大粒徑碎石土強夯法試驗研究

陳利 王靜文

（1 中交四航局第二工程有限公司；2 上海港灣基礎建設股份有限公司）

強夯法作為一種地基加固技術，通過高能量沖擊改良地基，提高其承載力。其優勢在于施工速度快，能有效改善土體的工程性質，且經濟效益顯著。強夯這種技術在軟弱土層的處理中尤為有效[1-3]，通過強夯能顯著增加土體密實度，減少其壓縮性和滲透性，從而大幅提升地基的穩定性和安全性。國內針對大粒徑碎石土的強夯地基加固研究較深入，在山區機場高填方[4]、公路路基[5-6]等有關項目廣泛應用。隨著一帶一路政策的持續推進，中東地區基建項目近年逐漸，尤其是沙特2030愿景的實施，更多中國企業進軍中東地區基建市場，根據相關資料，強夯法等地基處理及加固技術已經在中東地區多個項目中得到應用實踐[7-10]，相關項目如表1。

表1 中東地區部分強夯法應用項目

由表可知，大部分項目為近海平原地區砂土質地基處理，巖層也多為強度較低的珊瑚礁巖，對于大粒徑碎石土的強夯加固效果研究及驗證試驗經驗較少。

沙特利雅得某土方項目位于沙特中部高原地區，海拔約680m，地形復雜，砂土資源貧乏，大型基建項目采用就近開挖土石方回填低洼地區，大部分傳統采用破碎篩分然后分層碾壓的地基加固處理方式，成本高，工期久，試驗周期長。本項目碎石土最大碎石粒徑為700mm，強度分布不均勻，大面積施工前，現場設立兩個50m×50m 試驗區進行強夯試驗，通過標準貫入試驗(SPT)、區域荷載試驗(ZLT)和板荷載試驗(PLT)驗算相關參數是否滿足設計要求。

1 工程概況

沙特利雅得四方城土方包項目為沙特2030 愿景實施計劃項目之一，位于利雅得西北部。主要實施內容為約581.3 萬方的土石方開挖回填和105 萬平的地基加固，最低開挖標高為+672m，地下水位線為+662m，所以不需考慮降水風險，回填區最大回填深度為15m，分層最大厚度6m，根據地勘報告，項目地質屬于Arab-D Mem‐ber, 主要由碳酸鹽巖組成。開挖區地質條件為表層為密實砂土層夾雜碩石，第二層為強風化至中風化的石灰巖，第三層為強風化（很少）至微風化石灰巖；UCS 值大部分在25Mpa 以下，業主原方案為開挖料破碎篩分為精選料后回填區分層回填，我方根據以往項目經驗提出強夯地基處理和表層精選料回填方案，根據設計要求，地基處理后相關要求為：

⑴地基承載力達到150kPa；

⑵50年最大總沉降量不超過25mm；

⑶不均勻沉降不超過1：500；

⑷SPT值每1米至少30擊；

⑸回彈模量至少30MPa。

2 碎石土工程特性

根據設計及技術規格書要求，回填料需滿足最大粒徑不超過700mm，回填土細顆粒含量最大25%，試驗區強夯前對相關材料隨機進行取樣檢測。

2.1 巖石物理性能

隨機從開挖區選取不同類型巖石進行取芯檢測，分類及結果如表2所示。

表2 現場巖石分類及性能

從表中可看出，開挖區巖石多為中-強風化石灰巖，與地勘報告中相符。

2.2 回填土工程特性

隨機從回填試驗區取4 個樣品進行相關物理和化學檢測，試驗結果如表3所示。

表3 現場回填土檢測指標

根據AASHTO M145土的分類，現場回填土料都為A-2-4以上，屬于良好級別回填料。

3 強夯試驗設計

3.1 強夯布置及施工參數

根據現場實際情況，強夯試驗區劃分為T1和T2，T1回填厚度6m，T2 回填厚度4m，面積均為2500m2，具體施工參數如表4所示。

表4 試驗區強夯試驗參數

T1 區點夯夯錘15 噸，落距12m，T2 區點夯夯錘15噸，落距5m。

根據美國聯邦公路管理局（FHWA）規范（FHWA-SA-95-037），采用D = nWH0.5驗證強夯影響深度是否滿足要求，其中n 為加固修正系數，按規范取值0.5，W 為夯錘重，H為落距。

經計算，強夯影響深度分別為：T1 區6.7m，T2 區4.3m。滿足設計要求。

3.2 強夯過程監測

強夯試驗區實測T1區最大夯沉量102cm，最小夯沉量80cm，平均沉降量88cm；T2 區最大夯沉量80cm，最小夯沉量70cm，平均沉降量73cm，按照上表夯擊次數均能滿足規范要求

3.3 夯后地基試驗

對于沙特地區沙土地基或者軟土地基，常用地基檢測為CPT 檢測，通過等效錐尖阻力評價強夯效果，本項目地基材料為大粒徑碎石土，且巖石強度最高40MPa 以上，CPT 并不適用。所以采用標準貫入試驗(SPT)、區域荷載試驗(ZLT)和板荷載試驗(PLT)驗證強夯效果。

3.3.1 標準貫入試驗

試驗區強夯前后按照ASTM-D1586 的相關規定間隔1m 進行標準貫入試驗，采用旋挖鉆孔法，試驗區SPT 數據如表5所示。

表5 試驗區SPT試驗結果

根據SPT 試驗結果初步分析，T1 區強夯前SPT N 值范圍13～17，強夯后范圍30～45，屬于中密-密實區間；T2 區強夯前SPT N 值范圍13～16，強夯后范圍30～36；均屬于中密-密實區間，由SPT 值的增加得出，強夯法對地基加固效果明顯，并且符合設計中最低為30的要求。

