強(qiáng)夯法加固大面積素填土與液化土地基應(yīng)用研究

王智合（中鐵十七局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院，山西太原030032）

強(qiáng)夯法加固大面積素填土與液化土地基應(yīng)用研究

王智合
（中鐵十七局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院，山西太原030032）

依據(jù)強(qiáng)夯法的加固機(jī)理，對(duì)擬建住宅小區(qū)大面積素填土和液化土地基進(jìn)行強(qiáng)夯處理。通過平板荷載、標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探、重型動(dòng)力觸探及室內(nèi)土工試驗(yàn)研究對(duì)比，分析結(jié)果驗(yàn)證了強(qiáng)夯法處理此場(chǎng)地地基的適用性與設(shè)計(jì)參數(shù)選取的合理性。研究成果對(duì)加固相關(guān)素填土與液化土地基工程具有重要的指導(dǎo)意義。

素填土與液化土地基；強(qiáng)夯法；地基承載力

強(qiáng)夯法是法國(guó)Menard技術(shù)公司于1969年首創(chuàng)的一種地基加固處理方法 ，也稱動(dòng)力固結(jié)法，一般通過8 t～30 t的重錘（最重可達(dá)200 t）和8 m～20 m的落距（最高可達(dá)40 m），對(duì)地基土施加500 kN·m～8 000 kN·m的沖擊能來加固地基［1］。近年來，利用強(qiáng)夯法加固各類不良地基的工程項(xiàng)目日益增多，此法主要用于加固濕陷性黃土、雜填土、碎石土、砂性土地基，甚至還用于加固淤泥、淤泥質(zhì)土等飽和軟黏土地基。

強(qiáng)夯法加固地基原理［2］主要是由于強(qiáng)大的夯擊能在地基中產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和動(dòng)應(yīng)力對(duì)土體作用的結(jié)果。由強(qiáng)夯產(chǎn)生沖擊波，從夯擊點(diǎn)向地基深處傳播，對(duì)地基土起壓縮與剪切作用，引起地基土的壓縮擠密。強(qiáng)夯法加固地基的作用機(jī)理［3-4］主要表現(xiàn)為:在強(qiáng)大的沖擊能、強(qiáng)制超壓下，使多孔隙、粗顆粒、非飽和土地基得到密實(shí)；在強(qiáng)大的夯擊能與沖擊波作用下 ，以液化的細(xì)顆粒飽和土體產(chǎn)生很多裂隙作為排水通道，使土體產(chǎn)生固結(jié)；通過強(qiáng)夯把填土擠入土體中使地基土產(chǎn)生置換［5］。

1 工程概況及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

本工程位于福建省泉州市惠安縣某工業(yè)園區(qū)內(nèi)，為擬建住宅小區(qū)，共28棟，均為6層磚混結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)擬采用墻下條形基礎(chǔ)，要求強(qiáng)夯處理后地基承載力特征值 fak不小于280 kPa。場(chǎng)地地層分布情況:第①層素填土，灰黃～褐黃等色，以坡殘積粘性土為主，含少量中～粗砂和礫砂?？傮w上呈稍濕～濕、稍密狀態(tài)，局部呈松散狀態(tài)。在場(chǎng)地內(nèi)均有分布。該層為新近回填而成 ，回填面積較大，土層深度0～6.0 m，為未經(jīng)分層壓實(shí)的欠壓密固結(jié)土；第②層廣泛分布有中等～嚴(yán)重液化［6］粉細(xì)砂，灰～灰黃色，松散～稍密，濕～飽和，砂質(zhì)不純，含15%～20%粘性土，砂的級(jí)配不良，土層深度4.9 m～11.3 m；第③層為殘積土，灰黃、灰白色，可塑～硬塑，飽和，主要由高嶺土、石英及云母組成 ，礫粒含量小于20%，母巖特征明顯，為中壓縮性土，無搖震反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度中等 ，韌性中等。該層自上而下風(fēng)化程度逐漸減弱 ，強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，土層深度10.3 m～12.0 m；地基不能滿足工程建設(shè)需求，在工程開工前采用強(qiáng)夯法對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)比分析強(qiáng)夯法處理該場(chǎng)地的適用性及確定強(qiáng)夯法的設(shè)計(jì)參數(shù)。

采用8 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯置換試驗(yàn)工藝:選用材質(zhì)較好的石料為夯坑填料，粒徑≤50 mm，分兩層填筑。夯點(diǎn)間距為6 m，四遍成夯。夯錘底面積為4.0 m2，錘的底面對(duì)稱設(shè)置若干個(gè)與其頂面貫通的孔徑為300 mm排氣孔。夯點(diǎn)的收錘標(biāo)準(zhǔn):最后兩擊的平均夯沉量≤200 mm且擊數(shù)在10擊左右；最后兩遍滿夯能級(jí)為1 500 kN·m，每點(diǎn)兩擊，夯印搭接，夯坑周圍地面不發(fā)生過大隆起［7］、不因夯坑過深而發(fā)生提錘困難。兩遍主夯點(diǎn)分別呈9 m×9 m正方形布置，第一、二遍夯點(diǎn)隔行跳點(diǎn)布置，第三遍夯點(diǎn)在第一、二遍相鄰四個(gè)主夯點(diǎn)的中間插點(diǎn) ，具體試驗(yàn)參數(shù)如下:

