斜坡式水工護岸強夯效果分析

丁 祺

(天津港工程監理咨詢有限公司，天津 300461)

強夯法又稱動力壓實法［1，2］，是將重錘反復提到高處使其自由下落，給土體以沖擊和振動能量，將土體夯實，降低其壓縮性，從而達到改善土體的目的。該法自20世紀70年代末引入我國，先后在天津新港、河北廊坊、山西白楊墅等地進行了試驗研究和工程實踐，取得了較好的加固效果。由于其適用土類廣、設備簡單、施工方便等優點，目前已在全國范圍內得到推廣應用。然而，有關強夯機理的研究，至今沒有統一的理論。究其原因是各類土體的性質千差萬別，難以得到統一強夯加固理論。同時，重型動力觸探［3］作為一種有效的檢測土體密實度的手段，可以用來分析強夯對土體的加固效果。本文便借助重型動力觸探，對經過強夯處理的斜坡式水工護岸碎石土進行檢測，分析其加固效果，并為類似工程提供經驗。

1 工程概況

大連港東部地區搬遷改造工程位于大連灣南岸，大連港大港區東側的寺兒溝地區，根據項目開發進度安排，7，8標段全部及4標段大部分均采用斜坡式水工護岸，總里程約1.6 km。該區段處理方式為通過爆炸擠淤的方式處理海底的可壓縮性土體，然后換填大塊石，形成堤身，再在后方30 m范圍內陸拋開山石，最后安裝胸墻，而胸墻的安裝位置為護岸軸線后方18.0 m，該處上部為開山石(碎石土)，下部為大塊石(如圖1所示)。因此需要對上部土體進行強夯處理，以便消除大部分沉降，避免胸墻過大的不均勻沉降而產生開裂。

圖1 斜坡式水工護岸斷面示意圖

2 動力觸探試驗

2.1 試驗原理及過程

圓錐動力觸探試驗的類型分為輕型，重型和超重型三種，根據土體類型本試驗選擇重型。其主要設備由圓錐觸探頭、觸探桿和穿心錘三部分組成。其原理為利用一定質量的落錘，以一定高度的自由落距將標準規格的圓錐形探頭打入土中，根據探頭貫入的難易程度判定土層性質。在具體操作過程中，15擊/min～30擊/min連續貫入土中，當貫入深度12.0 m時停止試驗，在貫入過程中，每貫入10 cm記錄相應錘擊數。

2.2 試驗成果及分析

根據試驗結果，繪制了重型動力觸探錘擊數隨深度的變化曲線。圖2為典型強夯重型動力觸探錘擊數隨深度變化趨勢:0 m～0.5 m深度范圍內碎石土錘擊數平均10擊，碎石土的密實度處于稍密和中密之間，在0.5 m～6 m范圍內，碎石土的錘擊數平均達到15擊，碎石土體的密實度處于中密，6 m～8 m范圍內碎石土錘擊數平均約10擊，碎石土的密實度下降為稍密和中密之間過渡狀態，8 m～12 m范圍內碎石土錘擊數平均約6擊，碎石土接近松散與稍密的分界線。從上述情況可知，土體在0.5 m～6 m范圍內強夯效果最為顯著，0 m～0.5 m及6 m～8 m范圍次之，8 m～12 m范圍內加固效果甚微。值得注意的是在8 m～12 m范圍碎石土錘擊數隨深度變換表現為S形波動，而在上部土體中這種規律表現的并不突出。

2.3 動力觸探的成果修正

在通常情況下，動力觸探的原始成果，作為強夯檢測的手段，能較為直觀的分析其加固效果，而要更為準確的得到土體加固后的密實程度則要通過探桿及地下水位兩項修正后才能得到。

當采用重型圓錐動力觸探試驗時需要對探桿長度進行修正，在碎石土中的錘擊數公式為:

其中，N63.5為修正后的重型圓錐動力觸探試驗錘擊數;α1為重型圓錐動力觸探試驗錘擊數修正系數;N'63.5為實測重型圓錐動力觸探試驗錘擊數。

當粗粒土和卵石中存在地下水時，錘擊數公式為:

由式(1)，式(2)可得:

上述公式便是碎石土中同時考慮桿長及地下水位修正的錘擊數公式。根據有關經驗和相關資料可知側壁摩擦影響對碎石土一定深度范圍內錘擊數影響較小可以不予考慮。

圖2 典型強夯N63.5—h曲線

圖3 典型強夯修正N63.5—h曲線

根據修正公式得到修正錘擊數隨深度變化曲線如圖3所示。對比修正前后錘擊數隨深度變化曲線，可知在整體上，碎石土錘擊數提高了0.5擊～1.5擊，但在同一深度處實測錘擊數越大，其修正值相對越小。在碎石土深度9.0 m以下，當實測錘擊數超過10擊時修正甚微，修正值可以忽略。

