強夯砂土地基錐尖阻力分布規(guī)律及施工參數(shù)選擇*

陳明杰，桑登峰，蔡智生，胡興昊

(1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點實驗室，廣東 廣州 510230)

強夯法是一種深層處理方法[1]，起源于古老的夯實方法[2]，由于經(jīng)濟有效、施工便捷、施工效率高等特點，在地基處理中越來越受到關(guān)注并被廣泛采用[3]。而夯擊能是影響強夯加固效果的一個重要參數(shù)[4-5]，對于不同的土組成、不同的設(shè)計地基承載力和不同的地基沉降允許值，其對應(yīng)的夯擊能各不相同。目前，研究成果主要集中在強夯法在吹砂地基加固中的應(yīng)用[6-8]、砂性土的蠕變[9]、強夯加固機理及影響效果等方面，對于吹填砂強夯加固地基錐尖阻力沿深度的分布規(guī)律研究較少。本文依托西非某項目，通過靜力觸探試驗研究強夯砂土地基錐尖阻力分布特點，并根據(jù)靜力觸探試驗結(jié)果計算承載力和沉降特性，從而檢驗所使用施工參數(shù)的合理性。

1 工程概況

西非某重力式碼頭工程項目中，施工任務(wù)包括沉箱后方大片陸域吹填及吹填砂地基處理，按技術(shù)規(guī)格書，要求吹填材料為細(xì)顆粒含量小于15%且不均勻系數(shù)大于4的中粗砂。回填砂密度和浮密度分別假設(shè)為1.900、0.887 t/m3。經(jīng)強夯處理后，吹填中粗砂應(yīng)滿足平均海平面以上砂土密實度大于0.7、平均海平面以下砂土密實度大于0.6的要求。使用荷載：堆場均載60 kN/m2,堆場面層荷載23 kN/m2。

根據(jù)設(shè)計文件，平均海平面為1.02 m。經(jīng)強夯處理后砂土地基應(yīng)滿足設(shè)計承載力和工后沉降要求：CPT單孔合格率≥90%；殘余沉降交工后1 a沉降不超過5 cm，該沉降量已包括1 000 mm面層恒載及面層施工的活荷載作用。

2 施工方法

吹填區(qū)域中粗砂吹填厚度自陸側(cè)向海側(cè)沿著海床梯度逐漸加厚至11 m左右。按照吹填厚度，采用式(1)經(jīng)驗公式反算設(shè)計需要的強夯錘擊能量。

(1)

式中：D為強夯影響深度；α為經(jīng)驗系數(shù)，通常取0.5～0.8；W為夯錘質(zhì)量(t)；H為夯錘落距(m)。

按照設(shè)計，位于吹填厚度約在6～7 m 以內(nèi)的范圍采用夯擊能為3 000 kN·m 的點夯+1 000 kN·m 普夯；吹填厚度介于7～11 m 的區(qū)域采用夯擊能為4 000 kN·m 的點夯+1 000 kN·m 普夯的施工方案，夯點平面布置見圖1。

圖1 強夯點位平面布置(單位：m)

地基強夯處理全面實施前，先選取2塊50 m×50 m 區(qū)域作為強夯試驗區(qū)(3 000 kN·m和4 000 kN·m各選一個區(qū)域)，經(jīng)試驗獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并總結(jié)各項工藝參數(shù)，根據(jù)調(diào)整后完善的工藝參數(shù)進(jìn)行大范圍施工推廣。地基強夯處理試驗將獲取以下相應(yīng)參數(shù)：夯錘質(zhì)量、跌落高度、單點夯擊能量、夯擊次數(shù)、單次夯沉量、夯點間距和夯實遍數(shù)等。具體要求如下：

1)每次夯擊時，35 t(20 t+15 t組合)、30 t(20 t+10 t組合)或10 t 的夯錘分別從設(shè)計高度自由下落，并采取相應(yīng)措施確保夯錘精準(zhǔn)落在確定的夯點位置上。夯錘落距通過夯擊能和錘質(zhì)量進(jìn)行計算。

