降水聯合強夯加固吹填粉土地基現場試驗研究

林高杰， 萬忠剛，鄧雷飛*

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津 300456；2.中交天航南方交通建設有限公司，深圳 518040)

隨著沿海地區填海造陸工程的增多，各種地基處理方法逐漸得到大規模的應用和進一步優化。為了能夠快速的形成陸地，將之轉化為可以應用的各種場地，尋求高效、快速及經濟的地基處理方式便成為最為關注的焦點問題。在進行大面積填海造陸時，目前常用的方法是將海底的泥沙吹填到事先筑起的圍堰中，然后再進行大面積處理。在進行這類吹填造陸地基處理過程中，常常遇見高含水量的軟土地基，而降水聯合強夯法作為一種經濟又行之有效的方法得到了廣泛的應用。為了進一步研究其加固機理，改善施工工藝，國內外學者做了大量的工作。從他們的研究內容看，主要體現在以下幾個方面：加固理論的研究[1-3]，李永紅[3]利用太沙基三維固結理論、動力固結原理、振動波壓密等理論分別對真空降水、低能強夯、低能強夯聯合真空降水加固機理進行了闡述與討論。室內試驗研究方面[4]，高有斌等根據對加固前后的砂土進行了室內試驗，通過試驗得到土體力學性質指標得到顯著提高，從而驗證了加固方法的有效性。數值計算方面，朱峰[5]、薛茹[6]等采用FLAC3D數值計算軟件對動力排水固結法進行了有益的探索。現場試驗及工程應用方面，周健[7]，劉嘉[8]等對強夯-降水聯合加固飽和軟粘土進行了現場試驗，并根據現場實測數據，研究了土體變形、超靜孔壓變化、工藝參數、加固效果和加固后土體的時間效應。此外，范文超[9]等采用新型集成管井降水聯合強夯加固技術對某濱海沖填土地基進行了現場試驗研究，并通過對水位、孔隙水壓力、側向位移和沉降的監測分析了加固效果。由以上研究成果看，目前降水聯合強夯加固法多應用于砂土地基及飽和軟粘土地基中，而該法在吹填粉土地基中的應用卻鮮有文獻論述。

為了研究降水聯合強夯加固吹填粉土地基的加固效果，本文將以濰坊港某大面積吹填粉土地基處理為實例，通過現場實測降水聯合強夯過程中孔隙水壓力及沉降等參數，并結合標準貫入試驗和平板載荷試驗分析降水聯合強夯對大面積吹填粉土地基的加固效果。

1 工程概況

本工程擬建港區場地為原海岸灘涂經吹填海底泥沙而成，其地層結構自上而下：吹填粉土、淤泥(Q4m)、粉土(Q4m)。各土層的厚度分別為：吹填粉土層厚7.00～9.50 m，平均厚度7.50 m，淺黃-淺灰色，松散-稍密，稍濕-飽和；淤泥層厚0.60～2.00 m，平均厚度1.05 m，黑色，飽和，流塑-軟塑；粉土層厚0.50～4.80 m，平均厚度2.82 m，灰色，濕，中密(表1)。

表1 土層物理力學性質指標Tab.1 Physical and mechanical properties of soil layers

2 加固方案

試驗場地為35 m×35 m的正方形，地基處理過程由3遍真空井點降水和3遍強夯組成，在每次強夯前先進行真空降水，真空井點降水深度比降水前自由水面低2.0 m。強夯過程為2遍點夯，外加1遍滿夯，夯錘直徑為2.4 m，夯點施工布置圖見圖1。第1遍采用1 500 kN·m能級強夯，夯點間距按照3.5×7.0 m布置， 按每點5～7擊控制，且最后兩擊平均夯沉量不大于50 mm控制。第2遍采用1 800 kN·m能級強夯，夯點與第一遍間隔布置(3.5×7.0 m布置)，按每點7～10擊控制，且最后兩擊平均夯沉量不大于50 mm。第3遍為滿夯施工，夯擊能量為800 kN·m，擊數為1～2擊，搭接夯，搭接寬度1/5～1/3夯錘錘印，滿夯結束后整平場地，測量場地標高。

3 現場試驗方案

3.1 現場施工工藝

圖1 加固區夯點及測點平面布置圖Fig.1 Layout of dynamic compaction and measuring point of reinforcement area

