強(qiáng)夯法在消除建筑地基黃土濕陷性的應(yīng)用研究

廉友

摘要：雖然采用強(qiáng)夯法消除黃土濕陷性得到了廣泛的使用，但強(qiáng)夯施工參數(shù)的設(shè)計(jì)沒有統(tǒng)一、成熟的理論指導(dǎo)。由于各地域黃土地質(zhì)情況復(fù)雜多變，且受外界其它多種因素的影響，如按照有關(guān)文獻(xiàn)、規(guī)范所提供的某種方法進(jìn)行施工參數(shù)，達(dá)到的實(shí)際處理效果與目標(biāo)值之間偏差較大。因此，通過經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場試夯獲得適宜特定項(xiàng)目的強(qiáng)夯施工參數(shù)顯得尤為重要。期待本項(xiàng)目中強(qiáng)夯法消除黃土濕陷性現(xiàn)場施工參數(shù)的確定方法能為其它項(xiàng)目的施工實(shí)踐提供參考。

Abstract： Although it has been popular to use dynamic compaction method to eliminate loess collapsibility， there is no unified and mature theoretical guidance for the design of dynamic compaction construction parameters. As the geographical situation of loess in different regions are complex and varied， and affected by other factors outside， if the parameters are designed in accordance with the relevant literature and norms， there will be a large deviation between the actual effect achieved and the target value. Therefore， it is very important to obtain the dynamic compaction parameters for the specific project by empirical and field test. It is expected that the method of determining the construction parameters of the loess collapsibility in the project will provide reference for the construction practice of other projects.

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土；強(qiáng)夯；參數(shù)設(shè)計(jì)；試夯；效果檢測

Key words： collapsible loess；dynamic compaction；parameter design；test ramming；effect detection

中圖分類號(hào)：TU472.3+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）33-0190-03

0 引言

為了消除黃土濕陷性對工程建筑地基造成的不良后果，國內(nèi)及國際上的眾多工程技術(shù)人員及學(xué)者在進(jìn)行了大量研究及實(shí)踐后，為消除黃土的濕陷性而發(fā)明了很多地基處理的技術(shù)、方法及措施。其中，強(qiáng)夯作為經(jīng)常使用的一種方法及手段，具有效果顯著、施工簡便、造價(jià)低及工期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工程處理黃土濕陷性時(shí)得到了廣泛應(yīng)用。但強(qiáng)夯施工的技術(shù)參數(shù)較多，且各地域黃土的地質(zhì)特征復(fù)雜性及其他影響因素的存在，強(qiáng)夯理論尚未完善，僅按規(guī)范、文獻(xiàn)和以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行強(qiáng)夯施工參數(shù)的確定往往出現(xiàn)較大偏差，很難達(dá)到預(yù)期的處理效果。本項(xiàng)目基于經(jīng)驗(yàn)、相關(guān)規(guī)范的取值要求及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)的初步擬定，然后現(xiàn)場進(jìn)行試夯，通過對試夯所得量測數(shù)據(jù)、土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及對比，最終確定了最適宜本項(xiàng)目黃土性質(zhì)的強(qiáng)夯施工參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)，從而確保了地基處理的質(zhì)量。

1 工程概況

擬建LUBANGO居民新城屬安哥拉十萬套R(shí)ED項(xiàng)目其中之一，擬建住房為11000套，當(dāng)?shù)匾?guī)劃局給出的地塊（如圖1所示）測量占地面積約11.6平方公里，擬建項(xiàng)目包括社會(huì)住房，供水、供電、道路等基礎(chǔ)設(shè)施和學(xué)校、商業(yè)配套等社會(huì)設(shè)施。社會(huì)住房分單層、二層或少數(shù)三層等建筑形式。擬建建筑物將以傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)建設(shè)為主，可能使用預(yù)制混凝土墻板結(jié)構(gòu)體系或輕鋼結(jié)構(gòu)體系的工廠化建筑體系。