2)試驗區(qū)中每個夯擊位置需要夯12擊，分2遍夯擊，每遍夯點位置不重疊，夯點布置情況見圖1。黑框內(nèi)為第2遍的其中1個單元，即對于3 000 kN·m夯能的夯點，按梅花形布置，夯點間距為4.25 m；對于4 000 kN·m夯能的夯點，按正方形布置，夯點間距為6 m。

3)夯擊能為30 00 kN·m和4 000 kN·m的夯點，停錘標(biāo)準(zhǔn)按照設(shè)計要求分別為：對于夯擊能為4 000 kN·m的區(qū)域，最后2錘平均夯沉量不大于10 cm；夯擊能為3 000 kN·m的區(qū)域，最后2錘平均夯沉量不大于5 cm。此外，夯坑周圍地面不發(fā)生過大的隆起變形且不發(fā)生因夯坑過深導(dǎo)致提錘艱難的情況方能停錘。

3 施工工序

現(xiàn)場準(zhǔn)備→夯點布置→第1遍點夯(3 000 kN·m或4 000 kN·m)→推土機整平→第2遍點夯→推土機整平→1 000 kN·m 滿夯→CPT 檢測。普夯后進(jìn)行振動碾壓2～3遍，碾壓范圍重疊部分不小于1/3。

4 承載力及沉降特性

總共完成22個試驗，其中16個試驗所在吹填區(qū)吹填厚度約11 m;6個試驗(B24～B29)所在吹填區(qū)吹填厚度約6 m。22個試驗代表的區(qū)域中，除N19、N23、N24在吹填過程中帶來了少量淤泥，覆蓋在原海床面上，其他區(qū)域砂源干凈。根據(jù)地勘孔分布圖，勘察孔LC09代表B24～B29區(qū)域，勘察孔MK19代表其他16個區(qū)，地勘土層見表1。由于B24～B29區(qū)域粉細(xì)砂所處位置比較淺，考慮到后期荷載加上后應(yīng)力擴散到該深度砂土變形還相對較大，施工過程中均將其挖除后再進(jìn)行吹填；其他區(qū)域由于粉細(xì)砂所處位置比較深，后期荷載加上后應(yīng)力擴散到該深度砂土變形已很小，施工中直接在這些區(qū)域海床面吹填。

表1 各勘察孔土層分布

從圖2a)～2c)及表2可知，在0～1 m范圍內(nèi)，錐尖阻力隨著深度的增加按線性趨勢快速增長，線性擬合度R2為0.856～0.995，可見1 m深度范圍內(nèi)，錐尖阻力與深度線性相關(guān)關(guān)系顯著。

從圖2d)～2f)可知，當(dāng)達(dá)到約1 m深度位置后，錐尖阻力不再服從線性趨勢，波動比較大。對于吹填厚度約為11 m的區(qū)域，1～6 m范圍內(nèi)錐尖阻力相對其他深度普遍較大，在吹填深度范圍內(nèi)錐尖阻力達(dá)到最大;6～10 m范圍內(nèi)錐尖阻力有所下降;10 m深度以下由于接近海床高程的礫砂層，錐尖阻力再次增大。對于吹填厚度約為6 m的區(qū)域，1～4 m范圍內(nèi)錐尖阻力相對較大，在吹填深度范圍內(nèi)錐尖阻力達(dá)到最大；4～6 m范圍內(nèi)錐尖阻力有所下降;6 m深度以下由于接近海床高程的礫砂層，錐尖阻力再次增大。

