強夯法處理飽和填土工程實例

強夯法處理飽和填土工程實例郭雄斌

（中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院中國西安710054）摘要通過介紹ALUTRINT電解鋁廠飽和填土強夯法處理試驗過程，結(jié)合現(xiàn)場有關(guān)試驗數(shù)據(jù)、原位測試及室內(nèi)土工試驗等分析處理效果，探討一些問題，為強夯法處理類似工程提供參考。關(guān)鍵詞飽和填土；強夯；效果；分析1.場地概況ALUTRINT電解鋁廠位于特立尼達島南部的LaBrea鎮(zhèn)開發(fā)區(qū)內(nèi)，北距世界上最大的瀝青湖1km,南與VessignyRiver相鄰。場地原始地形起伏較大，高程5?40m。據(jù)巖土工程勘察報告書，地貌單元屬丘陵區(qū)地貌。廠區(qū)地層由素填土及第四紀更新世（Pleistocene）沖積成因的粘性土、粉土及粉細砂等組成。素填土為開挖地勢較高的土層回填于相對低洼的溝谷內(nèi)，以粘性土為主，局部地段為粉土或細砂，含有褐煤塊，偶見植物根莖，回填時有些地段的地表植被未被清除干凈。填土厚度多為5?7m，最大厚度約11m。未進行分層碾壓，場地整平標高約為15.3m。據(jù)Golder公司的咨詢報告，具有代表性的填土定量分析見表1。表1 Indexpropertiesofthefill（填土特性指標）Sample（樣本）LLfPL廿PI：FC*%Sand廿%FineSand：：USCSGroupName（分類命名）Location1（位置1）28208336664SCClayeySand（含粘土砂）Location2（位置2）712645782215CHFatClaywithSand（含砂的可塑性粘土）Location3（位置3）382018653432CLLeanClaywithSand（含砂的低可塑性粘土勘察期間正值旱季末和雨季初，場地地下穩(wěn)定水位埋深1.3?7.2m。2.地基處理方案選擇2.1強夯方案選擇地基處理目的是減小或消除欠固結(jié)飽和填土對基樁的負摩阻力，減小淺基礎(chǔ)地基變形的。若采用換填墊層法進行處理，面積大（主要廠房約9萬m2），換填工期長、造價高，且開挖降水、回填土土源、開挖棄土的堆放或晾曬利用等問題解決難度很大，加之可施工旱季不足6個月，換填墊層法不適用；采用水泥土攪拌法因為地下水的腐蝕性和對地下水的污染，也被否定。綜合以上因素，對各種地基處理方法的處理效果、工期、經(jīng)濟等因素對比，采用強夯法預(yù)處理飽和填土是最經(jīng)濟可行的。2.2強夯理論依據(jù)強夯法，又稱動力固結(jié)法，是反復(fù)將夯錘提到高處使其自由落下，給地基土以強大沖擊和振動能量，使土中出現(xiàn)沖擊波和沖擊應(yīng)力，迫使土體孔隙壓縮，土體局部液化，在夯擊點周圍產(chǎn)生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水和氣體溢出，使土粒重新排列，經(jīng)時效壓密達到固結(jié)，從而提高地基承載力，降低其壓縮性的一種有效地基加固方法。強夯時在地基中產(chǎn)生體波和面波。面波在地基表層傳播，使土體表層產(chǎn)生松動，對地基壓密不利。對地基起加固作用的是縱波和橫波?？v波通過推拉運動，逐漸使孔隙水壓力增加，使土骨架解體；而橫波則使解體的土顆粒更加密實。隨著加固深度的增加，縱波強度衰減，而壓密作用也逐漸減小。3.強夯試驗3.1強夯設(shè)計參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場填土厚度，在試驗區(qū)采取3000kN-m夯擊能夯擊，夯點按正三角形布置，夯點間距3.5m，夯擊次數(shù)單點4擊以上。主夯一遍，滿夯二遍，滿夯夯擊能1000kN-m，

