強(qiáng)夯法加固回填土地基綜合檢測(cè)技術(shù)研究

魏子揚(yáng)，黃彥森，黃質(zhì)宏

(1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550000；2.貴州聯(lián)建土木工程質(zhì)量檢測(cè)監(jiān)控中心有限公司，貴州 貴陽 550000)

0 引言

為充分利用有限的土地資源，土地開發(fā)已轉(zhuǎn)移至丘陵地帶。丘陵地區(qū)往往坡度較大且交通不便，為了使此類土地滿足建設(shè)用地需要，通常用建筑垃圾或?qū)⑸襟w開挖后直接填入低洼地帶，因此回填碎石土往往顆粒粒徑極不均勻[1?4]。此類填土地基的穩(wěn)定性關(guān)乎到民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，若處理不當(dāng)，將對(duì)社會(huì)安定造成威脅，經(jīng)驗(yàn)表明在山區(qū)強(qiáng)夯法處理此類地基既經(jīng)濟(jì)又安全[5?8]。但仍需對(duì)加固后的地基進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)其加固效果；本文結(jié)合平板載荷試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、瑞雷波試驗(yàn)的相關(guān)性，共同評(píng)價(jià)強(qiáng)夯加固效果。

1 檢測(cè)強(qiáng)夯加固效果

采用原位試驗(yàn)評(píng)價(jià)地基土的性能和狀態(tài)，其目的是在盡量不破壞、少擾動(dòng)被檢測(cè)對(duì)象的原始位置的情況下獲得有代表性的工程參數(shù)。回填碎石土地基加固效果的評(píng)價(jià)方法主要有淺層平板載荷試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、瑞雷波試驗(yàn)等[9?12]。本文依托工程施工場(chǎng)地因填土情況與強(qiáng)夯的差異主要分成兩個(gè)區(qū)，要求加固后的地基承載力特征值fak≥200 kPa，變形模量E0≥18 MPa。

1.1 平板載荷試驗(yàn)

本工程平板載荷試驗(yàn)共進(jìn)行15 個(gè)點(diǎn)位的測(cè)試[13]，其結(jié)果見表1。

表1 平板載荷試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)工程的場(chǎng)地填土、上部建筑等實(shí)際情況，強(qiáng)夯設(shè)計(jì)分2 個(gè)區(qū)域進(jìn)行。共進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)15組，現(xiàn)從2 個(gè)區(qū)域各選取2 個(gè)有代表性的點(diǎn)位進(jìn)行詳細(xì)評(píng)述。Ia、Ib是一號(hào)區(qū)域的2 個(gè)有代表性區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)平板載荷試驗(yàn)的8#和10#點(diǎn)位，IIa、IIb是二號(hào)區(qū)域的2 個(gè)有代表性區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)平板載荷試驗(yàn)的2#和4#點(diǎn)位。試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 4 個(gè)點(diǎn)位的載荷?沉降量曲線

該淺層平板載荷試驗(yàn)選取的承壓板邊長(zhǎng)為1 m，依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)該試驗(yàn)?zāi)軌蚍从?～2 倍承壓板邊長(zhǎng)深度范圍內(nèi)地基的承載力情況。

試驗(yàn)點(diǎn)位的承載力通過比例界限值確定，由圖1 中的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值可知，8#、10#、2#、4#測(cè)點(diǎn)的承載力分別為320 kPa、320 kPa、280 kPa、280 kPa。根據(jù)表1，對(duì)地基的所有測(cè)點(diǎn)來說，該地基試驗(yàn)點(diǎn)承載力的極差為80 kPa，承載力的平均值為280 kPa。極差小于平均值的30%，則該土層的承載力特征值為280 kPa，符合地基設(shè)計(jì)需求值。

1.2 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

共進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)30 組[13]，現(xiàn)從2 個(gè)區(qū)域各選取2 個(gè)有代表性的點(diǎn)位進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)述。Ia、Ib是一號(hào)區(qū)域的2 個(gè)有代表性的點(diǎn)位，IIa、IIb是二號(hào)區(qū)域的2 個(gè)點(diǎn)位。試驗(yàn)結(jié)果見表2，試驗(yàn)曲線見圖2。

表2 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果（部分）

從圖2 可以看出Ia、Ib的隨著觸探深度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的變化，這是由于4000 kN·m 的單夯能級(jí)有效加固深度大致在7～8 m，土層越深處夯擊加固效果越弱，故增長(zhǎng)速度放緩；且最后3 次錘擊未修正的均大于50，依據(jù)規(guī)范可以停止試驗(yàn)。從圖2 可以看出，IIa、IIb的隨著觸探深度的增加變化不大，這是由于該區(qū)的回填土深度大致在5.7 m，夯擊有效加固深度已超過回填深度，沒有出現(xiàn)加固效果明顯減弱的部分；最后2 次錘擊的已經(jīng)超過50，且最后1次錘擊已經(jīng)打在原有土層，依據(jù)地勘資料原有土層的密實(shí)度很好，且最后的增長(zhǎng)量較之前略微增大，故可停止試驗(yàn)。依據(jù)《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，可按表3 評(píng)價(jià)本次工程場(chǎng)地碎石土的密實(shí)度情況。

