填土層低能級強夯試驗收錘擊數(shù)和夯擊間隔時間探討

黃清祥

（中國京冶工程技術(shù)有限公司廈門分公司，福建廈門 361009）

0 引言

近些年隨著城市建設(shè)的不斷擴大，出現(xiàn)了很多新建工程“高挖深填”的問題。對于新近回填的雜土、填砂等混合物需進行地基處理后，方可提供一定的承載力和減少建筑（構(gòu)）物的工后沉降等。目前，強夯法作為地基處理的常用方法之一，通過一般重達（8～30t）的重錘和8～20m 的落距，利用動力反復(fù)對地基土施加很大的沖擊能壓實土體，可提高地基土的強度和均勻程度，減少將來可能出現(xiàn)的差異沉降、降低土的壓縮性、改善砂土的抗液化條件等[1]。水偉厚等[2]通過建立強夯能級與擊實試驗擊數(shù)及最優(yōu)含水量的關(guān)系，從夯擊能的角度對強夯設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化。姚仰平等[3]通過數(shù)值模擬分析地基的強夯加固效果，用控制體應(yīng)變作為評價加固范圍的標準。欒帥等[4]通過不同的現(xiàn)場原位試驗對比，分析不同高能級強夯對不同土質(zhì)殘積土回填地基的有效加固深度的變化規(guī)律。張濤等[5]通過對某高速公路工程高填路基強夯處理作業(yè)振動進行試驗監(jiān)測，研究強夯振動對周邊環(huán)境的影響。胡瑞庚等[6]對不同性質(zhì)回填土地基上進行的高能級強夯試驗，采用平板載荷試驗、動力觸探試驗、瑞利波測試方法研究強夯前、強夯后淺層地基承載力和深層密實度的變化，提出考慮土類別的高能級強夯有效加固深度計算公式。通過上述文獻，目前對強夯影響加固深度和振動等方面的研究較多。

巖土工程的地域性和個性比較強，往往在相同夯擊能和夯擊擊數(shù)下，強夯夯點的夯沉量具有一定的離散性。若按規(guī)范[7]低能級夯擊能（＜4000kN·m）的收錘標準，很難確保每個夯擊點都能滿足。因此，如何通過試夯夯點的夯擊擊數(shù)與夯沉量的曲線關(guān)系，從統(tǒng)計學(xué)和宏觀上確定大面積強夯施工的收錘夯擊擊數(shù)，是值得探討的一個問題。另外試夯過程也能分析強夯對周邊土體產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力變化規(guī)律，確定兩遍強夯的時間間隔。

文中擬通過強夯試驗施工數(shù)據(jù)和周邊土體產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力消散規(guī)律，探討強夯收錘擊數(shù)的確定方法，確定強夯間隔時間。對類似土層采用低能級強夯法的施工參數(shù)確定有一定的借鑒意義。

1 工程概況

強夯試驗區(qū)位于廈門市翔安區(qū)，擬建場地由原海灣灘涂回填而成，上部松軟土層的綜合厚度較大，且具有較大濕陷性、高壓縮性和不均勻性等不良特性，而且使用荷載比較大，需進行地基處理。強夯試驗區(qū)位置典型地質(zhì)剖面圖，如圖1 所示。

圖1 強夯試驗區(qū)典型地質(zhì)剖面圖

場地地下水水位距地表約4.0m，各巖層土體性質(zhì)如下：

素填土①b：灰褐、褐黃色，呈松散-稍密狀。填料成分主要為粘性土，局部地段含少量碎石或塊石，回填時間5～10 年，該層標貫實測擊數(shù)一般3.0～14.0擊，平均值為8.23 擊，其均勻性差異大，工程性能差。

填砂①c：灰色、灰黃色，以稍密為主，局部為中密，飽和礫砂填料成分以石英砂為主，回填時間5～10年，分選性較好，級配差，顆粒呈次棱角狀。標貫實測擊數(shù)一般5～43 擊，平均值為13.6 擊。

淤泥質(zhì)土②a：深灰色，飽和，流塑。搖振反應(yīng)慢，干強度較高，韌性較高，刀切面光滑，含腐殖質(zhì)及少量腐朽物和貝殼，具腐臭味，污手，局部含少量中細砂，為高壓縮性軟土。

粉質(zhì)黏土③a：灰綠、灰黃色，飽和，呈可～硬塑狀，成分以粘粉粒為主，局部夾有砂礫，刀切面較光滑，干強度中等，韌性中等，無搖振反應(yīng)。標貫實測擊數(shù)一般11.0～35.0 擊，平均值為19.2 擊。

2 強夯試夯區(qū)參數(shù)

2.1 夯點布置與施工順序

強夯試夯區(qū)域選擇具有代表整個場地的巖土層分布特點，該區(qū)域填土（砂）層厚約6.0m，淤泥質(zhì)土層約1.3m，粉質(zhì)黏土層厚約10.5m。試夯區(qū)域大小20m×20m，試夯的夯擊能為3000kN·m，夯錘錘重27.65t，落距高度10.8m，錘底直徑2.24m。第一遍試夯點布置如圖2 所示。

