船廠吹填粉細(xì)砂地基強夯加固質(zhì)量控制

楊 傳 景

(1.中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200063； 2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心，上海 200063)

1 概述

修造船廠一般沿江、沿海建造，地勢較低、地質(zhì)條件較差，大規(guī)模換填和填筑低洼地帶需要大量土石方，存在土方資源少、建設(shè)成本高等問題。而充分利用江河疏浚產(chǎn)生的砂土進行吹填既能解決疏浚砂土堆放占地的問題又能解決船廠地基填筑中缺少填料的問題。但吹填砂存在結(jié)構(gòu)松散、含水率高、承載力差等問題；濱水船廠存在地下水位高、水位變化大、地形起伏、暗浜溝渠縱橫、地勢低填筑厚度大、填筑面積廣等問題；隨著造船技術(shù)的發(fā)展，分段造船技術(shù)運用更加普遍，大型分段運輸設(shè)備的運行對地基提出了更高的要求。因此，基于長江口某大型造船廠廠內(nèi)道路吹填粉細(xì)砂地基的強夯加固工程，通過多種技術(shù)手段確定強夯加固吹填粉細(xì)砂地基的施工參數(shù)和質(zhì)量控制指標(biāo)，為同類船廠吹填地基的強夯加固提供參考。

2 強夯施工參數(shù)確定

強夯主要通過夯錘落地瞬間產(chǎn)出的沖擊波，使土體顆粒在豎向上產(chǎn)生重新排列和固結(jié)，從而達(dá)到加固土體的作用。長江口某船廠吹填粉細(xì)砂層厚度4 m～6 m，吹填時間不足半年，固結(jié)程度較低。強夯加固處理應(yīng)保證以下幾點：1)夯擊能傳遞到吹填層底部，達(dá)到全厚度加固的效果；2)加固后吹填層有效固結(jié)，達(dá)到減少或消除工后沉降的效果；3)夯擊間距合理，達(dá)到平面全范圍加固的效果。因此，夯擊能、夯點間距和夯擊次數(shù)是強夯加固中主要的施工參數(shù)，關(guān)系到強夯加固效果和施工成本。

2.1 夯擊能

根據(jù)勘察資料長江口某大型船廠建設(shè)區(qū)位原為沿江灘涂，經(jīng)吹填長江口粉細(xì)砂后基本達(dá)到設(shè)計標(biāo)高，粉細(xì)砂層厚度4 m～6 m。需根據(jù)吹填土深度采用合適的夯擊參數(shù)(夯錘重量、下落高度)，保證夯擊有效能應(yīng)傳遞到吹填層底部，對吹填層全厚度進行有效加固處理，通過現(xiàn)場試夯，選擇不同的夯錘和落距，以夯擊能為變量，對應(yīng)不同的靜力觸探結(jié)果。同時試驗場地采用真空降水，將地下水位降低至6 m，外圍設(shè)置封管防止強夯時地下水位回升，分別選擇1 500 kN·m和2 000 kN·m的夯擊能(15 t和20 t的兩種夯錘落距10 m)進行試夯，試夯次數(shù)為6次，采用靜力觸探法測量夯后比貫入阻力。強夯機具及試夯現(xiàn)場見圖1，夯后比貫入阻力測量結(jié)果見表1，圖2。

表1 比貫入阻力表

根據(jù)現(xiàn)場試夯后靜力觸探結(jié)果，選用重量為2 000 kN的夯錘和最大提升高度10 m的起重機，根據(jù)不同的吹填層厚度調(diào)整夯錘落距，可保證吹填層厚度最大6 m時，強夯后底層粉細(xì)砂的比貫入阻力不小于3 MPa，確保夯擊有效深度覆蓋整個吹填層。

2.2 夯擊次數(shù)

強夯涉及的是地基土在巨大的沖擊力作用下的動態(tài)響應(yīng)問題。可通過ansys LS-DYNA模擬強夯作用的數(shù)值分析[3]。根據(jù)地基模型在夯擊作用下的土體豎向位移，分析強夯加固地基的效果，以確定夯擊次數(shù)的范圍。模型主要計算參數(shù)見表2。

表2 模型主要計算參數(shù)

由于強夯沖擊荷載作用時間極短，在計算錘底沖擊力時，不計入粘滯力對動力反應(yīng)的影響。采用三角形形式定義瞬時荷載，夯擊能采用2 000 kN·m。土體模型采用10 m×10 m×10 m的立方體，在土體的底面和側(cè)面設(shè)置多次透射邊界，避免振動波反射影響計算結(jié)果，土體頂面及夯錘底面定義接觸面，建立土體模型和單元劃分。計算結(jié)果云圖如圖3所示。