LUBANGO居民新城位于安哥拉南部城市LUBANGO城東北側(cè)QILUNBA區(qū)，直線距離約為20km，中心位置經(jīng)緯度為東經(jīng)13°31'55''，南緯14°50'03''。

擬建場地處在威拉高原區(qū)，擬建場地整體呈現(xiàn)南高北低的地勢，在場地大部分區(qū)域基礎(chǔ)直接持力層主要以黃土為主，地基土存在差異化現(xiàn)象，地基土水平和縱向分布不均勻。根據(jù)現(xiàn)場鉆探、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場載荷浸水試驗(yàn)結(jié)果，地基土在干燥狀態(tài)下具有一定的強(qiáng)度，但增濕浸水后很快發(fā)生軟化崩解，強(qiáng)度大幅降低，探井試樣（深度1～2m）的濕陷系數(shù)為0.039～0.166，平均值為0.124?，F(xiàn)場浸水載荷試驗(yàn)200kPa下的附加沉降為17.2mm～57.6mm，s/d為0.030～0.102。

2 消除黃土濕陷性的處理方法及要求達(dá)到的效果

為了提高地基強(qiáng)度、增強(qiáng)地基土的均勻性及消除地基土的濕陷性，設(shè)計(jì)單位要求采用強(qiáng)夯法對地基進(jìn)行處理。

本項(xiàng)目采用強(qiáng)夯法消除黃土地基濕陷性的設(shè)計(jì)要求如下：

①強(qiáng)夯后消除黃土的濕陷性，達(dá)到中等密實(shí)，強(qiáng)夯的有效加固深度要超過4m。

②地基經(jīng)強(qiáng)夯處理后，其承載力要≥120kPa以上。

由于本項(xiàng)目處理的濕陷性黃土性質(zhì)非常復(fù)雜，以往在國內(nèi)強(qiáng)夯法消除黃土濕陷性的施工經(jīng)驗(yàn)及各類研究成果很難完全適合于本項(xiàng)目，因此，為了確保達(dá)到處理效果，決定在大面積施工前進(jìn)行試夯，對初步擬定的強(qiáng)夯施工參數(shù)的處理效果進(jìn)行測評，調(diào)整、優(yōu)化施工參數(shù)，以確保設(shè)計(jì)出適應(yīng)本項(xiàng)目土質(zhì)特征的強(qiáng)夯施工參數(shù)。endprint

3 強(qiáng)夯法施工參數(shù)的初步擬定、試夯及優(yōu)化

3.1 強(qiáng)夯施工參數(shù)初擬的方法

3.1.1 有效加固深度

有效加固深度既是選擇單擊夯擊能的重要依據(jù)，又反映了處理效果。加固深度估算為強(qiáng)夯法施工中非常重要的設(shè)計(jì)步聚，但目前尚未有完好的解決方法。本項(xiàng)目基于工程實(shí)踐，采用梅納公式的修正公式進(jìn)行加固深度的估算。其公式如下：

基于經(jīng)濟(jì)考慮，利用本項(xiàng)目的既有夯錘進(jìn)行強(qiáng)夯，既有夯錘為圓形，直徑2.3m，錘重220kN。

由（1）式得提升高度：

h=H2/（α2w）=42/（0.32×22）=8.1m

本項(xiàng)目取h=9.0m。

3.1.2 單擊夯擊能

本項(xiàng)目采用的單擊夯擊能：220×9=1980kN·m。

3.1.3 夯擊次數(shù)通過在現(xiàn)場進(jìn)行試夯，由夯擊次數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線所選定。并要同時(shí)滿足如下要求：①夯坑四周的原地面不出現(xiàn)過大隆起；②夯坑不能過深而致使難以起錘；③每次夯擊的夯沉量不得太小，太小無加固效果。

3.1.4 夯擊遍數(shù)

要根據(jù)現(xiàn)場濕陷性黃土的性質(zhì)確定，通常黃土強(qiáng)夯的主夯夯擊遍數(shù)為兩遍。因本項(xiàng)目地下水量較少，黃土密實(shí)度較低，孔隙水不易消散，而項(xiàng)目對地基土的要求較高，故主夯夯擊遍數(shù)選擇3遍。最后再以低夯擊能滿夯一遍，以將地基表面松散的土體夯擊密實(shí)。

