強夯作用下飽和粉砂質土地基響應及加固效果研究

劉玉宏 （甘肅省民航建設（集團）有限公司，甘肅 蘭州 730000）

強夯法作為成本低廉、設備簡單、加固效率高、質量易控制的主動地基處理方法，充分利用了巖土體自身材料加固壓密后抗壓強度高的特性，在我國土木工程領域受到日益廣泛的應用[1]。強夯法通過借助重錘自由落體產生的沖擊動能壓縮土體，使土體固體顆粒重新排列和固結密實，孔隙水排出，進而達到提高力學強度、改善土體剛度的目的[2-4]。強夯過程中的沖擊荷載是一個非常復雜的過程，其加固機理受到多方面因素的影響。強夯法對碎石土地基、砂性土、粉土和一般黏性土都具有較強的適應性，目前的強夯法地基也已經推廣至軟土地基和飽和粉砂、粉土中[5]。與一般的黏性土或砂性土不同，含有一定黏粒的飽和粉砂質土在強夯沖擊波的作用下，孔隙水壓力瞬時增加，并持續較長的時間進行消散，嚴重影響加固效果。為此，研究強夯作用下飽和粉砂質土地基的動力響應特征，是分析強夯法在該類土體中加固機理的前提，對評估其加固效果具有十分重要的意義。

1 工程概況

甘肅省某加固場地工程面積為30000m2，根據工程地質鉆探揭示，在加固深度15m 范圍內場區地層主要由3層組成，分別為飽和素填土、飽和粉砂質黏土、飽和粉土，各層土的物理力學性質如表1所示。地基加固采用8000kN·m能級和3000kN·m能級的夯錘分3遍強夯施工，夯錘直徑均為2.5m，地基處理后的地基土承載力特征值驗收要求不小于300kPa，壓縮模量驗收要求不小于20MPa。

表1 加固場區土體的物理力學性能指標

2 強夯法作用下飽和粉砂質土地基響應現場監測布置

強夯作用下地表的變形特征、土體內部的應力變化是強夯加固的直接效果[5-6]。為了獲得飽和粉砂質土地基在強夯沖擊荷載作用下的動力響應特征，采用現場實測的方法，獲得土體沉降變形、動應力以及孔隙水壓力等參數的時空變化曲線，分析加固過程中土體的動力壓密和排水規律。為此，在場區選取24m×24m 的試驗夯區，布置3 個不同的加固點進行測試，分別編號為夯點A、夯點B 和夯點C，夯點之間的間隔為8m。如圖1所示，每個加固點周圍地表布置表面變形觀測點排列，以判斷夯坑周圍地表是否出現隆起現象，第1 個表面變形觀測點距離夯擊點中心距離為2m，其余每個表面變形觀測的間距為0.5m，每個夯實點分3遍進行夯實處理，第1遍和第2遍采用8000kN·m能級夯錘施工，第3 遍采用3000kN·m 能級的夯錘施工，夯錘下落高度均為10m。通過水準儀測量3次夯擊后測點的變形值，夯錘的震動沖量、施加的最大沖擊力和考慮能量耗散系數的施工最大沖擊應力峰值分別按公式（1）～公式（3）計算[7-9]。

圖1 現場監測點布置

式中I為強夯沖擊下落產生的沖量，kN·s；m為重錘的質量，kg；g為重力加速度，m/s2；h為重錘下落高度，m；t0為重錘作用地表達到最大沖擊力的時間，s；η為能量耗散系數；W為夯錘的重量，kN。

如圖1所示，為觀測夯錘沖擊波作用下土體內部的應力演變過程和孔隙水壓力消散過程，在夯錘點正下方不同深度方向上布置了動土壓力盒和孔隙水壓力計，動土壓力和孔隙水壓力計并列布置。布置深度范圍為15m，共計15個動土壓力和孔隙水壓力監測點，各個監測點的間隔均為1m。圖1中地表水平方向為x軸，深度方向為y軸。

3 飽和粉砂質土地基的動力響應特征分析

圖2 為3 個夯點的表面變形沿著水平測線的分布曲線，圖中x正值方向為圖1中x軸所指方向，即在夯錘右側的監測點，反之則為x 負值。從圖2 中可以看出，不同夯點左右兩端的水平位移分布規律基本一致，均為對稱的指數變化規律，在夯點左側最近的監測點水平位移平均值為102.87mm，隨著距離的增加迅速衰減，在最遠處的監測點水平位移平均值為7.97mm，僅占夯擊邊緣2m位置處的7.7%。同理，在夯點右側最近的監測點水平位移平均值為107.49mm，隨著距離的增加迅速衰減，在最遠處的監測點水平位移平均值為10.83mm，僅占夯擊邊緣2m位置處的10.1%。在x軸的負距離段，3個不同夯點的水平位移與距離x的擬合關系如公式（4）所示，擬合決定系數為0.8654；在x軸的正距離段，3個不同夯點的水平位移與距離x的擬合關系如公式（5）所示，擬合決定系數為0.8053。

