曹妃甸吹填砂土地基強(qiáng)夯施工工藝試驗(yàn)研究

郭玉彬，李虹

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

強(qiáng)夯法加固地基具有設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便、經(jīng)濟(jì)易行、效果顯著等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在實(shí)踐中被證實(shí)是一種很好的地基處理方法，尤其是對(duì)砂土地基，其經(jīng)濟(jì)性和加固效果更為顯著，但對(duì)軟黏土地基，一般教科書(shū)或工程標(biāo)準(zhǔn)中都明確規(guī)定不宜或不能采用強(qiáng)夯[1]。曹妃甸圍海造陸過(guò)程中采用的吹填土以粉細(xì)砂為主，但由于造陸規(guī)模巨大，受工藝、環(huán)境、資源和經(jīng)濟(jì)多方面影響和制約，目前的吹填土中多混有淤泥、淤泥質(zhì)土等軟黏土，由此形成的陸域地基會(huì)存在黏土夾層甚至較厚的軟黏土層，對(duì)這類地基土采用強(qiáng)夯法加固效果如何，以及如何選取合理的強(qiáng)夯施工工藝和施工參數(shù)等值得研究。本文結(jié)合曹妃甸礦石碼頭二期工程堆場(chǎng)地基強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)的施工過(guò)程及監(jiān)測(cè)和檢測(cè)

結(jié)果，對(duì)強(qiáng)夯法加固存在黏土夾層的吹填粉細(xì)砂土

地基的施工工藝進(jìn)行研究和分析。

1 場(chǎng)地地質(zhì)條件

曹妃甸礦石碼頭二期工程堆場(chǎng)場(chǎng)地原始地基為淺海及灘涂，通過(guò)吹填外海海底粉細(xì)砂土形成陸域，場(chǎng)地地下水位較高，一般埋深在1.5 m左右，最高處埋深僅0.4 m。受原始地基地形影響，整個(gè)工程場(chǎng)地吹填土厚度不均勻，最厚處約13.0 m左右、最薄處僅5.0～7.0 m左右，且吹填土土質(zhì)也不均勻，以粉細(xì)砂為主，夾淤泥質(zhì)黏土薄層，局部黏性土呈層狀或與粉細(xì)砂呈互層狀分布。典型的工程場(chǎng)地地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1。

2 強(qiáng)夯試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)區(qū)布置

根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)情況，本次試驗(yàn)選擇有代表性的場(chǎng)地布置了兩塊試驗(yàn)區(qū)（面積均為28.0 m×28.0 m），其中，第一塊試驗(yàn)區(qū)（薄夾層區(qū)）吹填土層厚度6.5 m左右，地下水位埋深約1.0 m，主要土層為吹填粉細(xì)砂（夾淤泥質(zhì)黏土薄層或淤泥質(zhì)黏土層）、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等；第二塊試驗(yàn)區(qū)（厚砂層區(qū)）吹填土層厚度12.0 m左右，地下水位埋深約1.5 m，主要土層為吹填粉細(xì)砂（夾淤泥質(zhì)黏土薄層）、淤泥質(zhì)黏土、第四系海陸交互相沉積層（粉細(xì)砂）等。兩塊試驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)布置示意見(jiàn)圖2。

圖1 場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面圖Fig.1 Typical geological section map of the site

圖2 試驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Sketch map of the arrangement of tamping pointsin test area

2.2 強(qiáng)夯機(jī)具與施工參數(shù)

本次試驗(yàn)薄夾層區(qū)采用50 t履帶式夯機(jī)、自動(dòng)脫鉤裝置，點(diǎn)夯夯錘底面直徑2.2 m、錘重15.2 t，普夯夯錘底面直徑2.3 m、錘重11.5 t；厚砂層區(qū)采用門架式夯機(jī)、自動(dòng)脫鉤裝置，點(diǎn)夯夯錘底面直徑2.5 m、錘重27.2 t，普夯夯錘底面直徑2.3 m、錘重11.5 t。