圖2 重型動(dòng)力觸探貫入深度與錘擊數(shù)

表3 分類碎石土的密實(shí)度

表3 分類碎石土的密實(shí)度

與Ia、Ib、IIa、IIb這4 個(gè)點(diǎn)位類似，重型動(dòng)力觸探其他26 個(gè)點(diǎn)位的錘擊數(shù)，從表3 可以看出大部分處于密實(shí)狀態(tài)，表層或淺層少部分在中密狀態(tài)，故可評(píng)價(jià)強(qiáng)夯的加固效果較好。

1.3 瑞雷波試驗(yàn)

共進(jìn)行30 個(gè)點(diǎn)位[14?16]的瑞雷波試驗(yàn)，現(xiàn)從2個(gè)區(qū)中各選取2 個(gè)有代表性的點(diǎn)位進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)述。Ia、Ib是一號(hào)區(qū)域的2 個(gè)有代表性區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)瑞雷波試驗(yàn)的22#和23#點(diǎn)位，IIa、IIb是二號(hào)區(qū)域的2 個(gè)有代表性區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)平板載荷試驗(yàn)的6#和17#點(diǎn)位。試驗(yàn)曲線見圖3。

強(qiáng)夯I 區(qū)回填土深度大致為8～10 m，從圖3可看出隨著深度的增加，波速先增大后減??；在深度6 m 左右達(dá)到最大，表明在此區(qū)域內(nèi)強(qiáng)夯的加固效果最好，在深度7 m 左右時(shí)波速明顯減小，即驗(yàn)證了單夯能級(jí)4000 kN·m 時(shí)有效加固深度大致在7～8 m。強(qiáng)夯II 區(qū)回填土深度為5.7 m，可看出隨著深度的增加，波速先增大后趨于穩(wěn)定，在深度5～6 m 之間波速的增速達(dá)到最大，超出回填土區(qū)域后波速較大且平穩(wěn)，表明該區(qū)天然土體工程性質(zhì)良好。

圖3 4 個(gè)點(diǎn)位的V?h 曲線

依據(jù)《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，可按表4 評(píng)價(jià)本次工程場(chǎng)地碎石土地基的承載力特征值與變形模量的情況。

表4 瑞雷波波速與承載力和變形模量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

在該場(chǎng)區(qū)，共進(jìn)行瑞雷波測(cè)試30 個(gè)點(diǎn)位，與圖3 情況類似，其他26 個(gè)點(diǎn)位的瑞雷波波速介于239～535 m/s 之間，多數(shù)分布在319～400 m/s，且隨著深度呈線性增加的趨勢(shì)，個(gè)別測(cè)試點(diǎn)波速較低但總體整個(gè)強(qiáng)夯范圍內(nèi)波速分布較均勻；依照表4，可評(píng)價(jià)強(qiáng)夯的加固效果較好，滿足設(shè)計(jì)要求。

本試驗(yàn)將11～20 測(cè)點(diǎn)的波速組成二維矩陣，并繪制成圖4。

由圖4 可直觀地看出，該剖面上4 m 處的強(qiáng)夯加固效果最好，二維圖可使檢測(cè)人員分析數(shù)據(jù)更加容易，了解地層整體情況，評(píng)價(jià)強(qiáng)夯加固效果更加直觀。

圖4 瑞雷波波速剖面

2 三種試驗(yàn)間的相關(guān)性

2.1 平板載荷試驗(yàn)與動(dòng)力觸探試驗(yàn)的相關(guān)關(guān)系

平板載荷試驗(yàn)測(cè)試深度僅為承壓板邊長(zhǎng)的1～2 倍，若想檢測(cè)較深土體還需分層檢測(cè)，通過分層平板載荷試驗(yàn)，得到0～4.8 m 深度內(nèi)分段的fak和E0，將動(dòng)力觸探錘擊數(shù)建立聯(lián)系。使用origin繪圖軟件將Ia、IIa、IIb這3 個(gè)區(qū)內(nèi)的與fak通過深度一一對(duì)應(yīng)，建立相關(guān)的數(shù)理模型，見圖5。

圖5 修正后的動(dòng)力觸探擊數(shù)與承載力特征值的相關(guān)性

由圖5 可看出，修正后的動(dòng)力觸探擊數(shù)與承載力特征值之間存在相關(guān)性，通過冪函數(shù)、多項(xiàng)式、指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，得到相關(guān)性較好的是指數(shù)函數(shù)：

使用origin 繪圖軟件將Ia、IIa、IIb3 個(gè)區(qū)內(nèi)的與E0通過深度一一對(duì)應(yīng)，建立相關(guān)的數(shù)理模型，見圖6。