表2 不同區(qū)域1 m深度錐尖阻力線性擬合結(jié)果

圖2 錐尖阻力-深度曲線

由圖2d)可知，有小范圍深度的錐尖阻力小于設(shè)計值，經(jīng)分析認(rèn)為主要是材料的不均勻性引起的，如夾泥、細(xì)顆粒含量超標(biāo)等。因為如果是同性材料而夯能不足，由于夯能隨深度的遞減，不可能出現(xiàn)錐尖阻力先減小后增大的現(xiàn)象。圖2e)表明N19～N24區(qū)域在靠近海床高程位置錐尖阻力最小，接近于零，小于設(shè)計要求的錐尖阻力。通過對比附近鉆孔取樣試驗，確認(rèn)該深度位置有1 m以內(nèi)厚度的淤泥層，但由于厚度不大，且位置較深，從使用角度分析，表層使用荷載作用下，應(yīng)力經(jīng)過擴散到達(dá)該深度已經(jīng)非常低，因此并不影響后期使用。圖2f)表明，在吹填厚度約6 m的區(qū)域，地基處理效果良好，未出現(xiàn)錐尖阻力小于設(shè)計值的情況。經(jīng)分析認(rèn)為，施工采用的3 000 kN·m和4 000 kN·m夯能，其實際加固深度與計算加固深度相近，能滿足設(shè)計需要。

總體上看，錐尖阻力沿著深度方向呈現(xiàn)駝峰狀分布，第1波峰在1～6 m深度，第2峰值在海床面以下1 m附近。當(dāng)夯錘下落時，0～1 m深度位置第一時間接觸到夯錘底面，獲得的能量比深層砂土要大，但同時由于瞬間的碰撞，周圍表層的砂土被炸開，加上形成夯坑后會補充新的填充料，因此處理后表層砂土依然較為松散。對于吹填厚度約11 m的區(qū)域，在吹填深度范圍內(nèi)，錐尖阻力最大值集中在1～6 m深度位置，可見該深度為強夯加固效果最佳的范圍；6 m以下錐尖阻力隨深度增加逐漸減小，主要原因在于夯擊能沿深度發(fā)生衰減。對于吹填厚度約6 m的區(qū)域，與吹填厚度約11 m的區(qū)域類似，錐尖阻力最大值集中在1～4 m深度位置；4 m以下錐尖阻力隨深度的增加而減小。除小范圍深度由于吹填材料的離散性導(dǎo)致錐尖阻力小于設(shè)計值，大部分的錐尖阻力均大于設(shè)計值，由此可見計算加固深度是科學(xué)合理的。

根據(jù)設(shè)計文件，按照Baldi 的正常固結(jié)土的經(jīng)驗公式計算錐尖阻力：

(2)

式中：Re為相對密度；qc為錐尖阻力(kPa)；σ′v0為有效應(yīng)力(kPa)。

通過式(2)，根據(jù)設(shè)計要求的Re及由深度和密度計算得到σ′v0，對滿足要求的最小錐尖阻力進(jìn)行計算，并將計算結(jié)果與靜力觸探試驗結(jié)果對比。試驗值大于計算值時，推斷該深度位置地基處理效果滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)，觸探深度為海床面以下。靜力觸探試驗數(shù)據(jù)采集深度間隔為0.02 m，單孔超過90%測點滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)方可判定該孔代表的區(qū)域地基處理效果滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)。從表3可知，所有區(qū)域最大錐尖阻力介于29.74～51.74 MPa，吹填深度介于6.368～11.551 m，探測深度介于6.540～12.420 m，探測深度均比吹填深度大，單孔合格率介于90.32%～100.00%，滿足設(shè)計要求的90%。

表3 不同區(qū)域靜力觸探試驗結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[10]有式(3)～(4)：

qf=Kφqc(av)

(3)

qall=(qf-ρgD)/Fs

(4)

式中：qf為最終承載力；Kφ為與基礎(chǔ)形狀有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)，對于粗顆粒土取值0.16～0.30，本文根據(jù)加拿大地基手冊推薦值取0.16；qc(av)為與基礎(chǔ)寬度等效的基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)的平均錐尖阻力，根據(jù)設(shè)計文件取z=B=1 m；qall為允許承載力；ρ為吹填砂密度；D為對應(yīng)深度；Fs為安全系數(shù)，取值3～4，本文取4。

