程建設(shè)中，常遇到濕陷性黃土地基的處理問題。本文結(jié)合工程，針對某電廠工程面臨的濕陷性黃土地層采用強(qiáng)夯法處理方案，對其可行性進(jìn)行分析研究，從現(xiàn)場實(shí)測試驗(yàn)來看，取得很好效果。

強(qiáng)夯法，在采用大面積濕陷性黃土土作為建筑地基時，可根據(jù)建筑體型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、荷載性質(zhì)和地質(zhì)條件，結(jié)合施工機(jī)械設(shè)備與當(dāng)?shù)夭牧蟻碓吹染C合分析，通過對強(qiáng)夯過程和工藝進(jìn)行有效設(shè)計，其結(jié)果對提高地基承載力、全部或部分消除其濕陷性能夠起到很好作用，值得推廣和借鑒借鑒。

1 試驗(yàn)工程

1.1 工程概況

工程擬建2×600 MW超臨界燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組及其公用設(shè)施，強(qiáng)夯地基處理試驗(yàn)地段為共用設(shè)施地基處理。

1.2 地層條件

該地段地貌成因類型為沖洪積扇，地貌類型為緩坡地，試驗(yàn)區(qū)在強(qiáng)夯前已被整平，地形平坦。揭露地層為第四系人工填土(Q4s)、第四系全新統(tǒng)(、、上更新統(tǒng)()、中更新統(tǒng))沖洪積層，巖性主要有素填土、黃土狀土和黃土。具體見表1。

表1 場地地層分布

1.3 地下水條件

場地地下水類型為第四系孔隙潛水、上層滯水，主要賦存于第四系松散層中。以大氣降水和灌溉入滲為主要補(bǔ)給方式，以蒸發(fā)、側(cè)向徑流為主要排泄方式。廠址區(qū)年平均最高水位埋深大于30.00 m，可不考慮地下水對建筑物基礎(chǔ)的影響。

2 強(qiáng)夯試驗(yàn)方案設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

(1) 主夯夯擊能采用4000 kN·m，起夯面高程948.00 m。

(2) 強(qiáng)夯后地基承載力特征值fak≥180 kPa。

(3) 對濕陷性黃土有效加固深度≥5 m。

(4) 強(qiáng)夯區(qū)夯后地基土干重度≥15 kN/m3。

2.2 試驗(yàn)方案

利用強(qiáng)夯法處理的濕陷性黃土為Ⅱ級非自重濕陷性黃土，局部地段為前期場地平整時回填的素填土。根據(jù)現(xiàn)場地基土的實(shí)際情況，制定切實(shí)可行、有針對性的強(qiáng)夯試驗(yàn)方案才能有效的加固地基，以滿足設(shè)計要求。

方案設(shè)計包括單點(diǎn)夯擊能、夯擊擊數(shù)、夯擊遍數(shù)、夯點(diǎn)布置等參數(shù)。

2.2.1 單點(diǎn)夯擊能

根據(jù)地基土的工程性質(zhì)及設(shè)計要求選擇適宜的單點(diǎn)夯擊能才能更有效的達(dá)到地基處理的目的。

根據(jù)本地段勘測資料，地基土在10 m深度范圍內(nèi)為具有濕陷性的黃土狀土、素填土，按照設(shè)計要求采用4000 kN·m的夯擊能。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，4000 kN·m的夯擊能預(yù)估的有效加固深度為7.0～8.0 m，雖然場地地基土中局部夾碎石透鏡體，對強(qiáng)夯效果產(chǎn)生能量阻隔等不利影響，但設(shè)計要求“對濕陷性黃土有效加固深度≥5 m”，因此，確定單點(diǎn)夯擊能采用4000 kN·m應(yīng)該是適宜的。

2.2.2 夯擊擊數(shù)

采用強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土，主要是采用沖擊性動力荷載以使地基土中孔隙體積減小、密度增大來達(dá)到加固地基、消除濕陷性的目的，夯擊擊數(shù)是影響加固效果的主要因素。

