強夯法處理高水位砂土地基的應用研究

程佳 張春輝 賈亞會 尚艷亮

(石家莊鐵路職業技術學院1) 河北石家莊 050041 河北省高校橋隧智慧建造應用技術研發中心2) 河北石家莊 050041 中國兵器工業北方勘察設計研究院有限公司3) 河北石家莊 050011 河北省地下空間工程巖土技術創新中心4) 河北石家莊 050011)

強夯法因其具有施工設備簡單、節約材料、工期短、造價低等優點得到了廣泛的應用，其機理研究也到了進一步發展[1]。目前，針對碎石土、黃土、砂土和非飽和粘性土的地基處理已經具備較完善的設計施工參數與經驗，但對高水位砂土地區的地基處理，還未形成成熟的強夯法經驗。本文以某能源化工項目為工程實例，探討在高水位砂土地區的強夯施工參數。

1 強夯法加固機理

強夯法進行地基處理是將夯錘提升至一定高度，使其自由落體，從而產生較大的沖擊能量，在地基土中以沖擊波的形式傳播，使其壓密，提高地基土強度、減少沉降、消除濕陷性等[2]。目前，將強夯法加固的地基土大致分為兩類，一類是非飽和地基土，另一類是細顆粒飽和地基土。針對第一類地基土主要應用了動力夯實原理，即較大的沖擊能使土顆粒發生重分布，土中氣泡從孔隙排除，減小了孔隙體積，形成了相對密實結構。第二類地基土中，強夯法破壞了原有結構，使其滲透性增加，孔隙水壓力消散后土體發生固結，主要應用了動力固結原理。P.W.Mayne[3]等人推導了普通土體在強夯作用下的夯沉量、應力波傳播、動應力響應等方面的求解公式，推動了強夯加固機理的研究。郭玉玲[4]等人通過試驗研究，探討了濕陷性黃土在強夯作用下的動應力和加固深度關系。目前，對于強夯法加固飽和土地基原理的研究還很淺顯，有些理論還建立在假設的基礎上，因此有必要進行深入研究[5]。

2 強夯試驗設計

2.1 概況

某能源化工項目位于內蒙古鄂爾多斯市烏審旗烏審召工業園內，內蒙古自治區最南端，毛烏素沙地腹地。項目地基作用在軟弱土和高水位砂土上，無法達到設計要求，利用強夯法進行地基處理。土體表層屬于全新統風積砂和素填土，其余為中細砂和粉細砂，屬于第四系全新統沖湖積形成，地層由素填土、細砂、粉細砂、中細砂、全風化砂巖、強風化砂巖組成。場地內地下水位埋深較淺，靜止水位深度范圍為1.20～2.60 m，為上層滯水與孔隙潛水的結合水。根據地基設計的要求，地基承載力不應小于210 kPa，壓縮模量需不應小于8.5 MPa。為達到地基設計要求，初步確定強夯的加固深度約為10 m。

2.2 強夯參數的選擇

（1）夯擊能的確定

夯擊能一般根據場地地質條件、加固后地基承載力等來確定單擊夯擊能，常采用梅納公式來計算[6]，即

式中，G為夯擊能(t·m)；M為夯錘重量(t)；k為不同地基土的修正系數；H為加固深度(m)。

由式(1)可得夯擊能為：

該項目預估處理深度為10 m，場地以細砂和粉細砂為主，根據場地勘察資料及地區施工經驗，確定修正系數k值，也可根據《建筑地基處理技術規范》(JGJ 79-2012)確定單擊夯擊能[7]。因此該項目前兩遍單擊夯擊能為8000 kN·m，最后一遍單擊夯擊能為3000 kN·m。

（2）夯點布置與間距

依據場地的工程勘察報告，細砂層與粉砂層是強夯處理的主要土層，處理面積廣，故第一遍和第二遍采用正方形布點，第三遍滿夯采用等腰三角形布點。根據相鄰夯點間的擴散情況進行夯距計算，加固深度與加固深度之間的關系，如圖1 所示。

