強(qiáng)夯法在采煤沉陷區(qū)濕陷性土中的應(yīng)用

陳 軒 姜 波 李永祥

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

0 引言

過去幾十年內(nèi)，我國存在眾多煤炭開采為主的資源型城市，由于過度開采造成了大面積的地面沉陷，形成了采煤沉陷區(qū)。在我國僅某省的一個礦區(qū)造成的采煤沉陷區(qū)，其受損的建筑面積就高達(dá)150萬m2，波及6萬多居民，我國每年對采煤沉陷區(qū)工程地基的治理耗費(fèi)巨額資金。由于采煤沉陷區(qū)地基所處的應(yīng)力環(huán)境更加復(fù)雜，采煤沉陷區(qū)建筑地基除受建筑物自身荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力場作用外，還受到地表殘余移動變形形成的附加應(yīng)力場的影響。所以，采煤沉陷區(qū)地基應(yīng)滿足更加嚴(yán)格的強(qiáng)度條件和變形條件。

山西陽泉市煤炭資源豐富，煤炭資源開采多年，周邊有眾多礦區(qū)，整個地區(qū)已處于采煤沉陷區(qū)內(nèi)。加之陽泉市地區(qū)地表普遍覆蓋有濕陷性土，對地基變形十分不利，給該地區(qū)工程建設(shè)造成了不小的麻煩，亟需尋找一項(xiàng)安全高效且經(jīng)濟(jì)合理的地基處理措施，以保證工程建設(shè)的安全可靠，為該地區(qū)以及全國具有相似地質(zhì)條件的區(qū)域提供借鑒指導(dǎo)。

1 工程概況

擬建山西陽泉市某工程位于陽泉市盂縣路家村附近，工程場地位于陽泉市采煤沉陷區(qū)內(nèi)。由于天然地基承載力、變形特征值不能滿足設(shè)計(jì)要求，故對場地局部進(jìn)行地基處理。

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告，擬建場地南部分布有較厚填土，以粉土為主要成分，地層填土情況如下：

①1雜填土，淺黃色～灰色，稍濕，松散，土質(zhì)不均勻，主要由粉土構(gòu)成，含有少量磚塊、煤屑和頂部局部含植物根系，具高壓縮性。場地內(nèi)均有分布，一般厚度為0.30 m～1.00 m，在東南角分布較厚，厚度為8.3 m。

①2素填土，淺黃色，稍濕，稍密，土質(zhì)均勻，主要由粉土構(gòu)成，局部含有少量粉質(zhì)粘土及角礫，具高壓縮性，堆積時間不超過10年。其承載力低(fak=65 kPa)，濕陷系數(shù)δsi為0.022 3～0.063 3，平均值為0.043 3，具有濕陷性，濕陷程度為中等。總體趨勢為由北向南填土厚度逐漸增大。

1.2 水文地質(zhì)條件

擬建場地位于玉河南岸，但離河道遠(yuǎn)，約400 m，高出河床50 m，且玉河屬季節(jié)性河流，勘探期間河床內(nèi)干枯無水，因此擬建場區(qū)可不考慮河流沖刷影響。由于場地地勢比周邊建筑物及道路高且周邊未見地表水分布，勘探期間，勘探深度范圍(20 m)內(nèi)未揭露地下水。

1.3 場地濕陷性

擬建場地南部分布的深厚①2素填土，通過現(xiàn)場鑒別及土工試驗(yàn)成果得知，該層素填土具有濕陷性。黃土濕陷性評價主要由室內(nèi)試驗(yàn)評定，首先由人工開挖探井，從井壁刻取原狀土樣，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)取得各級壓力下的自重濕陷系數(shù)和濕陷系數(shù)，再按照DBJ 04/T312—2015濕陷性黃土場地勘察及地基處理技術(shù)規(guī)范中規(guī)定判定其濕陷類型和濕陷等級。

擬建場地內(nèi)共開挖人工探井10個，深度為8.30 m～13.20 m，由野外鑒別和室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果可知，本場區(qū)在勘探深度范圍內(nèi)所揭露的第①2層素填土在200 kPa下的的濕陷系數(shù)δsi為0.022 3～0.063 3，平均值為0.043 3，濕陷程度為中等，濕陷起始壓力Psh在6.0 kPa～79.0 kPa之間，平均值為37.50 kPa，濕陷性土層最大厚度為10.80 m。①2層素填土以下土層的濕陷系數(shù)δsi為0.000～0.004，均小于0.015，均為非濕陷性。按DBJ 04/T312—2015濕陷性黃土場地勘察及地基處理技術(shù)規(guī)范，自重濕陷量計(jì)算值自場地地面標(biāo)高算起，濕陷量計(jì)算值自基礎(chǔ)底面算起，各探井濕陷性評價結(jié)果如表1所示。