根據(jù)梅納經(jīng)驗(yàn)公式[2]，結(jié)合各試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)條件和處理要求，經(jīng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，擬定各試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯主要施工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 強(qiáng)夯試驗(yàn)主要施工參數(shù)Table1 Main construction parametersof the dynamic consolidation test

2.3 試驗(yàn)施工情況

由于場(chǎng)地地下水位較高，施工前場(chǎng)地整平過(guò)程中，整平機(jī)械的振動(dòng)引起淺層砂土出現(xiàn)液化現(xiàn)象并有地下水涌出。為此，在正式點(diǎn)夯之前先在場(chǎng)地兩側(cè)開(kāi)挖排水溝，并用推土機(jī)進(jìn)行振動(dòng)碾壓排水，然后再按照擬定的施工參數(shù)強(qiáng)夯。夯擊過(guò)程中，對(duì)每擊夯沉量、隆起量、孔隙水壓力變化等均作詳細(xì)記錄；強(qiáng)夯施工完成后采用標(biāo)貫試驗(yàn)對(duì)強(qiáng)夯加固效果進(jìn)行檢測(cè)。

碾壓排水后按第一遍點(diǎn)夯的技術(shù)要求先進(jìn)行單點(diǎn)夯擊試驗(yàn)，結(jié)果薄夾層區(qū)僅夯3擊、厚砂層區(qū)僅夯1～2擊就出現(xiàn)嚴(yán)重吸錘現(xiàn)象，提錘后，由于地基砂土內(nèi)超靜水壓力的浮托作用，夯坑坑底隆起與原地面平齊，并有大量地下水涌出，同時(shí)夯點(diǎn)周圍5 m范圍內(nèi)砂土也出現(xiàn)液化現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，現(xiàn)場(chǎng)決定點(diǎn)夯之前，在第一、二遍夯點(diǎn)上再進(jìn)行一遍排水點(diǎn)夯，夯擊能1 500～2 000 kN·m、單點(diǎn)擊數(shù)3～5擊，以促使地基排水，待孔隙水壓力消散達(dá)到75%以上后再進(jìn)行正式點(diǎn)夯施工。

薄夾層區(qū)排水點(diǎn)夯完成后正式點(diǎn)夯過(guò)程中沒(méi)有再出現(xiàn)吸錘及液化現(xiàn)象；厚砂層區(qū)吹填土層較厚，單擊夯擊能5 000 kN·m才能滿足加固深度要求，但由于吹填砂土太過(guò)松散，正式點(diǎn)夯時(shí)雖然沒(méi)有出水現(xiàn)象，但點(diǎn)夯僅夯2～3擊夯坑深度就達(dá)到1.0 m左右，造成起錘困難。為此，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)調(diào)整試驗(yàn)施工工藝，在夯點(diǎn)間距和布置不變的情況下增加夯擊遍數(shù)，同時(shí)減少單點(diǎn)擊數(shù)，即將第一遍點(diǎn)夯分解為兩遍夯，先整體夯3～4擊，場(chǎng)地整平后再在一遍夯點(diǎn)上進(jìn)行夯擊，但實(shí)際結(jié)果第二遍仍然只夯3～4擊即起錘困難。鑒于此，現(xiàn)場(chǎng)施工工藝最終改為兩遍夯均邊填料邊強(qiáng)夯，填料采用場(chǎng)地內(nèi)試驗(yàn)區(qū)外的吹填砂，同時(shí)調(diào)整單點(diǎn)夯的終錘控制標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)計(jì)要求的第一、二遍夯最后兩擊夯沉量之和分別小于20 cm、15 cm調(diào)整為分別不大于22 cm和17 cm。

