晉祠灌區渠道基礎處理中強夯技術的應用

孫 娟

(太原市晉祠水利管理處，山西 太原 030000)

1 黃土濕陷機理

濕陷性黃土又名大孔土，黃土結構疏松，具有較多結構性空隙，濕陷性黃土中不抗水顆粒受水浸濕后如遇一定壓力，土體結構將迅速破壞，出現明顯的濕陷變形，強度迅速降低。黃土濕陷將嚴重削弱地基承載力，無法達到建筑設計承載能力要求，還會引發已有建筑物的不均勻沉降，嚴重威脅建筑物的安全。實踐表明，強夯治理可以有效加固濕陷性黃土基礎，消除地基場內沉陷的不利影響。強夯技術是將夯錘持續升至相應高度后，通過直接砸擊地基土而向其施加地基顫動能量，壓縮地基土原有空隙，使土顆粒重新壓密排列后固結，從而提升土體承載力，消除土體壓縮性和濕陷性的地基加固技術，強夯法是濕陷性黃土基礎處理經濟而有效的措施，尤其對于非自重濕陷性黃土基礎的加固較為適用[1]。

2 強夯技術在濕陷性黃土基礎處理中的應用

晉祠灌區位于太原市著名的晉祠風景旅游區，是一個具有3000年灌溉歷史的自流灌區。南北分別與晉源區姚村、金勝接壤，東臨汾河，西依懸甕山，地形為北高南低，西高東低，屬太原盆地的一部分。氣候屬半干旱大陸性氣候，多年平均降雨量450mm，主要降雨集中在5-9月份，年平均蒸發量1450mm，凍土層深74cm。

2.1 試夯施工

灌區渠道沿線分布長度為15.58km的黃土，結合勘察資料，黃土區3-6m為輕微-強烈濕陷性黃土，6m以下為非濕陷性黃土，黃土比重2.17，干密度1.43-1.56g/cm3，液限23-27.6%，塑限15.0-15.8%，塑性指數7.8-10.9，飽和狀態下黏聚力17.0-25.0kPa。根據灌區該段濕陷性黃土基礎所處地理位置及對工程的影響，擬進行預浸水、擠密樁、置換法和夯擊法進行處理。為確定最佳處理方案，決定對天然含水率下強夯技術的可行性與適用性進行試夯試驗，試驗內容主要有試夯施工、夯擊前后土的物理力學性質取樣與試驗、振動檢測等。按照含水率、濕陷等級和土層厚度的不同劃分試驗區，見表1。

為給灌區濕陷性黃土基礎處理提供有效的可比性數據，確保大面積施工質量，對試夯施工進行如下安排：在每段場地中劃分出兩個10×10m的試夯區域，進行不同夯擊能試驗，1#夯擊區域采用預浸水增濕后與其余不浸水的2#、3#、4#、5#、6#夯擊區域進行強夯結果對比。

表1 試驗區劃分情況

2.1.1 設備參數的確定

灌區濕陷性黃土基礎強夯試驗所需設備名稱、數量、型號等參數具體如下：YTHQ450型強夯機1臺，36.0t夯錘1個，用于試夯施工；ZL20G型裝載機1輛，用于場地與夯坑平整；DS3水準儀1個，用于高程與夯坑沉降量測量；100.0m鋼卷尺1個，用于夯點測放；Ys-1型壓縮儀2臺；WG-4型固結儀1臺、GYS-2型電子液塑限儀2臺、JG-328型光電分析天平3臺，用于試夯后土常規、壓縮性、濕陷性及含水量等參數的室內檢測與試驗；TYL-30型原位荷載儀1臺，于試夯后進行承載力檢測。

2.1.2 施工參數確定

強夯技術應用時必須嚴格按照土層濕陷屬性、含水率、夯點距離、處理深度等參數確定夯擊能，按照《濕陷性黃土地區建筑施工規范》(GB50025-2004)(以下簡稱規范)，采用強夯法處理濕陷性黃土基礎，土的含水率應低于塑限含水率3%，對于擬夯實基層，土體天然含水率低于10%，應增濕直至接近最優含水率，而當土體含水率大于塑限含水率3%以上，應晾干或通過其他措施降低含水率[2]。

本次試驗夯擊次數按照規范確定，夯點的夯擊次數必須同時滿足以下條件：最終兩擊夯沉量平均值≤50mm，單擊夯擊能E≥4000 kN·m時的夯擊次數≤100mm，夯坑周圍地面不能出現過大隆起，避免夯坑過深帶來的起錘困難。“點夯+滿夯”的夯擊遍數為2+1遍，按正方形布置的夯點中心距為5m。

2.2 強夯后的檢測成果

試夯試驗表明，灌區濕陷性黃土在天然狀態下按照不同夯擊能夯擊后，土層干密度明顯增加，壓縮變形程度降低，地基所允許承載力也有大幅度提升，詳見表2。天然狀態下夯擊能為3000-5000kN·m時，地表以下4m內夯后干密度增加，200kPa的濕陷系數增大，濕陷性黃土的濕陷性完全消失；夯擊能為5000 kN·m及以上時，地表以下5-7m以內夯后干密度增加，200kPa的濕陷系數增大，濕陷性黃土土層濕陷性完全消失，僅在5#夯擊區4-7m土層可能存在輕微-強烈的濕陷性以及6#夯擊區5-7m土層存在中強濕陷，結果表明，強夯技術對濕陷性黃土基礎加固處理效果明顯。

表2 夯擊前后實現性黃土干密度與濕陷對比

2.3 振動檢測

為進一步明確強夯試驗所引起的振動對周邊土層及建筑物的影響范圍與程度，選擇1#和2#兩個夯擊區域，增大夯擊能，進行不同距離最大水平振速和垂直振速的振動檢測，檢測結果詳見表3。

根據夯擊試驗振動檢測結果，按照《爆破安全規程》(GB6722-2014)有關規定，振動主頻率為10-50Hz時所允許的安全振速為0.7-1.3cm/s，安全夯擊距離為10-20m，完全符合《強夯施工手冊》所規定的安全夯距。

表3 強夯試驗振動檢測結果

續表3 強夯試驗振動檢測結果

3 討論與結論

檢測結果顯示，天然含水率越低則黃土濕陷性越強，黃土干密度越大則孔隙比越小，濕陷系數越小。強夯技術通過改變黃土的黏粒含量、可溶鹽含量、含水率及干密度等進而改變黃土的濕陷性，達到加固土基的目的。除天然含水率、干密度之外，黏粒含量、可溶鹽含量也是影響黃土濕陷性的重要因素[3]。黏粒含量越少則黃土結構中的膠結作用越弱，濕陷性越強；固態形態的可溶鹽具有膠結黃土的作用，可溶鹽溶解后呈離子狀態時將與土粒表面所吸附的陽離子發生置換，改變黃土的濕陷性。研究結果表明，與其他地基處理方法相比，強夯技術處理濕陷性黃土基礎效果好、造價低、工期短，強夯所引起的振動對周邊土層及建筑物的影響范圍與程度完全符合《強夯施工手冊》安全夯距的規定。