砂混淤泥地基強(qiáng)夯置換墩深度估算

王福春，朱勝利

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

強(qiáng)夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基。對飽和度較高的粉土和淤泥質(zhì)土可采用強(qiáng)夯置換法[1]。

強(qiáng)夯置換法是采用在夯坑內(nèi)回填塊石、建筑垃圾等粗顆粒材料，用夯錘夯擊形成連續(xù)的強(qiáng)夯置換墩，強(qiáng)夯置換法加固地基具有加固效果顯著、施工期短、設(shè)備簡單、施工方便、經(jīng)濟(jì)易行等諸多優(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。吹填砂中存在較厚的高飽和度砂混淤泥、淤泥、淤泥質(zhì)土等軟土，采用強(qiáng)夯法加固時(shí)，軟土層的存在對地基加固效果有不利影響[2]，其影響包括：厚度不均的軟土層會(huì)造成加固后地基沉降不均、含黏土層地基加固后的地基承載力指標(biāo)與純粹的砂土地基承載力指標(biāo)相比相對較小。因此，對于要求地基承載力高、差異沉降小的軌道梁地基，采用強(qiáng)夯置換法加固是較好的選擇。

強(qiáng)夯置換地基加固效果中置換墩深度是一個(gè)重要參數(shù)，是判定強(qiáng)夯置換加固效果的主要因素。強(qiáng)夯置換墩成樁機(jī)理與其他地基處理方式的散體材料樁不同，強(qiáng)夯置換施工時(shí)墩深度受地質(zhì)條件影響較大。

本文結(jié)合曹妃甸礦石碼頭二期工程軌道梁地基強(qiáng)夯置換的施工參數(shù)，借鑒土力學(xué)相關(guān)理論，對強(qiáng)夯置換法加固存在混有高飽和度的淤泥、淤泥質(zhì)土等軟黏土的吹填粉細(xì)砂土地基的強(qiáng)夯置換墩深度進(jìn)行分析估算，并與施工后實(shí)測深度進(jìn)行對比。

1 地質(zhì)條件

曹妃甸礦石碼頭二期工程軌道梁堆場場地原始地面為淺海及灘涂，通過吹填外海海底粉細(xì)砂土形成陸域。整個(gè)工程場地吹填土厚度5.0～7.0 m，以粉細(xì)砂為主、存在砂與淤泥混合層及淤泥質(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，吹填土土質(zhì)也不均勻，標(biāo)貫擊數(shù)為3～21擊，平均標(biāo)貫擊數(shù)9.0擊；淤泥及淤泥質(zhì)土呈流塑，混少量粉細(xì)砂，平均標(biāo)貫擊數(shù)小于1擊。形成陸域地下水位位于地表，地下水位高。該地基承載力低，后期沉降大且差異沉降大，不適合直接作為軌道梁地基基礎(chǔ)使用。

2 強(qiáng)夯置換試驗(yàn)

2.1 強(qiáng)夯置換區(qū)布置

根據(jù)場地地質(zhì)情況及強(qiáng)夯置換施工工藝，強(qiáng)夯置換區(qū)夯點(diǎn)布置示意見圖1。

軌道梁強(qiáng)夯置換區(qū)為長條形，長956 m，寬46 m（軌道梁寬9 m），沿著軌道梁基礎(chǔ)長度方向布置了10塊場地強(qiáng)夯置換區(qū)zh1、s1、zh2、zh3、s2、zh4、zh5、zh6、zh7、zh8，各區(qū)長度分別為137 m、45 m、117 m、117 m、45 m、99 m、99 m、99 m、99 m、99 m，其中s1、s2區(qū)為典型試驗(yàn)區(qū)。

圖1 強(qiáng)夯置換區(qū)夯點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Layout of dynamic replacement tamping points

2.2 強(qiáng)夯置換機(jī)具與施工參數(shù)

