強(qiáng)夯法加固機(jī)場道基的現(xiàn)場試驗(yàn)研究

程 旭 日

(元翔(福州)國際航空港有限公司, 福建 福州 350000)

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展,城市擴(kuò)張對土地資源的需求越來越大。對于東南沿海地區(qū),采用吹填海砂來填海造陸是解決機(jī)場、港口等大型工程用地的重要方法之一。強(qiáng)夯法是將一定重量的夯錘反復(fù)從一定高度自由落下,通過不斷沖擊振動夯實(shí)既有地基,以達(dá)到提高地基承載力或提高相應(yīng)工程性能的方法。相對于其他地基處理方式,強(qiáng)夯法具有施工工藝簡單、加固效率高、效果明顯、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)。強(qiáng)夯法在施工期間振動大、影響面廣,因此特別適用于空曠廣闊的填海造陸地段。

強(qiáng)夯法由法國工程師梅納(Menard,1969)于20世紀(jì)60年代首次提出并應(yīng)用于工程,在20世紀(jì)80年代傳入我國并在沿海地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。隨著土建工程迅速發(fā)展,對于強(qiáng)夯方面研究(主要集中在理論與試驗(yàn))也越來越多。在理論研究方面:最初采用動量定理推導(dǎo)夯錘沖擊力公式,計(jì)算模型較為簡單,未涉及復(fù)雜的動力學(xué)方程,難以得到準(zhǔn)確結(jié)果。實(shí)際上強(qiáng)夯夯錘與地面作用是一個復(fù)雜的作用過程,是強(qiáng)夯理論研究的重難點(diǎn),國外相關(guān)研究[1]采用兩種方法:①將強(qiáng)夯作用簡化為作用力-時間的函數(shù)施加于土體;②夯錘作為剛體直接作用于土體。相較于第二種方法,第一種在建模及理論計(jì)算更具有優(yōu)勢。90年代隨著強(qiáng)夯技術(shù)的應(yīng)用推廣,陸續(xù)建立強(qiáng)夯錘與地基接觸的力學(xué)解析式并結(jié)合邊界元、動力有限元理論對巖土問題進(jìn)行線性或非線性分析[2-5];計(jì)算機(jī)模擬廣泛應(yīng)用在強(qiáng)夯理論研究中,楊建國等[4]采用動力有限元方法建立模型對夯錘落高、夯錘重量、夯錘直徑、夯擊間距等參數(shù)進(jìn)行研究,確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù);蔣鵬等[5]采用離散元方法模擬了夯擊作用下松散塊石層的變形過程,闡述了夯擊能量在地基土中的分布規(guī)律。在試驗(yàn)方面:較早的研究如徐金明等[6]對軟土強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)孔隙水壓力、土體位移、標(biāo)貫指標(biāo)、荷載試驗(yàn)等進(jìn)行研究。安春秀等[7]依托瑞利波法、動力觸探法和靜載荷試驗(yàn)法等對強(qiáng)夯設(shè)計(jì)關(guān)鍵土力學(xué)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算分析,對強(qiáng)夯有效加固深度計(jì)算修正系數(shù)給出建議值;李潤等[8]對填方區(qū)某試驗(yàn)場進(jìn)行強(qiáng)夯引起的地面振動及其對建筑物的影響研究;Harrison Brian[9]采用原位標(biāo)貫及大直徑平板試驗(yàn)對強(qiáng)夯前后土層一定深度范圍內(nèi)密實(shí)效果進(jìn)行研究;Rollins K M等[10]結(jié)合試驗(yàn)對采用強(qiáng)夯的15個工程案例進(jìn)行分析總結(jié),對不同土質(zhì)下強(qiáng)夯作用深度等進(jìn)行了詳細(xì)研究;近年來隨著我國交通航空建設(shè)事業(yè)發(fā)展,強(qiáng)夯已大量應(yīng)用于港口機(jī)場等大型建設(shè)項(xiàng)目中,特別是在沿海地區(qū)填海造陸工程,強(qiáng)夯法在吹填海砂地基的適用性研究也日趨增多[11-13]。

綜上,理論研究是必不可少的手段,但強(qiáng)夯法加固機(jī)理較復(fù)雜,目前尚無法給出準(zhǔn)確的解釋及計(jì)算方法。在工程實(shí)踐及現(xiàn)場試驗(yàn)方面,針對吹填海砂地基的數(shù)據(jù)也相對缺乏。因此,本文將結(jié)合某沿海機(jī)場二期工程,依托現(xiàn)場相關(guān)試驗(yàn),對強(qiáng)夯法在吹填海砂機(jī)場道基上的作用機(jī)理、試驗(yàn)與檢測相關(guān)內(nèi)容做進(jìn)一步分析,揭示強(qiáng)夯工藝在吹填海砂道基上的作用規(guī)律,為大面積使用強(qiáng)夯及其他類似工程施工提供參考。

