某地基處理工程強夯試驗段施工及濕溶陷性粉土強夯效果分析

孔慶華，范志偉

（北京城建集團有限責任公司，北京 100088）

1 工程概況

本項目位于南亞某國某市東北方向26 km、馬克蘭沿海公路北側1.5 km 處。項目占地面積約18 km2，主要包括飛行區和航站區及附屬設施等。飛行區：建設指標4F，主要包括一條跑道（長3 658 m、寬45 m，兩側各設15 m 寬道肩）、一條垂直滑行道、一塊停機坪（長245 m、寬159 m）及服務車道、巡場路、場道排水、場區圍界等工程；航站區工程：主要包括1.4 萬m2的航站樓、航管樓、塔臺、消防及應急救援站、機務場務特種車庫、機場綜合辦公樓、主清真寺、生活供水站、消防供水站、污水處理站、垃圾轉運站、中心變電站、燈光變電站、132 kV 變電站、制冷站、單身住宅、管理人員家庭住宅、社區學校、社區衛生院、社區清真寺及海水淡化廠等。

2 試驗段強夯施工概況

試驗區面積20 m×20 m，夯擊能級為5 000 kN·m 點夯，點夯2 遍；第一遍點夯結束后，將夯坑填平。滿足時間間歇后，進行第二遍點夯，并且每個夯點最后兩擊平均夯沉量不大于100 mm。第二遍點夯結束后，將夯坑填平、場地推平。滿足時間間歇后，采用單擊夯擊能2 000 kN·m 進行滿夯拍平。滿夯拍平時，錘印之間搭接1/3 錘徑，每印痕連夯3 擊。滿夯結束后，將場地推平、碾壓，使地基土密實、平整。強夯試驗段的夯點示意圖如圖1 所示。

圖1 試驗段夯點示意圖

試驗段試夯施工前，采用工程地質鉆機鉆孔和漫灌相結合的方式將地基土增濕，增濕后7 m 深度范圍內的粉土含水率平均值約11.1%（8.5%～17.8%），其中因天然狀態粉質黏土②層含水率為26.8%～28.2%，第二遍點夯后進行晾曬。

3 測試工作方法

本試驗段的夯前、夯后地基土工程性質測試工作方法為鉆探取樣、標準貫入試驗和室內土工試驗。

3.1 鉆探、取樣

1）本次鉆探在非飽和土深度范圍內及飽和粉土1 m 深度范圍內的土層采用沖擊鉆進法（干鉆），采取分段進尺、逐次縮減、最后清孔（3 鉆1 m）的鉆進程序，每段進尺按小于40 cm鉆進。飽和粉土1 m 深度以下的巖土層采用套管護壁，清水循環回轉鉆進，孔徑108 mm。

2）沖擊鉆進清孔采用專用的薄壁打筒進行。

3）現場使用薄壁T50 內置環刀取土器的擊入法進行非飽和土取樣。該取土器所采取土試樣可用于評價濕（溶）陷性。飽和土試樣采用內襯式薄壁取土器進行采取，風化黏土巖試樣直接在鉆取的巖芯中取樣。

3.2 標準貫入試驗

標準貫入試驗采用對開式貫入器自動脫鉤自由落錘法，錘擊速率小于30 擊/min。

標準貫入試驗鉆孔先鉆至試驗標高以上15 cm 處（成孔工藝與鉆探相同），清除孔底殘土后再進行試驗。

標準貫入試驗從地表1.0 m 開始進行試驗，10 m 以內試驗間距按1.0 m 進行。將貫入器打入土中15 cm 后，開始記錄，將30 cm 分3 段記錄錘擊數即每打入10 cm 的錘擊數，累計打入30 cm 的錘擊數為標準貫入錘擊數N；貫入時如50 次錘擊未達到30 cm 的貫入深度，終止試驗并記錄其貫入深度。

3.3 室內土工試驗

室內土工試驗主要內容包括：物理指標試驗、壓縮試驗、濕（溶）陷性試驗和擊實試驗等。

擊實試驗采用3 層重型擊實法，其中粉土采用每層擊數42 擊，粉質黏土采用每層擊數94 擊；含水率試驗采用烘干法，密度試驗采用環刀法。

3.4 平板靜載荷試驗

本次平板靜載荷試驗加荷方式采用慢速維持荷載法，加載反力為壓重平臺反力裝置。試驗承壓板為厚50 mm 圓形鋼板，承壓板面積2.0 m2（直徑1 600 mm）。

試驗方法如下。

1）加荷方式采用慢速維持荷載法；

2）加荷采用分級等量進行，加載等級為8 級，每級加載增量為40 kPa，最大加載320 kPa；

3）測讀沉降時間間隔：每級荷載加荷后隔10 min、10 min、10 min、15 min、15 min 各測讀承壓板的沉降量，以后每隔30 min 測讀一次；

