強(qiáng)夯法處理飽和填土工程實(shí)例

強(qiáng)夯法處理飽和填土工程實(shí)例郭雄斌

（中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院中國(guó)西安710054）摘要通過(guò)介紹ALUTRINT電解鋁廠飽和填土強(qiáng)夯法處理試驗(yàn)過(guò)程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)等分析處理效果，探討一些問(wèn)題，為強(qiáng)夯法處理類(lèi)似工程提供參考。關(guān)鍵詞飽和填土；強(qiáng)夯；效果；分析1.場(chǎng)地概況ALUTRINT電解鋁廠位于特立尼達(dá)島南部的LaBrea鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，北距世界上最大的瀝青湖1km,南與VessignyRiver相鄰。場(chǎng)地原始地形起伏較大，高程5?40m。據(jù)巖土工程勘察報(bào)告書(shū)，地貌單元屬丘陵區(qū)地貌。廠區(qū)地層由素填土及第四紀(jì)更新世（Pleistocene）沖積成因的粘性土、粉土及粉細(xì)砂等組成。素填土為開(kāi)挖地勢(shì)較高的土層回填于相對(duì)低洼的溝谷內(nèi)，以粘性土為主，局部地段為粉土或細(xì)砂，含有褐煤塊，偶見(jiàn)植物根莖，回填時(shí)有些地段的地表植被未被清除干凈。填土厚度多為5?7m，最大厚度約11m。未進(jìn)行分層碾壓，場(chǎng)地整平標(biāo)高約為15.3m。據(jù)Golder公司的咨詢(xún)報(bào)告，具有代表性的填土定量分析見(jiàn)表1。表1 Indexpropertiesofthefill（填土特性指標(biāo)）Sample（樣本）LLfPL廿PI：FC*%Sand廿%FineSand：：USCSGroupName（分類(lèi)命名）Location1（位置1）28208336664SCClayeySand（含粘土砂）Location2（位置2）712645782215CHFatClaywithSand（含砂的可塑性粘土）Location3（位置3）382018653432CLLeanClaywithSand（含砂的低可塑性粘土勘察期間正值旱季末和雨季初，場(chǎng)地地下穩(wěn)定水位埋深1.3?7.2m。2.地基處理方案選擇2.1強(qiáng)夯方案選擇地基處理目的是減小或消除欠固結(jié)飽和填土對(duì)基樁的負(fù)摩阻力，減小淺基礎(chǔ)地基變形的。若采用換填墊層法進(jìn)行處理，面積大（主要廠房約9萬(wàn)m2），換填工期長(zhǎng)、造價(jià)高，且開(kāi)挖降水、回填土土源、開(kāi)挖棄土的堆放或晾曬利用等問(wèn)題解決難度很大，加之可施工旱季不足6個(gè)月，換填墊層法不適用；采用水泥土攪拌法因?yàn)榈叵滤母g性和對(duì)地下水的污染，也被否定。綜合以上因素，對(duì)各種地基處理方法的處理效果、工期、經(jīng)濟(jì)等因素對(duì)比，采用強(qiáng)夯法預(yù)處理飽和填土是最經(jīng)濟(jì)可行的。2.2強(qiáng)夯理論依據(jù)強(qiáng)夯法，又稱(chēng)動(dòng)力固結(jié)法，是反復(fù)將夯錘提到高處使其自由落下，給地基土以強(qiáng)大沖擊和振動(dòng)能量，使土中出現(xiàn)沖擊波和沖擊應(yīng)力，迫使土體孔隙壓縮，土體局部液化，在夯擊點(diǎn)周?chē)a(chǎn)生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水和氣體溢出，使土粒重新排列，經(jīng)時(shí)效壓密達(dá)到固結(jié)，從而提高地基承載力，降低其壓縮性的一種有效地基加固方法。強(qiáng)夯時(shí)在地基中產(chǎn)生體波和面波。面波在地基表層傳播，使土體表層產(chǎn)生松動(dòng)，對(duì)地基壓密不利。對(duì)地基起加固作用的是縱波和橫波?？v波通過(guò)推拉運(yùn)動(dòng)，逐漸使孔隙水壓力增加，使土骨架解體；而橫波則使解體的土顆粒更加密實(shí)。隨著加固深度的增加，縱波強(qiáng)度衰減，而壓密作用也逐漸減小。3.強(qiáng)夯試驗(yàn)3.1強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)填土厚度，在試驗(yàn)區(qū)采取3000kN-m夯擊能夯擊，夯點(diǎn)按正三角形布置，夯點(diǎn)間距3.5m，夯擊次數(shù)單點(diǎn)4擊以上。主夯一遍，滿夯二遍，滿夯夯擊能1000kN-m，