試驗(yàn)區(qū)采用50 t履帶式夯機(jī)、自動(dòng)脫鉤裝置，點(diǎn)夯夯錘為圓柱形，中間有圓形排氣孔，底面直徑1.2 m，錘重20.0 t，夯錘底靜接地壓力為180 kPa，排氣孔直徑約15 cm，普夯夯錘底面直徑2.3 m，錘重11.5 t。

根據(jù)中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司設(shè)計(jì)圖，各試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯置換主要施工參數(shù)見表1。

表1 強(qiáng)夯置換主要施工參數(shù)Table 1 Main construction parametersof dynamic replacement test

2.3 施工與檢測情況

由于場地地下水位較高，在正式點(diǎn)夯之前先在場地一側(cè)開挖明溝排水，另一側(cè)井點(diǎn)降水，每100 m間距布置1個(gè)降水井，降水井直徑40 cm，井埋深5 m，將水位降低至地面以下3 m后進(jìn)行場地整平，再按照擬定的施工參數(shù)強(qiáng)夯置換。強(qiáng)夯置換單點(diǎn)夯擊能2 500～3 000 kN·m，分兩遍夯，第1遍夯夯點(diǎn)正方形布置，夯點(diǎn)間距4.5 m，第2遍夯夯點(diǎn)內(nèi)插一遍夯夯點(diǎn)中心，夯點(diǎn)正方形布置，夯點(diǎn)間距4.5 m，單點(diǎn)連續(xù)夯擊，提錘困難時(shí)用石塊、碎石或石渣混合料將夯坑填平再夯，混合料中碎石直徑4 cm左右、石渣直徑10 cm左右、石塊直徑30 cm左右。每點(diǎn)累計(jì)夯擊次數(shù)不小于13～15擊，累計(jì)夯沉量達(dá)到4～14 m，強(qiáng)夯置換完工7～10 d后，置換區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行2遍低能量滿夯處理。滿夯采用單擊夯擊能為500～800 kN·m，錘重115 kN，錘印搭接1/4錘底面積，并滿足最后兩擊夯沉量之和不大于4 cm。強(qiáng)夯置換施工檢測結(jié)果見表2。

強(qiáng)夯置換施工完成后，場地整平至標(biāo)高+4.2～4.6 m，兩周后置換墩采用重型重力觸探試驗(yàn)對強(qiáng)夯置換墩深度進(jìn)行檢驗(yàn)[3]。

表2 強(qiáng)夯置換試驗(yàn)施工檢測結(jié)果Table 2 Construction monitoring resultsof dynamic replacement test

3 強(qiáng)夯置換墩深度估算

根據(jù)曹妃甸礦石碼頭二期工程軌道梁地基強(qiáng)夯置換設(shè)計(jì)、施工工藝，采用土力學(xué)理論分析該工程強(qiáng)夯置換墩深度。

3.1 夯錘接地平均力

在強(qiáng)夯置換施工時(shí)，夯錘接地平均力峰值如下式[4]：

式中：P為每一擊夯錘接地平均力峰值，kN；W為夯錘重，kN；N 為平均夯擊次數(shù)，擊；H為夯錘落距，m；Z為置換墩深度，m；Z/N 為平均夯擊次數(shù)的夯坑沉陷，m。

3.2 夯錘接地平均力作用的附加應(yīng)力

夯錘接地平均力峰值可以近似按集中荷載處理，其作用線下地基置換墩深度Z處的附加應(yīng)力如下式[5]：

式中：σZ為置換墩深度Z處附加應(yīng)力，kPa。

3.3 平均夯擊次數(shù)

強(qiáng)夯置換施工第一次填料所受到的總夯擊次數(shù)為N擊，最后一次填料所受到的總夯擊次數(shù)為1擊，強(qiáng)夯置換墩整個(gè)深度范圍內(nèi)所受到的總夯擊次數(shù)平均值如下式：