3.1.5 夯點(diǎn)布置和夯點(diǎn)間距

因本項(xiàng)目地基處理的面積較大，為了確保強(qiáng)夯后的地基質(zhì)量均勻，夯擊點(diǎn)按等正方形布設(shè)，這樣的布置形式不僅比較規(guī)整，且也便于組織強(qiáng)夯施工。

夯點(diǎn)間距通常由加固的黃土性質(zhì)及要求處理的深度而定，因本項(xiàng)目處理深度為4m，根據(jù)一些文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，夯點(diǎn)間距暫定為4.5m。

3.1.6 間歇時(shí)間

間歇時(shí)間為兩遍夯擊間的體停時(shí)間，設(shè)置間歇時(shí)間是為了使土體的孔隙水壓力得到到消散，即孔隙水壓力消散后，方可進(jìn)行下一遍的夯擊，綜合黃土性質(zhì)、孔隙水壓力消散、夯擊遍數(shù)等考慮，間歇時(shí)間初步設(shè)置為10d。完成全部強(qiáng)夯完成后，間歇14d后再進(jìn)行質(zhì)量檢測。

3.1.7 強(qiáng)夯加固范圍

由于建筑基礎(chǔ)具有應(yīng)力擴(kuò)散的作用，故強(qiáng)夯處理的范圍需超過基礎(chǔ)范圍，也就是建筑場地需要設(shè)定一定范圍的超夯寬度，以確保承受基礎(chǔ)應(yīng)力范圍內(nèi)的地基均得到強(qiáng)夯處理。具體的超夯范圍，需根據(jù)構(gòu)筑物的類型、重要程度等因素綜合確定，本項(xiàng)目強(qiáng)夯范圍超出建筑物基礎(chǔ)外緣不小于3m。

3.2 初步擬定的施工參數(shù)

本項(xiàng)目根據(jù)場地內(nèi)擬建建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其產(chǎn)生的荷載情況，并結(jié)合土工試驗(yàn)結(jié)果及要求的加固深度，初步確定本項(xiàng)目強(qiáng)夯施工所采用的夯錘重量為22t，錘底面積為4.2m2。夯點(diǎn)按正方形形布設(shè)，夯點(diǎn)間距4.5m。總夯擊遍數(shù)為4遍，即主夯3遍+1遍滿夯。夯錘提升高度為9m，即主夯單擊夯能為1980kN·m，單點(diǎn)夯擊次數(shù)為8～10次。滿夯單擊夯能1000kN·m，滿夯時(shí)夯印搭接1/4，連續(xù)夯擊。每遍夯擊的間歇時(shí)間均按10d，以上強(qiáng)夯設(shè)計(jì)目標(biāo)為消除4m以內(nèi)黃土的濕陷性，并處理過后的地基承載力≥150kPa以上，地基土中等密實(shí)。

3.3 按初步擬定的參數(shù)進(jìn)行試夯

根據(jù)上述所初步擬定的強(qiáng)夯施工參數(shù)，在本項(xiàng)目選擇了一處20×20地塊作為強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)，進(jìn)行了現(xiàn)場試夯，現(xiàn)場進(jìn)行了夯沉量、地面隆起等方面的量測。

在試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯10d后，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入度及探坑取樣室內(nèi)土工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，土層標(biāo)準(zhǔn)貫入度擊數(shù)較強(qiáng)夯前得到明顯提高，強(qiáng)夯前4m以上填土標(biāo)準(zhǔn)貫入度擊數(shù)為4～6次，強(qiáng)夯后增大至9～12次，明顯改善了地基土的力學(xué)性能。含水量降至平均值17.5%，天然容重提高至平均值17.6kN/m3，孔隙比低于0.73。地基土濕陷系數(shù)小于0.015，消除了黃土的濕陷性。