夯印彼此搭接部分為錘底面積的1/4。強夯前場地地下水應(yīng)降至理論影響深度7.0m。強夯預(yù)期目標：地基承載力特征值150kPa，壓縮模量8MPa。3.1試驗區(qū)地層試驗區(qū)位于電解車間北側(cè)，處于原地形較開闊平坦的溝谷中上部，試驗區(qū)東西長50m，南北寬20m，主要地層如下：層Q4ml:素填土，成份雜亂、松散。東部以粘性土為主，硬塑狀態(tài)。中部以粘性土、粉土為主，含大量的褐煤，濕?飽和，軟塑?可塑狀態(tài)。西部以粉土、粉細砂為主，濕?飽和，松散。填土厚度為4.8?7.4m。其中粘性土范圍約占試驗區(qū)1/4，粘性土和粉土混合區(qū)域約占1/2。層Q4ai：粘性土，以灰色或褐色為主，局部含粉土或細砂。最大揭露厚度為15.5m。3.2試驗區(qū)降水試驗因試驗區(qū)地下水位較高，據(jù)試夯施工方案，在試驗區(qū)四周均勻布置降水井6口（W-1?W-6），井距30m，實測降水井布局及其他觀測孔、原位測試孔見圖1。降水井、觀測孔水位觀測記錄（填土厚度）見表2。5.10.10.5.圖例邛-L 降水井改詢號 *DFl-2 5.10.10.5.圖例邛-L 降水井改詢號 *DFl-2 DHjL股編§ cKJSl 孔陰水壓力計割試孔應(yīng)編號:頂 水血見!！1孔及牖號 站孔及殖號S30J-1 電解車間降水井及編號圖1實測試驗區(qū)降水井及其他觀測孔、原位測試孔布置圖表2 降水井、觀測孔水位觀測記錄（填土厚度）'????.、.觀測井編號、'填土厚度時間觀測孔（井）水位深度（m）備注G1G2W-1W-2W-3W-4W-5W-66.57.47.06.55.26.57.04.82月15日10:001.111.031.461.071.531.491.736.30穩(wěn)定水位3.3試驗區(qū)降水試驗區(qū)2月21日開始降水，降水10天后，水位降深^介于1.11?1.46m之間。施工人員結(jié)合原地形和現(xiàn)地形分析認為試驗區(qū)北側(cè)山坡下有一條積滿雨水的長流水排水溝補給試驗區(qū)，于是重新計算增加降水井DJ-3、DJ-4、W-7?W-9,增加觀測孔G3、G4,具體位置見圖1。3月17日強夯開始時地下水位最深降至4.45m，各階段觀測孔水位見表3。

表3 試驗區(qū)觀測孔水位觀測記錄?觀測孔編號日期G1G2G3G4■觀測孔編號日期、一一、G1G2G3G4備注2月21日7:301.211.173月17日11:004.403.554.142.92夯前3月1日10:102.572.143月18日14:504.453.544.172.95強夯進行中3月7日17:303.682.912.333月18日17:004.443.224.162.943月8日13:503.703.004.182.423月18日17:504.421.744.152.91說明：3月18日17:00時，強夯點距G2最近，錘邊距離5.5m；17:50時，G2距錘邊1.5m降水過程中按一定時間間隔取地層不同深度土樣，進行含水量和飽和度測試，以判定降水效果。詳見表4,鉆孔位置見圖1。表4 試驗區(qū)地層含水量、飽和度鉆孔編號G1G2ZK1ZK2ZK3ZK4G3G4KXS2KXS1KXS3KXS4、樣日期深度源2月14日2月18日?20日3月7日3月13日3月14日3月15日1.5W%27.728.525.537.521.229.135.941.938.327.230.537.8Sr%88818590822.5W%26.138.039.241.240.530.632.144.030.128.436.633.4Sr%918985843.5W%26.735.426.030.968.030.944.821.820.428.032.154.3Sr%868890834.5W%26.935.128.425.036.732.430.326.745.744.8Sr%89945.5W%30.331.928.430.632.424.424.7Sr%90916.5W%34.932.636.927.231.118.8Sr%859390備注：2月21日至3月17日降水期間共降雨9次，降雨強度大，造成地面大量積水5次。按試夯方案，地下水需降至理論影響深度7.0m，但根據(jù)實際降水情況，需要繼續(xù)增加降水井并再持續(xù)降水相當(dāng)長的時間。