1 工程概況

東南某沿海城市機(jī)場二期擴(kuò)建工程,主體為一期機(jī)場建設(shè)的基礎(chǔ)上新建一條長3 600 m、寬45 m的第二跑道,并新建航站樓、機(jī)位站坪綜合交通中心等。

根據(jù)勘察資料,二期擴(kuò)建工程場區(qū)主要存在兩類特殊巖土:砂土及淤泥質(zhì)土。砂土廣泛分布于表層,部分風(fēng)積細(xì)砂及含泥細(xì)砂處于欠壓密狀態(tài),在7度抗震設(shè)防烈度下具有輕微～中等液化,可液化層埋深一般在10 m以下,處理困難。淤泥質(zhì)軟土普遍分布于砂層以下,埋深大,厚度8 m～30 m,根據(jù)現(xiàn)場觀測,目前已趨于穩(wěn)定。場區(qū)地下水混合穩(wěn)定水位埋深0.34 m～17.44 m。場區(qū)地下水位年變化幅度受潮汐及周邊魚塘等人工活動影響,一般在3.0 m～6.0 m。

2 強(qiáng)夯試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)重點(diǎn)研究有效加固深度、夯擊能這兩個關(guān)鍵參數(shù),主要采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、面波測試等檢測手段及分層沉降觀測、地下水觀測、表層沉降、過程中振動、深層水平位移等監(jiān)測手段,開展不同能級下強(qiáng)夯處理試驗(yàn),結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果探究有效加固深度、夯擊能等關(guān)鍵參數(shù)對強(qiáng)夯處理效果的影響。

2.1 試驗(yàn)工況

根據(jù)地質(zhì)資料及工程平面布置圖,本文選取南、北兩個試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行研究,見圖1。

圖1 試驗(yàn)場地平面示意圖

南區(qū)面積11 200 m2,主要地質(zhì)為松散、稍密狀態(tài)的中細(xì)砂厚度7.0 m～9.4 m;淤泥質(zhì)土厚度12.8 m～26.3 m,該區(qū)砂土、軟弱土具有較好代表性,同時該區(qū)地下水位高,對地基處理影響較大,為不利地段。南區(qū)根據(jù)不同處理方式分為6個強(qiáng)夯小區(qū)(編號為QH1—QH6)。

北區(qū)面積8 910 m2。該區(qū)原為海砂吹填而成,表層填砂性質(zhì)松散,下伏中細(xì)砂具有屬輕微液化性,淤泥質(zhì)土厚度22.9 m～26.7 m,地下水埋深3 m～4 m。總體來看該區(qū)軟弱土厚度較大,可液化砂土在全場屬不利地段。北區(qū)根據(jù)不同處理方式分為4個強(qiáng)夯小區(qū)(編號為QH7—QH10)。

強(qiáng)夯試驗(yàn)分別針對不同能級開展試驗(yàn)。南試驗(yàn)區(qū)6個強(qiáng)夯試驗(yàn)小區(qū)開展三種夯能(2 000 kN·m、3 000 kN·m、4 000 kN·m)。北試驗(yàn)區(qū)4個強(qiáng)夯試驗(yàn)小區(qū),開展兩種夯能(4 000 kN·m、6 000 kN·m),本文選取代表性的4個試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。主要試驗(yàn)場地及強(qiáng)夯試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 強(qiáng)夯試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.2 現(xiàn)場檢測內(nèi)容與方法

現(xiàn)場檢測采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、面波測試兩種方法,主要針對密實(shí)度、面波波速、波頻散曲線等工程性能指標(biāo)進(jìn)行研究。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

對不同夯擊能下地基土進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫檢測,觀測地基土密實(shí)度在夯擊處理前后變化,測試要求見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)要求及數(shù)量

2.2.2 面波測試

采用瑞雷波法對處理前后的地基土進(jìn)行面波測試,面波檢測輸出結(jié)果包括波速、頻散曲線兩個內(nèi)容。波速和土體介質(zhì)的彈性模量、密度有關(guān),強(qiáng)夯導(dǎo)致土體密實(shí)程度發(fā)生變化進(jìn)而改變土體模量、密度引起波速提高。頻散曲線可以反應(yīng)特征位置地層界面的變化,進(jìn)而判斷加固深度。瑞雷波測試方案如表3所示。

表3 瑞雷波測試要求及數(shù)量

2.3 現(xiàn)場監(jiān)測

現(xiàn)場監(jiān)測主要包括沉降觀測、孔隙水壓力、振動監(jiān)測、深層水平位移四個方面。主要監(jiān)測內(nèi)容匯總?cè)绫?所示。

