填土層低能級(jí)強(qiáng)夯試驗(yàn)收錘擊數(shù)和夯擊間隔時(shí)間探討

黃清祥

（中國(guó)京冶工程技術(shù)有限公司廈門分公司，福建廈門 361009）

0 引言

近些年隨著城市建設(shè)的不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)了很多新建工程“高挖深填”的問(wèn)題。對(duì)于新近回填的雜土、填砂等混合物需進(jìn)行地基處理后，方可提供一定的承載力和減少建筑（構(gòu)）物的工后沉降等。目前，強(qiáng)夯法作為地基處理的常用方法之一，通過(guò)一般重達(dá)（8～30t）的重錘和8～20m 的落距，利用動(dòng)力反復(fù)對(duì)地基土施加很大的沖擊能壓實(shí)土體，可提高地基土的強(qiáng)度和均勻程度，減少將來(lái)可能出現(xiàn)的差異沉降、降低土的壓縮性、改善砂土的抗液化條件等[1]。水偉厚等[2]通過(guò)建立強(qiáng)夯能級(jí)與擊實(shí)試驗(yàn)擊數(shù)及最優(yōu)含水量的關(guān)系，從夯擊能的角度對(duì)強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。姚仰平等[3]通過(guò)數(shù)值模擬分析地基的強(qiáng)夯加固效果，用控制體應(yīng)變作為評(píng)價(jià)加固范圍的標(biāo)準(zhǔn)。欒帥等[4]通過(guò)不同的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)對(duì)比，分析不同高能級(jí)強(qiáng)夯對(duì)不同土質(zhì)殘積土回填地基的有效加固深度的變化規(guī)律。張濤等[5]通過(guò)對(duì)某高速公路工程高填路基強(qiáng)夯處理作業(yè)振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，研究強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響。胡瑞庚等[6]對(duì)不同性質(zhì)回填土地基上進(jìn)行的高能級(jí)強(qiáng)夯試驗(yàn)，采用平板載荷試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、瑞利波測(cè)試方法研究強(qiáng)夯前、強(qiáng)夯后淺層地基承載力和深層密實(shí)度的變化，提出考慮土類別的高能級(jí)強(qiáng)夯有效加固深度計(jì)算公式。通過(guò)上述文獻(xiàn)，目前對(duì)強(qiáng)夯影響加固深度和振動(dòng)等方面的研究較多。

巖土工程的地域性和個(gè)性比較強(qiáng)，往往在相同夯擊能和夯擊擊數(shù)下，強(qiáng)夯夯點(diǎn)的夯沉量具有一定的離散性。若按規(guī)范[7]低能級(jí)夯擊能（＜4000kN·m）的收錘標(biāo)準(zhǔn)，很難確保每個(gè)夯擊點(diǎn)都能滿足。因此，如何通過(guò)試夯夯點(diǎn)的夯擊擊數(shù)與夯沉量的曲線關(guān)系，從統(tǒng)計(jì)學(xué)和宏觀上確定大面積強(qiáng)夯施工的收錘夯擊擊數(shù)，是值得探討的一個(gè)問(wèn)題。另外試夯過(guò)程也能分析強(qiáng)夯對(duì)周邊土體產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力變化規(guī)律，確定兩遍強(qiáng)夯的時(shí)間間隔。

文中擬通過(guò)強(qiáng)夯試驗(yàn)施工數(shù)據(jù)和周邊土體產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力消散規(guī)律，探討強(qiáng)夯收錘擊數(shù)的確定方法，確定強(qiáng)夯間隔時(shí)間。對(duì)類似土層采用低能級(jí)強(qiáng)夯法的施工參數(shù)確定有一定的借鑒意義。

1 工程概況

強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)位于廈門市翔安區(qū)，擬建場(chǎng)地由原海灣灘涂回填而成，上部松軟土層的綜合厚度較大，且具有較大濕陷性、高壓縮性和不均勻性等不良特性，而且使用荷載比較大，需進(jìn)行地基處理。強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)位置典型地質(zhì)剖面圖，如圖1 所示。

圖1 強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)典型地質(zhì)剖面圖

場(chǎng)地地下水水位距地表約4.0m，各巖層土體性質(zhì)如下：

素填土①b：灰褐、褐黃色，呈松散-稍密狀。填料成分主要為粘性土，局部地段含少量碎石或塊石，回填時(shí)間5～10 年，該層標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)一般3.0～14.0擊，平均值為8.23 擊，其均勻性差異大，工程性能差。