式中：N 為平均夯擊次數(shù)，擊；N為總夯擊次數(shù)，擊；i為每次填料材料所受到的總夯擊次數(shù)，擊。

3.4 置換墩深度估算

強(qiáng)夯置換施工時(shí)置換墩深度位置的自重應(yīng)力與該位置所受到的附加應(yīng)力之和應(yīng)等于置換墩深度位置土層的地基承載力，其表達(dá)式如下[6]：

式中：ρ為置換墩重度，kN/m3；f為置換墩深度范圍內(nèi)被置換土的承載力特征值，kPa；K為承載力安全系數(shù)。

將式（1）代入式（2），再聯(lián)合（3）代入式（4），得置換墩深度如下式：

4 強(qiáng)夯置換墩試驗(yàn)結(jié)果

施工前后，強(qiáng)夯置換區(qū)采用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3，相應(yīng)的沿深度分布曲線見圖 2（以 s1、s2、zh6區(qū)為例）。

由動(dòng)力觸探擊數(shù)突然減小或與施工前砂混淤泥地基擊數(shù)相近判定置換墩著底位置，由置換前后地基內(nèi)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)擊數(shù)變化不大判定置換墩影響深度，由試驗(yàn)結(jié)果可知強(qiáng)夯置換墩的長度為4.4～6.0 m，強(qiáng)夯置換的影響深度為墩下1～4 m。

由表3可知，強(qiáng)夯置換墩深度范圍內(nèi)施工前砂混淤泥的重型動(dòng)力觸探擊數(shù)為4.7～13.8擊，平均值為7.8擊；強(qiáng)夯置換墩深度范圍內(nèi)施工后碎石土的重型動(dòng)力觸探擊數(shù)為5.5～20.0擊，平均值為13.2擊。

5 計(jì)算方法可靠性印證

結(jié)合曹妃甸礦石碼頭二期軌道梁地基加固工程強(qiáng)夯置換工程，置換墩重度取20 kN/m3，砂混淤泥地基承載力安全系數(shù)取2，錘重200 kN，解方程（5）的計(jì)算結(jié)果如表4。

表3 強(qiáng)夯置換試驗(yàn)檢測結(jié)果N63.5Table3 Monitoring resultsof dynamic replacement test N63.5

圖2 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)擊數(shù)平均值沿深度分布曲線Fig.2 Distribution curveof theheavy dynamic penetration test averagepoint number with depth

表4 計(jì)算結(jié)果對比Table4 Comparison of thecalculation results

表4中zh4、zh8區(qū)砂混淤泥中淤泥含量比較少，地基承載力安全系數(shù)取2計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際檢測的結(jié)果相差較大，估算結(jié)果與施工實(shí)際置換墩長統(tǒng)計(jì)時(shí)未考慮zh4、zh8區(qū)的結(jié)果，可見估算結(jié)果與施工實(shí)際置換墩長接近，誤差在±15%之間。

6 結(jié)語

1）置換墩長可采用動(dòng)力觸探擊數(shù)突然減小或與施工前砂土地基擊數(shù)相近判定置換墩著底位置。

2）強(qiáng)夯置換法加固砂混淤泥時(shí)，置換墩夯沉量為墩長的1.5～2倍。

3） 施工后墩上動(dòng)力觸探擊數(shù)為5.5～20.0擊，地基加固效果顯著。

4） 強(qiáng)夯置換影響深度為本文估算墩底以下0.1～3.7 m，與現(xiàn)場實(shí)際檢驗(yàn)強(qiáng)夯置換的影響深度為墩下1～4 m較接近。

5）本文估算結(jié)果與施工實(shí)際置換墩長接近，誤差在±15%之間。

強(qiáng)夯置換法在以砂土為主并含有砂混淤泥層、及黏性土夾層的地基中應(yīng)用較好，達(dá)到了強(qiáng)夯置換的目的，強(qiáng)夯置換墩計(jì)算公式與實(shí)測結(jié)果吻合，可在類似工程中借鑒。