真空井點根據土層分層情況，布設深管和淺管；管路經連接和密封后，進行第1遍真空井點降水，降水期間進行地下水位及水量等監測。

第1遍強排水，采用深淺管相間隔布置：深管點距3.5 m，排距與淺管為3.5 m，滿場布置，管長7～8 m；淺管管長4～5 m，井點點距為3.5 m：在道路施工區域外圍2 m處布設2排外圍封管，外圍封管管長7～8 m，間距3.5 m。將真空井點管、臥管、真空泵機組連接后，開始進行真空井點降水。降水時間可控制在5 d左右，水位降至地面以下2.0 m后，將真空井點管拆除，開始進行第1遍強夯，強夯期間保持外側封管連續降水，防止強夯期間試驗區內地下水位上升而影響加固效果。第2遍強夯、滿夯排水布管和第1遍相同，待降水水位滿足要求后，進行強夯、滿夯。

3.2 現場測試

(1)土體沉降。為了研究降水后強夯加固吹填粉土的地基沉降變形特點及加固效果，在試驗區內隨機選擇的3個夯點進行了詳細的跟蹤，如圖1所示，C1、C2、C3分別代表2遍點夯沉降觀測點，以便觀測單擊夯沉量及夯坑周圍土體的隆起情況。

(2)孔隙水壓力。為了研究降水聯合強夯過程中吹填分體孔隙式壓力變化規律，在試驗區沉降監測點附近埋設的相應的孔隙水壓力監測點，分別為K1、K2、K3，如圖1所示。通過觀測強夯過程中孔隙水壓力增長及消散規律，分析強夯加固效果，進一步優化兩邊強夯間的時間間隔。根據夯擊能的影響深度，每組孔隙水壓力埋設4支測頭，分別埋設在2 m、4 m、6 m、8 m位置。具體觀測時根據強夯施工進度，適時調整觀測頻次。

(3)加固效果。降水聯合強夯加固后，采用標準貫入試驗和平板載荷試驗檢測強夯對吹填粉土地基加固效果。標準貫入試驗主要用以分析試驗區均勻性和地基承載力，平板載荷試驗主要評定地基淺層承載力。由于試驗區面積狹小，本次試驗各取3組測點進行試驗，如圖1所示。

4 檢測結果與分析

4.1 土體沉降分析

為便于分析夯坑沉降變形情況，取C1點為例進行說明。圖2為C1點單遍作用下夯坑沉降曲線，從圖中可以看出，2遍點夯中第1遍點夯相對較小，第2遍點夯單擊夯沉量較大，這與夯擊能大小有關。從單擊夯沉量的收斂速度看，1 500 kN· m能級快于1 800 kN·m能級。通過曲線還可以看出，2遍點夯前兩擊夯沉量均較大，之后逐漸減小，5擊過后接近控制值。

圖3為2遍強夯累計沉降變形情況。從圖中可以發現2遍強夯夯坑累計沉降量分別為67.0 cm、96.0 cm，這說明最大累計沉降量與夯擊能大小成正比。此外，夯擊能越大在前3錘累計沉降量曲線斜率越大，而在接近控制標準時，曲線的斜率較為接近，這說明夯擊能的大小主要對強夯前3錘影響較大。