4）沉降相對穩定標準：當連續2 h 內，每小時的下沉量小于0.1 mm 時，則可認為已趨于穩定，加下一級荷載，每級荷載的維持時間不應少于2 h；

5）卸荷時，分為4 級，每級荷載維持1 h，按第10 min、30 min、60 min 測讀承壓板沉降量；卸載至零后，測讀承壓板殘余沉降量，維持時間3 h，測讀時間為第10 min、30 min、60 min、120 min、180 min。

4 已完工程量和時間

4.1 夯前完成工作量

1）鉆孔5 個，孔深10.30～29.80 m，合計進尺88.70 m；對比探坑1 個，深度6.00 m；

2）取不擾動土（含全風化）試樣47 組（其中探坑6 組），擾動土試樣23 件，強～中風化黏土巖試樣11 件，擊實土試樣3組；

3）現場完成標準貫入試驗45 次；

4）室內完成常規土工試驗47 件，壓縮試驗47 件，濕（溶）陷試驗47 件，自重濕（溶）陷試驗28 件，濕（溶）陷起始壓力試驗28 件，自由膨脹率試驗11 件，50 kPa 膨脹率試驗11 件，收縮系數試驗3 件，顆粒分析試驗4 件，重型擊實試驗3 組。

4.2 夯后成果試驗完成工作量

1）鉆孔5 個，孔深8.00～8.30 m，合計進尺40.90 m；

2）取不擾動土試樣17 組，擾動樣21 件；

3）現場完成標準貫入試驗24 次，夯后平板靜載荷試驗3 個點；

4）室內完成常規土工試驗17 件，壓縮試驗17 件，濕（溶）陷系數17 件，自重濕（溶）陷系數17 件，濕（溶）陷起始壓力17件，自由膨脹率2 件，50 kPa 膨脹率2 件。

5 強夯前試驗段地基巖土物理力學性質

5.1 地基巖土物理力學性質測試

5.1.1 室內物理力學指標試驗

通過土工試驗，各層土（巖）的主要工程性質評價如下：

①層粉土為非飽和土，非自重濕（溶）陷性，局部具濕（溶）陷性，中等壓縮性土為主；

②層粉質黏土為非飽和土，中等壓縮性土，膨脹潛勢弱，具膨脹性；

③層粉土為非飽和土，低壓縮性土為主，不具濕（溶）陷性和脹縮性；

④層粉土為飽和土，中等壓縮性土，不具濕（溶）陷性和脹縮性；

⑤層粉質黏土為飽和土，干重度較高，中等壓縮性為主，局部膨脹潛勢弱；

⑥層全風化黏土巖，飽和，干重度高，低壓縮性為主，膨脹潛勢弱。

5.1.2 重型擊實試驗

試驗段的最優含水量和最大干密度試驗結果如下。

①粉土：取土深度1.0 m，最優含水量13.5%，最大干密度1.8 g/cm2。

②粉質黏土：取土深度2.0m，最優含水量13.8%，最大干密度1.94 g/cm2。

③粉土：取土深度3.5 m，最優含水量11.6%，最大干密度1.86 g/cm2。

5.1.3 標準貫入試驗

實測標準貫入試驗錘擊數分層結果如下。

①粉土：標貫實測錘擊數最大值9 擊，最小值6 擊，平均值8 擊。

②粉質黏土：標貫實測錘擊數最大值11 擊，最小值6 擊，平均值8 擊。

③粉土：標貫實測錘擊數最大值19 擊，最小值10 擊，平均值15 擊。

④粉土：標貫實測錘擊數最大值13 擊，最小值4 擊，平均值11 擊。

④1細沙：標貫實測錘擊數最大值24 擊，最小值16 擊，平均值19 擊。

⑤粉質黏土：標貫實測錘擊數最大值20 擊，最小值18擊，平均值19 擊。

⑥黏土巖：標貫實測錘擊數最大值82 擊，最小值74 擊，平均值78 擊。

5.2 濕（溶）陷土評價

5.2.1 場地濕陷類型

試驗土樣的自重濕陷系數均小于0.015，本試驗區屬非自重濕陷性場地。

5.2.2 地基濕陷等級

根據試驗結果，①層粉土局部具濕陷性，②層粉質黏土具濕陷性，試驗段濕陷量的計算值為33～69 mm，地基濕陷計算等級屬Ⅰ級（輕微），本試驗段的地基濕陷等級可按Ⅱ級（中等）設防[1，2]。