表4 現(xiàn)場監(jiān)測項(xiàng)目一覽表

3 結(jié)果分析

3.1 檢測結(jié)果分析

3.1.1 標(biāo)貫指標(biāo)

針對不同試驗(yàn)區(qū)域強(qiáng)夯前后標(biāo)貫值以及夯能-標(biāo)貫擊數(shù)變化如圖2、圖3所示。

圖2 強(qiáng)夯處理前后標(biāo)貫曲線

圖3 夯能-標(biāo)貫擊數(shù)變化關(guān)系圖

由圖2、圖3可見:(1)強(qiáng)夯對標(biāo)貫擊數(shù)提高的效果較為明顯,標(biāo)貫擊數(shù)提高平均值約為17.4。因此,強(qiáng)夯能顯著增強(qiáng)土體密實(shí)度,尤其以深度7 m以內(nèi)中細(xì)砂層加固效果最為明顯;(2)隨著夯擊能增加,標(biāo)貫數(shù)值提高效果也相應(yīng)增加,但夯擊能到達(dá)4 000 kN·m時,夯擊效果隨夯能增加效果減弱。

3.1.2 面波

面波資料成果解釋見表5,以面波頻散曲線為基礎(chǔ),綜合對比強(qiáng)夯前后各勘探點(diǎn)地層的面波波速,并進(jìn)行評價(jià),以下為2個代表孔位強(qiáng)夯前后面波波速監(jiān)測結(jié)果及頻散曲線,見圖4。由表5和圖4可知:

表5 代表孔位面波勘探反演解釋成果表

注:圖中紅色折線代表真實(shí)速度,紅點(diǎn)及藍(lán)點(diǎn)為反演結(jié)果。圖4 代表孔位頻散曲線

(1) 地層內(nèi)淺部巖土層大致分為風(fēng)積中細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土層、淤泥質(zhì)土層3層。通過面波勘探發(fā)現(xiàn),各層波速差異較小,經(jīng)夯實(shí)后,風(fēng)積中細(xì)砂層地層波速具有明顯提升,波速提升百分比約7%～30%之間,淤泥質(zhì)土層波速未見明顯提升。可以認(rèn)為波速大小一定程度上反映土體致密程度和固結(jié)狀態(tài)[7],中細(xì)砂在強(qiáng)夯作用下易于壓實(shí)致密,故波速提升較多,而淤泥難于短時間固結(jié)壓實(shí),故波速提升較少。

(2) 加固深度上,超過7 m波速提升效果開始減弱。如北區(qū)當(dāng)深度超過10 m后,波速提升百分比由7%～12%降至2.1%～2.9%,當(dāng)深度超過15 m后,強(qiáng)夯前后波速基本未見提升。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

3.2.1 沉降監(jiān)測

沉降監(jiān)測包括表層沉降量及分層沉降量監(jiān)測,監(jiān)測時間為8個月,共監(jiān)測南區(qū)北區(qū)共4個強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)。圖5與圖6分別為南區(qū)QH-2、QH-4兩個試驗(yàn)觀測區(qū)域地面及分層沉降曲線。

圖5 QH-2與QH-4區(qū)原地面沉降變化曲線圖

圖6 QH-2區(qū)、QH-4區(qū)分層沉降變化曲線圖

由圖5可知,場地原地面沉降量為93.9 mm～325 mm,地基處理后103 d的累計(jì)沉降量為3.4 mm～7.9 mm,沉降速率為0.03 mm/d～0.08 mm/d,表明沉降量在地基處理完成后逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖6可知,場地不同層位土體在地基處理期間,其沉降量自上而下逐漸減小,各軟土層沉降量為3.5 mm～96.3 mm;地基處理后最近103 d的分層沉降量為1.1 mm～4.7 mm,沉降速率為0.01 mm/d～0.05 mm/d,其沉降量在地基處理完成后逐漸趨于穩(wěn)定。綜上,強(qiáng)夯對于減少工后沉降有顯著作用。

3.2.2 孔隙水壓力觀測

現(xiàn)場南區(qū)QH-2點(diǎn)為例,監(jiān)測歷時為2020年10月16日至2021年6月5日,其孔隙水壓力觀測結(jié)果如圖7所示。

圖7 代表孔位孔隙水壓力變化曲線圖

從圖7可以看出:

(1) 孔隙水壓力在地基強(qiáng)夯處理期間有一定浮動,孔隙水壓力呈先增加后降低最后又增加規(guī)律,地基處理完成后孔隙水壓力值變化值趨于穩(wěn)定;