填砂①c：灰色、灰黃色，以稍密為主，局部為中密，飽和礫砂填料成分以石英砂為主，回填時(shí)間5～10年，分選性較好，級(jí)配差，顆粒呈次棱角狀。標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)一般5～43 擊，平均值為13.6 擊。

淤泥質(zhì)土②a：深灰色，飽和，流塑。搖振反應(yīng)慢，干強(qiáng)度較高，韌性較高，刀切面光滑，含腐殖質(zhì)及少量腐朽物和貝殼，具腐臭味，污手，局部含少量中細(xì)砂，為高壓縮性軟土。

粉質(zhì)黏土③a：灰綠、灰黃色，飽和，呈可～硬塑狀，成分以粘粉粒為主，局部夾有砂礫，刀切面較光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，無(wú)搖振反應(yīng)。標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)一般11.0～35.0 擊，平均值為19.2 擊。

2 強(qiáng)夯試夯區(qū)參數(shù)

2.1 夯點(diǎn)布置與施工順序

強(qiáng)夯試夯區(qū)域選擇具有代表整個(gè)場(chǎng)地的巖土層分布特點(diǎn)，該區(qū)域填土（砂）層厚約6.0m，淤泥質(zhì)土層約1.3m，粉質(zhì)黏土層厚約10.5m。試夯區(qū)域大小20m×20m，試夯的夯擊能為3000kN·m，夯錘錘重27.65t，落距高度10.8m，錘底直徑2.24m。第一遍試夯點(diǎn)布置如圖2 所示。

圖2 第一遍試夯點(diǎn)布置圖（單位：m）

強(qiáng)夯試夯過(guò)程的基本步驟如下：

（1）清理并整平試驗(yàn)區(qū)場(chǎng)地。

（2）標(biāo)出第一遍夯點(diǎn)位置，測(cè)量夯點(diǎn)地面高程。

（3）夯機(jī)就位，起吊吊鉤至落距高度，將吊鉤牽引鋼絲繩固定，鎖定落距H。

（4）將夯錘平穩(wěn)提起置于夯點(diǎn)位置，測(cè)量夯前錘頂高程hi1。

（5）起吊夯錘至預(yù)定高度，夯錘自動(dòng)脫鉤下落夯擊夯點(diǎn)。

（6）測(cè)量錘頂高程hi2，記錄夯坑下沉量si=(hi1-hi2)。

（7）重復(fù)步驟（5）～（6），按規(guī)范表6.3.3-2 強(qiáng)夯法最后兩擊平均夯沉量≤5cm 控制標(biāo)準(zhǔn)，完成一個(gè)夯點(diǎn)的夯擊，夯錘移位到下一個(gè)夯點(diǎn)，重復(fù)步驟（2）～（5），完成第一遍全部夯點(diǎn)的夯擊。

2.2 強(qiáng)夯區(qū)域周邊土層超靜孔隙水壓力測(cè)試

孔隙水壓力計(jì)主要測(cè)量強(qiáng)夯對(duì)周邊土層產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力值，孔壓測(cè)試點(diǎn)布置如圖3、圖4所示。

圖3 超靜孔隙水壓力測(cè)點(diǎn)平面布置圖（單位：m）

圖4 超靜孔隙水壓力測(cè)點(diǎn)剖面圖（單位：m）

第一遍試夯施工后對(duì)不同土層深度處的超靜孔隙水壓力的增長(zhǎng)和消散過(guò)程進(jìn)行測(cè)試。每次觀測(cè)用數(shù)字式頻率計(jì)測(cè)出各孔隙水壓力傳感器的即時(shí)頻率，將每次觀測(cè)的數(shù)據(jù)記錄在觀測(cè)表內(nèi)，計(jì)算出該點(diǎn)的即時(shí)孔隙水壓力。測(cè)量采用608A 型振弦頻率讀數(shù)儀完成，計(jì)算公式如下：

式中，P 為孔隙水壓力，kN；K 為傳感器標(biāo)定系數(shù)，kN/Hz2；fi為測(cè)試頻率，Hz；f0為初始頻率，Hz。

3 強(qiáng)夯試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析

3.1 強(qiáng)夯試夯點(diǎn)數(shù)據(jù)整理與分析

在預(yù)期的強(qiáng)夯夯擊數(shù)14～16 次下，夯點(diǎn)(A1～A16)的夯擊擊數(shù)與對(duì)應(yīng)的夯沉量關(guān)系曲線如圖5、圖6 所示。各夯點(diǎn)的最后兩擊夯沉量平均值Si和累計(jì)夯沉量，如圖7、圖8 所示。