（1）第一遍點(diǎn)夯夯擊能級(jí)為8 000 kN·m，錘重450 kN，落距17.7 m，夯點(diǎn)25個(gè)，每點(diǎn)平均填料4次、夯10擊。

（2）第二遍點(diǎn)夯夯擊能級(jí)為8 000 kN·m，錘重450 kN，落距17.7 m，夯點(diǎn)16個(gè)，每點(diǎn)夯10擊。

（3）第三遍點(diǎn)夯能級(jí)為3 000 kN·m，錘重180 kN，落距16.7 m，夯點(diǎn)40個(gè)，每點(diǎn)夯10擊。

（4）滿夯兩遍，能級(jí)為1 500 kN·m，每點(diǎn)夯2擊，夯印搭接1/4。

2 承載力試驗(yàn)

為綜合分析強(qiáng)夯法處理此場(chǎng)地地基的加固效果，本文通過平板荷載試驗(yàn)測(cè)定強(qiáng)夯處理后承壓板下應(yīng)力影響范圍內(nèi)地基的承載力和變形特性；通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)來確定強(qiáng)夯對(duì)深層土體的承載力的提高情況及對(duì)有效加固深度的影響與土體液化的消除情況；通過室內(nèi)試驗(yàn)來確定夯后素填土孔隙比、含水率等參數(shù)的變化程度。

2.1 平板荷載試驗(yàn)

該試驗(yàn)主要用于確定表層填土強(qiáng)夯后的承載力。試驗(yàn)之前受臺(tái)風(fēng)帶來的降雨影響，整個(gè)試驗(yàn)區(qū)受雨水滲入浸泡嚴(yán)重。后經(jīng)過幾天抽水和晾曬工作，但淺層地基仍然比較松散，土體含水率較高。靜載試驗(yàn)采用0.71 m×0.71 m的方形承壓板，最大加載到400 kN（800 kPa），最大沉降量為20.32 mm，PS曲線呈緩變形，試驗(yàn)開始階段，土體受荷而壓實(shí)，荷載 P與沉降S接近線性關(guān)系，隨荷載繼續(xù)增加，沉降變化速率減慢，停止加載后，沉降曲線只發(fā)生部分回彈，說明強(qiáng)夯加固擠密效果明顯。取 S/b= 0.010所對(duì)應(yīng)的荷載為承載力特征值 ，確定的地基承載力特征值為256 kPa，加固效果明顯，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。夯間點(diǎn)由于受降雨影響，存在淺層土層的滯水現(xiàn)象，在試驗(yàn)加載過程中水從試坑中慢慢滲出 ，導(dǎo)致地基沉降較大（見圖1）。

圖1 荷載與沉降曲線

2.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)主要用于確定強(qiáng)夯對(duì)深層土體的加固效果、強(qiáng)夯的影響深度和有效加固深度，以及確定深層地基的承載力和變形模量 ，判別加固深度范圍內(nèi)粉砂層的液化情況。本場(chǎng)地夯前粉細(xì)砂的標(biāo)貫擊數(shù)較低，只有3擊～4擊，性質(zhì)較差，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，通過計(jì)算得到粉砂層的液化指數(shù)為13.5，液化等級(jí)為中等。夯后夯間粉砂層的標(biāo)貫擊數(shù)提高到7擊～14擊，提高約1倍～2倍，地基有效影響加固深度達(dá)到11.0 m，經(jīng)計(jì)算強(qiáng)夯處理后地基承載力特征值達(dá)到300 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求（見圖2）。

圖2 夯后標(biāo)貫曲線

2.3 靜力觸探試驗(yàn)

夯前粉砂層的靜探比貫入阻力較小，平均承載力約為95 kPa。經(jīng)過強(qiáng)夯處理后的上層粉砂的加固效果最好，靜探比貫入阻力［8］平均提高2倍以上，地基平均承載力約為320 kPa；而下層粉砂承載力比夯前也有一定程度的提高。地基有效影響加固深度達(dá)到11.0 m，滿足設(shè)計(jì)要求（見圖3、表1）。

圖3 夯后靜探曲線

表1夯后與夯前靜探數(shù)據(jù)對(duì)比

2.4 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

本次動(dòng)力觸探采用自動(dòng)落錘裝置，錘重63.5 kg，錘擊貫入連續(xù)進(jìn)行，記錄每貫入10 cm的錘擊數(shù)N63.5作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)遇碎、塊石錘擊反彈時(shí)，應(yīng)清除碎、塊石再進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過填石強(qiáng)夯置換后，置換深度達(dá)到6 m左右。夯點(diǎn)填石以下的粉砂層動(dòng)力觸探擊數(shù)為10擊～12擊，修正后的平均動(dòng)探擊數(shù)為10.4擊～13.3擊，深層承載力超過250 kPa；對(duì)于5.5 m～8.5 m的粉砂層，夯間土承載力特征值為200 kPa；對(duì)于8.5 m～11.0 m的粉砂層，夯間土承載力特征值約為120 kPa。根據(jù)動(dòng)力觸探的規(guī)范建議和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可知，粉砂層修正后的平均動(dòng)探擊數(shù)大于20擊，故粉砂處于密實(shí)狀態(tài)，液化完全消除（見圖4）。動(dòng)探結(jié)果見表2所示。