表1 濕陷性評價結(jié)果

2 地基處理方案

場地南部地基土為第①2層素填土，其承載力低(fak=65 kPa)，未經(jīng)壓實(shí)，具濕陷性，不能直接作為地基持力層，若采用天然地基，必須進(jìn)行地基處理。地基處理方案的選擇需要考慮工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、周圍環(huán)境、施工安全等條件，本文結(jié)合地基情況對不同地基處理方案進(jìn)行了對比。

1)換填法。

當(dāng)軟弱土層厚度不很大時，可將基礎(chǔ)底面以下處理范圍內(nèi)的軟弱土層部分或全部挖除，然后換填強(qiáng)度較大的土或其他穩(wěn)定性能好、無侵蝕性的材料。此法處理的經(jīng)濟(jì)實(shí)用高度一般為2 m～3 m，如果軟弱土層厚度過大，采用換填法會造成基坑開挖深度過大，同時增加棄方與取土方量，增大工程成本和施工難度。

2)打樁法。

采用樁基礎(chǔ)直接穿透填土層，可解決地基強(qiáng)度不足，變形大的問題，從而達(dá)到滿足上部結(jié)構(gòu)需要，充分利用地下空間及減小沉降變形之目的。但采用樁基礎(chǔ)施工工藝較為復(fù)雜，工期長，施工前需進(jìn)行試樁，通且過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)確定單樁豎向極限承載力等。此外，樁基成本高昂。

3)強(qiáng)夯法。

土層在巨大的沖擊能作用下，土中產(chǎn)生巨大的壓力和沖擊波，致使土體孔隙壓縮，夯擊點(diǎn)周圍一定深度內(nèi)產(chǎn)生裂隙良好的排水通道，使土中的孔隙水(氣)順利排出，土體迅速固結(jié)。強(qiáng)夯后地基承載力可有一定的提高，壓縮性可降低200%～1 000%。強(qiáng)夯法的處理深度一般為8 m～10 m，其施工機(jī)械簡單，工期較短，同時強(qiáng)夯法還能夠消除地基的濕陷性。

經(jīng)過討論分析，在場地南部的地質(zhì)條件下，采用強(qiáng)夯法加固地基。需強(qiáng)夯加固的范圍是一150 m×30 m的長方形區(qū)域，首先在強(qiáng)夯區(qū)域內(nèi)選取一塊區(qū)域進(jìn)行試夯，試夯的范圍為20 m×20 m，試夯后對處理后的地基土進(jìn)行了標(biāo)貫試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，可知在場地內(nèi)標(biāo)高7 m以下土層(砂層未計(jì))標(biāo)貫實(shí)測擊數(shù)明顯低于7 m以上土層，初步判斷夯后有效加固深度不小于初始起夯面下7 m，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 夯前夯后標(biāo)貫擊數(shù)對比

強(qiáng)夯錘質(zhì)量采取30 t的鑄鋼，其底面形式采用圓形，直徑2.0 m，錘的底面對稱設(shè)置若干個與其頂面貫通的排氣孔。施工機(jī)械采用帶有自動脫鉤裝置的履帶式起重機(jī)，臂桿端部設(shè)置輔助門架，防止落錘時機(jī)架傾覆。夯擊點(diǎn)位置如圖1所示。

首先采用點(diǎn)夯2遍，單擊夯擊能6 000 kN·m，每遍8擊，再以低能量(1 000 kN·m)滿夯2遍，每遍4擊。滿夯采用低落距錘多次夯擊，錘印搭接1/4。夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)，可按現(xiàn)場試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線進(jìn)行調(diào)整。同時現(xiàn)場控制最后兩擊的平均夯沉量不大于50 mm，夯坑周圍地面不發(fā)生過大的隆起。兩遍夯擊之間間隔3 d。第一遍夯擊點(diǎn)間距取夯錘直徑的2.5倍，即5 m，第二遍夯擊點(diǎn)位于第一遍夯擊點(diǎn)之間，以后各遍夯擊點(diǎn)間距不變，強(qiáng)夯施工工藝流程如圖2所示。