圖2 第一遍試夯點布置圖（單位：m）

強夯試夯過程的基本步驟如下：

（1）清理并整平試驗區(qū)場地。

（2）標出第一遍夯點位置，測量夯點地面高程。

（3）夯機就位，起吊吊鉤至落距高度，將吊鉤牽引鋼絲繩固定，鎖定落距H。

（4）將夯錘平穩(wěn)提起置于夯點位置，測量夯前錘頂高程hi1。

（5）起吊夯錘至預(yù)定高度，夯錘自動脫鉤下落夯擊夯點。

（6）測量錘頂高程hi2，記錄夯坑下沉量si=(hi1-hi2)。

（7）重復(fù)步驟（5）～（6），按規(guī)范表6.3.3-2 強夯法最后兩擊平均夯沉量≤5cm 控制標準，完成一個夯點的夯擊，夯錘移位到下一個夯點，重復(fù)步驟（2）～（5），完成第一遍全部夯點的夯擊。

2.2 強夯區(qū)域周邊土層超靜孔隙水壓力測試

孔隙水壓力計主要測量強夯對周邊土層產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力值，孔壓測試點布置如圖3、圖4所示。

圖3 超靜孔隙水壓力測點平面布置圖（單位：m）

圖4 超靜孔隙水壓力測點剖面圖（單位：m）

第一遍試夯施工后對不同土層深度處的超靜孔隙水壓力的增長和消散過程進行測試。每次觀測用數(shù)字式頻率計測出各孔隙水壓力傳感器的即時頻率，將每次觀測的數(shù)據(jù)記錄在觀測表內(nèi)，計算出該點的即時孔隙水壓力。測量采用608A 型振弦頻率讀數(shù)儀完成，計算公式如下：

式中，P 為孔隙水壓力，kN；K 為傳感器標定系數(shù)，kN/Hz2；fi為測試頻率，Hz；f0為初始頻率，Hz。

3 強夯試驗數(shù)據(jù)整理與分析

3.1 強夯試夯點數(shù)據(jù)整理與分析

在預(yù)期的強夯夯擊數(shù)14～16 次下，夯點(A1～A16)的夯擊擊數(shù)與對應(yīng)的夯沉量關(guān)系曲線如圖5、圖6 所示。各夯點的最后兩擊夯沉量平均值Si和累計夯沉量，如圖7、圖8 所示。

圖5 夯點（A1～A8）夯擊擊數(shù)與對應(yīng)的夯沉量關(guān)系圖

圖6 夯點（A9～A16）夯擊擊數(shù)與對應(yīng)的夯沉量關(guān)系圖

圖7 夯點（A1～A16）最后兩擊夯沉量平均值分布

圖8 夯點(A1～A16)累計夯沉量分布

由圖5、圖6 可知，各強夯點在夯擊第1～3 擊時夯沉量最大，其中有13個夯點（81.3%夯點）的累計沉降量占總沉降量41%以上，對土體的處理效果最明顯。在第4 擊以后夯點的夯沉量均勻下降。

由圖7 中數(shù)據(jù)可整理最后兩擊沉降量平均值Si的平均值、標準差和σf變異系數(shù)δ，按下列式（2）～式（4）計算，計算結(jié)果如表1 所示。

表1 夯點最后兩擊沉降量平均值Si 統(tǒng)計分析

由圖7、表1 可知：①同一場地內(nèi)在相同夯擊能和夯擊擊數(shù)下，試夯點最后兩擊沉降量平均值具有一定的離散性，很難確保每個夯點Si均小于5.0cm。從統(tǒng)計夯點的Si計算，平均值均接近5.0cm，但變異系數(shù)大小和統(tǒng)計的方式有一定關(guān)系，當(dāng)采用分別去掉2個最大值和最小值后計算，變異系數(shù)＜0.30，這樣的數(shù)據(jù)離散性就比較小，更能代表整個場地實際夯擊后的情況；②按部分數(shù)據(jù)2 統(tǒng)計計算，Si≤4.5cm 占比33%；Si≤5cm 占比50%；Si≤5.5cm 占比67%；Si≤6.0cm 占比75%；Si≤7cm 占比92%。滿足規(guī)范要求的收錘標準（Si≤5cm 占比50%）夯點數(shù)保證率為50%；滿足規(guī)范要求的收錘標準（Si±2cm 占比達92%）。

工程該區(qū)域地基處理后，場地均勻性標準貫入試驗和載荷試驗結(jié)果表明，均能滿足規(guī)范和工程要求；建議在大面積強夯正式施工前，通過試夯數(shù)據(jù)分析，結(jié)合考慮具體場地條件和采用的夯擊能條件，從統(tǒng)計學(xué)和宏觀的角度出發(fā)，將Si適當(dāng)調(diào)整±2cm，同時確保占比在90%以上的雙控制方法，應(yīng)能滿足工程要求。通過試夯區(qū)先確定收錘擊數(shù)，這樣方便施工現(xiàn)場組織和提高施工效率，對縮短強夯地基處理工期具有重要意義。

