某大型物流園地基強夯法處理研究

鄭杰圣

(福建省宏實建設工程質量檢測有限公司 福建泉州 362122)

0 引言

在沿海大面積吹填砂地基中，評定強夯處理效果的重要指標是：地基承載力、壓縮模量、抗液化性能是否滿足設計要求。

法國工程師梅那首創(chuàng)了一種地基加固方法——強夯法[1]，其加固機理是在歷時一般只有幾十毫秒內給地基一個巨大的沖擊能量，這種巨大能量促使土體結構發(fā)生變化，土顆粒之間發(fā)生重新排列，并排水排氣，從而提高地基承載力和壓縮模量，改善地基的抗液化性能。采用強夯法處理大面積回填土地基是一種非常經濟有效的地基處理方法，該方法克服了分層碾壓法對回填土厚度和土層含水率的限制。

基此，本文依托擬建于福建省泉州市石獅的某大型物流園項目，通過現場原位試驗分析了強夯的3個重要參數(夯擊能、夯擊數、間歇時間)對強夯加固效果的影響，并對處理前后場地地基進行液化判別，以期達到加固地基、消除液化的目的。

1 工程及地質概況

擬建建筑場地的抗震設防類別為丙類，結構安全性等級為二級。擬建場地土層情況自上而下為素填土、粉質粘土、粉細砂、淤泥質土、粉質粘土、殘積砂質粘土、全風化花崗巖強，主要土層參數指標如表1所示。

表1 擬建工程土層主要參數指標

該工程場地存在大量新近填土，且含有較厚的粉細砂層。由于粉細砂層屬于易液化土層，而該物流園項目建筑荷載較大，且液化土層分布范圍廣，因此須對該建筑全面積范圍進行強夯處理。強夯處理分兩個階段進行：第一階段在場地場平前進行，強夯處理深度為5m～8m(處理深度至粉細砂層底部)，應完全消除粉細砂層的液化沉陷；第二階段在場地場平后進行，強夯處理深度為2m～4m(即回填土厚度)。設計要求：第一次強夯后，應能完全消除粉細砂層的液化沉陷；第二次強夯后，地面下4m以內土層的地基承載力特征值≥160kPa，壓縮模量≥8MPa。

2 施工參數對強夯加固效果影響分析

2.1 夯擊能對強夯加固效果影響

夯擊能是影響強夯加固深度的一個重要參數，為了確定強夯的有效加固深度，需進行夯擊能試驗。該場地A區(qū)砂層平均厚度為8.5m，采用直徑為1.8m柱錘，夯點布置平面尺寸為5.0m×5.0m。設定3種工況：夯擊前、夯擊能2000kN·m、2500kN·m。

在夯擊次數均為8擊時，采用重型動力觸探試驗分析3種工況條件下的動探錘擊數變化，并繪制修正后的重型動力觸探擊數-深度關系曲線，如圖1所示。由圖1可知，動探錘擊數的變化規(guī)律是隨著夯擊能量的增加而增大，錘擊數延深度的變化規(guī)律先增大后減少。工況一：強夯前，動探錘擊數的變化范圍很小，動探錘擊數≤4擊。工況二：夯擊能為2000kN·m時，0m～6.5m段錘擊數延深度逐漸增加，其中2.4m～6.5m段錘擊數均≥9擊，土體處于密實狀態(tài)，6.5m以下錘擊數逐漸減少9擊以下。工況三：夯擊能為2500kN·m時，0m～7.6m段錘擊數延深度逐漸增加，其中1.3～7.6m段錘擊數均≥9擊，土體處于密實狀態(tài)，7.6m以下錘擊數逐漸減少9擊以下。由此判斷：有效加固深度隨著夯擊能的增加而增大，夯擊能為2000kN·m時，有效加固深度約6.5m；夯擊能為2500kN·m時，有效加固深度約7.6m。

圖1 重型動探錘擊數-深度曲線

2.2 夯擊數對強夯加固效果影響

夯擊數是影響強夯加固效果的一個重要參數，加固范圍內土層的地基承載力、壓縮模量和硬殼層厚度都與夯擊數有關。該場地B區(qū)砂層平均厚度8.1m，采用直徑為1.8m柱錘，點夯擊能為2500kN·m。選擇3個點進行復合地基載荷試驗，試點編號為1(x=41455.782,y=20723.028)、2(x=41442.301,y=20716.450)、3(x=41428.820,y=20709.872)，對應的夯擊數分別為6擊、8擊和10擊，夯擊兩遍后，按照《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ106-2012)[2]規(guī)定進行試驗。根據靜載荷試驗結果，可繪出3個點的荷載沉降p-s曲線，如圖2～圖4所示。夯后地基承載力比夯前提高80%以上；總沉降變化規(guī)律是：6擊(26.77mm)>8擊(19.15mm)>10擊(16.21mm)。

一般認為，靜載荷試驗在各種原位測試中是最為可靠的，并以此作為其它原位測試的對比依據。但這一認識的正確性是有前提條件的，即基礎范圍內的土層應均勻。經過強夯處理，淺層地基土形成密實的硬殼層[3]，土性較均勻，基本滿足條件，在夯擊能不變的情況下，硬殼層厚度隨著夯擊次數的增加而增大。

