高能級(jí)強(qiáng)夯在碎石土填海地基處理的應(yīng)用

林耀華 LIN Yao-hua；許茂坤 XU Mao-kun；盧宏飛 LU Hong-fei

（①上海申元巖土工程有限公司，上海 200010；②福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，福州 350100；③福建冶地恒元建設(shè)有限公司上海分公司，上海 201100）

0 引言

強(qiáng)夯和強(qiáng)夯置換工藝在碎石土填海區(qū)域地基處理應(yīng)用越來(lái)越廣泛，且有向高能級(jí)發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)強(qiáng)夯能級(jí)最高已達(dá)18000kN·m，但現(xiàn)行《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[4]對(duì)強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇很大程度上依賴(lài)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，且僅提出了12000kN·m 以?xún)?nèi)能級(jí)的參考值。本文通過(guò)遼寧省某碎石土填海地區(qū)4 個(gè)試驗(yàn)區(qū)的10000kN·m 平錘 強(qiáng) 夯、10000kN·m 柱 錘 強(qiáng)夯 置 換、12000kN·m 平錘強(qiáng)夯以及15000kN·m 平錘強(qiáng)夯施工，分析了不同工藝的施工過(guò)程和處理效果，以期指導(dǎo)類(lèi)似工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工。

1 工程地質(zhì)概況

場(chǎng)地主要地層從上至下為：碎石土，厚度8～15m 不等，為本次地基處理主要處理土層，松散～稍密狀，粒徑變化較大，土性極不均勻；粉質(zhì)粘土夾粉土，主要為粉質(zhì)粘土，夾薄層粉土，可塑狀，局部夾少量粒徑為2～5mm 的碎石；含碎石黏性土，以可塑～硬塑狀粉質(zhì)粘土為主，厚度變化大，碎石含量不均，一般為10%～40%不等；強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖，本場(chǎng)地內(nèi)一般與砂巖或石英砂巖呈互層狀。

2 地基處理試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)不同區(qū)域碎石土厚度不同，在場(chǎng)地選擇4 個(gè)試驗(yàn)區(qū)，其設(shè)計(jì)參數(shù)如圖1～圖4，其中各試驗(yàn)區(qū)最后兩遍滿(mǎn)夯均未畫(huà)出。

圖1 試驗(yàn)一區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 試驗(yàn)二區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 試驗(yàn)三區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 試驗(yàn)四區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 強(qiáng)夯施工過(guò)程地面變形監(jiān)測(cè)

在各試驗(yàn)區(qū)分別選取1 個(gè)強(qiáng)夯點(diǎn)，在互相垂直的兩個(gè)方向上距離夯坑1m、2m、3m、4m 和5m 位置各設(shè)置1 個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)各沉降觀測(cè)點(diǎn)在各夯次的沉降情況，并將其繪制成曲線，如圖5～圖8。

圖5 試驗(yàn)一區(qū)夯坑周?chē)馏w沉降曲線

圖6 試驗(yàn)二區(qū)夯坑周?chē)馏w沉降曲線

圖7 試驗(yàn)三區(qū)夯坑周?chē)馏w沉降曲線

圖8 試驗(yàn)四區(qū)夯坑周?chē)馏w沉降曲線

分析圖5～圖8 各地表變形曲線，10000kN·m 能級(jí)強(qiáng)夯會(huì)造成地表少量隆起，而隨著能級(jí)的提高，地表隆起消失，有效夯實(shí)系數(shù)亦隨之提高。各能級(jí)基本未出現(xiàn)隆起，表明各個(gè)試驗(yàn)區(qū)主夯點(diǎn)距離設(shè)計(jì)是合理的。同時(shí)，分析各試驗(yàn)區(qū)周?chē)乇沓两登€，各試驗(yàn)區(qū)在最后一次夯擊時(shí)，其周?chē)乇沓两翟隽恳逊浅Ｐ。芍浜粨魯?shù)已達(dá)到合理水平。因此，建議各試驗(yàn)區(qū)主夯點(diǎn)距離和主能級(jí)夯擊次數(shù)如表1。從表1 可見(jiàn)，同一夯擊能條件下，強(qiáng)夯置換單點(diǎn)夯擊數(shù)比強(qiáng)夯單點(diǎn)夯擊數(shù)略高。

表1 主夯點(diǎn)間距及第一遍夯擊次數(shù)建議值

4 強(qiáng)夯處理效果檢測(cè)

4.1 圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)

各個(gè)試驗(yàn)區(qū)分別在夯前和夯后選取3 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，夯后的試驗(yàn)二區(qū)選取3 個(gè)置換墩進(jìn)行超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，并根據(jù)文獻(xiàn)[5]將其超重型動(dòng)探擊數(shù)換算成重型動(dòng)探擊數(shù)。各個(gè)試驗(yàn)區(qū)夯前與夯后平均重型動(dòng)力觸探擊數(shù)-深度曲線見(jiàn)圖9～圖12。