各強夯點累計夯沉量平均值S1=153.1cm，如圖8所示。夯點位置夯沉下降部分的土體，即土體壓縮量體積約V1 計算如下：

按強夯的施工順序，第一遍強夯完成后會進行場地平整，根據(jù)土體壓縮量相等原則，強夯試驗區(qū)的場地平均沉降量S2計算如下：

式中，V1為強夯點的土體壓縮量體積，m3；n 為試驗區(qū)強夯點個數(shù)，A1為夯錘錘底面積，m2；S1為各強夯點累計夯沉量平均值，m;A2為強夯試驗區(qū)面積，m2；S2為強夯試驗區(qū)下沉降量，m。

上述通過土體等體積壓縮方法可計算得到強夯后場地平均沉降量S2，再結(jié)合設(shè)計交工面標高，可為大面積強夯施工前場地平整高度計算提供參考。

3.2 強夯試夯產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力測試數(shù)據(jù)整理與分析

強夯試驗區(qū)域的夯擊能為3000kN·m，根據(jù)規(guī)范，強夯有效加固影響深度估算約6～7m。第一遍強夯夯點(A1～A16)夯擊過程中，距離試驗區(qū)邊緣20m 遠處，不同土層的超靜孔隙水壓力值與時間關(guān)系，如圖9 所示，不同土層的超靜孔隙水壓力每天變化值與時間關(guān)系，如圖10 所示。

圖9 不同土層的超靜孔隙水壓力值變化與時間關(guān)系曲線

由圖9、圖10 可知：①在強夯有效加固影響深度范圍土體產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力最大值是影響深度以下土層的10 倍；②在強夯處理后5d 內(nèi)超靜孔隙水壓力累計消散占比約57.0%，之后消散的速度會緩慢進行；③從土層性質(zhì)分析，填土層的消散速率會比淤泥質(zhì)土和黏性土層快。

圖10 不同土層的超靜孔隙水壓力每天變化值與時間關(guān)系曲線圖

在強夯加固影響深度范圍內(nèi)的填土層中，距離強夯試驗區(qū)邊緣分別為20m（KY1-1）、30m（KY2-1）、40m（KY3-1）設(shè)置測點，測得的超靜孔隙水壓力值與時間關(guān)系，如圖11 所示，超靜孔隙水壓力每天變化值與時間關(guān)系，如圖12 所示。

圖11 填土層中距試夯區(qū)邊緣不同位置處的超靜孔隙水壓力值與時間關(guān)系曲線圖

圖12 填土層中距試夯區(qū)邊緣不同位置處的超靜孔隙水壓力每天變化值與時間關(guān)系曲線

由圖11、圖12 可知：①在強夯有效加固影響深度范圍內(nèi)的填土層中，距試夯區(qū)邊緣20m 與40m 遠處位置土體產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力值僅僅大近1.16 倍，說明在強夯平面影響范圍內(nèi)，同一土層產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力值與距離試夯邊緣的遠近差別不明顯，但是隨著距離增加，壓力值會相對小一些；②超靜孔隙水壓力累計消散速度規(guī)律基本一致，且消散的速率也接近，說明在上述夯擊能下強夯試驗區(qū)外約40m 影響范圍內(nèi)，同一土層的超靜孔隙水壓力消散速率與距離強夯位置沒有關(guān)系；③在填土層中前5d 超靜孔隙水壓力消散速度快，可達到57%以上，12d 可達80%。第一、二遍強夯的時間間隔應(yīng)根據(jù)試夯結(jié)果，確定一個合理的時間間隔，減少后期的工后沉降影響，縮短強夯地基處理施工工期具有重要意義。

4 結(jié)語

文中擬通過現(xiàn)場實際強夯試夯施工數(shù)據(jù)，探討適用于確定大面積強夯施工的強夯收錘擊數(shù)方法，以及強夯對周邊土體形成超靜孔隙水壓力后的消散規(guī)律，得出主要以下結(jié)論：

（1）在前4 次的夯擊作用下，夯沉量下降明顯，以后夯沉量下降均勻后趨于穩(wěn)定。

（2）應(yīng)從統(tǒng)計學(xué)和宏觀的角度出發(fā)，對夯點最后兩擊沉降量平均值Si適當(dāng)調(diào)整±2cm，同時確保占比在90%以上的雙控制方法，確定的強夯收錘擊數(shù)能滿足工程要求。

（3）在強夯有效加固影響深度范圍下，土體產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力最大值是影響深度以下土層的10 倍。

（4）在低能級強夯試驗區(qū)外約40m，同一土層產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力值與距離試夯邊緣的遠近差別不明顯，但是隨著距離增加，壓力值會相對小一些，消散速率與距離強夯位置沒有關(guān)系。