根據(jù)數(shù)值模擬，夯擊5次以后單次夯擊沉降值和累計夯沉值的變化均趨于平緩，相鄰兩次夯擊沉降差在2 cm左右。因此，施工過程中夯擊次數(shù)一般應(yīng)不小于6次，根據(jù)夯擊實際效果適當(dāng)調(diào)整，見圖4。

2.3 夯點間距

探地雷達(dá)是一種先進的無損檢測方式，可通過掃描地層根據(jù)反射波的變化來分析土層結(jié)構(gòu)的變化，在強夯效果監(jiān)測和路基結(jié)構(gòu)無損檢測中已逐漸普及應(yīng)用[1,2,4]。采用俄羅斯產(chǎn)OKO-2型探地雷達(dá)1 000 MHz天線掃描強夯后的地層反射波變化，分析強夯的水平影響范圍。強夯前后地層雷達(dá)圖如圖5，圖6所示。

根據(jù)探地雷達(dá)掃描圖可知，直徑2.5 m的夯錘落地后其豎向沖擊能擴散角約為45°，但隨著豎向深度的增加水平方向擴散的沖擊能逐漸減小，1 m深度以下夯錘垂直作用區(qū)域以外的地基加固并不明顯，因此點夯時夯點中心距離可控制在3.5 m，夯點呈梅花形布設(shè)，并配合1 500 kN·m夯擊能的滿夯，可確保對地基水平向的全范圍加固。

3 強夯施工指標(biāo)監(jiān)測與質(zhì)量控制

強夯本質(zhì)上是一種動力加速地基土層固結(jié)的方法，以達(dá)到提高地基承載力、減少工后沉降的目的，除采用合理的夯擊能、夯擊次數(shù)、夯擊間距等施工參數(shù)外，地下水位也是影響加固效果的重要因素之一，強夯時巨大的沖擊能將在土體顆粒之間形成超空隙水壓力，水壓力能否快速消散將直接關(guān)系到加固效率和效果。同時，根據(jù)試夯和多種技術(shù)手段確定的施工參數(shù)簡化施工過程中的指標(biāo)監(jiān)測是控制強夯加固質(zhì)量，提高施工效率的重要手段。

3.1 地下水位監(jiān)測與控制

長江口地下水位較高，強夯前采用真空井點降水，井點降水深度直接關(guān)系到強夯加固效果。試夯初期由于未設(shè)置水位觀測井，并在降水10 h后將井點管一次性全部拔除，導(dǎo)致強夯后加固效果不理想，現(xiàn)場開挖發(fā)現(xiàn)地下水位約為3 m，未達(dá)到不得高于吹填層底的要求。

采取以下措施后解決了地下水進入吹填層，影響強夯效果的問題:

1)開挖排水明溝，將真空泵抽出的地下水排出至施工范圍50 m以外；

2)增設(shè)觀測井，采用地下水位計實時監(jiān)測地下水位高度，地下水位低于設(shè)計要求水位方可拔管；

3)強夯施工時外圍封管繼續(xù)抽水，防止地下水回流，同時監(jiān)測地下水位回升速度和高度，保證強夯施工時地下水位滿足設(shè)計要求。

3.2 夯沉監(jiān)測與靜力觸探

根據(jù)第2節(jié)的分析和計算，長江口某船廠吹填粉細(xì)砂層強夯加固時點夯采用2 000 kN·m夯擊能進行強夯，夯擊次數(shù)不小于6次，且測量最后兩夯沉降差小于2 cm時進行下一點夯擊。

根據(jù)詳勘資料施工區(qū)域吹填層厚度分布不均，最深處達(dá)6 m，施工過程中根據(jù)吹填層厚度劃分區(qū)域，層厚超過4 m的區(qū)域重點進行監(jiān)測，強夯加固后抽取點位進行靜力觸探計算比貫入阻力，對其中1號路選擇6個點進行靜力觸探，吹填層底部附件比貫入阻力均大于3.0 MPa，滿足設(shè)計強度要求。

4 結(jié)語

長江口某大型造船廠新吹填粉細(xì)砂地基固結(jié)時間較短，固結(jié)度較低、地下水位高，不滿足道路地基的設(shè)計要求，通過強夯進行加固處理。本文通過現(xiàn)場試驗試夯采用靜力觸探和探地雷達(dá)測量，根據(jù)土層物理力學(xué)指標(biāo)的變化和土層斷面層結(jié)構(gòu)的變化，確定了夯擊能為2 000 kN·m可有效加固最厚6 m的吹填層，點夯間距3.5 m為較經(jīng)濟合理的夯點布設(shè)間距；同時采用大型三維有限元模擬夯錘作用下的土層豎向變形，確定了夯擊次數(shù)一般不小于6次。根據(jù)強夯施工參數(shù)和設(shè)計要求，通過對地下水位的監(jiān)測、最后兩次夯擊沉降差的測量和抽取關(guān)鍵位置進行靜力觸探等手段，對強夯加固的質(zhì)量進行了有效的控制。