因此，本工程根據(jù)現(xiàn)場具體的實(shí)際情況，夯擊擊數(shù)采用單點(diǎn)試夯的方法來確定。

2.2.3 夯擊遍數(shù)

根據(jù)所處理的地基土為細(xì)顆粒的黃土狀土，且地下水埋藏較深，可不考慮地下水對強(qiáng)夯效果的影響，同時考慮到施工的便利，強(qiáng)夯試驗(yàn)擬采用三遍夯擊，分別為主夯、滿夯、拍夯。

2.2.4 夯點(diǎn)布置

根據(jù)規(guī)范、規(guī)程要求，結(jié)合工程的具體情況合理布置夯點(diǎn)位置。同時考慮到施工時的便利、強(qiáng)夯時地基土的擠密效應(yīng)等因素，并避免由于夯點(diǎn)間距過小夯擊時在表層形成致密層而影響夯擊能量的向下有效傳遞。

綜合以上因素，試夯區(qū)夯點(diǎn)按正三角形布置，主夯夯點(diǎn)間距為5.0 m。

3 強(qiáng)夯試驗(yàn)

3.1 單點(diǎn)夯試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過測量夯坑及夯坑周圍地面地基土隆起變形，計算有效夯實(shí)系數(shù)以最終確定最佳夯擊擊數(shù)等設(shè)計數(shù)據(jù)。

擬在夯實(shí)區(qū)不同位置進(jìn)行3次單點(diǎn)夯試驗(yàn)。

3.1.2 試驗(yàn)方法

(1)夯沉量測量

采用水準(zhǔn)儀測量每擊的夯沉量。

(2)夯坑體積測量

測量夯頂、夯底(夯錘頂面)兩截面面積，每個截面沿不同方向測兩次直徑取平均值。

(3)夯坑周圍隆起量測量

沿東西、南北沿直徑方向分別埋設(shè)6個測樁，據(jù)夯點(diǎn)中心距離分別為2000 mm、2500 mm、3000 mm，用水準(zhǔn)儀測量每一擊引起的隆起高度。

測樁布置示意見圖1：(單位： mm)

圖1 測樁布置示意圖

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行試夯，在試夯過程中未發(fā)生偏錘等現(xiàn)象。

根據(jù)試夯點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，夯實(shí)效果十分明顯，試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

(1)夯實(shí)效果分析

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，在夯擊過程中夯坑直徑并無明顯變化；當(dāng)夯擊次數(shù)為15擊時，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表1。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，夯實(shí)系數(shù)為82.4%～96.3%，夯實(shí)效果十分明顯，說明在夯擊過程中夯坑中的土體絕大部分被擠壓到夯坑周圍及夯坑底部的土體中，取得了良好的擠密效果。

表2 試夯結(jié)果分析

(2)夯擊擊數(shù)分析

單點(diǎn)夯試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表3 各點(diǎn)夯試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)單點(diǎn)試夯的試驗(yàn)結(jié)果，繪制的擊數(shù)—夯沉量(N—S)曲線圖見圖2。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，C6點(diǎn)當(dāng)擊數(shù)達(dá)到11擊時最后兩擊平均夯沉量為5 cm，N—S曲線開始變緩；N3點(diǎn)當(dāng)擊數(shù)達(dá)到11擊時最后兩擊；平均夯沉量為7.5 cm，N—S曲線開始變緩，當(dāng)擊數(shù)達(dá)到12擊時最后兩擊平均夯沉量為2 cm，但當(dāng)擊數(shù)達(dá)到13、14擊時夯沉量又開始加大，說明地層不均勻；S53點(diǎn)當(dāng)擊數(shù)達(dá)到12擊時最后兩擊平均夯沉量為9 cm，N—S曲線開始變緩，當(dāng)擊數(shù)達(dá)到15擊時最后兩擊平均夯沉量為7 cm，此時總夯沉量已達(dá)3.68 m，夯擊時已出現(xiàn)粘錘，提錘較為困難。根據(jù)勘測資料，試驗(yàn)區(qū)南部上部存在素填土，較北部較軟，如按最后兩擊平均夯沉量控制為5 cm進(jìn)行施工，則試驗(yàn)區(qū)南部施工時十分困難。按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)夯擊能為4000 kN·m時最后兩擊平均夯沉量不宜大于10 cm。根據(jù)現(xiàn)場試夯的實(shí)際情況，結(jié)合有關(guān)規(guī)程、規(guī)范的要求及試驗(yàn)區(qū)的地層情況，因此夯擊擊數(shù)定為15擊是比較合理的。