在降水聯合強夯過程中，夯坑坑邊的隆起量較小，整體上隆起量控制在2.0～5.0 cm范圍內。

4.2 土體孔隙水壓力分析

通過觀測降水聯合強夯過程中吹填粉土內孔隙水壓力的增長和消散情況，可以分析吹填粉土滲透性的強弱及孔隙水壓力消散的快慢程度，并可以進一步對2遍強夯的時間間隔進行調整和優化。為便于研究孔隙水壓力的變化情況，選取K1組測點進行說明。圖4為強夯過程中孔隙水壓力隨時間的變化情況。由圖可知，第2遍點夯孔隙水壓力增長最為明顯，其次為第1遍點夯，滿夯時孔隙水壓力增長最小，說明夯擊能越大，孔壓增量越大，這與沉降變化情況類似。由于夯擊能不同，影響深度也不同，導致不同深度處孔隙水壓力增長量并不相同。從圖4中還可以看出，在第1遍點夯過程中2.0 m處孔隙水壓力增加29.0 kPa，4.0 m處增加57.7 kPa，6.0 m處增加5.2 kPa，8.0 m處增加4.5 kPa。這說明在頂部4.0 m范圍內強夯作用效果非常顯著，而6.0 m以下影響較小。這與文獻[7]和文獻[9]不同深度孔隙水壓力變化特點相似，但由于加固土層性質的不同，其消散快慢程度有較大差異。本工程土層為吹填粉土，超靜孔隙水壓力消散較快，每遍夯后1～2 d內消散90%以上。文獻[9]與本文超靜孔隙水壓力消散趨勢較為接近。這與加固土層頂面為吹填細砂，滲透性較好有較大關系。文獻[7]超靜孔隙水壓力消散相對較慢，這與加固土層頂面為滲透性較差粘性素填土有關。

圖2 單擊夯坑沉降曲線Fig.2 Curve of single ramming settlement圖3 每遍強夯夯坑累計沉降曲線Fig.3 Curve of total settlement of dynamic compaction圖4 K1組孔隙水壓力變化曲線Fig.4 Curve of pore water pressure in K1 group

4.3 土體均勻性分析

為了分析經降水聯合強夯處理后，土層不同深度的均勻性和加固效果，采用標準貫入試驗進行了檢驗，如表2所示。由表中數據可知，在加固前，土體7 m范圍內的標準貫入擊數小于10，土體均勻性較好，但處于松散-稍密狀態。8 m以下土體標慣擊數逐漸上升，土層逐漸由吹填粉土過渡到原狀粉土。加固后，土體標慣擊數增加顯著，整體上達到中密狀態。這與文獻[8]和文獻[9]規律基本一致，但由于加固土層性質的不同，本工程加固后標慣擊數增加幅度較大，這說明降水聯合強夯對粉土地基加固效果好于軟粘土地基。

表2 強夯加固前后標準貫入試驗對比Tab.2 Comparison of standard penetration test before and after dynamic consolidation

表3 強夯加固前后地基承載力對比Tab.3 Comparison of bearing capacity of foundation before and after dynamic consolidation

注：采用相對變形法確定承載力特征值時，取s/b=0.015對應的荷載值。

4.4 土體承載力分析

在確定地基承載力時，各類規范[10-11]通常采用安全系數法和相對變形法兩者中的較小值對地基承載力進行判定。圖5為加固前3個試驗點p-s曲線，從圖中可以看出，Z1、Z2試驗點在靜載試驗加載過程中未出現破壞，而Z3點最后一級加載出現明顯拐點(破壞)，極限荷載取破壞前一級荷載。由于采用安全系數法得到的Z1～Z3測點承載力均大于相對變形法(表3)，因此Z1～Z3對應的承載力采用相對變形法進行計算，其加固前承載力特征值為72.0 kPa。加固后在對應3個試驗點旁作了相應的平板載荷試驗(圖6)，由于Z1′～Z3′試驗點采用相對變形法得到的承載力高于安全系數法，為此采用安全系數法進行承載力計算，其加固后承載力特征值為175.0 kPa(表3)，滿足設計要求的150.0 kPa。

圖5 加固前吹填粉土p-s曲線Fig.5 p-s curve of reinforced silt before reinforcement圖6 加固后吹填粉土p-s曲線Fig.6 p-s curve of reinforced silt after reinforcement

5 結語

通過對降水聯合強夯試驗區的加固過程進行監測及加固前后的檢測，可以得到以下幾點結論：

(1)降水聯合強夯加固吹填粉土，每遍點夯均能產生較大的沉降，且夯坑沉降量的大小與夯擊能成正比。(2)吹填粉土的滲透性較好，在每遍點夯后，超靜孔隙水壓力消散較快，基本在1～2 d內超靜孔隙水壓力消散90%以上。(3)經降水聯合強夯處理后，吹填粉土標準貫入較加固前顯著增大，尤其是7.0 m深度范圍以內。土體狀態由加固前的松散-稍密狀態變為中密狀態。(4)根據加固前后的p-s曲線可知，經降水聯合強夯處理后，吹填粉土承載力達到175.0 kPa，較加固前大大提高，加固效果顯著。