3 強(qiáng)夯施工工藝與加固效果分析

3.1 單點(diǎn)擊數(shù)與夯擊能量

強(qiáng)夯單點(diǎn)夯擊次數(shù)（夯擊能量）的確定一般以夯坑的壓縮量最大、夯坑周圍隆起量最小為原則，同時(shí)還要滿足最后兩擊夯沉量之和、之差的限值控制。本次試驗(yàn)兩塊試驗(yàn)區(qū)典型的夯點(diǎn)擊數(shù)與夯沉量及夯點(diǎn)周圍隆起量關(guān)系曲線見(jiàn)圖3、4。

從圖中可以看出，兩塊試驗(yàn)區(qū)單點(diǎn)累計(jì)夯沉量曲線均隨擊數(shù)增加而增加，薄夾層區(qū)的夯沉量曲線逐漸趨于平緩，說(shuō)明隨夯擊數(shù)（夯擊能量）的增加地基土均衡下沉、越壓越密實(shí)，夯擊數(shù)達(dá)到7～8擊左右時(shí)，最后兩擊夯沉量之和小于12 cm、之差小于4 cm，累計(jì)夯沉量已達(dá)到1.0 m左右，距夯點(diǎn)中心3.0 m左右的地基隆起量也不再增加，說(shuō)明再夯擊對(duì)地基土的壓縮效果已不明顯；厚砂區(qū)雖然采用了邊填料邊夯擊的方式，但夯擊數(shù)到12擊左右時(shí)夯沉量曲線仍呈下降趨勢(shì)，最后兩擊夯沉量之差小于4 cm、之和仍達(dá)到17 cm左右，夯點(diǎn)周圍隆起量持續(xù)增加，說(shuō)明強(qiáng)夯造成地基土側(cè)向擠出效應(yīng)明顯，而對(duì)地基土的壓縮效果不明顯，相應(yīng)的強(qiáng)夯施工工藝需要調(diào)整。

3.2 夯擊遍數(shù)與間歇時(shí)間

夯擊遍數(shù)和間歇時(shí)間與地基強(qiáng)夯過(guò)程中超靜孔隙水壓力消散速度有關(guān)，本次試驗(yàn)兩塊試驗(yàn)區(qū)典型的超靜孔隙水壓力消散時(shí)程曲線見(jiàn)圖5。

圖3 單點(diǎn)夯擊累計(jì)夯沉量曲線Fig.3 Cumulativesettling amount curvesof point compaction

圖4 單點(diǎn)夯擊夯點(diǎn)周圍隆起量與擊數(shù)關(guān)系曲線Fig.4 The upheaval amount around the tamping points and tamping number relation curves

考慮到試驗(yàn)區(qū)存在黏土夾層，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)擬定的每遍夯間歇時(shí)間為7 d，但從圖5中曲線可以看出，孔壓消散時(shí)間一般在8～10 h，比一般的吹填粉細(xì)砂地基中3～5 h的孔壓消散時(shí)間[3]要長(zhǎng)，但仍比設(shè)計(jì)擬定的間歇時(shí)間短，因此，為了加快施工進(jìn)度，實(shí)際強(qiáng)夯施工時(shí)每遍夯之間間隔10 h左右即可進(jìn)行下一遍夯擊。

由于強(qiáng)夯施工時(shí)每擊間隔時(shí)間僅幾分鐘，而每擊引起的超靜孔壓消散需要8 h左右，當(dāng)夯擊能量（擊數(shù)）逐漸增大時(shí)，地基土中孔隙水壓力因來(lái)不及消散而產(chǎn)生疊加，并逐漸趨于恒定值，從而造成繼續(xù)夯擊時(shí)的能量大部分由孔隙水承擔(dān)，而難以傳至土顆粒結(jié)構(gòu)上。為了使土顆粒壓密，確保強(qiáng)夯加固效果，必須間隔一段時(shí)間，以使孔隙水壓力消散。本次試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得薄夾層區(qū)夯擊6～7擊、厚砂層區(qū)夯擊9擊左右后孔隙水壓力即趨近于恒值，因此，薄夾層區(qū)宜每遍夯6～7擊、厚砂層區(qū)宜每遍夯9擊左右，夯擊遍數(shù)可為 2～3遍。

