強夯法處理濕陷性風積砂土地基評價

柳 旻，姚晨輝，張國敬，孫 濤

(1.機械工業勘察設計研究院有限公司， 陜西 西安 710043；2.哈爾濱電站設備成套設計研究所有限公司， 黑龍江 哈爾濱 150046)

“濕陷性”一詞的定義最早出現在我國1966年頒布的《濕陷性黃土地區建筑規范》[1](GB 50025—1966)中：“黃土在一定的壓力作用下受水浸濕，土體結構迅速破壞而發生顯著附加下沉的性質，叫做黃土的濕陷性”。可以看出早期工程界對于“濕陷性”的認識主要局限在“黃土”，研究也多集中在濕陷性黃土方面，內容涉及濕陷性黃土的濕陷性機理與本構關系、濕陷性黃土試驗及評價方法、基本物理力學性質指標與濕陷性關系、濕陷性黃土地基處理等等[2-11]。濕陷性砂土在我國主要分布在我國西北部，分布范圍有限，相關研究成果也較少[12]，相應的地基處理方法的研究也較貧乏。隨著我國“一帶一路”戰略實施，工程建設遇到越來越多的復雜的地基土，濕陷性砂土即是一種，如安哥拉羅安達是KK新城建設中遇到的“濕陷性紅砂土”[13]、尼日利爾某煉廠建設中的“濕陷性風積砂土”等[14]，隨后相關濕陷性砂土試驗、評價及處理的研究也開始多起來[15-16]。

巴基斯坦塔爾煤田其位于塔爾沙漠腹地，是我國實施“一帶一路”戰略、推進中巴經濟走廊建設的優先發展項目之一。這里土壤沙化，地貌單元為沙丘，為東北至西南走向，工程建設區遇到的地基土主要為風積砂，其具有特殊的工程性質即遇水強度降低，并產生濕陷顯著的變形，這將直接影響到廠區建設以及后期運行中建筑物的安全穩定，因此必須對地基土進行處理。

國內濕陷性黃土地基處理的目的主要是消除黃土的濕陷性，提高地基的承載力，從而消除濕陷性造成的工程危害。強夯法在處理濕陷性黃土地基具有施工簡便、工期短、成本低、效果好等特點，在全國濕陷性黃土地區得到廣泛應用和推廣[17]。但強夯法對濕陷性砂土地基處理效果如何，目前工程實例相對較少。

本文以巴基斯坦塔爾煤礦某在建電廠建設中地基處理工程為依托，開展對強夯法處理濕陷性砂土地基效果評價的研究。

1 工程地質概況

擬建場地地形較為平緩，略有起伏，高程在82 m～85 m之間，在鉆探深度范圍內，整個廠區地層巖性為第四系風積土(Qeol)，地層巖性單一，均為粉細砂。圖1為場地內某一工程地質剖面圖，按密實程度分為4個亞層：粉細砂①：灰黃色，干燥—稍濕，松散—稍密，層厚0.40 m～2.80 m，修正后的標準貫入試驗錘擊數平均值為13.4擊；粉細砂②：灰黃色，稍濕，中密，修正后的標準貫入試驗錘擊數平均值為22.8擊，層厚1.50 m～4.70 m；粉細砂③：灰白—灰黃色，稍濕，密實，層厚16.70 m～21.40 m，修正后的標準貫入試驗錘擊數平均值為70.1擊；粉細砂④：灰黃色，稍濕，密實，修正后的標準貫入試驗錘擊數平均值為107.0擊，該層未揭穿，最大揭露厚度為29.00 m，最大鉆探深度50.00 m。

根據室內濕陷性試驗及現場載荷試驗結果：①、②層土具有濕陷性。濕陷土層分布不均勻，分布深度位于原始地面下約5.0 m深度范圍內，濕陷系數介于0.015～0.090之間。

由于國內沒有專門針對濕陷砂土的相關規范，故參照《濕陷性黃土地區建筑規范》[18](GB 50025—2004)，對濕陷性砂土進行評價。本場地地基土濕陷程度從輕微至強烈均有分布，因此需要對場地地基土進行處理，以消除或避免因濕陷性造成的工程危害。

圖1 場地典型地質剖面圖

2 強夯施工設計

本場地采用強夯法進行地基處理，要求消除①、②層土的濕陷性，強夯后地基土承載力不小于251 kPa，壓縮模量不小于14 MPa。

強夯施工中夯錘重15.6 t，錘底直徑為2.5 m，底面為橢圓形。點夯夯擊能為2 000 kN·m，夯點間距為4 m，夯擊時按間隔1個夯擊點進行跳夯，跳夯間距為8 m。第一遍夯擊點按正方形網格排列，間隔8 m，間隔1個夯擊點跳夯夯擊完成。第二遍選用第一遍已夯點間隙，采用梅花形網格排列，依次夯擊完成。第三遍夯擊選用第一、二遍已夯點間隙，采用正方形網格排列，依次夯擊完成。點夯順序如圖2所示。

圖2 強夯點布置圖(單位：mm)

點夯夯擊數8擊～15擊，最后兩擊夯沉量應滿足小于50 mm。點夯完后以1 000 kN·m低能量滿夯一遍，以加固前幾遍之間的松土和被振松的表土層，夯印搭接不小于60 cm。根據前期試夯經驗，在強夯施工前應對夯區進行適量增濕處理，使土體含水量達到最優，可提高強夯處理效果。