(2) 實(shí)測孔隙水壓力在地基處理期間的增長值在10.7 kPa～42.8 kPa之間,在地基處理后的消散值在11.5 kPa～37.6 kPa之間,強(qiáng)夯對于孔隙水壓力的影響僅在實(shí)施期間,對于工后孔隙水壓力變化未見顯著影響。

3.2.3 過程中振動監(jiān)測

振動監(jiān)測按距離夯點(diǎn)2.5 m、4.5 m、7.5 m、17.5 m、37.5 m、67.5 m、117.5 m、217.5 m距離采集,采集數(shù)據(jù)包括三個方向的峰值振速、主振頻率、加速度。限于篇幅,以下僅列出兩處監(jiān)測結(jié)果,如圖8所示為QH-2區(qū)及QH-4區(qū)第3擊和第9擊擊振速度曲線。

圖8 擊振速度曲線圖

由圖8可知:

(1)X(水平徑向)、Y(水平切向)、Z(垂直方向)三個方向振動速度中,水平徑向與垂直方向基本相同,水平切向速度最小約為水平及垂直方向30%～40%。可見強(qiáng)夯加固是以夯點(diǎn)為中心,以類似球面向四周輻射能量;

(2) 夯點(diǎn)附近振動速度與夯擊能正相關(guān),如距離夯點(diǎn)2.5 m處夯擊能4 000 kN·m比2 000 kN·m振動速度高約3 cm/s～4 cm/s。

(3) 隨著夯點(diǎn)擊數(shù)的增加,最大振速值呈下降趨勢,但第一擊后最大振速值略有增加,繼續(xù)夯擊則最大振速值又進(jìn)一步下降,最終數(shù)值逐漸趨于水平。對此,文獻(xiàn)[14]給出相應(yīng)解釋,振動過程可以理解為土體擠密過程,最初填土在夯擊前是松散的,第一擊后破壞原有土體內(nèi)部顆粒排列情況,因此最大振速有一個增加過程,隨著土體內(nèi)部密實(shí)度提高,直至土體內(nèi)部趨于穩(wěn)定,不再隨擊數(shù)變化,在最大振速與擊數(shù)曲線上趨于水平。

(4) 振動速度的監(jiān)測表明,距離夯擊點(diǎn)70 m左右,振動速度已基本衰減至0。1 000 kN·m、2 000 kN·m、3 000 kN·m、4 000 kN·m、6 000 kN·m能級下距夯心37.5 m的最大振動速度分別為0.931 cm/s 、0.950 cm/s 、1.006 cm/s、1.135 cm/s,小于1.2 cm/s(《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的容許振動值),故37.5 m可作為6 000 kN·m能級以下項(xiàng)目安全距離參考值。

3.2.4 深層水平位移監(jiān)測(測斜)

圖9為QH-8區(qū)2.5 m、4.5 m、7.5 m、9.5 m處深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖9 深層水平位移變化曲線圖

由圖9可知:

(1) 土體測斜變化量隨著單點(diǎn)夯擊次數(shù)由遠(yuǎn)到近而逐步變大,離夯點(diǎn)的距離越近深層位移曲線呈加速上升的趨勢。

(2) 夯擊過程中同一測斜孔在深度約在6 m～9 m處側(cè)向變形趨向于0,夯擊能越大其水平位移影響越深,變形規(guī)律與國內(nèi)相關(guān)研究基本吻合[15]。

(3) 夯擊過程中同一孔內(nèi)測斜變化量隨深度增加而減少,但在一定范圍有局部增加,2 000 kN·m情況下為2 m～5 m深度,4 000 kN·m下其深度區(qū)間在4.0 m～6.5 m,且距離夯點(diǎn)越近夯擊能越大這個現(xiàn)象越明顯,結(jié)合上面第(2)點(diǎn),可以判斷2 000 kN·m與4 000 kN·m夯擊作用有效深度分別在6 m、10 m左右。

4 結(jié) 論

(1) 結(jié)合標(biāo)貫指標(biāo)、深層水平位移監(jiān)測、面波監(jiān)測數(shù)據(jù),對于夯擊能為2 000 kN·m及4 000 kN·m,有效加固作用深度在6 m～10 m。

(2) 強(qiáng)夯對于中細(xì)砂層密實(shí)度增加效果明顯,夯擊能越大增加效果越明顯,但當(dāng)夯擊能到達(dá)4 000 kN·m時,密實(shí)度隨夯能增加效果已經(jīng)不明顯。

(3) 強(qiáng)夯對于孔隙水壓力影響僅在實(shí)施期間,對于工后孔隙水壓力變化未見顯著影響。

(4) 6 000 kN·m夯擊能級作用下,設(shè)置安全距離為37.5 m可以滿足周邊構(gòu)筑物安全要求。