圖5 超靜孔隙水壓力消散時(shí)程曲線Fig.5 Timetravel curveof excessporewater pressuredissipation

3.3 加固效果分析

強(qiáng)夯加固效果檢測(cè)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，試驗(yàn)采用63.5 kg重錘，落距76 cm、自動(dòng)落錘方式。夯前數(shù)據(jù)采用試驗(yàn)區(qū)所在位置處勘察孔的標(biāo)貫數(shù)據(jù)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)1孔，夯后每個(gè)試驗(yàn)區(qū)測(cè)試3孔。從標(biāo)貫曲線（圖6）可以看出，夯后地基土標(biāo)貫擊數(shù)顯著提高，薄夾層區(qū)和厚砂層區(qū)提高分別達(dá)到147%和295%，但結(jié)合地質(zhì)條件，強(qiáng)夯對(duì)存在黏土夾層的區(qū)域加固效果并不明顯。兩塊試驗(yàn)區(qū)在標(biāo)高-5.0 m左右均存在黏土層，薄夾層區(qū)為較薄的黏土夾層，其標(biāo)貫擊數(shù)有所提高，但提高比例較小，厚砂層區(qū)為2～3 m的黏土層，其標(biāo)貫擊數(shù)較夯前反而有所降低，分析原因可能是軟黏土存在觸變性所致。

圖6 夯前夯后標(biāo)貫試驗(yàn)曲線Fig.6 Standard penetration test curve before and after temping

根據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，本次試驗(yàn)兩塊試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯有效加固深度分別達(dá)到8 m和10 m左右，加固深度范圍內(nèi)除表層1～2 m和存在黏土夾層的區(qū)域外，其余地層的地基承載力均達(dá)到250 kPa以上，強(qiáng)夯加固效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)存在較高地下水位的區(qū)域，可以先采用振動(dòng)碾壓或低能量點(diǎn)夯的方式促使地基土液化、排水，然后再進(jìn)行正式點(diǎn)夯。

2） 對(duì)以粉細(xì)砂為主、存在薄黏土夾層的區(qū)域，采用本次試驗(yàn)薄夾層區(qū)相應(yīng)的強(qiáng)夯施工工藝及施工參數(shù)是可行的，地基加固效果明顯；對(duì)吹填粉細(xì)砂較厚的區(qū)域，強(qiáng)夯施工工藝及參數(shù)需進(jìn)行調(diào)整，可采取降低夯擊能、增加夯擊遍數(shù)等措施，以確保地基加固效果；

3） 強(qiáng)夯對(duì)粉細(xì)砂土地基的加固效果是顯著的，但對(duì)存在黏土夾層的地層加固效果有限，甚至有可能因強(qiáng)夯擾動(dòng)而造成軟黏土層的強(qiáng)度降低，在工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意。

[1] 鄭穎人，陸新，李學(xué)志，等.強(qiáng)夯加固軟黏土地基的工藝研究[C]//第八屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)，1999.ZHENG Ying-ren，LU Xin，LI Xue-zhi，et al.Research on technology of improvingsoft clay with DCM[C]//The eighth soil mechanics and geotechnical engineering academic conference proceedings.China Civil Engineering Society，1999.

[2]《地基處理手冊(cè)》編寫委員會(huì).地基處理手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994.The foundation treatment manual Compilation Committee.Foundation treatment manual[M].Beijing：China Architecture ＆ Building Press，1994.

[3] 王連新.珠海機(jī)場(chǎng)粉細(xì)砂地基強(qiáng)夯處理研究[J].人民長(zhǎng)江，1999，30（5）：37-39.WANGLian-xin.Research on dynamic consolidation of fines sand foundation in Zhuhai airport[J].Yangtze River，1999，30（5）：37-39.