3 強夯后地基土檢測結果

本場地強夯處理面積約為72 058 m2，強夯施工完成后間隔7 d～10 d，在處理過的地基土自夯面起至其下5 m或第三層土頂面的深度范圍內，每隔1 m取1個土樣，總計取380個試樣，采用環刀法進行室內濕陷性試驗，并在主要建筑物內布置了15個平板載荷試驗點。

3.1 室內濕陷性試驗

室內濕陷性試驗統計結果見表1，從試驗數據可以看出，砂土地基經過強夯處理后在0～5 m范圍內濕陷系數δs多介于0.003 1～0.008 7之間，平均值為0.006 2，壓縮模量為28.75 MPa～41.41 MPa，平均值為32.48 MPa，濕陷性基本得到消除。

表1 強夯處理后砂土的主要物性指標

圖3、圖4為強夯后砂土濕陷性系數和壓縮模量散點圖。

圖3 強夯后不同深度濕陷性系數分布圖

由圖3、圖4可以看出濕陷性系數多分布在0.015以下，壓縮模量多分布在15 MPa～40 MPa。受場地地質條件和施工質量的差異影響，部分區域在3.0 m～4.0 m范圍濕陷性系數δs達到了0.030～0.418，仍具有濕陷性，壓縮模量偏低介于8.74 MPa～12.54 MPa，需進行補夯的處理，以滿足設計要求。

圖4 強夯后不同深度壓縮模量分布圖

通過采用強夯法地基處理措施，該場地濕陷性砂土在0～5 m范圍內濕陷性基本得到了消除，總體判別為無—輕微濕陷，壓縮模量滿足設計要求。部分區域經強夯處理后仍有輕微濕陷性，分布范圍小，多呈單點分布，且分散不集中。

3.2 平板載荷試驗

強夯后現場平板載荷試驗檢測結果見表2，其p-s曲線見圖5。

圖5 強夯地基平板載荷試驗p-s曲線

表2 平板載荷試驗結果統計表

從圖5、表2可以看出，強夯后地基土承載力特征值均達到251 kPa，承載力特征值對應沉降量介于3.10 mm～8.39 mm，變形模量介于24.12 MPa～65.28 MPa，p-s曲線基本無明顯拐點，亦無明顯的比例界限，強夯提高了地基土的承載力，滿足設計要求。

4 強夯處理濕陷性砂土地基效果評價

強夯法處理地基土的機理就是通過重錘從高處自由落下，利用夯錘的勢能和動能給地基土以巨大的沖擊，使土體壓密、固結，使顆粒結構重新排列，以達到增大地基土的密實度，提高地基土承載力，消除濕陷性的目的。因此表征砂土濕陷性、密實度的相關指標，可評價強夯效果，如濕陷性系數、干密度和孔隙比、壓縮模量等，表3為未處理砂土的主要物理性質指標。

(1) 濕陷性系數。圖6為強夯前后不同深度濕陷性系數平均值對比曲線，可以看出強夯處理后砂土的濕陷性系數平均值均小于0.010，特別在0～2 m范圍內濕陷性系數平均值降低幅度較大，表明強夯消除濕陷性效果明顯。

圖6 強夯前后砂土濕陷性系數對比曲線

表3 強夯前砂土物理性質指標

(2) 干密度。圖7為強夯前后砂土干密度對比曲線，可以看出強夯后砂土的干密度比強夯前提高了0.11，平均提高6.6%，表明強夯使砂土更加密實，也間接反映出砂土的濕陷性得以降低甚至消除。

圖7 強夯前后砂土干密度對比曲線

(3) 孔隙比。圖8為強夯前后砂土孔隙比的變化曲線。由圖8可以看出砂土孔隙比較強夯前平均減小0.136，降低約19.4%。表明了強夯降低了土體孔隙比，提高了砂土的密實度，與濕陷性和干密度的分析結果基本一致。

圖8 強夯前后砂土孔隙比對比曲線

(4) 壓縮模量。圖9為強夯前后砂土壓縮模量的變化曲線。

圖9 強夯前后砂土壓縮模量變化曲線

由圖9可以看出，相比強夯前砂土的壓縮模量得到顯著的提高，平均值增大19.18 MPa，提高59.1%。表明強夯也極大提升砂土的壓縮模量。

5 結 論

本文通過對巴基斯坦塔爾煤礦某電廠場地濕陷性砂土地基強夯效果分析，主要得到以下結論：

(1) 強夯后地基土的檢測數據表明：在0～5 m范圍內濕陷性系數范圍在0.003 1～0.008 7之間，平均值0.006 2，壓縮模量為28.75 MPa～41.41 MPa，平均值32.48 MPa。濕陷性基本得到了消除，總體判別為無-輕微濕陷，壓縮模量滿足設計要求。

(2) 受地質條件及施工質量影響部分區域在3.0 m～4.0 m范圍濕陷性系數δs介于0.030～0.418，濕陷性中等，壓縮模量偏低為8.74 MPa～12.54 MPa，需進行補夯的處理，以滿足設計要求。

(3) 分析對比強夯前后檢測數據，可以看出強夯使得砂土干密度平均增大6.6%，孔隙比平均降低19.4%，壓縮模量平均提高了59.1%，也間接反映濕陷性得以降低甚至消除。