規(guī)范《JGJ79-2002》6.3.3條和條文說明表明：降水的目的是在地表形成硬層，可以用以支承起重設(shè)備，確保機械設(shè)備通行和施工，又可加大地下水和地表面的距離，防止夯擊時夯坑積水。截至3月17日，地下水位最淺降至2.92m，基本能滿足夯坑內(nèi)不積水。施工人員反復(fù)討論認為試驗區(qū)地層含水量和飽和度基本無變化且雜亂無章，毫無規(guī)律，且填土成分復(fù)雜、均勻程度差。試驗區(qū)強夯的目的就是為以后的工程夯提供施工參數(shù)，在和工程師溝通后，工程師下達強夯開始指令。3.4強夯施工試驗區(qū)夯點間距3.5m，等邊三角形布設(shè)，由北向南共布設(shè)夯點7排，每排夯點15/14個，夯點編號自北向南、自西向東遞增。夯錘直徑2.4m，錘重16.7t。3月17日強夯開始，最先進行強夯的是3-15夯點，該夯點以粘性土為主，采用3000kN-m夯擊能夯擊，共夯擊6擊，夯坑深度2.12m，提錘困難；3-14夯點夯擊6擊，夯坑深度2.43m，提錘困難；3-13、3-12夯點逐漸過渡到粘性土和粉土的混合地帶，均夯擊3擊，夯坑深度分別為1.66m、2.09m，提錘困難；3-11夯點僅夯擊2擊，就出現(xiàn)提錘困難。以上5個夯點，夯擊過程中夯坑周圍隆起嚴重，且夯點間側(cè)向坍塌，夯錘經(jīng)常傾斜。施工人員結(jié)合地層、水位、動觸等資料分析認為粘性土和粉土范圍最大，應(yīng)以此為主調(diào)整強夯參數(shù)，同工程師溝通后將夯點間距調(diào)整為4.0m，夯擊能調(diào)整為2000kN?m。

強夯參數(shù)調(diào)整后，試驗區(qū)夯點夯擊擊數(shù)2?6擊，均出現(xiàn)提錘困難，其中2擊夯點約占25%,3擊夯點約占50%；夯坑深度1.23?2.95m，平均2.10m，夯坑周圍有不同程度隆起（見圖2、圖3）。間隔一定時間后，對夯擊擊數(shù)小于4擊的夯點進行了二遍夯擊。試驗區(qū)夯點2-13隆起量與夯擊擊數(shù)、距夯坑邊距離關(guān)系圖（粘性土）0 1 2 3 4 5 6 7距夯坑邊距離/(m)試驗區(qū)夯點2-13隆起量與夯擊擊數(shù)、距夯坑邊距離關(guān)系圖（粘性土）0 1 2 3 4 5 6 7距夯坑邊距離/(m)—地面口第1擊Tl第2擊——第3擊第4擊第5擊第6擊0^0505221里起隆ooO0551圖2試驗區(qū)粘性土區(qū)域夯坑周圍隆起情況圖圖3試驗區(qū)粘性土、粉土混合土區(qū)域夯坑周圍隆起情況圖強夯前埋設(shè)孔隙水壓力計，跟蹤監(jiān)測孔隙水壓力，確定兩遍夯擊之間時間間隔。強夯時夯坑5-8出現(xiàn)浸水，觀測孔水位上升見表4，孔隙水壓力在7.0m、5.0m、3.0m最高上升分別為47.9kPa、45.4kPa、22.1kPa，超孔隙水壓力消散時間為7?10天。4.強夯處理效果檢驗及分析4.1指標對比強夯結(jié)束后，對試驗區(qū)進行鉆孔取樣、動力觸探、室內(nèi)土工試驗等方法進行強夯前后各項指標綜合對比，以位于粘性土區(qū)數(shù)據(jù)較完整的鉆孔ZK-3為例進行對比分析，詳見圖4?圖7。試驗區(qū)鉆孔ZK-3強夯前后含水量對比圖試驗區(qū)鉆孔ZK-3強夯前后飽和度對比圖圖4ZK-3含水量隨深度變化曲線圖5ZK-3飽和度隨深度變化曲線試驗區(qū)鉆孔ZK-3強夯前后干密度對比圖試驗區(qū)鉆孔ZK-3強夯前后壓縮模量對比圖圖6ZK-3干密度隨深度變化曲線 圖7ZK-3壓縮模量隨深度變化曲線試驗區(qū)粘性土區(qū)域強夯前后地基土指標變化明顯，地基土壓縮模量明顯增大，地下水水位以上地層含水量明顯減小，飽和度增大，說明孔隙比明顯減小，地層被壓密。4.2有效加固深度根據(jù)試夯區(qū)不同填土成分重型動力觸探試驗對比曲線（見圖8、圖9,動觸點位置見圖1）可以看出：

