軟弱地基土高能級強夯現(xiàn)場試驗研究

黃新連

中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600

隨著能源需求量的不斷增大，我國在沿海地區(qū)興建了多個大型石油煉化工程，且工程規(guī)模越來越大，部分已達巨型。但是煉廠場址多處于濱海地帶和沖積平原等軟土發(fā)育區(qū)域，下臥地層土一般具有高含水量、高壓縮性、低強度等特征，導致地基土具有明顯的固結過程。除在工期期間發(fā)生沉降外，油罐地基在工期后會產(chǎn)生長期的工后沉降。隨著油罐長期沉降的增加，差異沉降也相應增加，由此導致油罐結構內(nèi)力分布的持續(xù)改變。當內(nèi)力超過油罐結構強度極限時，油罐便會產(chǎn)生縱、橫向裂縫，從而危及其正常使用及安全運營。因此，必須對地基中存在的軟弱土層進行預先處理[1-8]。

1 工程背景

本研究依托國內(nèi)某2 000萬t/a重油加工工程項目，該工程項目場區(qū)地基土依次由第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)的風-水堆積層、沼澤相沉積層、海陸相交互沉積層、第四系上更新統(tǒng)的海陸相交互沉積層、沖洪積層、殘積層以及燕山期花崗巖組成。10.0～20.0 m厚的第四系風-水堆積粉細砂層及0.5～21.0 m厚的淤泥質黏性土在場地上部廣泛分布：粉細砂層中的②1層細砂層具有級配不良、松散為主、局部稍密、中等液化的特點；粉細砂層中的②2層粉細砂層具有級配不良、稍密～中密、飽和、土層輕微～中等液化和局部嚴重液化的特點；淤泥質黏性土具有軟塑～可塑、孔隙比及有機質含量大、低抗剪強度、高壓縮性、高靈敏度及強流變性等不良的工程特性。

粉細砂層和淤泥質黏性土這兩類軟弱土層的處理對工程安全運營具有顯著的影響，處理方案對投資和工程進度也有很大影響，因此軟弱土層的加固處理尤為關鍵。

2 現(xiàn)場試驗

（1）試驗方案設計。本次進行5個試驗區(qū)的強夯現(xiàn)場試驗，編號分別為A1、A2、B1、B2、B3，每個試驗區(qū)面積均為50 m×50 m。使用的夯錘參數(shù)：圓形、直徑2.5 m、質量46.6 t。強夯布置如圖1所示，各試驗區(qū)地層分布情況見圖2。

（2）試驗方法。強夯前、后分別進行了旁壓試驗、標準貫入試驗、靜力觸探試驗，以測定強夯前后地基土工程特性變化的情況；夯后進行了平板載荷試驗，以測定地基承載力。對于A1～A2、B1～B3 5個試驗區(qū)，上述4個試驗項目在強夯前、強夯后各有3個測點。

3 單點夯試驗結果分析

為確定不同夯能的合理擊數(shù)、收錘標準、有效影響深度和范圍、不同夯擊遍數(shù)的時間間隔，分別采用15 000、12 000 kN·m能級進行單點試夯，并在夯擊過程中監(jiān)測夯坑沉降。2個能級下單點夯夯坑累計沉降與夯擊擊數(shù)間關系如圖3所示。

由圖3可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：第一，各夯能單點夯過程中均未見坑周土體明顯隆起，單擊夯沉量隨擊數(shù)增加而降低，尤其是前6擊的單擊夯沉量比較明顯，隨后夯沉效果逐漸變差，反映出強夯時夯沉量變化的一般規(guī)律。第二，15 000、12 000 kN·m夯能的第7擊已滿足最后2擊平均夯沉量小于20 cm的要求。第三，15 000 kN·m夯能前3擊的夯沉量略大于12 000 kN·m前3擊的夯沉量，但7擊后的累計夯沉量，二者相差不大。第四，基于上述分析，考慮到不同場地土層條件的差異，大面積施工時每遍夯擊的擊數(shù)宜控制在8～9擊，再增加擊數(shù)對于提高加固效果的作用有限。

圖1 強夯試驗區(qū)布置

圖2 各試驗區(qū)地層分布情況

圖3 單點夯累計夯沉量與夯擊數(shù)關系曲線

4 群夯試驗結果分析

4.1 旁壓試驗

在A2、B3試驗區(qū)的典型位置分別進行了1個孔位的旁壓試驗，此兩孔位不同深度的旁壓試驗曲線如圖4所示。由旁壓試驗得到了強夯前后旁壓模量、變形模量及地基承載力特征隨深度分布情況，如圖5所示。