土的變形模量應根據p-s曲線的初始直線段，按均質各向同性半無限彈性體理論計算[4]：

E0=I0(1-μ2)pd/s

(1)

式中：

E0——土的變形模量；

I0——剛性承壓板的形狀系數，方形承壓板取0.886；圓形承壓板取0.785；

μ——排水條件下的泊松比(砂土取0.30或經試驗確定)；

p——p-s曲線線性段的壓力值；

d——承壓板的直徑或邊長；

s——與p對應的沉降，對p-s曲線是平緩的光滑曲線時，可按相對變形值確定，取s=0.01b對應的荷載p代入式(1)計算。

壓縮模量根據文獻[5]提供的公式計算，如表2所示。由表2可知，各試驗點的壓縮模量均大于設計值，比原狀土提高3～5倍，夯后土層的壓縮模量得到明顯提高。壓縮模量的變化規(guī)律是：6擊<8擊<10擊，擊數越多，壓縮模量越大。

圖2 夯擊數為6時p-s曲線

圖3 夯擊數為8時p-s曲線

圖4 夯擊數為10時p-s曲線

表2 強夯后各試驗點靜載荷試驗結果

2.3 間歇時間對強夯加固效果影響

一般來說，土被擾動后強度明顯降低，擾動停止后，隨時間增長，強度又會逐漸恢復提高，間歇時間也是影響強夯加固效果的一個重要參數。由于強夯工藝特點和土體特征，土體的加固效果具有相對滯后性。

圖5 不同時間標貫擊數-深度曲線

該場地C區(qū)砂層平均厚度7.5m，采用直徑1.8m的柱錘，點夯擊能為2500kN·m，分別在夯前、15d、30d、60d進行標貫試驗，并繪出不同時間標貫擊數-深度曲線，如圖5所示。由圖5可知：強夯后15d進行的第一次測試，標貫擊數已有明顯提高，0m～2.5m提高7倍，2.5m～5.5m提高4倍，5.5m～7.5m提高2倍，此時未滿夯。夯后30d進行第二次測試，此時已滿夯，與第一次相比，0m～2.5m提高8倍，2.5m～5.5m提高5倍，5.5m～7.5m提高2.5倍。夯后60d進行第三次測試，與第一次相比，0m～2.5m提高8倍，2.5m～5.5m提高5倍，5.5m～7.5m提高3.5倍。這說明土的強度恢復與恢復時間及埋深有關，2.5m以上15d就可以恢復，2.5m～5.5m則需要30d，5.5m以下60d以后強度仍在增長。對于同一土層，土體的夯擊效果隨著時間推移而增長，具有明顯的滯后效應。因此，進行承載力試驗，間歇時間應滿足設計及規(guī)范要求。

3 強夯處理地基液化性能評價

設計要求第一階段強夯處理深度應至粉細砂層層底，處理深度為5m～8m。采用標貫對處理深度范圍內的土層進行液化判別，當飽和土未經桿長修正的標貫錘擊數N≤液化判別標貫錘擊數臨界值Ncr時，應判為液化土。液化判別標貫錘擊數臨界值Ncr可按式(2)計算[6]：

(2)

式中 ：

Ncr——液化判別標準貫入錘擊數臨界值；

N0——液化判別標準貫入錘擊數基準值，可按《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2010)表4.3.4選用；

ds——飽和土標準貫入點深度(m)；

dw——地下水位(m)，場地試驗點位置的地下水埋深為3m；

ρc——黏粒含量百分率，當小于3或為砂土時，應采用3；

β——調整系數，設計地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

泉州石獅市的抗震設防烈度為7度，設計地震加速度值為0.15g，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，穩(wěn)定地下水位埋深2.0～3.0m。強夯前后分別對編號為4(x=41285.523,y=20552.039)、5(x=41299.004,y=20558.617)、6(x=41325.965,y=20571.774)試驗點進行標準貫入試驗，并對強夯處理后粉細砂層進行液化評價，如表3所示。由表3可知：粉細砂層經過強夯處理后，標貫錘擊數得到了明顯提高，比強夯前提高2～4倍，且大于液化判別標貫錘擊數臨界值Ncr，土的抗液化性能得到了明顯改善。

表3 強夯處理后各試驗點液化評價

4 結語

結合現場原位測試，分析了夯擊數、夯擊能、間歇時間等3個參數對強夯加固效果的影響，可以得到以下幾點結論：

(1)對于同一土層，在相同夯擊數情況下，其有效加固深度隨著夯擊能的增加而增大，上部土體得到夯擊能較大，而傳到下部夯擊能逐漸減少，下部土層加固效果不如上部明顯。

(2)對于同一土層，在相同夯擊能情況下，地基承載力特征值、壓縮模量與夯擊數密切相關，其變化規(guī)律隨著夯擊數的增加而增大。

(3)間歇時間也是影響強夯加固效果的一個重要參數，其夯擊效果隨著間歇時間的增加而增長，淺部土層影響較小，而深部土層影響較大。

(4)由于強夯同時具有動力擠密和動力固結作用，強夯處理后，砂土地基抗液化性能得到明顯改善。