強(qiáng)夯法作用下黑燕調(diào)蓄水池地基承載力研究

朱全海 張多宏 丁建興 楊耀峰 賈生海

（1.甘肅水利機(jī)械化工程有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

地基承載力（Subgrade bearing capacity）是指在單位面積的地基土隨荷載增加所發(fā)揮的承載能力[1]。在荷載作用下，地基會(huì)發(fā)生變形并且隨著載荷持續(xù)增加而增大，在初期，地基土中應(yīng)力處在彈性平衡狀態(tài)，具有安全承載能力，隨著時(shí)間的推移，就可能出現(xiàn)大的沉降和變形，從而導(dǎo)致建筑物破壞。強(qiáng)夯法也稱為動(dòng)力固結(jié)法、動(dòng)力壓實(shí)法，在20世紀(jì)60年代后期在法國第一次應(yīng)用于地基處理工程。其原理是將一定質(zhì)量的重錘（100 kN~400 kN）提升到一定的高度（10 m~40 m）后釋放，對(duì)地基土產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的沖擊能后形成一定的沖擊波和動(dòng)應(yīng)力，從而壓實(shí)地基土，加固地基，以采取增加強(qiáng)度、降低壓縮性、消除濕陷性的工程措施[2]。

強(qiáng)夯法無須借助其他設(shè)備材料，建筑過程相對(duì)簡單，除設(shè)備成本外，幾乎沒有什么消耗，因此成本會(huì)下降[3]。

總的來說，在黃土地區(qū)修建工程設(shè)施，存在濕潤、滲漏等問題，會(huì)引起黃土的濕陷變形，因此，必須使用壓實(shí)技術(shù)處理地基，以保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和變形滿足使用要求。綜上所述，強(qiáng)夯法是一種常用的地基加固技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是施工方便、造價(jià)低和加固效果好，因此得到了廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

黑燕調(diào)蓄水池位于甘肅省定西市通渭縣黑燕鄉(xiāng)黃土梁峁臺(tái)地，北側(cè)與主山體相連，南側(cè)為侵蝕沖溝，地面高程2260m~2280m，設(shè)計(jì)池容為30 萬m3，屬引洮供水二期配套城鄉(xiāng)供水工程的一部分。蓄水池采用半挖半填長方形結(jié)構(gòu)，全池土工膜防滲。池頂高程2277.0m，池底高程2263.0m，池深14.0m；蓄水池頂寬6.0m，池底長170m，寬120m，迎水面邊坡1 ∶2.75，背水面邊坡1 ∶2.0，在2267.0m 高程以下設(shè)排水棱體，池頂以上馬蘭黃土永久邊坡采用1 ∶1.5。相關(guān)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 上、中部黃土工程地質(zhì)數(shù)據(jù)表

場地存在的主要工程地質(zhì)問題是地基土的濕陷變形和場地穩(wěn)定問題，如果將上層強(qiáng)濕陷性6 m~13 m 厚度土層全部挖除，挖除后的土再運(yùn)到填方部位回填夯實(shí)，基礎(chǔ)處理費(fèi)用將增加30%。因此，施工組織設(shè)計(jì)基礎(chǔ)處理方案選擇強(qiáng)夯處理，處理方案池底和池壁自上而下依次為清基+強(qiáng)夯處理（影響深度8 m 以內(nèi)）。為達(dá)到設(shè)計(jì)處理效果，決定在現(xiàn)場對(duì)原地基土進(jìn)行強(qiáng)夯處理試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)方法

2019 年10 月5 日開始，對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場強(qiáng)夯地基試驗(yàn)，試驗(yàn)段選在蓄水池南側(cè)填方區(qū)域，選取500m×100m 范圍，劃分成100m×100m 的5 個(gè)試驗(yàn)區(qū)，編號(hào)分別為1#~5#，1#試驗(yàn)區(qū)采用單擊夯能為3000kN·m，夯擊2 遍；2#試驗(yàn)區(qū)第一遍采用單擊夯能為3000kN·m，第二遍采用單擊夯能為4000kN·m；3#試驗(yàn)區(qū)采用單擊夯能為4000kN·m，夯擊2 遍；4#試驗(yàn)區(qū)采用單擊夯能為4000kN·m，第二遍采用單擊夯能為5000kN·m；5#試驗(yàn)區(qū)采用單擊夯能為5000kN·m，夯擊2 遍。由于強(qiáng)濕陷性土體在工程區(qū)上部8m~12m，因此決定試驗(yàn)單擊夯擊能取最高5000kN·m。對(duì)各試驗(yàn)區(qū)不同深度原狀土和夯擊土分別取樣，用烘干法測(cè)干密度和含水率，并對(duì)地基土承載力以及濕陷系數(shù)等進(jìn)行計(jì)算。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 夯擊能與地基承載力