圖2 擊數(shù)—夯沉量(N—S)曲線圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了確保現(xiàn)場夯實(shí)施工質(zhì)量，全面滿足設(shè)計參數(shù)要求，確定停夯標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采用夯擊擊數(shù)和最后兩擊平均夯沉量雙控標(biāo)準(zhǔn)控制。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，控制要求可為：夯擊擊數(shù)15擊和最后兩擊平均夯沉量不大于10 cm的雙控標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 群夯試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方案

按照強(qiáng)夯試驗(yàn)的設(shè)計要求及夯點(diǎn)布置進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2.2 施工要求

(1)夯擊能級：主夯4000 kN·m；滿夯2000 kN·m；拍夯1000 kN·m。

(2)夯擊遍數(shù)：3遍。

(3)夯擊擊數(shù)：主夯為15擊；滿夯為5擊；拍夯為2擊。

(4)夯擊要求：夯擊的施工順序?yàn)椋褐骱弧M夯和拍夯。

主夯點(diǎn)的夯擊按順序進(jìn)行隔點(diǎn)跳打；滿夯包括主夯點(diǎn)的加固夯和主夯點(diǎn)間地段的間夯，要求隔點(diǎn)、隔行夯擊；拍夯要求按順序分兩遍完成，第一遍滿堂夯擊，相臨的夯點(diǎn)錘印相切，第二遍夯點(diǎn)覆蓋第一遍夯間位置，滿堂夯擊，同時要求相臨的夯點(diǎn)錘印相切。

停錘標(biāo)準(zhǔn)：同時滿足夯擊擊數(shù)及最后兩擊平均夯沉量不大于10 cm。

3.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)區(qū)夯前平均高程為948.00 m，主夯點(diǎn)完成整平后的場地平均高程為947.37 m，夯沉量為0.63 m；滿夯點(diǎn)完成整平后的場地平均高程為947.12 m，夯沉量為0.25 m；拍夯點(diǎn)完成整平后的場地平均高程為946.69 m，夯沉量為0.43 m。強(qiáng)夯總夯沉量為1.31 m，主夯夯沉量占整個夯沉量的48.1%，說明深部地層得到了有效的夯實(shí)、加固；滿夯夯沉量占整個夯沉量的19.1%，拍夯夯沉量占整個夯沉量的32.8%，這說明拍夯對上部表層地基土的加固效果十分明顯。

4 試驗(yàn)檢測

為了檢測地基強(qiáng)夯加固前后地基土的工程性質(zhì)的變化，根據(jù)試驗(yàn)場地的實(shí)際情況，利用工程地質(zhì)鉆探與井探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、取樣、室內(nèi)土工試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地基土進(jìn)行檢測。

5 強(qiáng)夯效果檢測

5.1 夯前后地基土物理力學(xué)指標(biāo)分析

地基土夯前物理力學(xué)指標(biāo)采用前期勘測報告中有關(guān)結(jié)論。

夯前后地基土物理力學(xué)指標(biāo)對比見表4～表6。

表4 素填土夯前后地基土物理力學(xué)指標(biāo)對比

表5 ①黃土狀粉土夯前后地基土物理力學(xué)指標(biāo)對比

從以上夯前、夯后地基土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果對比說明，自夯后地表0～5 m深度范圍內(nèi)地基土的物理力學(xué)指標(biāo)變化較大，工程性質(zhì)有較大改善，地基強(qiáng)度有明顯提高、變形特性有明顯提高；夯后地表0～5 m深度范圍內(nèi)地基土的干重度為15.50～17.93 kN/m3，滿足設(shè)計大于15.0 kN/m3的指標(biāo)要求；5～10 m深度范圍內(nèi)各指標(biāo)夯前、夯后變化不明顯，由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計時頻數(shù)的影響甚至個別指標(biāo)有所降低，說明強(qiáng)夯對該深度地基土工程性質(zhì)影響很小。