圖8DPT-3強夯前后對比曲線 圖9DPT-4強夯前后對比曲線在3.0m?8.0m深度范圍內(nèi)夯后的錘擊數(shù)一般均大于夯前的錘擊數(shù)，密實度得到了很大的提高；上部1.0m?3.0m的深度為夯坑深度范圍，地基土經(jīng)過嚴重擾動，滿夯前又經(jīng)過推壓整平處理，且受到一場大雨的影響，增大了含水量，進而影響到了上部土層的強夯效果。從重型動力觸探試驗結(jié)果分析認為：強夯的有效加固深度達到8.0m。4.3地基承載力試驗區(qū)強夯后進行了3處載荷試驗，承壓鋼板直徑100cm，試驗結(jié)果見表5。表5 3處載荷點承載力特征值匯總表試驗點編號壓板下土層名稱承載力特征值對應(yīng)的取值依據(jù)荷載值(kPa)沉降量(mm)Z1粘性土、粉土1208.73極限荷載值的一半Z2粉細砂13710.00s/d=0.01取值Z3粘性土1709.07極限荷載值的一半綜合分析認為：試驗區(qū)經(jīng)強夯后，地基承載力特征值建議取130kPa。載荷試驗的影響深度在1.5?3.0倍的承壓板直徑或?qū)挾确秶鷥?nèi)，這個深度范圍是地基土受破壞最嚴重的深度范圍，屬于滿夯加固的深度。從理論上講，滿夯加固的深度范圍加固作用是均勻的，加固后的地基土性質(zhì)應(yīng)也是均勻，但從載荷試驗結(jié)果看出，強夯地基的承載力變異性非常大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因如下：1、 上部粘性土和粉土的混合土土層經(jīng)強夯破壞結(jié)構(gòu)喪失，經(jīng)過反復(fù)的破壞、壓密，形成“橡皮土”。建議強夯施工將滿夯夯印彼此搭接調(diào)整為錘底面積的1/3，增加上部土層的平均單位夯擊能，增強加固效果。2、 地基土本身土性的不同造成強夯后承載力的不同。4.4變形模量根據(jù)載荷試驗結(jié)果，按《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)中地基土變形模量計算有關(guān)公式，試驗區(qū)3處載荷試驗下地基土的變形模量E0的范圍值為9.2?12.5MPa,平均值為10.0MPa。4.5壓縮模量根據(jù)夯后所取土樣的試驗成果，試驗區(qū)土層的壓縮模量大小各剔除10%后統(tǒng)計結(jié)果列于表6,強夯后回填土壓縮模量Es的變異系數(shù)均大于0.40，變異性很高。表6 壓縮模量統(tǒng)計結(jié)果(MPa)名稱頻數(shù)范圍值平均值標準差變異系數(shù)標準值粘性土273.15?11.376.162.5330.4115.35.分析評價5.1夯擊能由于場地回填土疏松、飽和且土質(zhì)不均，按規(guī)范《JGJ79-2002》表6.2.1反查的3000kN?m夯擊能夯擊，夯沉量過大，夯坑周圍隆起、吸錘和埋錘現(xiàn)象嚴重，所以將主夯點單擊夯擊能量降低為2000kN?m，據(jù)孔隙水壓力計測試數(shù)據(jù)，地基土中超靜孔隙水壓力未達到上覆土重。5.2夯點最佳夯擊數(shù)選擇夯點的最佳夯擊數(shù)，規(guī)范中指導(dǎo)性的給出應(yīng)同時滿足的三個條件，根據(jù)本工程試驗區(qū)施工過程，疏松的飽和填土，根本不可能達到“最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm”條款，而要依據(jù)后兩條控制夯點夯擊數(shù)，同時為了避免地基土被反復(fù)破壞，施工時增加“后擊夯沉量大于前擊夯沉量”作為停錘標準。施工前曾專門召開了一次專家研討會，專家建議先采用1000kN-m低能級夯擊能對表層地基土少擊多遍進行加固處理，然后增加夯擊能，逐步達到要求加固的深度，同時增加排水通道。照此方案，強夯區(qū)需增加砂井或塑料排水帶，但現(xiàn)場無相應(yīng)設(shè)備，若增加降水井，工期和投資均不允許，即使增加了降水井，按照少擊多遍施工，總工期也無法滿足業(yè)主要求。5.3影響強夯效果的因素分析據(jù)試驗區(qū)強夯檢測結(jié)果，強夯未達到預(yù)定處理效果，綜合分析，有兩個關(guān)鍵因素：一個是土質(zhì)，一個是地下水。Golder公司對現(xiàn)場填土進行詳細的定性和定量分析，但施工人員未到過現(xiàn)場，對現(xiàn)場土沒有感官認識，對