3 地基檢測結(jié)果與分析

采用地基平板載荷試驗(yàn)確定強(qiáng)夯加固效果，通過探井取土試樣檢測有效加固深度范圍內(nèi)地基土濕陷性消除情況。載荷試驗(yàn)點(diǎn)共9點(diǎn)，取土試樣探井4個。檢測點(diǎn)位置均為現(xiàn)場隨機(jī)抽取。

3.1 檢測試驗(yàn)方法

平板地基載荷試驗(yàn)的壓板采用正方形壓板，壓板的面積為1.0 m2，承壓板底面下鋪設(shè)中粗砂找平層，厚度100 mm。試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，加載分10級等量進(jìn)行，由1 000 kN液壓千斤頂施加壓力，0.4級精密壓力表測讀加壓值，荷載分級如表3所示。

表3 荷載分級

沉降觀測由基準(zhǔn)梁、量程100 MPa精度0.4級的壓力表和百分表觀測系統(tǒng)進(jìn)行測讀，基準(zhǔn)梁為2根6 m長的工字梁，基準(zhǔn)樁距試點(diǎn)的中點(diǎn)2.90 m，基準(zhǔn)樁距壓重平臺支墩邊的距離大于2.0 m，基準(zhǔn)梁一端固定在基準(zhǔn)樁上，另一端自由置于基準(zhǔn)樁上，傳感器放置于基準(zhǔn)梁上，由數(shù)字百分表量測沉降量。每加一級荷載前后均各讀記承壓板沉降量一次，以后每0.5 h讀記一次，當(dāng)1 h內(nèi)沉降量小于0.1 mm時，施加下一級荷載。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，終止加載：

1)沉降急劇增大，土被擠出或壓板周圍出現(xiàn)明顯的隆起；

2)承壓板的累計(jì)沉降量已大于壓板直徑的6%；

3)或未出現(xiàn)上述兩種情況，但加載值已達(dá)到最大加載量終止試驗(yàn)。卸載分5級等量進(jìn)行，每卸一級，間隔0.5 h，讀記回彈量一次，待卸完全部荷載后間隔3 h讀記總回彈量。

3.2 檢測結(jié)果

根據(jù)各試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪制p—s曲線，圖3列舉了SZ1,SZ2,SZ5,SZ8共4個荷載點(diǎn)的p—s曲線，實(shí)線為加載曲線，虛線為回彈曲線。通過對9組復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的p—s曲線進(jìn)行分析，各試驗(yàn)點(diǎn)在最終加載值壓力下，均沒有達(dá)到極限破壞狀態(tài)，且p—s曲線大致為平緩光滑曲線，拐點(diǎn)不明顯。由于按相對變形s/d=0.01所確定的承載力特征值大于最大加載壓力的一半，因此，取最大加載壓力的一半作為各試驗(yàn)點(diǎn)的復(fù)合地基承載力特征值。在試驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，SZ1～SZ9試驗(yàn)點(diǎn)極差值不超過平均值的30%，因此確定在承壓板下應(yīng)力影響范圍內(nèi)地基承載力特征值為150 kPa。

第①2層素填土夯前具濕陷性，根據(jù)本次檢測探井土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，在200 kPa試驗(yàn)壓力下各土樣濕陷系數(shù)均小于0.015，說明強(qiáng)夯有效加固深度范圍內(nèi)淺層地基土的濕陷性已全部消除。根據(jù)載荷試驗(yàn)結(jié)果，各試驗(yàn)點(diǎn)的復(fù)合變形模量E0(MPa)可按下式計(jì)算：E0=I0(1-μ2)pd/s，強(qiáng)夯后承壓板下應(yīng)力影響范圍內(nèi)土的變形模量23.95 MPa～36.11 MPa，為低壓縮性土。

4 結(jié)語

本文以陽泉市采煤沉陷區(qū)內(nèi)某工程較厚新近填土的強(qiáng)夯處理為例，詳細(xì)介紹了強(qiáng)夯處理施工過程和檢測結(jié)果，完全達(dá)到了預(yù)期效果。根據(jù)地基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，強(qiáng)夯后地基在承壓板下應(yīng)力影響范圍內(nèi)承載力特征值為150 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果，綜合確定強(qiáng)夯有效加固深度不小于初始起夯面下7 m。強(qiáng)夯有效加固深度范圍內(nèi)淺層地基土的濕陷性已全部消除。夯后地基土為低壓縮性土。

強(qiáng)夯加固具有高效、安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，該工程在采煤沉陷區(qū)內(nèi)處理地基得到的良好效果，為周邊地區(qū)工程地基處理提供了良好的借鑒指導(dǎo)意義。