吹填土地基強夯加固效果評價研究

孫海軍,岳喜兵

(江蘇省交通規劃設計院股份有限公司,江蘇南京 210014)

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吹填土地基強夯加固效果評價研究

孫海軍,岳喜兵

(江蘇省交通規劃設計院股份有限公司,江蘇南京 210014)

摘要:連云港贛榆港區采用航道的疏浚土方,吹填后形成作業港區中的吹填土地基(黏土和砂的混合土),為提高地基承載力,采用強夯法進行加固。文中介紹了采用強夯法對吹填土地基進行加固處理的施工工藝,分別采用靜力觸探試驗、動力觸探試驗和平板載荷試驗對加固效果進行評價,檢測結果均表明強夯法加固后地基各項指標明顯提高。

關鍵詞:公路;強夯法;夾砂黏土地基;靜力觸探試驗;動力觸探試驗;平板載荷試驗

隨著中國沿海城市經濟的快速發展,對土地的需求量逐漸增加,大多數地方呈現土地緊張的趨勢,為適應人們對土地需求的不斷增長,圍海吹填造陸成為大勢所趨。

吹填土是通過泥漿泵將海底沉積的黏土和砂隨水吸入圍堰中,由于吹填土是由水力吹填形成的,其分布規律與吹填的水力條件密切相關。以連云港贛榆港區為例,該場地疏浚土涉及2層土(黏土層和砂土層),由于未能進行分層疏浚,形成了砂夾黏土的吹填土地基,地基砂含量較高、滲透性較好。

強夯法由于設備簡單、造價低、工期短、經濟效益好,工程實踐中得到優先使用。國內外對強夯法加固軟弱地基的應用進行了很多研究,但一般認為對于飽和軟黏土進行強夯加固時需選擇適宜的夯擊能、加固工藝和排水條件才能達到預定加固目的。對于粘粒含量較多、滲透系數較小的土體,吹填后很長時間才能形成一定強度的吹填淤泥。連云港贛榆港區吹填土屬于夾砂黏土,介于黏土和砂土之間,特點是砂含量較高,滲透性較好,強夯法在這種特殊吹填土加固中的應用缺少相應研究。為此,該文對該場地吹填土地基進行強夯法處理,并對加固效果進行評價,為吹填土地基的加固處理及強夯法的工程應用提供參考。

1 場地概況及施工工藝

該圍海造陸工程場地離海岸線約10 km,吹填土層厚度為10 m。試驗段場地寬28 m,長28 m。場地由海中黏土和砂吹填形成。由于吹填方式、吹泥口位置變化和水力分選等因素導致吹填場地土層變化劇烈,均勻性較差。場地中的砂層以松散狀態為主,黏土層以軟塑為主,地基土含砂量較大。

鉆孔資料顯示:試驗區場地以黏土混合中粗砂為主,局部含碎石及鈣質結核。0～2.0 m段以黏土為主,可塑,黃褐色,灰白色;2.0～4.0 m段黏土混雜大量中粗砂礫,砂含量40%～50%;4.0～6.0 m段中粗砂混雜黏土,黏土可塑～硬塑;6.0～8.0 m段以黏土混雜中細砂為主,黃褐色,可塑～硬塑;8.0 ～10.8 m段以中細砂混雜黏土為主。

強夯試驗機械采用履帶式夯機,夯錘底部為圓形,直徑為2.2 m,夯錘重量為16 t,最大落距為17 m。試驗區場地夯前滿鋪1.2～1.4 m厚且級配良好的碎石。

圖1 群夯點位及試驗點位布置(單位:m)

如圖1所示,群夯共設81個夯點,按9排×9列布置,夯點間距3.5m。首先采用4遍主夯,以間隔跳打的方式進行夯擊,單擊夯擊能為2 000 k N·m,夯點間距為3.5 m,夯擊次數為12擊且最后2擊夯沉量小于5 cm。4遍主夯結束后,采用800 k N·m夯擊能進行2遍輔助夯擊,并整平場地。當夯錘擊穿地面致使夯錘提升困難時,往夯坑內填入碎石,繼續進行夯實。