表2夯后動(dòng)探結(jié)果

圖4 夯后動(dòng)探曲線

2.5 室內(nèi)土工試驗(yàn)

由于飽和粉砂極易塌孔，難以取到完整的土樣，故只得到素填土和殘積粘性土的室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果。通過夯前、夯后物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比可知，夯后素填土孔隙比和含水率減小，壓縮模量增大，強(qiáng)夯處理對(duì)此層土的加固密實(shí)效果明顯。該土層具體物理力學(xué)指標(biāo)如表3所示。

表3 試驗(yàn)夯前、夯后夯間土層物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比

3 結(jié) 論

（1）采用8 000 kN·m高能級(jí)的強(qiáng)夯置換法處理后，本場(chǎng)地的有效加固深度達(dá)到11.0 m，夯間土地基深層承載力提高了120 kPa～220 kPa，土層加固效果明顯，對(duì)于粉砂層埋藏較深、厚度較大的區(qū)域，可采用此方法進(jìn)行一次性處理，使之滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基的承載力和變形要求。

（2）強(qiáng)夯法是一種經(jīng)濟(jì)高效、節(jié)能環(huán)保的地基處理方法，適合于本場(chǎng)地的地基處理，但應(yīng)結(jié)合地基處理目的、場(chǎng)地地質(zhì)情況、工程設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)型式等采用不同能級(jí)、工藝、填料的強(qiáng)夯和強(qiáng)夯置換法進(jìn)行處理。

（3）點(diǎn)夯強(qiáng)夯引起表層填土結(jié)構(gòu)破壞，使得夯后表層填土強(qiáng)度降低，建議通過增加滿夯遍數(shù)和不同滿夯能級(jí)的方法來提高表層填土的地基承載力。

（4）大面積強(qiáng)夯施工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的夯點(diǎn)間距、夯擊擊數(shù)、夯擊遍數(shù)進(jìn)行施工，嚴(yán)格控制強(qiáng)夯收錘標(biāo)準(zhǔn)和施工間歇時(shí)間。

（5）鑒于試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)和施工過程中受降雨影響較大的原因，建議大面積施工前應(yīng)做好整個(gè)場(chǎng)地的排水措施，雨水應(yīng)及時(shí)排出場(chǎng)外，避免暴雨對(duì)施工場(chǎng)地的浸泡和沖刷影響。同時(shí)大面積施工應(yīng)盡量避開雨季。

［1］ 水偉厚，王鐵宏，王亞凌.高能級(jí)強(qiáng)夯地基土載荷試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29（7）:1090-1093.

［2］ Menard L，Broise Y.Theoretical and practical aspects of dynamic compaction［J］.Journal of Civil Engineering，1975，25 （1）:3-18.

［3］ 龔曉南.地基處理手冊(cè)（第三版）［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［4］ 范維垣，史美筠，裘以惠.關(guān)于強(qiáng)夯法加固地基的幾個(gè)問題［J］.太原工學(xué)院學(xué)報(bào)，1982，（2）:15-26.

［5］ 徐至均，張亦農(nóng).強(qiáng)夯和強(qiáng)夯置換法加固地基［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

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［7］ 齊 鋒.路基不均勻沉降及強(qiáng)夯處治措施研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2008.

［8］ 胡順洋，劉 海，嚴(yán)秀俊.強(qiáng)夯法處理吹填砂土地基試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2012，（3）:83-84.

The Application Research of Dynamic Consolidation for Large Foundations of Plain Fill and Liquefied Soil

WANG Zhi-he
（China Railway 17th Bureau Co.，Ltd.Survey and Design Institute，Taiyuan，Shanxi 030032，China）

According to the reinforcing mechanisms of the dynamic consolidation，the proposed residential community foundation of plain fill and liquefied soil was constructed by adopting dynamic consolidation method.And then，the experimental results of plate loading test，standard penetration test，static cone penetration test，heavy dynamic penetration test and laboratory soil test were compared and analyzed，which proved that the practice was applicable for this foundation and the selection of design parameters was reasonable.The research results will provide some guidance for the consolidation construction of similar plain fill and liquefied soil foundations.

plain fill and liquefied soil foundation；dynamic consolidation；bearing capacity of the foundation

TU472

A

1672—1144（2015）02—0197—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.041

2014-11-07

2014-12-27

王智合（1983—），男，內(nèi)蒙赤峰人，碩士 ，助理工程師 ，主要從事民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail:1113766851@qq.com