夯印彼此搭接部分為錘底面積的1/4。強(qiáng)夯前場(chǎng)地地下水應(yīng)降至理論影響深度7.0m。強(qiáng)夯預(yù)期目標(biāo)：地基承載力特征值150kPa，壓縮模量8MPa。3.1試驗(yàn)區(qū)地層試驗(yàn)區(qū)位于電解車(chē)間北側(cè)，處于原地形較開(kāi)闊平坦的溝谷中上部，試驗(yàn)區(qū)東西長(zhǎng)50m，南北寬20m，主要地層如下：層Q4ml:素填土，成份雜亂、松散。東部以粘性土為主，硬塑狀態(tài)。中部以粘性土、粉土為主，含大量的褐煤，濕?飽和，軟塑?可塑狀態(tài)。西部以粉土、粉細(xì)砂為主，濕?飽和，松散。填土厚度為4.8?7.4m。其中粘性土范圍約占試驗(yàn)區(qū)1/4，粘性土和粉土混合區(qū)域約占1/2。層Q4ai：粘性土，以灰色或褐色為主，局部含粉土或細(xì)砂。最大揭露厚度為15.5m。3.2試驗(yàn)區(qū)降水試驗(yàn)因試驗(yàn)區(qū)地下水位較高，據(jù)試夯施工方案，在試驗(yàn)區(qū)四周均勻布置降水井6口（W-1?W-6），井距30m，實(shí)測(cè)降水井布局及其他觀測(cè)孔、原位測(cè)試孔見(jiàn)圖1。降水井、觀測(cè)孔水位觀測(cè)記錄（填土厚度）見(jiàn)表2。5.10.10.5.圖例邛-L 降水井改詢(xún)號(hào) *DFl-2 5.10.10.5.圖例邛-L 降水井改詢(xún)號(hào) *DFl-2 DHjL股編§ cKJSl 孔陰水壓力計(jì)割試孔應(yīng)編號(hào):頂 水血見(jiàn)!！1孔及牖號(hào) 站孔及殖號(hào)S30J-1 電解車(chē)間降水井及編號(hào)圖1實(shí)測(cè)試驗(yàn)區(qū)降水井及其他觀測(cè)孔、原位測(cè)試孔布置圖表2 降水井、觀測(cè)孔水位觀測(cè)記錄（填土厚度）'????.、.觀測(cè)井編號(hào)、'填土厚度時(shí)間觀測(cè)孔（井）水位深度（m）備注G1G2W-1W-2W-3W-4W-5W-66.57.47.06.55.26.57.04.82月15日10:001.111.031.461.071.531.491.736.30穩(wěn)定水位3.3試驗(yàn)區(qū)降水試驗(yàn)區(qū)2月21日開(kāi)始降水，降水10天后，水位降深^介于1.11?1.46m之間。施工人員結(jié)合原地形和現(xiàn)地形分析認(rèn)為試驗(yàn)區(qū)北側(cè)山坡下有一條積滿雨水的長(zhǎng)流水排水溝補(bǔ)給試驗(yàn)區(qū)，于是重新計(jì)算增加降水井DJ-3、DJ-4、W-7?W-9,增加觀測(cè)孔G3、G4,具體位置見(jiàn)圖1。3月17日強(qiáng)夯開(kāi)始時(shí)地下水位最深降至4.45m，各階段觀測(cè)孔水位見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)區(qū)觀測(cè)孔水位觀測(cè)記錄?觀測(cè)孔編號(hào)日期G1G2G3G4■觀測(cè)孔編號(hào)日期、一一、G1G2G3G4備注2月21日7:301.211.173月17日11:004.403.554.142.92夯前3月1日10:102.572.143月18日14:504.453.544.172.95強(qiáng)夯進(jìn)行中3月7日17:303.682.912.333月18日17:004.443.224.162.943月8日13:503.703.004.182.423月18日17:504.421.744.152.91說(shuō)明：3月18日17:00時(shí)，強(qiáng)夯點(diǎn)距G2最近，錘邊距離5.5m；17:50時(shí)，G2距錘邊1.5m降水過(guò)程中按一定時(shí)間間隔取地層不同深度土樣，進(jìn)行含水量和飽和度測(cè)試，以判定降水效果。詳見(jiàn)表4,鉆孔位置見(jiàn)圖1。