強夯法作用下黑燕調蓄水池地基承載力研究

朱全海 張多宏 丁建興 楊耀峰 賈生海

（1.甘肅水利機械化工程有限責任公司，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

地基承載力（Subgrade bearing capacity）是指在單位面積的地基土隨荷載增加所發揮的承載能力[1]。在荷載作用下，地基會發生變形并且隨著載荷持續增加而增大，在初期，地基土中應力處在彈性平衡狀態，具有安全承載能力，隨著時間的推移，就可能出現大的沉降和變形，從而導致建筑物破壞。強夯法也稱為動力固結法、動力壓實法，在20世紀60年代后期在法國第一次應用于地基處理工程。其原理是將一定質量的重錘（100 kN~400 kN）提升到一定的高度（10 m~40 m）后釋放，對地基土產生一個強大的沖擊能后形成一定的沖擊波和動應力，從而壓實地基土，加固地基，以采取增加強度、降低壓縮性、消除濕陷性的工程措施[2]。

強夯法無須借助其他設備材料，建筑過程相對簡單，除設備成本外，幾乎沒有什么消耗，因此成本會下降[3]。

總的來說，在黃土地區修建工程設施，存在濕潤、滲漏等問題，會引起黃土的濕陷變形，因此，必須使用壓實技術處理地基，以保證基礎的穩定性和變形滿足使用要求。綜上所述，強夯法是一種常用的地基加固技術，其優點是施工方便、造價低和加固效果好，因此得到了廣泛應用。

1 工程概況

黑燕調蓄水池位于甘肅省定西市通渭縣黑燕鄉黃土梁峁臺地，北側與主山體相連，南側為侵蝕沖溝，地面高程2260m~2280m，設計池容為30 萬m3，屬引洮供水二期配套城鄉供水工程的一部分。蓄水池采用半挖半填長方形結構，全池土工膜防滲。池頂高程2277.0m，池底高程2263.0m，池深14.0m；蓄水池頂寬6.0m，池底長170m，寬120m，迎水面邊坡1 ∶2.75，背水面邊坡1 ∶2.0，在2267.0m 高程以下設排水棱體，池頂以上馬蘭黃土永久邊坡采用1 ∶1.5。相關工程地質數據見表1。

表1 上、中部黃土工程地質數據表

場地存在的主要工程地質問題是地基土的濕陷變形和場地穩定問題，如果將上層強濕陷性6 m~13 m 厚度土層全部挖除，挖除后的土再運到填方部位回填夯實，基礎處理費用將增加30%。因此，施工組織設計基礎處理方案選擇強夯處理，處理方案池底和池壁自上而下依次為清基+強夯處理（影響深度8 m 以內）。為達到設計處理效果，決定在現場對原地基土進行強夯處理試驗。

1.1 試驗方法

2019 年10 月5 日開始，對該項目進行現場強夯地基試驗，試驗段選在蓄水池南側填方區域，選取500m×100m 范圍，劃分成100m×100m 的5 個試驗區，編號分別為1#~5#，1#試驗區采用單擊夯能為3000kN·m，夯擊2 遍；2#試驗區第一遍采用單擊夯能為3000kN·m，第二遍采用單擊夯能為4000kN·m；3#試驗區采用單擊夯能為4000kN·m，夯擊2 遍；4#試驗區采用單擊夯能為4000kN·m，第二遍采用單擊夯能為5000kN·m；5#試驗區采用單擊夯能為5000kN·m，夯擊2 遍。由于強濕陷性土體在工程區上部8m~12m，因此決定試驗單擊夯擊能取最高5000kN·m。對各試驗區不同深度原狀土和夯擊土分別取樣，用烘干法測干密度和含水率，并對地基土承載力以及濕陷系數等進行計算。

2 試驗結果及分析

2.1 夯擊能與地基承載力

對1#~5#試驗區夯擊能與地基承載力檢測結果見表2，試驗區地基承載力關系曲線如圖2 所示。

圖2 1 號試驗區強夯影響深度與變形圖

圖3 2 號試驗區強夯影響深度與變形圖

圖4 3 號試驗區強夯影響深度與變形系數圖

圖5 4 號試驗區強夯影響深度與變形系數圖

表2 夯擊能與地基承載力表

對5 個試驗區進行單擊夯能試驗，均夯擊2 遍，1#、3#、5#號試驗區2 遍都采用相同的荷載，2#、4#號試驗區第二遍夯擊能均增加1000 kN?m，由此可知，當夯擊能不同時，隨著夯擊能增大，地基承載力也隨之增加。3#和5#試驗區數據顯示，雖然第二遍夯擊能比2#和4#提高了1000 kN?m，但是承載力并沒有明顯提升，每個試驗區地基承載力均未達到委托要求的地基承載力。

2.2 干密度與含水率檢測

分別在1#~5#試驗區對原狀土和夯擊土分層取土，取樣深度為1 m~9 m，用烘干法在試驗室分析得到干密度和含水率。2#、3#試驗區因和1#試驗區接近，未檢測原狀土樣干密度和含水率。1#~5#試驗區取樣位置及地面標高見表3，干密度和含水率試驗檢測結果見表4 和表5。

圖1 試驗區地基承載力關系曲線圖

表3 1#~5#試驗區取樣位置及地面標高

表4 1#~5#試驗區干密度檢測結果 （單位：g/cm3）

表5 1#~5#試驗區含水率檢測結果 （單位：%）

表 6 1 號試驗區強夯影響深度與變形系數

表7 2 號試驗區強夯影響深度與變形系數

表8 3 號試驗區強夯影響深度與變形系數

表9 4 號試驗區強夯影響深度與變形系數

由試驗數據分析可知：各試驗區原狀土干密度隨取土深度增加變幅不大，各試驗區相同取土深度內干密度基本一致。對夯擊土來說，影響深度內干密度每層均顯著增加，1 m~5 m 處增長最顯著，6 m 以下增長不顯著。