圖4 不同能級強夯加固前、后旁壓試驗曲線

由圖4～5可得出結論：第一，15 000 kN·m能級強夯后，地面以下10 m左右范圍內(nèi)砂土工程特性明顯改善，基本都達到了中密～密實狀態(tài)，變形模量分別達到27 MPa以上，地基承載力比強夯前明顯提高；場地11 m以下范圍內(nèi)的砂土受影響程度有限，旁壓模量未明顯變化。第二，12 000 kN·m能級強夯后，以粉質黏土層（深度范圍為9～12 m，見圖2）為界限，距其1 m以上的砂土的工程特性得到了改善，但效果差于15 000 kN·m能級，粉質土及以下土體工程特性減弱，說明粉質黏土對強夯效果影響較大，由此可見軟弱夾層對強夯效果有隔斷效應，其影響起點為軟弱夾層以上1m左右（A2試驗區(qū)粉質黏土埋深18～19m，對強夯效果影響很?。?/p>

圖5 不同能級強夯下旁壓試驗得出的旁壓模量、變形模量及地基承載力

4.2 標準貫入試驗

強夯加固前后靜力不同能級典型標準貫入試驗曲線如圖6所示，強夯前后土層的修正擊數(shù)值、壓縮模量建議值及地基承載力特征值建議值如圖7所示。

圖6 典型標準貫入試驗曲線

圖7 不同能級強夯下標準貫入試驗得出的修正擊數(shù)值、壓縮模量建議值及地基承載力特征值建議值

根據(jù)標準貫入檢測結果，15 000、12 000 kN·m能級強夯后，土層均勻性得到較好的改善，有效加固深度分別為13 m和12 m左右；有效加固深度范圍內(nèi)，砂土液化可能性已消除。

4.3 靜力觸探試驗

強夯加固前后不同能級典型靜力觸探試驗曲線如圖8所示，強夯前后土層的錐尖阻力平均值、壓縮模量建議值及地基承載力建議值如圖9所示。

圖8 典型靜力觸探試驗曲線

15 000、12 000 kN·m能級強夯明顯改善了地面以下10、11 m左右范圍內(nèi)砂土工程特性，基本都達到了中密～密實狀態(tài)，地基承載力達到250 kPa以上，壓縮模量達到25 MPa以上，場地的均勻性也得到了明顯提高，有效消除了地面以下10、11 m范圍內(nèi)砂層液化的可能性。強夯效果詳細分析如下：

（1）15 000 kN·m能級強夯效果。第一，地面以下10～11m存在軟土層，該層土體的靜力觸探錐尖阻力在強夯加固后沒有提高，說明15 000 kN·m能級強夯無法有效加固此土層。第二，10～11 m軟土夾層的存在明顯降低了強夯夯能及動應力的繼續(xù)向下傳遞；對于場地10～11 m以下范圍內(nèi)的砂土，15 000 kN·m能級強夯無法進行有效加固；如果11 m以下存在可能液化的土體，15 000 kN·m能級強夯無法有效消除其液化勢，需根據(jù)具體情況選擇碎石樁或者其他方案進行加固處理。第三，根據(jù)每遍夯后的檢測結果，第二遍滿夯后相對于第一遍滿夯后的靜探檢測結果未見有明顯提高，第二遍滿夯作用不大，大面積施工時可考慮合并第一和第二遍滿夯。

圖9 不同能級下靜力觸探試驗得出的錐尖阻力平均值、壓縮模量建議值及地基承載力建議值

（2）12 000 kN·m能級強夯效果。第一，強夯的加固效果受場地的土體類型影響較大，強夯對場地內(nèi)11 m以下淤泥質粉質黏土夾層的加固效果不明顯。第二，由于受到地面下10～11 m深度軟土夾層的影響，對比15 000 kN·m和12 000 kN·m能級加固處理后的靜力觸探試驗結果可知，兩者的有效加固深度差別不大，基本都局限在地面以下10～11 m范圍內(nèi)；但對于5～10 m范圍內(nèi)砂層的加固效果，15 000 kN·m能級優(yōu)于12 000 kN·m能級。