表4 試驗(yàn)區(qū)地層含水量、飽和度鉆孔編號(hào)G1G2ZK1ZK2ZK3ZK4G3G4KXS2KXS1KXS3KXS4、樣日期深度源2月14日2月18日?20日3月7日3月13日3月14日3月15日1.5W%27.728.525.537.521.229.135.941.938.327.230.537.8Sr%88818590822.5W%26.138.039.241.240.530.632.144.030.128.436.633.4Sr%918985843.5W%26.735.426.030.968.030.944.821.820.428.032.154.3Sr%868890834.5W%26.935.128.425.036.732.430.326.745.744.8Sr%89945.5W%30.331.928.430.632.424.424.7Sr%90916.5W%34.932.636.927.231.118.8Sr%859390備注：2月21日至3月17日降水期間共降雨9次，降雨強(qiáng)度大，造成地面大量積水5次。按試夯方案，地下水需降至理論影響深度7.0m，但根據(jù)實(shí)際降水情況，需要繼續(xù)增加降水井并再持續(xù)降水相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。規(guī)范《JGJ79-2002》6.3.3條和條文說(shuō)明表明：降水的目的是在地表形成硬層，可以用以支承起重設(shè)備，確保機(jī)械設(shè)備通行和施工，又可加大地下水和地表面的距離，防止夯擊時(shí)夯坑積水。截至3月17日，地下水位最淺降至2.92m，基本能滿足夯坑內(nèi)不積水。施工人員反復(fù)討論認(rèn)為試驗(yàn)區(qū)地層含水量和飽和度基本無(wú)變化且雜亂無(wú)章，毫無(wú)規(guī)律，且填土成分復(fù)雜、均勻程度差。試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯的目的就是為以后的工程夯提供施工參數(shù)，在和工程師溝通后，工程師下達(dá)強(qiáng)夯開(kāi)始指令。3.4強(qiáng)夯施工試驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)間距3.5m，等邊三角形布設(shè)，由北向南共布設(shè)夯點(diǎn)7排，每排夯點(diǎn)15/14個(gè)，夯點(diǎn)編號(hào)自北向南、自西向東遞增。夯錘直徑2.4m，錘重16.7t。3月17日強(qiáng)夯開(kāi)始，最先進(jìn)行強(qiáng)夯的是3-15夯點(diǎn)，該夯點(diǎn)以粘性土為主，采用3000kN-m夯擊能夯擊，共夯擊6擊，夯坑深度2.12m，提錘困難；3-14夯點(diǎn)夯擊6擊，夯坑深度2.43m，提錘困難；3-13、3-12夯點(diǎn)逐漸過(guò)渡到粘性土和粉土的混合地帶，均夯擊3擊，夯坑深度分別為1.66m、2.09m，提錘困難；3-11夯點(diǎn)僅夯擊2擊，就出現(xiàn)提錘困難。以上5個(gè)夯點(diǎn)，夯擊過(guò)程中夯坑周?chē)∑饑?yán)重，且夯點(diǎn)間側(cè)向坍塌，夯錘經(jīng)常傾斜。施工人員結(jié)合地層、水位、動(dòng)觸等資料分析認(rèn)為粘性土和粉土范圍最大，應(yīng)以此為主調(diào)整強(qiáng)夯參數(shù)，同工程師溝通后將夯點(diǎn)間距調(diào)整為4.0m，夯擊能調(diào)整為2000kN?m。

強(qiáng)夯參數(shù)調(diào)整后，試驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)夯擊擊數(shù)2?6擊，均出現(xiàn)提錘困難，其中2擊夯點(diǎn)約占25%,3擊夯點(diǎn)約占50%；夯坑深度1.23?2.95m，平均2.10m，夯坑周?chē)胁煌潭嚷∑穑ㄒ?jiàn)圖2、圖3）。間隔一定時(shí)間后，對(duì)夯擊擊數(shù)小于4擊的夯點(diǎn)進(jìn)行了二遍夯擊。試驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)2-13隆起量與夯擊擊數(shù)、距夯坑邊距離關(guān)系圖（粘性土）0 1 2 3 4 5 6 7距夯坑邊距離/(m)試驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)2-13隆起量與夯擊擊數(shù)、距夯坑邊距離關(guān)系圖（粘性土）0 1 2 3 4 5 6 7距夯坑邊距離/(m)—地面口第1擊Tl第2擊——第3擊第4擊第5擊第6擊0^0505221里起隆ooO0551圖2試驗(yàn)區(qū)粘性土區(qū)域夯坑周?chē)∑鹎闆r圖圖3試驗(yàn)區(qū)粘性土、粉土混合土區(qū)域夯坑周?chē)∑鹎闆r圖強(qiáng)夯前埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)，跟蹤監(jiān)測(cè)孔隙水壓力，確定兩遍夯擊之間時(shí)間間隔。強(qiáng)夯時(shí)夯坑5-8出現(xiàn)浸水，觀測(cè)孔水位上升見(jiàn)表4，孔隙水壓力在7.0m、5.0m、3.0m最高上升分別為47.9kPa、45.4kPa、22.1kPa，超孔隙水壓力消散時(shí)間為7?10天。4.強(qiáng)夯處理效果檢驗(yàn)及分析4.1指標(biāo)對(duì)比強(qiáng)夯結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行鉆孔取樣、動(dòng)力觸探、室內(nèi)土工試驗(yàn)等方法進(jìn)行強(qiáng)夯前后各項(xiàng)指標(biāo)綜合對(duì)比，以位于粘性土區(qū)數(shù)據(jù)較完整的鉆孔ZK-3為例進(jìn)行對(duì)比分析，詳見(jiàn)圖4?圖7。試驗(yàn)區(qū)鉆孔ZK-3強(qiáng)夯前后含水量對(duì)比圖試驗(yàn)區(qū)鉆孔ZK-3強(qiáng)夯前后飽和度對(duì)比圖圖4ZK-3含水量隨深度變化曲線圖5ZK-3飽和度隨深度變化曲線試驗(yàn)區(qū)鉆孔ZK-3強(qiáng)夯前后干密度對(duì)比圖試驗(yàn)區(qū)鉆孔ZK-3強(qiáng)夯前后壓縮模量對(duì)比圖圖6ZK-3干密度隨深度變化曲線 圖7ZK-3壓縮模量隨深度變化曲線試驗(yàn)區(qū)粘性土區(qū)域強(qiáng)夯前后地基土指標(biāo)變化明顯，地基土壓縮模量明顯增大，地下水水位以上地層含水量明顯減小，飽和度增大，說(shuō)明孔隙比明顯減小，地層被壓密。4.2有效加固深度根據(jù)試夯區(qū)不同填土成分重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)對(duì)比曲線（見(jiàn)圖8、圖9,動(dòng)觸點(diǎn)位置見(jiàn)圖1）可以看出：

圖8DPT-3強(qiáng)夯前后對(duì)比曲線 圖9DPT-4強(qiáng)夯前后對(duì)比曲線在3.0m?8.0m深度范圍內(nèi)夯后的錘擊數(shù)一般均大于夯前的錘擊數(shù)，密實(shí)度得到了很大的提高；上部1.0m?3.0m的深度為夯坑深度范圍，地基土經(jīng)過(guò)嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，滿夯前又經(jīng)過(guò)推壓整平處理，且受到一場(chǎng)大雨的影響，增大了含水量，進(jìn)而影響到了上部土層的強(qiáng)夯效果。從重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為：強(qiáng)夯的有效加固深度達(dá)到8.0m。4.3地基承載力試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯后進(jìn)行了3處載荷試驗(yàn)，承壓鋼板直徑100cm，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。表5 3處載荷點(diǎn)承載力特征值匯總表試驗(yàn)點(diǎn)編號(hào)壓板下土層名稱(chēng)承載力特征值對(duì)應(yīng)的取值依據(jù)荷載值(kPa)沉降量(mm)Z1粘性土、粉土1208.73極限荷載值的一半Z2粉細(xì)砂13710.00s/d=0.01取值Z3粘性土1709.07極限荷載值的一半綜合分析認(rèn)為：試驗(yàn)區(qū)經(jīng)強(qiáng)夯后，地基承載力特征值建議取130kPa。載荷試驗(yàn)的影響深度在1.5?3.0倍的承壓板直徑或?qū)挾确秶鷥?nèi)，這個(gè)深度范圍是地基土受破壞最嚴(yán)重的深度范圍，屬于滿夯加固的深度。