總沉降包括荷載的瞬時作用和長期作用，體現(xiàn)為瞬時沉降和蠕變沉降，前者是荷載加上瞬間產(chǎn)生的沉降，后者是荷載加上后由于材料的緩慢變形產(chǎn)生的沉降。根據(jù)靜力觸探試驗得到的qc、文獻(xiàn)[11]中關(guān)于壓縮模量Es的取值(表4)以及作用荷載進(jìn)行沉降計算。

表4 砂土地基壓縮模量取值

蠕變沉降通過式(5)計算：

ρs=ρt-ρi

(5)

式中：ρs為t時刻的蠕變量；ρt為t時刻總的沉降值；ρi為瞬時沉降值。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，對于某一時刻的沉降量可采用式(6)～(7)計算，其表達(dá)式如下：

ρt=ρift

(6)

ft=(1+R3+Rtlgt/3)

(7)

式中：ft為修正系數(shù),t≥3 a；R3為開始3 a的沉降值系數(shù)；Rt為每3 a周期的沉降值系數(shù)。對于靜荷載，R3和Rt的保守取值分別為0.3 和0.2。

根據(jù)式(3)～(4)計算承載力、式(5)～(7)及表4計算沉降量，得到表5計算結(jié)果。由表5可知，各區(qū)域允許承載力為121.90～884.75 kPa；1 a總沉降為7.74～43.9 mm，滿足設(shè)計1 a不大于5 cm的要求。由此可見，相同的工藝參數(shù)下，地基承載力和1 a總沉降差別較大，呈離散型分布，但承載力最低的1 a總沉降量也最大，接近于5 cm，同時說明設(shè)計定出的回填厚度約在6～7 m 以內(nèi)的范圍采用夯擊能為3 000 kN·m 的點夯+1 000 kN·m普夯，而回填厚度介于7～11 m的區(qū)域采用夯擊能為4 000 kN·m的點夯+1 000 kN·m 普夯的施工方案是合理準(zhǔn)確的。

表5 不同區(qū)域承載力和沉降計算結(jié)果

續(xù)表5

處理區(qū)域1 m深度內(nèi)平均錐尖阻力∕MPa允許承載力∕kPa83 kPa瞬時沉降∕mm16.5 kPa瞬時沉降∕mm蠕變沉降∕mm1 a總沉降∕mmJ2713.93552.5421.844.342.1819.68J2810.32407.9920.824.142.0818.77J2915.67622.1419.843.941.9817.88K258.64340.7523.874.742.3921.51K2612.36489.5524.204.812.4221.81K2914.56577.7319.753.931.9717.80B2417.74705.0311.932.371.1910.75B2517.29686.8111.372.261.1410.25B2614.00555.2912.182.421.2210.98B2712.28486.4310.792.141.089.72B2813.26525.6011.622.311.1610.47B2912.00475.108.591.710.867.74N1920.27805.8721.394.252.1419.28N233.17121.9048.719.684.8743.90N2410.23404.2730.816.123.0827.76

注：83 kPa為設(shè)計使用荷載，包括后期使用荷載60 kPa及堆場厚1.0 m 面層的自重荷載23 kPa；16.5 kPa代表1 m厚的砂堆載預(yù)壓荷載。

5 結(jié)語

1)強夯砂土地基錐尖阻力沿著深度方向呈現(xiàn)駝峰狀分布，對于吹填厚度約11 m的區(qū)域，第一波峰在1～6 m深度；而對于吹填厚度約6 m的區(qū)域，第一波峰在1～4 m深度，第二波峰在原地面以下1 m附近。

2)在0～1 m范圍內(nèi)，錐尖阻力隨著深度的增加按線性趨勢快速增長，線性擬合度R2為0.856～0.995，1 m深度范圍內(nèi)，錐尖阻力與深度線性相關(guān)關(guān)系顯著。

3)各區(qū)域在相同的工藝參數(shù)下，地基承載力和1 a總沉降差別較大，呈離散型分布，但承載力最低的1 a總沉降量也最大。

4)在3 000 kN·m和4 000 kN·m夯能作用下的實際加固深度與計算加固深度相近，能滿足設(shè)計需要，表明夯擊能的選擇正確合理。