素填土地基強(qiáng)夯加固機(jī)理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

白維卿 栗金文

中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司 河南 鄭州 450000

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，西部山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程愈來(lái)愈多，因山區(qū)地形復(fù)雜，存在許多高挖深填項(xiàng)目。對(duì)于該類高挖深填地基處理，關(guān)鍵是控制地基沉降和不均勻變形。強(qiáng)夯技術(shù)自1980年左右被引進(jìn)國(guó)內(nèi)，因強(qiáng)夯地基處理技術(shù)具有地基加固質(zhì)量明顯、施工工藝簡(jiǎn)單、施工迅速和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，在許多重大工程項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。但強(qiáng)夯技術(shù)理論研究是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作，目前其理論體系尚不完整。如果充分結(jié)合具體工程實(shí)踐，利用日漸成熟的計(jì)算手段，既能提高強(qiáng)夯工作機(jī)理的認(rèn)知水平，也是推進(jìn)強(qiáng)夯工程應(yīng)用的有效途徑。

1 強(qiáng)夯原理

1.1 強(qiáng)夯法概述

強(qiáng)夯法即動(dòng)力固結(jié)法，是將大噸位夯錘提升到一定高度，使其自由下落，按特定的施工工藝對(duì)欠固結(jié)地基進(jìn)行強(qiáng)力夯實(shí)，能量轉(zhuǎn)換次序?yàn)椋簩C(jī)械能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，再轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，即夯擊能。在沖擊能作用下，夯擊能使地基土出現(xiàn)動(dòng)應(yīng)力和沖擊波，以提高地基土的強(qiáng)度和承載力，降低地基土的壓縮性，提高地基土的抗液化能力，并能消除濕陷性黃土的濕陷性，改善地基土的均勻性等。

1.2 夯擊能傳遞機(jī)理

強(qiáng)夯在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)地基土體作用一個(gè)巨大的沖擊能量，沖擊能轉(zhuǎn)化為各種能量波型，在地基土體內(nèi)傳播。強(qiáng)夯的結(jié)果是在地基中沿深度形成性質(zhì)不同的三個(gè)區(qū)：地基表層松動(dòng)；松動(dòng)區(qū)下面某一深度，受到體波的作用，使土層產(chǎn)生沉降和土體的壓密，形成加固區(qū)；加固區(qū)下面沖擊波逐漸衰減，不足以使土產(chǎn)生塑性變形，對(duì)地基土不起加固作用，即為彈性區(qū)。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)依托某工業(yè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)填筑完畢的工程區(qū)，工程區(qū)填方厚度約為12m，由于場(chǎng)地整理時(shí)未進(jìn)行碾壓密實(shí)，需對(duì)素填土深填地基進(jìn)行地基加固。在工程區(qū)內(nèi)選取3個(gè)具有代表性的30mx30m區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)，分別進(jìn)行強(qiáng)夯能級(jí)為3000 kN·m、4000 kN·m、6000 kN·m的強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究素填土深填地基的強(qiáng)夯加固工作機(jī)理。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。強(qiáng)夯處理后地基參數(shù)要求：承載力特征值不小于150kPa，壓縮模量不小于12MPa。素填土主要成分為砂質(zhì)粉土、粉砂。

表1 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 載荷板試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)束后，在3個(gè)試驗(yàn)區(qū)選取測(cè)點(diǎn)，分別進(jìn)行3組平板載荷試驗(yàn)，共計(jì)9個(gè)測(cè)點(diǎn)。

表2為載荷板實(shí)驗(yàn)結(jié)果表。由表2可知，載荷板試驗(yàn)均能滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)強(qiáng)夯能級(jí)為3000～6000kN·m時(shí)，承載力特征值在237～248之間浮動(dòng)，變化幅度較小。考慮到現(xiàn)場(chǎng)回填料的不均勻性和施工質(zhì)量局部不可控性，建議強(qiáng)夯處理后，砂質(zhì)粉土素填土的地基承載力特征值可按180～200kPa考慮。

表2 載荷板試驗(yàn)結(jié)果表

3.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)束后，在3個(gè)試驗(yàn)區(qū)選取測(cè)點(diǎn)，分別3組標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，共計(jì)9個(gè)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)可檢驗(yàn)地基的均勻性，進(jìn)而判斷地基處理效果。

試驗(yàn)一區(qū)夯擊能為3000kN·m，標(biāo)貫深度在小于7m時(shí)，標(biāo)貫擊數(shù)大于10擊，均值為12.4擊，中密狀態(tài)，0～7m為均勻性地基；標(biāo)貫深度大于7m時(shí)，標(biāo)貫擊數(shù)小于10擊，均值為8.5擊，稍密狀態(tài)。