對(duì)1#~5#試驗(yàn)區(qū)夯擊能與地基承載力檢測(cè)結(jié)果見表2，試驗(yàn)區(qū)地基承載力關(guān)系曲線如圖2 所示。

圖2 1 號(hào)試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯影響深度與變形圖

圖3 2 號(hào)試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯影響深度與變形圖

圖4 3 號(hào)試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯影響深度與變形系數(shù)圖

圖5 4 號(hào)試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯影響深度與變形系數(shù)圖

表2 夯擊能與地基承載力表

對(duì)5 個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行單擊夯能試驗(yàn)，均夯擊2 遍，1#、3#、5#號(hào)試驗(yàn)區(qū)2 遍都采用相同的荷載，2#、4#號(hào)試驗(yàn)區(qū)第二遍夯擊能均增加1000 kN?m，由此可知，當(dāng)夯擊能不同時(shí)，隨著夯擊能增大，地基承載力也隨之增加。3#和5#試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)顯示，雖然第二遍夯擊能比2#和4#提高了1000 kN?m，但是承載力并沒有明顯提升，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)地基承載力均未達(dá)到委托要求的地基承載力。

2.2 干密度與含水率檢測(cè)

分別在1#~5#試驗(yàn)區(qū)對(duì)原狀土和夯擊土分層取土，取樣深度為1 m~9 m，用烘干法在試驗(yàn)室分析得到干密度和含水率。2#、3#試驗(yàn)區(qū)因和1#試驗(yàn)區(qū)接近，未檢測(cè)原狀土樣干密度和含水率。1#~5#試驗(yàn)區(qū)取樣位置及地面標(biāo)高見表3，干密度和含水率試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見表4 和表5。

圖1 試驗(yàn)區(qū)地基承載力關(guān)系曲線圖

表3 1#~5#試驗(yàn)區(qū)取樣位置及地面標(biāo)高

表4 1#~5#試驗(yàn)區(qū)干密度檢測(cè)結(jié)果 （單位：g/cm3）

表5 1#~5#試驗(yàn)區(qū)含水率檢測(cè)結(jié)果 （單位：%）

表 6 1 號(hào)試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯影響深度與變形系數(shù)

表7 2 號(hào)試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯影響深度與變形系數(shù)

表8 3 號(hào)試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯影響深度與變形系數(shù)

表9 4 號(hào)試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯影響深度與變形系數(shù)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：各試驗(yàn)區(qū)原狀土干密度隨取土深度增加變幅不大，各試驗(yàn)區(qū)相同取土深度內(nèi)干密度基本一致。對(duì)夯擊土來說，影響深度內(nèi)干密度每層均顯著增加，1 m~5 m 處增長最顯著，6 m 以下增長不顯著。

各試驗(yàn)區(qū)原狀土含水率隨著深度增加逐漸增大，當(dāng)取樣深度為9 m 時(shí)，含水率最大。對(duì)夯擊土來說，影響深度內(nèi)含水率每層均顯著增加，隨著深度增加，含水率逐漸增大，當(dāng)取樣深度為9 m 時(shí)，含水率最大。

對(duì)夯擊土來說，所有試驗(yàn)區(qū)影響深度內(nèi)干密度均未達(dá)到設(shè)計(jì)最大干密度1.68 g/cm3，試驗(yàn)區(qū)影響深度內(nèi)含水率基本均達(dá)到擊實(shí)最優(yōu)含水率17.3%。

2.3 強(qiáng)夯影響深度與變形系數(shù)

對(duì)1#~5#試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯影響深度內(nèi)土樣濕陷系數(shù)及壓縮變形系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表6~表10 及圖2~圖6。

表10 5 號(hào)試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯影響深度與變形系數(shù)

通過1#~5#試驗(yàn)區(qū)土樣進(jìn)行取樣試驗(yàn)分析，1#試驗(yàn)區(qū)濕陷系數(shù)和壓縮系數(shù)均逐漸減少，2#~5#試驗(yàn)區(qū)隨著深度的增加濕陷系數(shù)和壓縮系數(shù)整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

在1#試驗(yàn)區(qū)，只對(duì)5 m 以下的土樣進(jìn)行取樣試驗(yàn)分析，目的是查看影響深度5 m 以下的土樣是否能夠消除濕陷性，結(jié)果顯示，深度不同濕陷系數(shù)和壓縮系數(shù)均不同，從圖4 可知，隨著取樣深度增加，濕陷系數(shù)和壓縮系數(shù)均逐漸變小，取樣深度在-5 m~-9 m 濕陷系數(shù)從0.016 變?yōu)?.0073，壓縮系數(shù)從0.521×10-3變?yōu)?.272×10-3，根據(jù)濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范（GB 50025—2004），該區(qū)濕陷系數(shù)均小于0.015，該試驗(yàn)區(qū)可判定為非濕陷性黃土。從土樣顏色分析，取樣位置-5 m 以上為黃土，-5 m 處土樣呈黑色，-5 m 以下為黑土過度層，-8 m、-9 m 均為黑土，經(jīng)過調(diào)查分析，該試驗(yàn)區(qū)為山坡梯田的最下部臺(tái)地，曾經(jīng)經(jīng)過取土將上部黃土有過擾動(dòng)，因此出現(xiàn)-5 m 以下為非濕陷性黃土。

