強夯在煤矸石填土中的應用

徐茂行 趙 穎 李國田

1 工程概況

永城某鋁廠擴建,廠房為長方形,南北長約800 m,東西寬約30 m,共2棟。整個廠區場地北部部分為耕地,部分為垃圾回填場地,較為平坦;南部分布廢棄窯廠、魚塘、洼地、廢棄松散土、廢泥漿坑等,地形起伏不平,魚塘最深約9 m。整個場地擬采用煤矸石、土、粉煤灰等回填整平,回填工程量約48萬m3,工作區域根據現場實際情況分為21塊,場地地質條件復雜。

本工程場地土分布如下:①雜填土,厚約0.5 m。②粉土,土質均勻,厚約1 m,含水量 30%,承載力特征值 fak=120 kPa。③粉質黏土,厚約4 m,含水量23.8%,承載力特征值 fak=130 kPa。④粉質黏土,具有中等壓縮性,厚約4 m,含水量24.1%,承載力特征值 fak=160 kPa。⑤粉砂,分布不穩定,承載力特征值 fak=170 kPa。⑥細砂,厚約4 m,承載力特征值 fak=220 kPa。⑦粉質黏土,厚約5 m,承載力特征值 fak=200 kPa。

根據場地平整要求,場地內需回填約2 m厚級配煤矸石,直徑50 mm以下的細骨料約占總量的50%,平整碾壓。地下水穩定水位在-2.8 m左右。

2 強夯方案設計

如上所述,本工程場地上部地基土強度較低,均勻性差,不能采用天然地基,應設法提高地基土承載力及地基整體均勻性。通過對灌注樁、復合地基與強夯等方案進行技術經濟比較,從造價、工期、質量控制及環境保護等方面綜合考慮,結合本場地回填土情況復雜的特點,采取強夯進行地基處理是最佳方案。

2.1 強夯方案的優點

1)造價低。施工機械簡單,施工費用較低,不產生額外費用。2)工期短。根據以往經驗估算,預計工期2個月,比采用其他方案節省工期約2個月。3)可控性強。強夯施工法應用實例多,工藝成熟,施工過程可控性強,遇到問題能及時進行調整。4)利于環保。本工程強夯的回填料采用級配煤矸石,能有效利用煤礦的廢棄物煤矸石,減小地表煤矸石對環境的污染和煤矸石堆放所產生的一系列危害。

2.2 強夯的可行性研究

1)加固深度。根據本工程巖土勘測報告和《建筑地基處理技術規范》,本工程回填土的最大厚度約9 m,地基土上部軟土層埋深約6 m,本工程初步確定強夯能級在較深回填土區域采用 3 000 kN·m的夯擊能,其余采用1 000 kN·m的夯擊能,能夠滿足回填土和軟土加固深度的要求[1]。2)地下水的影響。地下水對強夯效果和工期有很大的影響,強夯的夯擊間隔時間取決于土中的超靜孔隙水壓力的消散時間,即與土的滲透性相關。本工程上部地基土為粉質黏土,滲透性較差,當夯擊間隔時間較短時,容易出現橡皮土現象。當強夯間隔時間較長時,施工質量容易保證,但施工工期明顯加長。本工程工期要求比較緊,必須采取措施消除地下水的影響,加快施工速度。擬采用降低地下水位的辦法,消除孔隙水壓力的影響,以便連續夯擊。

