排水板強(qiáng)夯置換復(fù)合工藝處理軟基試驗(yàn)研究

吳其泰

(福建巖土工程勘察研究院有限公司上海福巖工程勘察分公司，上海 201103)

0 引言

軟土地基因其承載力低、孔隙比大、含水量高、抗剪強(qiáng)度低、滲透性小、易壓縮變形等特點(diǎn)，在附加使用荷載作用下易產(chǎn)生較大沉降變形，同時(shí)因其排水固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，無法在較短時(shí)間內(nèi)完成排水固結(jié)而使建設(shè)工程產(chǎn)生較大工后沉降[1]。因此，軟土必須進(jìn)行加固處理，提升地基承載力并改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)以控制工后沉降變形，方可作為建筑物地基安全使用前提。

根據(jù)軟土地基特點(diǎn)，在采用強(qiáng)夯等動(dòng)力作用加固時(shí)，由于作用時(shí)間短、滲透性差，土體內(nèi)的水無法快速排出而形成超孔隙水壓力且難以快速消散，因而土體抗剪強(qiáng)度大大降低，在此情況下連續(xù)夯擊加固，則軟土必然形成“橡皮土”[2]。因此，在軟土土體內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)夯加固時(shí)，可設(shè)置排水通道以在連續(xù)夯擊加固過程中能快速消散超孔隙水壓力[3]，加快軟土地基固結(jié)，保證軟土地基處理后的承載力和變形控制在要求范圍。

針對(duì)單純強(qiáng)夯法加固軟土地基存在的不足和問題[4]，一種軟基處理的綜合方法被提出，即排水板工藝和強(qiáng)夯置換工藝綜合運(yùn)用的軟土地基處理復(fù)合工藝，并成功應(yīng)用于湖州某物流園場(chǎng)區(qū)軟基處理項(xiàng)目。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

擬建某物流園項(xiàng)目位于浙江湖州工業(yè)園區(qū)內(nèi)，主要分為A，B，C，D 4個(gè)庫(kù)區(qū)及卸貨平臺(tái)區(qū)域。倉(cāng)庫(kù)為單層輕型門式剛架，層高11.4m，地下短柱為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，柱基礎(chǔ)下采用PHC管樁(見圖1)。倉(cāng)庫(kù)內(nèi)地坪標(biāo)高±0.000，即絕對(duì)高程5.100m，倉(cāng)庫(kù)外道路標(biāo)高3.800m，內(nèi)外高差1.300m。地坪使用荷載30kPa。

圖1 平面布置

地坪原設(shè)計(jì)擬采用攪拌樁進(jìn)行加固處理，水泥攪拌樁在工程樁及柱基礎(chǔ)施工完成后開始施工。在工程樁施工過程中，同時(shí)組織水泥土攪拌樁試樁施工，因場(chǎng)地土質(zhì)太差，表層承載力嚴(yán)重不足，無法形成有效的復(fù)合地基，最終水泥土攪拌樁處理工藝無法滿足地坪沉降控制要求，需重新選擇其他工藝進(jìn)行加固處理，結(jié)合場(chǎng)地內(nèi)不同區(qū)域的地層特點(diǎn)，針對(duì)A，B區(qū)域，地基處理深度范圍內(nèi)主要土層為淤泥土回填土，處理深度約5m。

1.2 地質(zhì)條件

本項(xiàng)目倉(cāng)庫(kù)區(qū)域的場(chǎng)地內(nèi)主要土層自上而下簡(jiǎn)述如下：①層淤泥土回填土：灰黃色、灰色，結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均，高壓縮性，全場(chǎng)地分布，主要是淤泥土回填土，回填1～2年；④1亞層粉土夾粉質(zhì)黏土：灰色，松散～稍密狀，飽和，干強(qiáng)度低，韌性低，搖震反應(yīng)較快，中等壓縮性，含少量云母、貝殼碎屑，局部夾粉質(zhì)黏土，部分場(chǎng)地分布；④2亞層粉土：灰色，中密狀，飽和，干強(qiáng)度低，韌性低，搖震反應(yīng)較快，中等壓縮性，含少量云母、貝殼碎屑，部分場(chǎng)地分布(見表1)。

表1 地基土層物理力學(xué)參數(shù)