圖1 加固深度與加固寬度計算圖

由圖2 可知，強夯加固寬度b為：

圖2 強夯布點示意圖

式中，b為加固寬度(m)；D為夯錘直徑(m)；θ為擴散角，根據土質情況確定，一般為22 °～30° ；H為加固深度。

夯點間距L為：

式中，h'為滿夯時的有效影響深度，一般為1 m～3 m；L為夯點間距；其他意義同前。

該工程滿夯(第三遍)時夯擊能為3000 kN·m，此時h'取值為1.5 m；θ為30°；夯錘直徑為2.5 m。代入式(4)得L=4.0 m。夯點布置，如圖2 所示。

（3）夯擊次數和夯擊遍數

該項目場地地基土以細砂和粉細砂為主，土體密實度較小，第一遍和第二遍的夯擊次數為10～15 擊，每個夯點的最后兩擊平均沉降量不應大于規范要求。根據項目場地土質情況，確定夯實遍數為2 遍，最后在滿夯一遍。

（4）間隔時間

間隔時間取決于超靜孔隙水壓力消散時間，由于項目場地為砂土地基，靜孔隙水壓力消散時間很短，故可連續夯擊。

（5）試夯檢測及優化設計

按上述強夯參數在試夯區進行試夯，施工結束14 d 后進行檢測，處理后地基承載力達到210 kPa以上，壓縮模量達到8.5 MPa 以上。根據檢測結果判定強夯參數是否需要修正。

3 強夯質量檢測研究

為確定強夯的處理效果，采用不同方法進行質量檢驗。

3.1 靜載荷試驗

靜力載荷試驗，也被稱為載荷試驗，是一種測試方法，旨在模擬地基在實際工作狀態下的情況，該試驗能夠綜合性地反映土層的應力-應變-時間關系特征[8]。圖3 所示為試驗裝置示意圖。

圖3 試驗裝置示意圖

本項目靜載荷試驗通過200 噸千斤頂進行加壓，剛性方形承壓板的邊長為1.41 m，壓力通過負荷傳感器測讀，傳感器的量程為1000 kN，測量采用50 mm 量程的百分表。當最終荷載為420 kPa時，所有試驗點總沉降量范圍為18.90 mm～28.52 mm，根據測量結果，p～s曲線呈現出緩變型特征。圖4 為檢測最大沉降的夯點及夯間p～s曲線圖。

圖4 p～s 曲線圖

3.2 標準貫入試驗

通過標準貫入試驗可以檢驗地基土的密實情況以及其強度。標準貫入試驗的檢測時間需強夯施工完成7 d 后進行，8 個夯間處的具體試驗擊數，見表1。

表1 標準貫入試驗結果表

3.3 動力觸探試驗

動力觸探是利用一定的落錘能量，將探頭打入地基土中，根據打入的難易程度判斷土體性質的一種原位測試方法[9]。動力觸探試驗的檢測時間同樣需強夯施工完成7 天后進行，檢測采用超重型（120 kg）動力觸探試驗，檢測為4 個夯點和4 個夯間。8 個檢測點的具體試驗結果，見表2。

表2 超重型動力觸探試驗結果表

根據表2 三種檢測結果可以判斷，該強夯參數可以滿足設計要求：（1）地基承載力特征值不小于210 kPa；（2）根據原位測試結果和相關經驗，試夯區地基土的壓縮模量最優取值如下：在4 m深度以內為14 MPa，在4 m 深度以下為20 MPa。

4 結語

（1）根據工程實例，證明強夯法適合處理高水位砂土地基，其處理效果較好。

（2）在高水位砂土地區進行強夯施工時，采用夯擊能量較大的方法以提高地基的承載力，夯擊遍數不少于3 遍。

（3）針對高水位砂土地基的特點，我們提出了三種不同的檢測方法，通過對檢測結果進行對比分析，以確保處理后地基的承載力和變形值的準確確定。