圖5 夯點(diǎn)（A1～A8）夯擊擊數(shù)與對(duì)應(yīng)的夯沉量關(guān)系圖

圖6 夯點(diǎn)（A9～A16）夯擊擊數(shù)與對(duì)應(yīng)的夯沉量關(guān)系圖

圖7 夯點(diǎn)（A1～A16）最后兩擊夯沉量平均值分布

圖8 夯點(diǎn)(A1～A16)累計(jì)夯沉量分布

由圖5、圖6 可知，各強(qiáng)夯點(diǎn)在夯擊第1～3 擊時(shí)夯沉量最大，其中有13個(gè)夯點(diǎn)（81.3%夯點(diǎn)）的累計(jì)沉降量占總沉降量41%以上，對(duì)土體的處理效果最明顯。在第4 擊以后夯點(diǎn)的夯沉量均勻下降。

由圖7 中數(shù)據(jù)可整理最后兩擊沉降量平均值Si的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和σf變異系數(shù)δ，按下列式（2）～式（4）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 夯點(diǎn)最后兩擊沉降量平均值Si 統(tǒng)計(jì)分析

由圖7、表1 可知：①同一場(chǎng)地內(nèi)在相同夯擊能和夯擊擊數(shù)下，試夯點(diǎn)最后兩擊沉降量平均值具有一定的離散性，很難確保每個(gè)夯點(diǎn)Si均小于5.0cm。從統(tǒng)計(jì)夯點(diǎn)的Si計(jì)算，平均值均接近5.0cm，但變異系數(shù)大小和統(tǒng)計(jì)的方式有一定關(guān)系，當(dāng)采用分別去掉2個(gè)最大值和最小值后計(jì)算，變異系數(shù)＜0.30，這樣的數(shù)據(jù)離散性就比較小，更能代表整個(gè)場(chǎng)地實(shí)際夯擊后的情況；②按部分?jǐn)?shù)據(jù)2 統(tǒng)計(jì)計(jì)算，Si≤4.5cm 占比33%；Si≤5cm 占比50%；Si≤5.5cm 占比67%；Si≤6.0cm 占比75%；Si≤7cm 占比92%。滿足規(guī)范要求的收錘標(biāo)準(zhǔn)（Si≤5cm 占比50%）夯點(diǎn)數(shù)保證率為50%；滿足規(guī)范要求的收錘標(biāo)準(zhǔn)（Si±2cm 占比達(dá)92%）。

工程該區(qū)域地基處理后，場(chǎng)地均勻性標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)結(jié)果表明，均能滿足規(guī)范和工程要求；建議在大面積強(qiáng)夯正式施工前，通過(guò)試夯數(shù)據(jù)分析，結(jié)合考慮具體場(chǎng)地條件和采用的夯擊能條件，從統(tǒng)計(jì)學(xué)和宏觀的角度出發(fā)，將Si適當(dāng)調(diào)整±2cm，同時(shí)確保占比在90%以上的雙控制方法，應(yīng)能滿足工程要求。通過(guò)試夯區(qū)先確定收錘擊數(shù)，這樣方便施工現(xiàn)場(chǎng)組織和提高施工效率，對(duì)縮短強(qiáng)夯地基處理工期具有重要意義。

各強(qiáng)夯點(diǎn)累計(jì)夯沉量平均值S1=153.1cm，如圖8所示。夯點(diǎn)位置夯沉下降部分的土體，即土體壓縮量體積約V1 計(jì)算如下：

按強(qiáng)夯的施工順序，第一遍強(qiáng)夯完成后會(huì)進(jìn)行場(chǎng)地平整，根據(jù)土體壓縮量相等原則，強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)的場(chǎng)地平均沉降量S2計(jì)算如下：

式中，V1為強(qiáng)夯點(diǎn)的土體壓縮量體積，m3；n 為試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯點(diǎn)個(gè)數(shù)，A1為夯錘錘底面積，m2；S1為各強(qiáng)夯點(diǎn)累計(jì)夯沉量平均值，m;A2為強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)面積，m2；S2為強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)下沉降量，m。

上述通過(guò)土體等體積壓縮方法可計(jì)算得到強(qiáng)夯后場(chǎng)地平均沉降量S2，再結(jié)合設(shè)計(jì)交工面標(biāo)高，可為大面積強(qiáng)夯施工前場(chǎng)地平整高度計(jì)算提供參考。