地下水位埋深1m左右，主要為潛水。

1.3 倉(cāng)庫(kù)地坪下地基處理要求

1)承載力控制要求：表層承載力≥100kPa。

2)處理深度范圍(①層淤泥土回填土)內(nèi)的土體復(fù)合壓縮模量≥8MPa。

2 排水板強(qiáng)夯置換設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

根據(jù)本項(xiàng)目的地基土層特點(diǎn)及地基處理要求，考慮本場(chǎng)地回填土土質(zhì)較差且含水量較高，針對(duì)淤泥土回填土進(jìn)行強(qiáng)夯加固處理時(shí)，主要考慮超靜孔隙水壓力消散，避免形成“橡皮土”，另外在淤泥質(zhì)土體中形成復(fù)合地基，快速提高土體的壓縮模量及承載力等物理力學(xué)參數(shù)，保證地基處理效果。初步設(shè)計(jì)方案為排水板結(jié)合多遍強(qiáng)夯置換軟基處理復(fù)合工藝。

排水板設(shè)計(jì)間距1m×1m，長(zhǎng)6m，強(qiáng)夯置換能級(jí)3遍點(diǎn)夯，2遍滿夯，第1遍點(diǎn)夯能級(jí)為800kN·m，柱錘施工，錘徑1.2m，間距4m×4m，正方形布點(diǎn)；第2遍點(diǎn)夯能級(jí)為1 200kN·m，柱錘施工，錘徑1.2m，為第1遍夯點(diǎn)中間插點(diǎn)；第3遍點(diǎn)夯能級(jí)為1 500kN·m，平錘施工，錘徑2.4m，為第1，2遍原點(diǎn)加固夯；第4，5遍為滿夯施工，滿夯能級(jí)為1 000kN·m，搭接1/4。強(qiáng)夯施工前表層鋪填1層20～30cm厚硬質(zhì)骨料，施工過程中對(duì)夯坑補(bǔ)填硬質(zhì)骨料。

在排水板施工完成后，根據(jù)強(qiáng)夯設(shè)計(jì)能級(jí)及間距等參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)夯試驗(yàn)，獲取強(qiáng)夯置換試驗(yàn)施工時(shí)土體超靜孔隙水壓力、不同位置的深層土體水平位移、強(qiáng)夯夯擊次數(shù)與沉降變形量規(guī)律、夯擊過程中夯坑補(bǔ)填硬質(zhì)骨料情況等。

現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)柱錘點(diǎn)夯能級(jí)進(jìn)行單點(diǎn)夯試驗(yàn)，選擇單點(diǎn)夯試驗(yàn)?zāi)芗?jí)600，800，1 000，1 200kN·m(見圖2)。

圖2 單點(diǎn)夯試驗(yàn)監(jiān)測(cè)布置與剖面(單位：m)

2.1 柱錘單點(diǎn)夯試驗(yàn)夯擊數(shù)、夯沉量及填料監(jiān)測(cè)

1)試夯能級(jí)為600kN·m，強(qiáng)夯擊數(shù)共8擊，夯坑深度為169cm，過程中未填料，累計(jì)夯沉量為169cm，夯后夯坑補(bǔ)填料。

2)試夯能級(jí)為800kN·m，強(qiáng)夯擊數(shù)共10擊，過程中填料2次，共計(jì)填料4.9m3。累計(jì)夯沉量為369cm。

3)試夯能級(jí)為1000kN·m，強(qiáng)夯擊數(shù)共9擊，過程中填料3次，共計(jì)填料5.5m3。累計(jì)夯沉量為492cm。

4)試夯能級(jí)為1 200kN·m，強(qiáng)夯擊數(shù)共10擊，過程中填料2次，共計(jì)填料6.8m3。累計(jì)夯沉量為451cm。

其中，各能級(jí)累計(jì)夯沉量與夯擊擊數(shù)關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 各能級(jí)累計(jì)夯沉量與夯擊擊數(shù)關(guān)系曲線

2.2 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)

每個(gè)單點(diǎn)夯試驗(yàn)均布設(shè)1組孔隙水壓力監(jiān)測(cè)孔，埋設(shè)4個(gè)孔隙水壓力計(jì)，埋設(shè)深度為2，4，6，8m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

分別在設(shè)有排水板區(qū)域和未設(shè)置排水板區(qū)域進(jìn)行1 200kN·m能級(jí)單點(diǎn)夯試驗(yàn)，在相同深度處對(duì)孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并監(jiān)測(cè)單點(diǎn)夯試夯完成后48h為止?？紫端畨毫ΡO(jiān)測(cè)值變化曲線如圖4所示。其他能級(jí)單點(diǎn)夯試驗(yàn)在設(shè)置排水板區(qū)域進(jìn)行，孔隙水壓力監(jiān)測(cè)值總體變化趨勢(shì)同1 200kN·m能級(jí)B組試驗(yàn)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)值。