3.3.2 荷載板試驗

T2 區按照美標ASTM D-1195/1196 進行PLT 試驗，荷載板直徑600mm，反力裝置采用挖機，最終加載到15噸荷載（相當于530kPa），沉降為0.81mm。荷載-沉降量曲線如圖1所示。

圖1 T2區PLT試驗荷載-沉降曲線

3.3.3 區域荷載試驗

T1 區按照美標ASTM D-1195/1196 進行ZLT 檢測，3m×3m 混凝土基座，ZLT 試驗相關設計參數：設計荷載為150kN/m2，最大荷載為300kN/m2，4個千分表布置于測試基礎四個角點，布置如圖2所示。

圖2 T1區ZLT布置圖

ZLT按照每25%級別加載，加載到100%和200%設計荷載時持續時間為12 小時，現場試驗記錄如表6 所示，荷載-沉降量曲線如圖3所示。

圖3 T1區ZLT試驗荷載-沉降曲線

表6 T1區ZLT試驗數據記錄表

根據基座4 個角點處千分表讀數，在設計荷載下沉降量為：1#點2.62mm，2#點2.08mm，3#點5.01mm，4#點2.18mm；在200%設計荷載下沉降量：1#點4.76mm，2#點5.33mm，3#點8.26mm，4#點4.22mm，不均勻沉降計算如表7所示。

表7 T1區不均勻沉降-200%設計荷載

根據上述計算結果，200%設計荷載下最大不均勻沉降值為0.00135，設計要求為不超過1：500（0.002），符合要求。

4 試驗相關驗算

4.1 楊氏回彈模量計算

根據PLT和ZLT的結果可以有不同方式計算轉換為土體的回彈模量，本文根據廣泛采用的經典彈性理論布辛涅斯克（Boussnesq）方程計算楊氏回彈模量：

式中：q為施加荷載，ZLT 取300，PLT 取530；B為荷載板直徑，ZLT取3，PLT取0.6；I為形狀影響因子；v為泊松比，取0.3；S為沉降量，ZLT取5.34，PLT取0.81。

經計算，可得T1 區回彈模量173MPa，T2 區280MPa。滿足設計要求的30MPa。

4.2 內摩擦角值確定

根據BS 5930 規范，標準貫入試驗（Standard Penetration Test, SPT）的N 值與土壤的內摩擦角之間存在明確的關聯。具體為：當SPT N 值介于10 至30之間時，對應的內摩擦角值在35°至40°之間；若SPT N值位于30 至50 的區間，對應的內摩擦角值在35°至40°之間。因此，依據該規范，可以保守判定地基材料內摩擦角值至少大于35°。

4.3 地基承載力計算

地基極限承載力根據ZLT 試驗結果，按照《Foun‐dation Analysis And Design》中 的Terzaghi 公 式計算：

qult=cNcsc+qNq+ 0.5γBNγsγ

式中：qult為極限承載力；c是土的凝聚力，考慮為無粘聚性土，取0；Nc、Nq、Nγ是與土的摩擦特性相關的承載力系數，分別對應凝聚力、地面上部單位重量和土的自重，按照上文確定的內摩擦角35°查表可得分別為57.8，41.4，42.4；sc和sγ是形狀系數，用于考慮基礎形狀對承載力的影響，按照規范分別取值1.3 和0.8；q是覆蓋在地基上的有效土壓力，取值0；γ是土壤的單位重量取18KN/m3，B是地基的寬度取3m。

把各值代入上述公式中，極限承載力為915.84kPa。設計安全系數為3.0，可得允許承載力為300kPa，滿足規范要求的150 kPa。

4.4 沉降量計算

50 年沉降量預測計算根據施默特曼（Schmert‐mann）提出的方法，此方法是巖土工程分析中常用的計算地基沉降的方法，提供了一種考慮土體變形特性對地基沉降影響的分析方式。施默特曼的研究及其改進了變形影響因子圖，這些圖是為了估計特定荷載下土體各點的應變分布。通過這些圖，工程師可以更準確地預測基在建筑荷載下的行為，計算公式如下：

其中，C1= 1 - 0.5(σ'vo/q')

式中C1為深度修正系數；σ'vo為地基某和深度處的有效應力；q'是地基下土層上的有效應力增量；C2為次級蠕變因子；C3為形狀系數；Izi是應變影響因素；Hi是第i層的土層厚度；Esi是第i層土的壓縮模量或彈性模量。

按照每0.5m 分層計算，T1 根據ZLT 試驗結果，T2 根據PLT 試驗結果，50 年預測沉降量分別為7.383mm，16.627mm，均滿足設計中50年沉降不超過50mm的要求。

5 結語

⑴由于大粒徑碎石的孔隙比影響，在正式強夯施工中，需要嚴格控制碎石的最大粒徑和土石混合比例。

⑵強夯試驗區夯后進行標準貫入試驗(SPT)、區域荷載試驗(ZLT)和板荷載試驗(PLT)可有效評估地基加固效果，經過上述試驗和計算，SPT 值、不均勻沉降、地基回彈模量、內摩擦角、地基承載力、長期沉降量預測等指標均能滿足設計要求，為后期現場大面積強夯施工提供理論基礎。

⑶經過驗證試驗，采用強夯法處理最大粒徑700mm的碎石土地基，可有效提高地基承載力和降低不均勻沉降，在實際項目實施中，可以就地取材，與傳統的分層回填碾壓工藝相比，強夯法完全克服含水率的影響，大幅降低工程造價成本，縮短施工周期，降低施工難度，對類似材料的地基加固項目有一定借鑒意義。