圖6 修正后的動(dòng)力觸探擊數(shù)與變形模量的相關(guān)性

由圖6 可看出，修正后的動(dòng)力觸探擊數(shù)與變形模量之間存在相關(guān)性，通過冪函數(shù)、多項(xiàng)式、指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，得到相關(guān)性較好的是多項(xiàng)式：

2.2 平板載荷試驗(yàn)與瑞雷波試驗(yàn)的相關(guān)關(guān)系

通過分層平板載荷試驗(yàn)，得到0～4.8 m 深度內(nèi)分段的fak和E0，與瑞雷波波速建立聯(lián)系。使用origin繪圖軟件將Ia、IIa、IIb這3 個(gè)區(qū)內(nèi)的V與fak通過深度一一對(duì)應(yīng)，建立相關(guān)的數(shù)理模型，見圖7。

圖7 瑞雷波波速與承載力特征值的相關(guān)性

由圖7 可看出，瑞雷波的波速與承載力特征值之間存在相關(guān)性，通過冪函數(shù)、多項(xiàng)式、指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，得到相關(guān)性較好的是多項(xiàng)式：

使用origin 繪圖軟件將Ia、IIa、IIb這3 個(gè)區(qū)內(nèi)的V與E0通過深度一一對(duì)應(yīng)，建立相關(guān)的數(shù)理模型，見圖8。

圖8 瑞雷波波速與變形模量的相關(guān)性

由圖8 可看出，瑞雷波的波速與變形模量之間存在相關(guān)性，通過冪函數(shù)、多項(xiàng)式、指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，得到相關(guān)性較好的是多項(xiàng)式：

2.3 動(dòng)力觸探試驗(yàn)與瑞雷波的相關(guān)關(guān)系

動(dòng)力觸探試驗(yàn)通過N6′3.5反映了不同深度土層的密實(shí)程度，強(qiáng)夯的加固深度，但對(duì)場(chǎng)地造成了破壞；將瑞雷波波速與動(dòng)力觸探擊數(shù)建立聯(lián)系。使用origin 繪圖軟件將Ia、IIa、IIb這3 個(gè)區(qū)內(nèi)的V與通過深度一一對(duì)應(yīng)，建立相關(guān)的數(shù)理模型，見圖9。

圖9 瑞雷波波速與動(dòng)力觸探擊數(shù)的相關(guān)性

由圖9 可看出，瑞雷波的波速與動(dòng)力觸探錘擊數(shù)之間存在相關(guān)性，通過冪函數(shù)、多項(xiàng)式、指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，得到相關(guān)性較好的是多項(xiàng)式：

3 檢驗(yàn)擬合曲線的適用性

3.1 驗(yàn)證動(dòng)力觸探擊數(shù)與承載力特征值擬合曲線

將Ib區(qū)的代入式（1）后，求得fak；并與其真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，見表5。其中Ib區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并未在求擬合曲線時(shí)使用，目的就是為驗(yàn)證在大致相同的地質(zhì)情況下，是否能推算出承載力特征值，且與真實(shí)值之間的誤差。

表5 基于式（1）fak 的誤差

3.2 驗(yàn)證瑞雷波波速與承載力特征值擬合曲線

將Ib區(qū)內(nèi)的V代入式（3）后，求得fak；并與其真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，見表6。

表6 基于式（3）fak 的誤差

從表6 可以看出，通過V?fak的擬合曲線求出的承載力特征值與真實(shí)值之間的誤差非常小，最高誤差僅1.7%，擬合效果很好。由式（4）得到瑞雷波波速與變形模量擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)為0.75，經(jīng)驗(yàn)證最高的誤差百分比達(dá)到18.3%；由式（5）得到動(dòng)力觸探擊數(shù)與瑞雷波波速擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)為0.82，經(jīng)驗(yàn)證最高的誤差百分比達(dá)到35%，需進(jìn)一步分析。

4 結(jié)論

通過平板載荷試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、瑞雷波試驗(yàn)分別檢測(cè)強(qiáng)夯的加固效果，得出15 個(gè)點(diǎn)位的平板載荷試驗(yàn)平均承載力特征值為280 kPa、變形模量最小為18 MPa，30 個(gè)點(diǎn)位的動(dòng)力觸探錘擊數(shù)依據(jù)規(guī)范查表，均表明加固后的土體處于密實(shí)狀態(tài)，30 組瑞雷波試驗(yàn)測(cè)得瑞雷波波速介于239～535 m/s，多數(shù)分布在319～400 m/s，利用SURFER 軟件將多個(gè)相連的一維波速剖面圖組成二維剖面圖，直觀地展示了整個(gè)地基某一剖面的情況；3 種試驗(yàn)測(cè)得強(qiáng)夯加固地基指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

驗(yàn)證擬合曲線適用性的結(jié)果表明，只有動(dòng)力觸探擊數(shù)與承載力特征值擬合曲線、瑞雷波波速與承載力特征值擬合曲線相關(guān)性較強(qiáng)，誤差百分比最高僅1.7%，可為進(jìn)一步研究作參考。