圖9 試驗(yàn)一區(qū)動(dòng)探曲線

圖10 試驗(yàn)二區(qū)動(dòng)探曲線

圖11 試驗(yàn)三區(qū)動(dòng)探曲線

圖12 試驗(yàn)四區(qū)動(dòng)探曲線

分析各試驗(yàn)區(qū)修正動(dòng)探曲線，總結(jié)以下幾點(diǎn)規(guī)律：

①根據(jù)各試驗(yàn)區(qū)動(dòng)力觸探結(jié)果，將夯后地基土層進(jìn)行分層，并參考文獻(xiàn)[5]中關(guān)于動(dòng)力觸探擊數(shù)與地基承載力和變形模量的關(guān)系，可得各能級(jí)強(qiáng)夯（置換）處理后，地基不同深度范圍的地基承載力特征值和壓縮模量，具體見(jiàn)表2。

表2 夯后地基力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)動(dòng)探擊數(shù)-深度曲線、夯后提高比例等參數(shù)可發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)一區(qū)夯后動(dòng)探擊數(shù)9m 深度以?xún)?nèi)提高91%～133%，而9m 深度以下僅提高11%（0.9 擊），表明其有效加固深度為9m。同理，根據(jù)試驗(yàn)三區(qū)10m 深度以下夯后動(dòng)探擊數(shù)僅提高20%（1.7 擊）的情況，判定12000kN·m 能級(jí)有效加固深度為10m。而試驗(yàn)二區(qū)和試驗(yàn)四區(qū)在動(dòng)力觸探測(cè)試深度范圍內(nèi)的夯后動(dòng)探擊數(shù)均有較大提高，表明10000kN·m 能級(jí)強(qiáng)夯置換和15000kN·m 能級(jí)強(qiáng)夯的有效加固深度分別不小于11m 和12m。由于本場(chǎng)地為填海地基，較高的地下水位消耗了一部分的夯擊能，導(dǎo)致其夯擊能難以傳遞到較深土層，其有效加固深度比規(guī)范[4]建議的深度略低。

②分析試驗(yàn)二區(qū)夯間重型動(dòng)力觸探擊數(shù)曲線和置換墩換算重型動(dòng)力觸探曲線，可以發(fā)現(xiàn)夯后置換墩位置僅在0～3m 深度范圍內(nèi)比夯間位置其動(dòng)力觸探擊數(shù)有較為明顯差別，而在3m 深度以下差距不甚明顯。究其原因，置換墩填料采用泥夾石填料，其含泥量達(dá)50%以上，因此未能形成良好的置換墩。

③相同深度條件下，強(qiáng)夯置換區(qū)域的地基承載力特征值和壓縮模量均比強(qiáng)夯區(qū)域高。

④試驗(yàn)一、三和四區(qū)在8～9m 深度范圍的夯后動(dòng)探擊數(shù)并未比夯前有顯著提高。地質(zhì)勘查資料顯示，該深度范圍內(nèi)主要為黏性土，不易排水固結(jié)，而強(qiáng)夯為動(dòng)力排水固結(jié)，對(duì)其加固效果有限。但強(qiáng)夯置換處理的二區(qū)夯后參數(shù)具有明顯提高效果。

4.2 平板載荷試驗(yàn)

選取大面積地基處理后進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)，其最大加載量為400kPa，載荷板尺寸1m×1m。由于平板載荷試驗(yàn)并未加載至地基破壞，且試驗(yàn)僅反映表層土的特征，所測(cè)得各能級(jí)強(qiáng)夯（置換）后地基承載力特征值均達(dá)到200kPa，均滿(mǎn)足要求。經(jīng)過(guò)平錘強(qiáng)夯處理后地基土變形模量約為40MPa，而經(jīng)過(guò)柱錘強(qiáng)夯置換處理后地基土變形模量為50MPa，這一結(jié)果與動(dòng)力觸探結(jié)果較為吻合。

5 結(jié)論

遼寧省某碎石土填海地基處理工程選擇4個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行10000kN·m（試驗(yàn)一區(qū)）、12000kN·m（試驗(yàn)三區(qū)）、15000kN·m（試驗(yàn)四區(qū)）的強(qiáng)夯和10000kN·m（試驗(yàn)二區(qū)）強(qiáng)夯置換試驗(yàn)，分析了各項(xiàng)結(jié)果，得到如下結(jié)論：①試驗(yàn)一、二、三和四區(qū)的強(qiáng)夯主夯點(diǎn)最佳間距分別為9m、8m、10m 和12m，而其第一遍最佳夯擊次數(shù)分別為12 擊、15 擊、14 擊、15 擊。②試驗(yàn)一、二、三和四區(qū)的強(qiáng)夯有效處理深度分別為9m、11m、10m和12m。與規(guī)范所建議有效加固深度相比，實(shí)際有效加固深度處于規(guī)范建議值的較低值，或略低于建議值。③經(jīng)高能級(jí)強(qiáng)夯（置換）后，淺層地基承載力特征值均不小于200kPa。同一深度條件下，強(qiáng)夯置換區(qū)域地基承載力特征值高于強(qiáng)夯區(qū)域。④經(jīng)高能級(jí)平錘強(qiáng)夯后淺層地基變形模量約為40MPa，而經(jīng)柱錘強(qiáng)夯置換后淺層地基變形模量可達(dá)50MPa。夯后地基變形模量隨著深度增加而逐漸降低。⑤強(qiáng)夯施工對(duì)地基土表層有一定震松作用。進(jìn)行強(qiáng)夯施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制最后幾遍低能級(jí)強(qiáng)夯和滿(mǎn)夯的質(zhì)量，以減小震松作用的不利影響。