3 強夯加固碎石土效果分析及其影響因素

3.1 強夯加固碎石土效果分析

為了更好的分析強夯加固碎石土的效果，根據現場具體施工情況對工程結合部進行了動力觸探試驗。其中圖4為兩標段強夯分界線處動力觸探錘擊數隨深度的變化曲線，而圖5為強夯區外3.0 m動力觸探錘擊數隨深度的變化曲線。與圖3相比不難發現，強夯區分界線處動力觸探錘擊數比典型強夯動力觸探錘擊數偏低，尤其是表層0 m～1.0 m范圍內的碎石土，非典型強夯表層土體處于松散與稍密之間，與圖5未經強夯的區域類似，說明該層土體加固效果不明顯。從圖5可以看出，未經強夯處理的碎石土，密實度大部分處于稍密，錘擊數約7擊，在12.0 m深度范圍內變化不大，同時發現在0 m～2.0 m及5.0 m～8.0 m范圍內土體密實度比3.0 m～4.0 m范圍內提高一個等級，這說明雖然碎石土未在強夯加固區外，但依舊受到強夯作用，認為表層土體密實度提高與土體側向擠密有關，而深部土體是由于強夯能量擴散引起，但該影響范圍類似一橢球體，只有某一深度范圍內的碎石土可以受到影響，而其上部和下部土體影響微弱。

3.2 地下水對強夯效果的影響

由于目前對強夯機理研究并不完善，強夯的加固效果主要通過有效加固深度來反映［4-6］，同時也是設計計算的主要參數。本工程強夯夯機能為8 000 kN·m，根據相關規范和經驗其加固碎石土的有效加固深度為10 m～10.5 m，但沒有考慮地下水位的影響。然而本工程作業范圍為水工護岸軸線后方5.0 m～25.0 m范圍，因此極易受潮水影響，尤其在大潮時，護岸頂部標高約為4.5 m，而設計高潮位為3.82 m，考慮潮水滲透到護岸碎石土中存在一定的水頭損失和滯后現象，則護岸碎石土中最高水位接近1.0 m，而且距離護岸軸線越近，水位越高。因此當強夯在高潮位進行時，其一部分能量將分擔到較高的碎石土海水中(假定在高潮位時，3.82 m以下土體為飽和狀態)，而本工程典型強夯重型動力觸探錘擊數隨深度變化曲線也充分說明這一點，即在深度8.0 m以下強夯碎石土處理效果不明顯，從而可以認為在具有高地下水位的碎石土中，強夯的有效加固深度需進行一定程度的折減。

圖4 非典型強夯修正N63.5—h曲線

根據圖4表現出來的強夯加固特點(表層土體的加固效果差)，由相關經驗認為是沒有進行滿夯或是滿夯控制出現問題所致。但通過調查得知，雖該區域處于兩標分界處，但施工工藝及參數完全一致，說明不存在機械和施工因素。通過測量發現該區域標高較低約4.0 m，高潮位時護岸幾乎全部被海水淹沒，因此認為此處強夯時接近高潮，海水吸收了較多的夯擊能量，使得土體整體上較典型強夯差，而表層土體強夯效果表現尤其差。經分析認為當夯錘高速接近飽和碎石土時，由于碎石土處于松散狀態，壓縮性大，而水和碎石本身的壓縮性極小，這就使得高速夯錘在與土體接近瞬間，先將能量作用到水和碎石骨架上，之后碎石骨架之間的空隙被壓縮，而水只能被擠出骨架之間的空隙。這與固結現象類似，只是強夯能量極大，使得飽和碎石土在強夯作用時有類似于“投石如水”的現象產生，碎石土接近表面的水體會被高速夯錘激起而對碎石土起頂托作用，反而對土體擠密產生消極作用，且速度愈大頂托作用越大，表層強夯效果越差。由于碎石土滲透性極好能很快地將能量傳遞給骨架本身。

4 結語

1)通過重型圓錐動力觸探試驗，得到了碎石土的錘擊數，并利用桿長及地下水修正公式，對錘擊數進行了修正，利用此結果對強夯加固效果進行了分析。

2)進一步分析了地下水對強夯效果的影響，通過實測數據與相關規范對比發現，當地下水較高(本文為潮位較高)時，強夯的影響深度比相關規范小，說明碎石土中地下水位對強夯有一定的影響，尤其高水位時。

3)利用重型圓錐動力觸探試驗結果，初步探討了碎石土飽和狀態時，強夯對表層土體加固效果不明顯的原因，有待于做進一步的理論分析。

［1］龔曉楠.地基處理手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008:6.

［2］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規范［S］.

［3］工程地質手冊編委會.工程地質手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［4］王成華.強夯地基加固深度估算方法評述［J］.地基處理，1991，2(1):3.

［5］錢家歡.動力固結的理論與實踐［J］.巖土工程學報，1986，8(6):91-92.

［6］Scott R.A.，Pearce R.W..Soil Compaction by Impact［J］.Geotechnique，1975，25(1):33-34.