2.3 強夯方案

現場原始地形復雜,回填土厚度變化較大,若均按同一標準進行處理,經濟性較差,應加以區別。現場根據回填土厚度將場地分為不同區域,結合規范要求采用以下強夯方案:1)當填層厚度不大于7 m時采用2 000 kN·m深層擠密點夯一遍,梅花形布點,行點間距7 m,排點間距 6 m～7 m。每點夯擊數5擊～10擊后填滿復擊。該過程反復進行至最后兩擊平均夯沉量不超過100 mm或夯點間發生隆起,之后場地整平再采用1 000 kN·m強夯(包括1 000 kN·m點夯兩遍,1 000 kN·m 滿拍一遍)。2)當回填層厚度大于7 m時采用3 000 kN·m深層擠密點夯一遍,梅花形布點,行點間距7 m,排點間距7 m。每點夯擊數5擊～10擊后填滿復擊。該過程反復進行至最后兩擊平均夯沉量不超過150 mm或夯點間發生隆起,之后場地整平再采用1 000 kN·m強夯(包括1 000 kN·m點夯兩遍,1 000 kN·m 滿拍一遍)。3)根據規范要求,兩遍夯擊之間應有一定的時間間隔,間隔時間取決于土中超靜孔隙水壓力的消散時間。本工程自然地下水位在強夯加固深度范圍以內,孔隙水壓力影響強夯加固效果和施工時間間隔。本工程確定采用真空強排水,地面采用排水溝排至廠外,人工降低強夯區域地下水位至加固深度以下,消除孔隙水壓力的影響,進行連續夯擊。4)根據規范要求,強夯處理范圍應大于建筑物基礎范圍,每邊超出基礎外緣的寬度宜為設計處理深度的1/2～2/3,并不宜小于3 m。本工程考慮一定富余度,強夯范圍為基礎外邊4 m控制。

3 強夯效果檢測

為了檢驗強夯的處理效果,在強夯結束20 d后對強夯區域地基土進行了原位試驗。原位試驗分為淺層平板載荷試驗及超重圓錐動力觸探試驗。淺層平板載荷試驗主要是確定強夯后的煤矸石填土的抗壓承載力特征值及變形模量,超重型動力觸探試驗主要是檢驗夯填煤矸石地基密實度。考慮到本工程回填土的復雜性,原位試驗點選擇具有代表性的地方進行,共計13處淺層平板載荷試驗(其中后加1處),120處超重型圓錐動力觸探試驗(原計80處,試驗過程發現部分試驗點煤矸石夯填不夠密實,施工單位對不密實區域進行了復夯處理,復夯后又進行了補探,后加40處)。淺層平板載荷試驗結果見表1。

表1 淺層平板載荷試驗結果表

從表1可以看出,強夯對地基土的加固取得預期效果,但彈性模量差異較大,地基土存在一定的不均勻性。

超重型動力觸探試驗中夯填煤矸石地基密實度的判別準則如表2所示。

表2 夯填煤矸石地基密實度的判別準則

由于試驗過程中有若干處試驗點是為了查明軟弱區范圍增加的試驗點,不參加統計,故有效試驗點為91個。根據對91個有效試驗點超重型圓錐動力觸探試驗成果整理分析,結果表明:絕大部分場區夯填煤矸石地基達到密實～較密實狀態,局部不夠密實;達到密實～較密實試驗點數65個,占有效試驗點數的71.4%,不夠密實試驗點數26個,占有效試驗點數的28.6%,場地存在一定程度不均勻性。

針對上述情況,設計人員對基礎進行了及時調整,將獨立基礎改為條形基礎,增加基礎的整體性和剛度,減小地基土不均勻性的影響。同時增大基礎底面積,降低地基有效附加應力,地基持力層考慮30%的富余度,減小地基沉降量。通過對廠房投運一年以來的沉降觀測統計結果分析,上部結構最終沉降量在10 mm以內,滿足規范要求。

4 結語

通過工程實踐證明,強夯法處理回填煤矸石地基加固效果顯著。這種地基處理方法具有施工設備及工藝簡單、施工操作方便、工期短、費用低等優點,還能實現廢物利用,有利于環保,經濟和社會效益明顯,在類似地區的地基處理工程中具有較大地推廣價值。

[1] JGJ 79-2002,建筑地基處理技術規范[S].

[2] 馬小鋒.軟土地基的處理方法[J].山西建筑,2008,34(1):121-122.