2 試驗方法

為滿足場地后期使用對承載力和沉降的要求,強夯加固效果的準確評價至關重要。評價基本方法如下:以強夯前土體強度指標為基礎,強夯法加固處理后,通過動力觸探、靜力觸探、載荷試驗等對吹填土地基加固效果進行評價分析。

2.1 靜力觸探

孟高頭對單橋和雙橋靜力觸探進行了對比研究,認為單橋靜力觸探僅能測一個參數,精度較低;而雙橋靜力觸探技術參數較多,在劃分土類別和求取土的固結系數方面精度較高,建議推廣使用。

雙橋靜力觸探的基本原理是通過一定機械,用靜力將標準規格的金屬探頭垂直、均勻地壓入土中,通過錐尖和側壁的傳感器將土體的阻力轉換成電信號,接收器接受該信號,利用傳感器量測表測量土層對觸探頭的貫入阻力,并根據測得的阻力情況分析判斷土層的物理、力學性質。主要適用于黏土、粉性土和砂性土層。該工程所用靜力觸探設備的規格見表1。

表1 靜力觸探雙橋探頭的規格

2.2 動力觸探

趙昭熔通過分析動力觸探貫入破壞機理,確定地基的基本承載力,為強夯地基承載力的檢測提供了理論指導。王祎望分析了動力觸探試驗在確定強夯地基承載力方面的可靠性,為強夯地基的檢測提供了理論依據。

該工程采用重型動力觸探,設備主要由觸探頭、觸探桿及穿心錘三部分組成。觸探頭直徑74 mm,錐角60°;觸探桿配用直徑42 mm、接頭加厚的鉆桿;穿心錘重63.5 kg。貫入前,觸探桿安裝平穩,保持觸探桿垂直。采用自動落錘,錘擊頻率15～30 擊/min。貫入時,穿心錘自由下落,落距為76 cm,記錄每貫入10 cm的實測錘擊數。

2.3 平板載荷試驗

現場平板載荷試驗是通過千斤頂在一定面積的載荷板上逐級對地基土施加荷載,觀察并記錄沉降隨時間的發展趨勢、穩定時的沉降量和地基土破壞時的荷載,并將試驗得到的各級荷載對應的沉降量繪制成荷載-沉降(p-s)曲線,以確定地基變形模量和承載力。

岳喜兵等通過載荷試驗確定強夯地基承載力,并在此基礎上運用數值模擬分析得到在2倍板徑范圍內附加應力的分布。王吉利等研究了強夯法處理路基后的載荷試驗結果,認為可以其作為地基設計的重要指標。

該工程采用圓形承壓板,直徑為2.55 m,面積為5.1 m2,載荷試驗根據GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》附錄C的要求進行。最大加載值預估為1 800 k N,加載分級為最大加載值的1/12,分級荷載為150 k N。

沉降相對穩定標準:連續2 h內的沉降量小于0.1 mm/h時,認為已趨穩定,可加下一級荷載。當出現下列情況之一時,即可終止加載:1)承壓板周圍的土明顯側向擠出;2)沉降s急驟增大,p-s曲線出現陡降段;3)在某一級荷載下,24 h內沉降速率不能達到穩定;4)沉降量與承壓板寬度或直徑之比≥0.06。滿足前3種情況之一時,其對應的前一級荷載定為極限荷載。

選取試驗段中心較平坦區域作為載荷試驗場地,先后進行2組不同墊層厚度(分別為0.2和1.3 m)載荷試驗,圓形載荷板面積為5.09 m2(板徑為2.55 m)。

3 試驗結果分析

3.1 靜力觸探試驗結果及分析

為檢測強夯法在吹填土地基中的應用效果,采用雙橋靜力觸探儀進行靜力觸探試驗,對強夯前后的吹填土地基分別進行試驗,試驗結果見圖2～4。

當qc后/qc前=1時,強夯前后土體靜力觸探的錐尖阻力不變,即強夯法的加固效果為零。由圖2 ～4可知:吹填土采用強夯法處理后,10 m深度范圍內靜力觸探顯示的錐尖阻力明顯提高,特別是在深度6 m以內,強度提高明顯,說明強夯法加固土體的有效深度約為6 m,這與江舜武等對單點夯的研究結果基本一致。