圖2 不同距離位置表面變形監測點水平位移分布

式中δ為地表的水平位移，mm；x為表面變形監測點與夯錘中心距離，m。

圖3 為夯點A 下第一個動土壓力盒測試得到的動應力時程曲線。從圖3 中可以看出，在重錘夯擊作用下，飽和粉砂質土的動應力呈現明顯的脈沖變化，短時間內達到峰值，并迅速衰減，并在隨后的時間內維持一個較為恒定的值，該監測點的動應力峰值為331.73kPa。由此表明，強夯法的能量作用時間非常短暫，對于能量的轉換主要集中在動應力脈沖峰值附近。

圖3 夯點A下第一個動土壓力盒測得的動應力時程曲線

對3個不同夯點的所有動應力峰值進行統計，并按深度繪制曲線，結果如圖4 所示。從圖4 中可以看出，不同夯點位置處的動應力峰值隨深度的變化規律一致，均呈對數衰減的變化趨勢，在夯點下1m 位置處的動應力峰值平均值為324.58kPa，動應力峰值隨著深度迅速減小，在15m 位置處的動應力峰值平均值為95.23kPa，下降為1m 位置處動應力峰值平均值的3.4%。對3 個不同夯點處的動力峰值與深度的關系進行擬合，可以得到夯點A 的擬合決定系數為0.9864，夯點B的擬合決定系數為0.9957，夯點C的擬合決定系數為0.9908。

圖4 3個不同夯點的動應力峰值隨深度變化規律

圖5 為夯點A 下第一個孔隙水壓力計測試得到的超孔隙水壓力時程曲線。從圖5中可以看出，飽和粉砂質土地基的超孔隙水壓力的變化大致可以分為2 個階段，分別為沖擊階段和固結階段。在沖擊階段，由于粉砂質土地基中含有黏粒，砂土顆粒之間的排水通道被堵塞，粉砂質土在受到強夯沖擊后，其固體顆粒發生重新排列，將動力荷載傳遞給孔隙水，導致孔隙水壓力在短時間內迅速增加，粉砂質土相當于半排水邊界條件的黏性土。因此，在0.5s后，土體進入固結階段的超孔隙水壓力并不會立刻下降為零，而是維持一個穩定的數值；在之后的一段時間內，隨著強夯動荷載的卸載和孔隙水的排出，超孔隙水壓力才逐步回落。

4 飽和粉砂質土地基的強夯加固效果分析

為了檢驗強夯法對飽和粉砂質土地基的加固效果，在加固場區選取6 個試樣點，對加固前后的土體進行取樣試驗，在室內固結試驗中獲得壓縮模量，對比加固前后3 層土體的壓縮模量變化情況，結果如圖6 所示。從圖6 中可以看出，經過強夯后，各個土層的壓縮模量均得到大幅度的提升，且深度越淺，其壓縮模量的提升幅度越大。加固前粉砂質粉土的壓縮模量平均值為12.6MPa，加固后壓縮模量平均值為31.9MPa，提升幅度為153%；加固前粉砂質黏土的壓縮模量平均值為10.5MPa，加固后壓縮模量平均值為23.9MPa，提升幅度為128%；加固前粉土的壓縮模量平均值為11.7MPa，加固后壓縮模量平均值為21.5MPa，提升幅度為84%。所有土層加固后的壓縮模量均達到了不小于20MPa的驗收要求。

圖6 不同土層強夯加固前后壓縮模量對比

5 結語

以甘肅省某加固場地為研究對象，采用現場實測方法，獲得土體沉降變形、動應力以及孔隙水壓力等參數的時空變化曲線，分析加固過程中土體的動力壓密和排水規律，并評估其在場區中的加固效果，得到以下結論：

（1）不同夯點左右兩端的水平位移分布規律基本一致，均為對稱的指數變化規律。夯點周圍5m監測點處的水平位移約為2m監測點處的10%；不同夯點位置處的動應力峰值隨深度均呈對數衰減的變化趨勢，在夯點下15m 位置處的動應力峰值平均值約為1m 位置處動應力峰值平均值的3.4%。

（2）在重錘夯擊作用下，飽和粉砂質土的動應力呈現明顯的脈沖變化，短時間內達到峰值，并迅速衰減，能量的轉換主要集中在動應力脈沖峰值附近；飽和粉砂質土地基的超孔隙水壓力變化大致可分為沖擊階段和固結階段，在固結階段，超孔隙水壓力在相當長的一段時間維持為恒定值。

（3）經過強夯后，各個土層的壓縮模量均得到大幅度的提升，且深度越淺，其壓縮模量提升幅度越大，所有土層加固后的壓縮模量均達到了不小于20MPa的驗收要求，表明采用強夯法對飽和粉砂質土地基的加固效果良好。