5.2 濕陷性分析

根據(jù)夯后地基土的室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，自夯后地表向下第一個濕陷點(diǎn)深度為5.60 m，其上地基土的濕陷性均以消除，說明強(qiáng)夯效果非常明顯，達(dá)到了強(qiáng)夯的預(yù)定目標(biāo)。

5.3載荷試驗(yàn)

根據(jù)載荷試驗(yàn)成果，當(dāng)荷載逐漸增大時，P－S曲線斜率逐漸增大，曲線呈緩變型，無明顯比例界線點(diǎn)，說明加固后地基比較均勻。

綜合曲線分析，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，結(jié)合土工試驗(yàn)成果，強(qiáng)夯地基土三個試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值見表7。

表7 強(qiáng)夯地基土承載力特征值確定

通過統(tǒng)計，強(qiáng)夯地基土三個試驗(yàn)點(diǎn)承載力實(shí)測值的極差與平均值之比小于30%，3個試驗(yàn)點(diǎn)的平均值200 kPa，強(qiáng)夯后地基承載力特征值fak≥180 kPa。

變形模量計算：

式中：E0為復(fù)合地基變形模量(MPa)； I0為剛性承壓板的形狀系數(shù)，圓形承壓板取0.785；μ為土的泊松比(取0.35)； p為 p－s曲線線性段的壓力( kPa)； s為與p所對應(yīng)的沉降(mm)；d為承壓板直徑(m)。

計算各試驗(yàn)點(diǎn)變形模量E0見表8。

表8 各載荷試驗(yàn)點(diǎn)變形模量

6 結(jié)論

(1)經(jīng)強(qiáng)夯后加固處理后的地基自夯后地表下0～5 m深度范圍內(nèi)其強(qiáng)度、干重度均滿足設(shè)計要求，建議強(qiáng)夯地基的承載力特征值采用180 kPa；5.00 m以上地基土的濕陷性均以消除，強(qiáng)夯的效果十分明顯。

(2)經(jīng)檢測強(qiáng)夯有效加固深度為6.00～6.50 m左右，在此深度范圍內(nèi)地基土的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，有效加固深度也滿足強(qiáng)夯方案設(shè)計要求，說明強(qiáng)夯試驗(yàn)的方案設(shè)計是可行的。

Research on the Treatment of Collapsible Loess Foundation by Dynamic Consolidation

SUN Zheng1, YANG Qing-yi2, CAO Jin3
(1.State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute Co., Ltd., Beijing 100095, China; 2.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute CORP.,LTD, Jinan 250013, China; 3.China Electric Power Planning & Engineering Association, Beijing 100120, China)

Combine with the engineering of a power plant, the paper has carried out experimental study for enhancing the bearing capacity and eliminating the collapsibility of the loess by adopt dynamic consolidation. By means of effective quality control in site, has made deter mination evaluation comparison by adopting the test method of plate bearing teat, drilling sampling, exploratory shaft sinking, standard penetration test and soil test indoor, it be able to effective enhance the foundation bearing capacity and eliminate collapsibility in certainly depth. It tends towards economics reasonable, it has promotional value.

collapsibility; loess; dynamic; foundation treatment.

TU4

A

1671-9913(2016)04-0012-05

2017-05-01

孫政(1964-)，男，山東萊陽人，高級工程師，主要從事巖土程勘察和三標(biāo)管理工作。