4.4 平板載荷試驗

強夯施工結束一定時間后，在每個試驗區(qū)均進行了3個點的平板載荷試驗，試驗采用分級維持荷載沉降相對穩(wěn)定法進行加載，2個能級試驗最大加荷量為500 kPa，地基沉降量通過百分表測量。測讀時間、終止試驗條件以及地基極限承載力的確定均按照規(guī)范執(zhí)行。

各測點平板載荷試驗曲線如圖10所示，5個試驗區(qū)不同測點平板載荷試驗最大沉降、回彈量、卸載后的殘余沉降、回彈率的統(tǒng)計值見表1。由表1可見：殘余沉降量除A2-JZ2點為56.1%外，其余均在71.5%以上，最大殘余沉降達99.3%，回彈率介于0.7%～43.9%，地基的彈性工作特性不明顯，且具有明顯的可壓縮性。

圖10 平板載荷試驗曲線

表1 平板載荷試驗成果統(tǒng)計

由圖10和表1可以看出：荷載-沉降曲線（p- s 曲線）未出現(xiàn)陡降，為典型的平板載荷試驗曲線。15個點均未加載至地基土破壞。根據(jù)規(guī)范確定的地基承載力特征為250 kPa（A1 - JZ3點試驗期間，地基土受雨水浸泡，沉降量較大，地基承載力特征值建議值為241 kPa）。考慮到A1-JZ3點受降雨影響，5個試驗區(qū)夯后地基土承載力特征值建議取250 kPa。

5 不同能級強夯有效加固深度分析

強夯法有效加固深度既是反映處理效果的重要參數(shù)，又是選擇地基處理方案的重要依據(jù)。目前我國JGJ 79—2012《建筑地基處理規(guī)范》建議采用Menard公式來估算強夯有效加固深度：

式中：H為加固深度，m；M為夯錘質量，t；h為夯錘落距，m；α為小于1的修正系數(shù)，規(guī)范建議一般取0.34～ 0.80，與土質條件和能級有關。

規(guī)范建議的修正系數(shù)α和不同能級的有效加固深度是根據(jù)大量現(xiàn)場實測資料歸納總結提出的，但主要是針對8 000 kN·m以下的低能級，對于高能級強夯的有效加固深度目前尚缺乏足夠的經(jīng)驗資料。

從現(xiàn)場試驗結果可知，15 000、12 000 kN·m能級的有效加固深度約為11 m。若采用Menard公式進行估算，相應的修正系數(shù)α分別為0.28、0.32，見表2。

表2 不同能級強夯的有效加固深度及修正系數(shù)

由于本場地加固深度范圍內(nèi)存在軟土夾層，加固前部分試驗區(qū)淺層土體密實度很高，而軟土夾層的存在會吸收部分夯擊能，從而阻止夯能的繼續(xù)向下傳遞。淺層砂層初始密實度過大會降低夯能向深層土體的有效傳遞。此現(xiàn)象表明：夯能影響深度范圍內(nèi)的下臥軟土夾層、加固前淺層原始土層的密實度以及夯能等因素對高能級強夯加固砂性土地基有效加固深度的影響是明顯的，在預估強夯有效加固深度時應根據(jù)實際土層條件和夯能級合理選擇相應修正系數(shù)。

6 結論

軟土地基處理是巖土及地下工程設計與施工的重要問題，結合大型石化工程地基處理實踐，通過現(xiàn)場試驗及分析，得到以下結論：

（1）大面積施工時每遍夯擊的擊數(shù)宜控制在8～9擊，再增加擊數(shù)對提高加固效果作用有限。

（2） 15 000、12 000 kN·m能級強夯明顯改善了地面以下10、11 m左右范圍內(nèi)砂土工程特性，基本都達到了中密～密實狀態(tài)，地基承載力達到了250 kPa以上，壓縮模量達到25 MPa以上；場地的均勻性也得到了明顯的提高，有效消除了地面以下10、11 m范圍內(nèi)砂層液化的可能性。

（3） 軟弱夾層對強夯效果有明顯的隔斷效應，其影響起點為軟弱夾層以上1 m左右。

（4）15 000 kN·m能級第二遍滿夯后靜力觸探結果相對第一遍差異不大，大面積施工時可考慮合并第一和第二遍滿夯。

（5）綜合各種試驗方法所得結果，15 000、12 000 kN·m能級強夯有效加固深度均為11 m，因場地加固深度范圍內(nèi)存在軟土夾層，導致有效加固深度修正系數(shù)比規(guī)范建議值略小。