根據(jù)本次試夯的結(jié)果，將地基土的物理力學(xué)指標(biāo)與夯前測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比及分析，以檢驗(yàn)強(qiáng)夯實(shí)際效果，同時(shí)對初步擬定的強(qiáng)夯施工參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整及優(yōu)化。調(diào)整及優(yōu)化后的強(qiáng)夯施工參數(shù)如表1所示。

4 強(qiáng)夯的效果檢測與評價(jià)

經(jīng)試夯后進(jìn)行了強(qiáng)夯參數(shù)的調(diào)整，為了驗(yàn)證施工最終參數(shù)的合理性，施工期間按規(guī)范要求的辦法及頻率進(jìn)行檢測試驗(yàn)。圖2、3、4為本項(xiàng)目選取的兩處（1、2號(hào)測坑）有代表性的夯坑進(jìn)行檢測的數(shù)據(jù)。測坑取樣試驗(yàn)深度為5m，每0.5m取樣一組，每個(gè)測坑取樣11組，對土樣進(jìn)行天然容重、黃土濕陷性檢測。同時(shí)，也按深度間距0.5m進(jìn)行地基承載力檢測。

①由強(qiáng)夯前后土體天然容重的變化情況分析加固效果，判斷有效加固深度是否滿足要求。強(qiáng)夯前后不同地基深度處土體天然容重變化如圖2所示。

從圖2中可看出，強(qiáng)夯后土體天然容重均較處理前有了明顯提高，天然容重提高的幅度呈由表層至深層逐漸減少的態(tài)勢，但在本項(xiàng)目取樣深度（5m）范圍內(nèi)，均得到了有效提高，整體上提高了13%左右，土質(zhì)達(dá)到了中等密實(shí)的質(zhì)量要求。因此強(qiáng)夯達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的4m以上有效加固深度。

②由強(qiáng)夯地基承載力變化情況分析加固效果。通過現(xiàn)場原位觸探試驗(yàn)，測定地基承載能力。強(qiáng)夯前后不同地基深度處土體地基承載能力如圖3所示。

由圖3可看出，強(qiáng)夯后，在測試深度范圍內(nèi)各層土體的地基承載力均得到了非常明顯的提高，平均提高幅度近1倍。在測試深度范圍內(nèi)，地基承載力的提高幅度隨著深度的加深而呈減少趨勢，但在設(shè)計(jì)要求的有效加固深度內(nèi)，地基承載力最低值為1號(hào)測坑3m深處，其值為185.3kPa，設(shè)計(jì)要求的有效加固深度范圍內(nèi)，均大幅超過了設(shè)計(jì)要求的150kPa。

③進(jìn)行強(qiáng)夯后黃土濕陷性變化試驗(yàn)。以測定地基經(jīng)強(qiáng)夯處理后是否還具有濕陷性。試驗(yàn)采用單線法進(jìn)行。試驗(yàn)所得測試數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可看出，在不同壓力情況下，不同土層的濕陷系統(tǒng)數(shù)均小于0.015，按國內(nèi)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025-2004）的規(guī)定，經(jīng)強(qiáng)夯法處理后的地基土已不具有濕陷性，達(dá)到處理的目的。

5 結(jié)束語

目前強(qiáng)夯法處理黃土濕陷性的施工技術(shù)參數(shù)較多，由于黃土土質(zhì)的復(fù)雜多變性及其它影響因素的共同作用下，按現(xiàn)行規(guī)范及其它文獻(xiàn)總結(jié)提煉的公式進(jìn)行施工參數(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)，往往在現(xiàn)場實(shí)際施工效果與設(shè)計(jì)所要達(dá)到的處理目標(biāo)偏差過大。故建議在初步確定強(qiáng)夯施工參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行試夯，根據(jù)原位力學(xué)測試及土工試驗(yàn)的結(jié)果，再調(diào)整、優(yōu)化強(qiáng)夯施工參數(shù)，以最終選定適合特定項(xiàng)目的強(qiáng)夯法施工參數(shù)。希望本項(xiàng)目的試夯、試驗(yàn)分析方法及過程能給其它類似項(xiàng)目提供一些借鑒。

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