6 試驗段強夯效果分析

6.1 夯后地層結構

根據鉆探取樣、室內試驗、原位測試結果綜合分析，自上而下分層描述如下。

①粉土：不具濕（溶）陷性。

②粉質黏土：具收縮性，膨脹潛勢弱，屬中等壓縮性土。

③粉土：中密為主，局部自然風干有大量鹽分析出。

④粉土：不具濕（溶）陷性，屬中等壓縮性土。

6.2 夯后成果試驗

6.2.1 室內物理力學試驗

夯后地基土物理力學試驗結果見表1。

表1 試驗段夯后地基土主要物理指標分層統計表

6.2.2 標準貫入試驗

實測標準貫入試驗錘擊數分層統計結果如下。

②粉質黏土：標貫實測錘擊數平均值17 擊；③粉土：標貫實測錘擊數平均值21 擊；④粉土：標貫實測錘擊數平均值5 擊。

6.2.3 平板靜載荷試驗

通過對平板靜載荷試驗成果分析：試驗點在最終荷載320 kPa 時承壓板沉降量s 為11.93～20.53 mm，未達到破壞狀態。試驗點在160 kPa 壓力時對應的沉降量4.82～9.08 mm，其“s/d”為0.0030～0.0057，均小于0.010（d=1600 mm，d 為承壓板直徑），故試驗點地基承載力特征值均不小于160 kPa，即強夯后試驗段地基承載力特征值不小于160 kPa，達到設計所要求的地基處理效果目標。

6.3 試驗段強夯夯實層下界

試驗段夯實厚度平均值為7.50 m，夯實層下界標高平均值為7.10 m。

6.4 試驗段強夯處理厚度

強夯處理厚度整區平均值為8.52 m，中部區域處理厚度平均值為8.53 m。

6.5 夯后與天然狀態成果試驗對比

6.5.1 室內成果試驗對比

通過對夯實層下界范圍內地基土天然狀態和強夯后的試驗成果對比，分析如下。

1）浸水后，①層粉土和③層粉土含水率和飽和度明顯增大；②層粉質黏土因天然含水量較大，增加幅度不明顯；試驗段晾曬后②層粉質黏土含水率和飽和度明顯降低。

2）經地基土含水率改造，強夯影響深度（處理厚度）范圍內土的干密度增大，濕（溶）陷系數和壓縮系數比天然狀態減小；其中對①層粉土、②層粉質黏土的改善效果相對顯著，而對③層粉土的改善效果相對弱。從土性指標來看，②層粉質黏土對強夯能量往其下土層傳遞具有一定阻礙作用。

3）試驗段夯實厚度范圍內的地基土濕（溶）陷性消除，達到設計的地基處理效果目標。

6.5.2 標準貫入試驗成果試驗對比

通過對夯實層下界范圍內地基土實測標準貫入試驗錘擊數隨標高變化對比分析，夯實層下界范圍內實測標準貫入試驗錘擊數皆大于天然狀態。

夯后實測標準貫試驗錘擊數②層粉質黏土為16～18 擊、平均值17 擊；③層粉土為16～27 擊、平均值21 擊[3，4]。

7 結論及展望

1）地基處理前的試驗段可按非自重濕陷性場地考慮，考慮到試驗段后續土方填筑及其所填土料局部具有濕（溶）陷性和地下水位未來可能下降等因素，試驗段的地基濕陷等級可按Ⅱ級（中等）設防。

2）鉆孔增濕和漫灌相結合的方式適宜本場地粉土的含水率改造。

3）試驗段夯實厚度范圍內的地基土濕（溶）陷性消除，達到設計的地基處理效果目標。Ⅲ級濕（溶）陷區地基處理有效深度7m 范圍內土層的濕陷系數應小于0.015。

4）試驗段強夯后地基承載力特征值不小于160 kPa，承載力達到設計所要求的地基處理效果目標。

為后續工程強夯順利實施，得出以下建議：（1）根據試驗段巖土性質、地基土的重型擊實試驗和夯后成果試驗結果，選擇合適的增濕或減濕措施對強夯效果至關重要；（2）本場地②層粉質黏土具一定的脹縮性，后續施工過程中需控制其含水率；（3）因本區②層粉質黏土具有一定的脹縮性，且分布于淺部，故在同類型場地強夯施工過程中一定需要在其上部保留一定厚度的粉土，可減少夯后②層粉質黏土的脹縮性，節約其作為后續淺基礎直接持力層時的二次處理造價。