圖2 CH1、CH2、CH3試點強夯前后錐尖阻力qc對比

圖3 CH4、CH5、CH6試點強夯前后錐尖阻力qc對比

圖4 CH7、CH8、CH9試點強夯前后錐尖阻力qc對比

對各試點的靜力觸探錐尖阻力進行統計,結果見表2。

表2 靜力觸探試驗結果

由表2可以看出:強夯后吹填土地基錐尖阻力增大約35%,最大處增加約74%,吹填土地基采用強夯法加固處理后土體強度有較大幅度提高。

3.2 動力觸探試驗結果及分析

對4個測點進行動力觸探試驗,結果見圖5。

從圖5可知:強夯后土體的動力觸探擊數較夯前有一定增加,對所有動力觸探數據進行線性擬合,得y=1.833x,R2=0.822。說明吹填土在強夯法加固后其密實程度提高很大,提高約83%。

根據王祎望等對動力觸探擊數與地基承載力建立的經驗公式[見式(1)],反算得到地基的承載力(見表3)。

由表3可以看出:強夯處理后地基承載力平均值達到192.5 k Pa,約為強夯前的2.22倍,地基承載力提高約122%。

表3 重型動力觸探試驗結果

3.3 載荷試驗結果及分析

圖6為2組平板載荷試驗所得p-s曲線,表4為地基承載力和變形模量。其中承載力按GB 50021-2001《巖土工程勘察規范》確定,變形模量按下式計算:

式中:E0為地基的變形模量(MPa);μ為泊松比,按0.30取值,即表層碎石墊層與下層黏土-砂混合層泊松比的均值;d為板直徑(m),取2.55 m;p為比例界限荷載(kPa);s為比例界限對應的沉降(mm)。

圖6 平板載荷試驗p-s曲線

表4 平板載荷試驗結果

試驗結果表明:6個試點的沉降量在設計極限荷載下均沒有達到破壞標準(6%,15.3 cm),地基承載力均大于160 kPa,較加固前有較大改善,進一步驗證了強夯法在吹填土地基中的使用效果。

4 結論

該文結合連云港贛榆港區吹填土地基處理工程,對吹填土地基進行強夯法現場試驗,并采用靜力觸探試驗、動力觸探試驗和平板載荷試驗評價其加固效果。靜力觸探試驗結果表明強夯后吹填土的錐尖阻力提高近35%;動力觸探試驗表明強夯加固后土體強度提高83%,通過前人經驗公式反算的地基承載力表明強夯使得土體強度提高近122%;載荷試驗結果表明采用強夯法加固后地基承載力滿足設計要求。強夯法在加固吹填土地基中取得良好效果,其多手段檢測的指標均有較大提高,可為強夯法應用于該類地基處理提供參考依據。

參考文獻:

[1]江舜武,王寶善,岳喜兵,等.強夯法加固夾砂粘土吹填場地的現場試驗研究[J].防災減災工程學報,2014,34(4).

[2]鄧永鋒,岳喜兵.連云港贛榆港區起步工程吹填土場地分析報告[R].南京:東南大學,2011.

[3]孟高頭,張得波,劉事蓮,等.推廣孔壓靜力觸探技術的意義[J].巖土工程學報,2000,22(3).

[4]王祎望,王仁剛,閆韶兵.動剛度和動力觸探在強夯地基檢測中的應用[J].巖土力學,2004,25(5).

[5]趙昭熔,曹化平.動力觸探試驗技術的研究與應用[J].鐵道工程學報,2005,12(增刊).

[6]岳喜兵,江舜武,王寶善,等.強夯地基墊層厚度對承載力和變形模量的影響[J].水利水運工程學報,2014,11(6).

[7]王吉利,劉怡林,欒茂田,等.強夯法處理黃土路基檢測方法試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(增1).

[8]吳柏斌.某回填土地基強夯試驗研究[J].公路與汽運,2011(4).

[9]劉利平,殷青芳,董樹巍.沉管砂樁與強夯法聯合加固吹填土地基試驗研究[J].建筑科學,2011(9).

[10]陳晨.塑料排水板-強夯法在吹填土地基加固中的應用[D].大連:大連理工大學,2007.

[11]陳全飛.強夯法加固吹填軟土地基試驗研究和數值模擬[D].北京:北京交通大學,2011.

收稿日期:2015-10-19

中圖分類號:U416.1

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0119-04