在2#試驗(yàn)區(qū)，隨著深度的增加濕陷系數(shù)和壓縮系數(shù)均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。-1 m~-3 m，濕陷系數(shù)小于0.015，已消除了濕陷性，-4 m 以下濕陷系數(shù)均大于0.015，未消除濕陷性。壓縮系數(shù)均大于0.1，屬中高壓縮性土。

在3#試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，濕陷系數(shù)隨深度增大而增大。取樣在-4m 深處，濕陷系數(shù)低于0.015，已經(jīng)消除了濕陷性，-4m以下濕陷系數(shù)均大于0.015，未消除濕陷性。壓縮系數(shù)均大于0.1，屬中高壓縮性土。壓縮變形系數(shù)整體上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在-2m 處出現(xiàn)極值，可能是試驗(yàn)誤差造成的。

在4#試驗(yàn)區(qū)，隨著深度增加，濕陷系數(shù)和壓縮系數(shù)均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。-4 m 以下濕陷系數(shù)均大于0.015，未消除濕陷性。壓縮系數(shù)均大于0.1，屬中高壓縮性土。

在5#試驗(yàn)區(qū)，隨著深度增加，濕陷系數(shù)和壓縮系數(shù)均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。在1m~4m，濕陷系數(shù)小于0.015，已消除濕陷性，-4 m 以下濕陷系數(shù)均大于0.015，未消除濕陷性。壓縮系數(shù)均大于0.1，屬中高壓縮性土。

綜上所述，各試驗(yàn)區(qū)地基土在強(qiáng)夯作用下，地基土濕陷性均有不同程度的削減，壓縮性也普遍為降為中壓縮，但整體來說，-4 m 以下濕陷系數(shù)均大于0.015，未消除濕陷性。壓縮系數(shù)均大于0.1，還屬中高壓縮性土。強(qiáng)夯法有效地提高了地基的承載力，增加了地基土的密實(shí)度，但是仍不能完全消除工程區(qū)黃土的濕陷性，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

對(duì)1#~5#試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯影響深度內(nèi)土樣濕陷系數(shù)及壓縮變形系數(shù)進(jìn)行分析，水廠工程地質(zhì)條件較差，地基濕陷等級(jí)為Ⅳ級(jí)，地基土的濕陷變形問題很嚴(yán)重。

各試驗(yàn)區(qū)原狀土干密度隨著取土深度增加增幅不大。對(duì)夯擊土來說，取土深度內(nèi)干密度每層均顯著增加，1m~5m處增長最顯著，6m 以下增長不顯著。各試驗(yàn)區(qū)原狀土含水率隨著深度增加逐漸增大，當(dāng)取樣深度為9m 時(shí)，含水率最大。對(duì)夯擊土來說，影響深度內(nèi)含水率每層均顯著增加，隨著深度增加，含水率逐漸增大，取樣深度為9m 時(shí)，含水率最大。對(duì)夯擊土來說，所有試驗(yàn)區(qū)影響深度內(nèi)干密度均未達(dá)到設(shè)計(jì)最大干密度1.68 g/cm3，試驗(yàn)區(qū)影響深度內(nèi)含水率基本均達(dá)到擊實(shí)最優(yōu)含水率17.3%。

根據(jù)濕陷性黃土地區(qū)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該項(xiàng)目基礎(chǔ)處理采用強(qiáng)夯法試驗(yàn)，結(jié)果不理想，強(qiáng)夯法雖然提高了地基的強(qiáng)度，增加了密實(shí)度，消除了部分濕陷性，但是在強(qiáng)夯法加固后，其干密度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在規(guī)劃深度區(qū)域，沒有徹底清除濕陷性。

工程建議：蓄水池采取半挖半填方式，北側(cè)以挖方為主，南側(cè)下部挖方，上部填方，基礎(chǔ)處理建議采用翻夯處理。挖除強(qiáng)濕陷性土層，挖方應(yīng)盡量挖穿上部eolQ32 馬蘭黃土，使池底處于plQ31 洪積黃土狀土中，池底、池坡應(yīng)進(jìn)行原土翻夯或墊層處理，池堤填筑前應(yīng)對(duì)原地基土進(jìn)行翻夯處理，翻夯時(shí)應(yīng)分層填筑，充分壓實(shí)，填土干密度大于1.61 g/cm3，最優(yōu)含水量17%，壓實(shí)系數(shù)大于0.96。