各試驗區原狀土含水率隨著深度增加逐漸增大，當取樣深度為9 m 時，含水率最大。對夯擊土來說，影響深度內含水率每層均顯著增加，隨著深度增加，含水率逐漸增大，當取樣深度為9 m 時，含水率最大。

對夯擊土來說，所有試驗區影響深度內干密度均未達到設計最大干密度1.68 g/cm3，試驗區影響深度內含水率基本均達到擊實最優含水率17.3%。

2.3 強夯影響深度與變形系數

對1#~5#試驗區強夯影響深度內土樣濕陷系數及壓縮變形系數進行分析，結果見表6~表10 及圖2~圖6。

表10 5 號試驗區強夯影響深度與變形系數

通過1#~5#試驗區土樣進行取樣試驗分析，1#試驗區濕陷系數和壓縮系數均逐漸減少，2#~5#試驗區隨著深度的增加濕陷系數和壓縮系數整體呈現逐漸增大的趨勢。

在1#試驗區，只對5 m 以下的土樣進行取樣試驗分析，目的是查看影響深度5 m 以下的土樣是否能夠消除濕陷性，結果顯示，深度不同濕陷系數和壓縮系數均不同，從圖4 可知，隨著取樣深度增加，濕陷系數和壓縮系數均逐漸變小，取樣深度在-5 m~-9 m 濕陷系數從0.016 變為0.0073，壓縮系數從0.521×10-3變為0.272×10-3，根據濕陷性黃土地區建筑規范（GB 50025—2004），該區濕陷系數均小于0.015，該試驗區可判定為非濕陷性黃土。從土樣顏色分析，取樣位置-5 m 以上為黃土，-5 m 處土樣呈黑色，-5 m 以下為黑土過度層，-8 m、-9 m 均為黑土，經過調查分析，該試驗區為山坡梯田的最下部臺地，曾經經過取土將上部黃土有過擾動，因此出現-5 m 以下為非濕陷性黃土。

在2#試驗區，隨著深度的增加濕陷系數和壓縮系數均呈現出逐漸增大的趨勢。-1 m~-3 m，濕陷系數小于0.015，已消除了濕陷性，-4 m 以下濕陷系數均大于0.015，未消除濕陷性。壓縮系數均大于0.1，屬中高壓縮性土。

在3#試驗區內，濕陷系數隨深度增大而增大。取樣在-4m 深處，濕陷系數低于0.015，已經消除了濕陷性，-4m以下濕陷系數均大于0.015，未消除濕陷性。壓縮系數均大于0.1，屬中高壓縮性土。壓縮變形系數整體上呈現增加的趨勢，在-2m 處出現極值，可能是試驗誤差造成的。

在4#試驗區，隨著深度增加，濕陷系數和壓縮系數均呈現逐漸增大的趨勢。-4 m 以下濕陷系數均大于0.015，未消除濕陷性。壓縮系數均大于0.1，屬中高壓縮性土。

在5#試驗區，隨著深度增加，濕陷系數和壓縮系數均呈現出逐漸增大的趨勢。在1m~4m，濕陷系數小于0.015，已消除濕陷性，-4 m 以下濕陷系數均大于0.015，未消除濕陷性。壓縮系數均大于0.1，屬中高壓縮性土。

綜上所述，各試驗區地基土在強夯作用下，地基土濕陷性均有不同程度的削減，壓縮性也普遍為降為中壓縮，但整體來說，-4 m 以下濕陷系數均大于0.015，未消除濕陷性。壓縮系數均大于0.1，還屬中高壓縮性土。強夯法有效地提高了地基的承載力，增加了地基土的密實度，但是仍不能完全消除工程區黃土的濕陷性，達不到設計要求。

3 結論

對1#~5#試驗區強夯影響深度內土樣濕陷系數及壓縮變形系數進行分析，水廠工程地質條件較差，地基濕陷等級為Ⅳ級，地基土的濕陷變形問題很嚴重。

各試驗區原狀土干密度隨著取土深度增加增幅不大。對夯擊土來說，取土深度內干密度每層均顯著增加，1m~5m處增長最顯著，6m 以下增長不顯著。各試驗區原狀土含水率隨著深度增加逐漸增大，當取樣深度為9m 時，含水率最大。對夯擊土來說，影響深度內含水率每層均顯著增加，隨著深度增加，含水率逐漸增大，取樣深度為9m 時，含水率最大。對夯擊土來說，所有試驗區影響深度內干密度均未達到設計最大干密度1.68 g/cm3，試驗區影響深度內含水率基本均達到擊實最優含水率17.3%。

根據濕陷性黃土地區相關工程經驗，對該項目基礎處理采用強夯法試驗，結果不理想，強夯法雖然提高了地基的強度，增加了密實度，消除了部分濕陷性，但是在強夯法加固后，其干密度沒有達到設計要求，在規劃深度區域，沒有徹底清除濕陷性。

工程建議：蓄水池采取半挖半填方式，北側以挖方為主，南側下部挖方，上部填方，基礎處理建議采用翻夯處理。挖除強濕陷性土層，挖方應盡量挖穿上部eolQ32 馬蘭黃土，使池底處于plQ31 洪積黃土狀土中，池底、池坡應進行原土翻夯或墊層處理，池堤填筑前應對原地基土進行翻夯處理，翻夯時應分層填筑，充分壓實，填土干密度大于1.61 g/cm3，最優含水量17%，壓實系數大于0.96。