3.2 強(qiáng)夯試夯產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力測(cè)試數(shù)據(jù)整理與分析

強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)域的夯擊能為3000kN·m，根據(jù)規(guī)范，強(qiáng)夯有效加固影響深度估算約6～7m。第一遍強(qiáng)夯夯點(diǎn)(A1～A16)夯擊過(guò)程中，距離試驗(yàn)區(qū)邊緣20m 遠(yuǎn)處，不同土層的超靜孔隙水壓力值與時(shí)間關(guān)系，如圖9 所示，不同土層的超靜孔隙水壓力每天變化值與時(shí)間關(guān)系，如圖10 所示。

圖9 不同土層的超靜孔隙水壓力值變化與時(shí)間關(guān)系曲線

由圖9、圖10 可知：①在強(qiáng)夯有效加固影響深度范圍土體產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力最大值是影響深度以下土層的10 倍；②在強(qiáng)夯處理后5d 內(nèi)超靜孔隙水壓力累計(jì)消散占比約57.0%，之后消散的速度會(huì)緩慢進(jìn)行；③從土層性質(zhì)分析，填土層的消散速率會(huì)比淤泥質(zhì)土和黏性土層快。

圖10 不同土層的超靜孔隙水壓力每天變化值與時(shí)間關(guān)系曲線圖

在強(qiáng)夯加固影響深度范圍內(nèi)的填土層中，距離強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)邊緣分別為20m（KY1-1）、30m（KY2-1）、40m（KY3-1）設(shè)置測(cè)點(diǎn)，測(cè)得的超靜孔隙水壓力值與時(shí)間關(guān)系，如圖11 所示，超靜孔隙水壓力每天變化值與時(shí)間關(guān)系，如圖12 所示。

圖11 填土層中距試夯區(qū)邊緣不同位置處的超靜孔隙水壓力值與時(shí)間關(guān)系曲線圖

圖12 填土層中距試夯區(qū)邊緣不同位置處的超靜孔隙水壓力每天變化值與時(shí)間關(guān)系曲線

由圖11、圖12 可知：①在強(qiáng)夯有效加固影響深度范圍內(nèi)的填土層中，距試夯區(qū)邊緣20m 與40m 遠(yuǎn)處位置土體產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力值僅僅大近1.16 倍，說(shuō)明在強(qiáng)夯平面影響范圍內(nèi)，同一土層產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力值與距離試夯邊緣的遠(yuǎn)近差別不明顯，但是隨著距離增加，壓力值會(huì)相對(duì)小一些；②超靜孔隙水壓力累計(jì)消散速度規(guī)律基本一致，且消散的速率也接近，說(shuō)明在上述夯擊能下強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)外約40m 影響范圍內(nèi)，同一土層的超靜孔隙水壓力消散速率與距離強(qiáng)夯位置沒(méi)有關(guān)系；③在填土層中前5d 超靜孔隙水壓力消散速度快，可達(dá)到57%以上，12d 可達(dá)80%。第一、二遍強(qiáng)夯的時(shí)間間隔應(yīng)根據(jù)試夯結(jié)果，確定一個(gè)合理的時(shí)間間隔，減少后期的工后沉降影響，縮短強(qiáng)夯地基處理施工工期具有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

文中擬通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際強(qiáng)夯試夯施工數(shù)據(jù)，探討適用于確定大面積強(qiáng)夯施工的強(qiáng)夯收錘擊數(shù)方法，以及強(qiáng)夯對(duì)周邊土體形成超靜孔隙水壓力后的消散規(guī)律，得出主要以下結(jié)論：

（1）在前4 次的夯擊作用下，夯沉量下降明顯，以后夯沉量下降均勻后趨于穩(wěn)定。

（2）應(yīng)從統(tǒng)計(jì)學(xué)和宏觀的角度出發(fā)，對(duì)夯點(diǎn)最后兩擊沉降量平均值Si適當(dāng)調(diào)整±2cm，同時(shí)確保占比在90%以上的雙控制方法，確定的強(qiáng)夯收錘擊數(shù)能滿足工程要求。

（3）在強(qiáng)夯有效加固影響深度范圍下，土體產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力最大值是影響深度以下土層的10 倍。

（4）在低能級(jí)強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)外約40m，同一土層產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力值與距離試夯邊緣的遠(yuǎn)近差別不明顯，但是隨著距離增加，壓力值會(huì)相對(duì)小一些，消散速率與距離強(qiáng)夯位置沒(méi)有關(guān)系。