圖4 孔隙水壓力變化曲線

通過對(duì)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)值及對(duì)比組試驗(yàn)結(jié)果分析如下：①1 200kN·m能級(jí)強(qiáng)夯置換有效加固深度能達(dá)到6m，加固影響深度可至6～8m；②設(shè)置排水板能明顯加快強(qiáng)夯置換引起的淤泥土回填土體中超靜孔隙水壓力消散，為連續(xù)強(qiáng)夯施工提供依據(jù)同時(shí)可避免形成“橡皮土”。

2.3 深層土體水平位移監(jiān)測(cè)

分別在各單點(diǎn)夯試驗(yàn)點(diǎn)正交方向上(2，4，6，8m)布設(shè)2組深層土體水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)深度為16m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

在強(qiáng)夯置換施工過程中進(jìn)行深層土體水平位移監(jiān)測(cè)，其中1 200kN·m能級(jí)單點(diǎn)夯試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 深層土體水平位移監(jiān)測(cè)值

1 200kN·m能級(jí)強(qiáng)夯置換單點(diǎn)夯對(duì)周邊土體水平位移監(jiān)測(cè)值分析如下：①1 200kN·m能級(jí)強(qiáng)夯置換有效加固深度為5～6m，加固影響深度為7～8m；②1 200kN·m能級(jí)強(qiáng)夯置換對(duì)周邊土體的加固擠密作用范圍約2m，超過4m后區(qū)域的加固擠密作用明顯減弱。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)通過各能級(jí)強(qiáng)夯置換夯沉量與夯擊擊數(shù)關(guān)系，在6～8擊后基本能趨于收錘要求，施工過程中補(bǔ)填硬質(zhì)骨料，填料深度不宜超過夯坑深度的1/2。

2)通過設(shè)置排水板能有效加快超靜孔隙水壓力消散，超靜孔隙水壓力消散在試驗(yàn)完成后達(dá)到峰值水平，并在試驗(yàn)后2h的超靜孔隙水壓力消散約60%，遠(yuǎn)大于未設(shè)置排水板時(shí)20%左右的消散水平，同時(shí)超靜孔隙水壓力在24h左右基本能消散完成。設(shè)置排水板可有效提高施工效率，避免出現(xiàn)“橡皮土”。

3)通過孔隙水壓力和深層土體水平位移監(jiān)測(cè)，1 200kN·m能級(jí)強(qiáng)夯置換的有效加固深度約6m。

4)通過深層土體水平位移監(jiān)測(cè)，柱錘強(qiáng)夯置換對(duì)周邊土體有效擠密加固范圍約2m。

3 大面積施工及監(jiān)測(cè)

根據(jù)各能級(jí)單點(diǎn)夯試驗(yàn)及結(jié)果分析，按原設(shè)計(jì)參數(shù)施工能滿足本場(chǎng)地地基處理要求，在施工過程中嚴(yán)格控制各能級(jí)施工參數(shù)及填料量[5]。

大面積施工完成分別采用靜荷載平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)承載力，分別對(duì)夯墩采用重型動(dòng)力觸探[6]、夯間土采用取土及土工試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)和綜合分析加固深度范圍內(nèi)土體的復(fù)合壓縮模量參數(shù)。靜荷載平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)典型p-s曲線如圖6所示，重型動(dòng)力觸探平均擊數(shù)N63.5與深度關(guān)系曲線如圖7所示。

圖6 靜荷載平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)典型p-s曲線

圖7 重型動(dòng)力觸探平均擊數(shù)與深度關(guān)系曲線

根據(jù)設(shè)計(jì)、施工參數(shù)組織施工并對(duì)靜荷載平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析，最終場(chǎng)地承載力≥120kPa，滿足≥100kPa要求；根據(jù)對(duì)夯墩的重型動(dòng)力觸探測(cè)試和對(duì)夯間土取土及土工試驗(yàn)結(jié)果分析，場(chǎng)地內(nèi)加固深度范圍土體的復(fù)合壓縮模量≥12MPa，滿足≥8MPa的要求。

4 結(jié)語

1)針對(duì)淤泥土回填土中采用排水板結(jié)合強(qiáng)夯置換進(jìn)行處理，排水板能快速有效地消散土體中超靜孔隙水壓力，使強(qiáng)夯置換能有效處理淤泥土回填土，證明排水板強(qiáng)夯置換復(fù)合工藝適合軟土地基處理。

2)淤泥土回填土采用排水板強(qiáng)夯置換復(fù)合工藝進(jìn)行處理后，處理深度范圍土體的物理力學(xué)參數(shù)明顯提高，地基承載力特征值≥120kPa，復(fù)合壓縮模量≥12MPa。

3)通過單點(diǎn)夯試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，獲取各能級(jí)柱錘強(qiáng)夯置換有效加固深度、范圍、參數(shù)及填料量等參數(shù)，且大面積處理場(chǎng)地經(jīng)檢測(cè)效果明顯提升。