試驗(yàn)一區(qū)夯擊能為3000kN·m，標(biāo)貫深度在小于8m時(shí)，標(biāo)貫擊數(shù)大于10擊，均值為12.8擊，中密狀態(tài)，0～8m為均勻性地基；標(biāo)貫深度大于8m時(shí)，標(biāo)貫擊數(shù)小于10擊，均值為8.2擊，稍密狀態(tài)。

試驗(yàn)一區(qū)夯擊能為3000kN·m，標(biāo)貫深度在小于9.5m時(shí)，標(biāo)貫擊數(shù)大于10擊，均值為13.2擊，中密狀態(tài)0～9m為均勻性地基；標(biāo)貫深度大于9.5m時(shí)，標(biāo)貫擊數(shù)小于10擊，均值為8.7擊，稍密狀態(tài)。

4 有效加固深度

強(qiáng)夯有效加固深度一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，既是反映強(qiáng)夯處理效果的重要參數(shù)，也是地基處理方案選擇的重要參考。

強(qiáng)夯創(chuàng)始人梅納提出的計(jì)算加固影響深度H的梅納公式：

式中，W—夯錘重（KN）；h—落距（m）。

采用梅納公式計(jì)算出來(lái)的有效加固深度均大于工程中實(shí)測(cè)的有效加固深度，且相差較大。通過(guò)梅納公式計(jì)算的加固影響深度僅與夯錘落距和錘重有關(guān)。而事實(shí)上有很多額外因素影響有效加固深度的大小，除了夯錘落距和錘重以外，如夯擊遍數(shù)、夯錘底壓力、地基土類別、夯錘間距、土層分布和埋藏順序及地下水位埋深等都密切影響著實(shí)際加固深度。

由于有效加固深度計(jì)算的復(fù)雜性，以及目前尚無(wú)完整的理論支撐，通過(guò)梅納公式計(jì)算的有效加固深度與工程實(shí)測(cè)值差距較大，故須對(duì)梅納公式進(jìn)行修正。

式中，W—夯錘重（kN）；h—落距（m）;α為修正系數(shù)，與多種因素有關(guān)。

因此強(qiáng)夯的有效加固深度一般依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并依據(jù)強(qiáng)夯試夯結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，并指導(dǎo)大面積施工。

圖1 不同強(qiáng)夯能級(jí)下有效加固深度曲線

通過(guò)梅納公式計(jì)算的有效加固深度隨著強(qiáng)夯能級(jí)的增大基本呈線性增長(zhǎng)。有效加固深度的實(shí)測(cè)值與通過(guò)梅納公式計(jì)算的理論值差距較大，須對(duì)梅納公式進(jìn)行修正。

經(jīng)計(jì)算，強(qiáng)夯能級(jí)為3000kN·m時(shí)，修正系數(shù)α=0.40；強(qiáng)夯能級(jí)為4000kN·m時(shí)，修正系數(shù)α=0.40；強(qiáng)夯能級(jí)為6000kN·m時(shí)，修正系數(shù)α=0.39。當(dāng)強(qiáng)夯能級(jí)在3000kN·m～6000kN·m時(shí)。修正系數(shù)變化幅度不大，修正系數(shù)可取為0.40。

對(duì)本項(xiàng)目砂質(zhì)粉土素填土地基，建議強(qiáng)夯能級(jí)為3000 kN·m時(shí)，有效加固深度取為7.0m，強(qiáng)夯能級(jí)為4000kN·m時(shí)，有效加固深度為8.0m，強(qiáng)夯能級(jí)為6000kN·m時(shí)，有效加固深度為9.5m。

5 結(jié)論和意義

1、強(qiáng)夯能級(jí)為3000～6000kN·m時(shí)，砂質(zhì)粉土地基承載力及其均勻性均能滿足工程要求，其地基承載力特征值建議按180～200kPa考慮。

2、對(duì)砂質(zhì)粉土素填土地基，強(qiáng)夯能級(jí)為3000kN·m、4000kN·m、6000kN·m時(shí)，有效加固深度建議取為7.0m、8.0m、9.5m。

3、強(qiáng)夯夯擊能在3000kN·m～6000kN·m時(shí)，對(duì)砂質(zhì)粉土素填土地基，通過(guò)梅納公式計(jì)算其強(qiáng)夯有效加固深度時(shí)，建議修正系數(shù)取為0.40。

4、本研究成果已成功應(yīng)用于某工業(yè)項(xiàng)目，對(duì)類似素填土強(qiáng)夯地基的設(shè)計(jì)施工具有一定的參考意義。