從理論上講，滿夯加固的深度范圍加固作用是均勻的，加固后的地基土性質(zhì)應(yīng)也是均勻，但從載荷試驗(yàn)結(jié)果看出，強(qiáng)夯地基的承載力變異性非常大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因如下：1、 上部粘性土和粉土的混合土土層經(jīng)強(qiáng)夯破壞結(jié)構(gòu)喪失，經(jīng)過(guò)反復(fù)的破壞、壓密，形成“橡皮土”。建議強(qiáng)夯施工將滿夯夯印彼此搭接調(diào)整為錘底面積的1/3，增加上部土層的平均單位夯擊能，增強(qiáng)加固效果。2、 地基土本身土性的不同造成強(qiáng)夯后承載力的不同。4.4變形模量根據(jù)載荷試驗(yàn)結(jié)果，按《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)中地基土變形模量計(jì)算有關(guān)公式，試驗(yàn)區(qū)3處載荷試驗(yàn)下地基土的變形模量E0的范圍值為9.2?12.5MPa,平均值為10.0MPa。4.5壓縮模量根據(jù)夯后所取土樣的試驗(yàn)成果，試驗(yàn)區(qū)土層的壓縮模量大小各剔除10%后統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表6,強(qiáng)夯后回填土壓縮模量Es的變異系數(shù)均大于0.40，變異性很高。表6 壓縮模量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(MPa)名稱(chēng)頻數(shù)范圍值平均值標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值粘性土273.15?11.376.162.5330.4115.35.分析評(píng)價(jià)5.1夯擊能由于場(chǎng)地回填土疏松、飽和且土質(zhì)不均，按規(guī)范《JGJ79-2002》表6.2.1反查的3000kN?m夯擊能夯擊，夯沉量過(guò)大，夯坑周?chē)∑?、吸錘和埋錘現(xiàn)象嚴(yán)重，所以將主夯點(diǎn)單擊夯擊能量降低為2000kN?m，據(jù)孔隙水壓力計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)，地基土中超靜孔隙水壓力未達(dá)到上覆土重。5.2夯點(diǎn)最佳夯擊數(shù)選擇夯點(diǎn)的最佳夯擊數(shù)，規(guī)范中指導(dǎo)性的給出應(yīng)同時(shí)滿足的三個(gè)條件，根據(jù)本工程試驗(yàn)區(qū)施工過(guò)程，疏松的飽和填土，根本不可能達(dá)到“最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm”條款，而要依據(jù)后兩條控制夯點(diǎn)夯擊數(shù)，同時(shí)為了避免地基土被反復(fù)破壞，施工時(shí)增加“后擊夯沉量大于前擊夯沉量”作為停錘標(biāo)準(zhǔn)。施工前曾專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了一次專(zhuān)家研討會(huì)，專(zhuān)家建議先采用1000kN-m低能級(jí)夯擊能對(duì)表層地基土少擊多遍進(jìn)行加固處理，然后增加夯擊能，逐步達(dá)到要求加固的深度，同時(shí)增加排水通道。照此方案，強(qiáng)夯區(qū)需增加砂井或塑料排水帶，但現(xiàn)場(chǎng)無(wú)相應(yīng)設(shè)備，若增加降水井，工期和投資均不允許，即使增加了降水井，按照少擊多遍施工，總工期也無(wú)法滿足業(yè)主要求。5.3影響強(qiáng)夯效果的因素分析據(jù)試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯檢測(cè)結(jié)果，強(qiáng)夯未達(dá)到預(yù)定處理效果，綜合分析，有兩個(gè)關(guān)鍵因素：一個(gè)是土質(zhì)，一個(gè)是地下水。Golder公司對(duì)現(xiàn)場(chǎng)填土進(jìn)行詳細(xì)的定性和定量分析，但施工人員未到過(guò)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土沒(méi)有感官認(rèn)識(shí)，對(duì)