大面積軟土地基堆載預(yù)壓效果分析

大面積軟土地基堆載預(yù)壓效果分析

在大面積負(fù)荷的作用下，軟土基，如場(chǎng)地地震剖面，由于較大的額外應(yīng)力，隨著土壤的固結(jié)，工作后會(huì)減少。當(dāng)土層分布不均勻時(shí),還會(huì)產(chǎn)生可觀的不均勻沉降。機(jī)場(chǎng)道面特別是剛性道面對(duì)不均勻沉降很敏感,若處理不當(dāng),在使用荷載作用下,會(huì)產(chǎn)生開裂、斷板等諸多病害。為此,必須對(duì)軟土地基進(jìn)行處理。目前,可行的處理措施有深層處理、淺層處理或二者聯(lián)合使用等手段。深層處理,如堆載預(yù)壓法,是一種較好的飽和軟黏土地基處理措施,但其需大量的堆載料和預(yù)壓時(shí)間。在這些條件不能滿足時(shí),工程實(shí)踐中往往采納淺層處理方案,對(duì)地基進(jìn)行淺層加固,使淺部層組形成一“硬殼層”,這樣在使用荷載作用下,即使會(huì)產(chǎn)生很大的固結(jié)沉降,但由于“硬殼層”的存在,不均勻沉降可以控制在一定的范圍之內(nèi),保證道面結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全。強(qiáng)夯法加固地基具有效果明顯、經(jīng)濟(jì)、工期短及設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),近年來,在機(jī)場(chǎng)、港口等大面積軟土地基淺層加固中得到了廣泛應(yīng)用。目前的強(qiáng)夯新工藝?yán)碚撝鲝?軟黏土地基強(qiáng)夯加固時(shí),應(yīng)采用“少擊多遍”的夯擊方式,以“先輕后重、逐級(jí)加能、輕重適度”為原則,并輔以合適的排水措施。上海浦東國際機(jī)場(chǎng)軟黏土場(chǎng)道地基也采取強(qiáng)夯法進(jìn)行加固,強(qiáng)夯加固前進(jìn)行了歷時(shí)3年的堆載預(yù)壓,強(qiáng)夯單擊夯擊能達(dá)2500kN·m,每遍夯擊數(shù)為8~10擊。本文結(jié)合該工程實(shí)踐,從強(qiáng)夯加固機(jī)理出發(fā),就土質(zhì)狀況、應(yīng)力歷史對(duì)強(qiáng)夯加固工藝參數(shù)選取的影響以及降排水方式在強(qiáng)夯加固過程中的重要意義進(jìn)行探討。1硬粘土場(chǎng)的基本結(jié)構(gòu)加固1.1地質(zhì)概況該機(jī)場(chǎng)位于長江三角洲沖擊平原前緣,為數(shù)百年前新淤積而成的新海濱平原。地基土層按其宏觀特性可分成3個(gè)層組。(1)層組土層結(jié)構(gòu)以粉性土為主,夾層厚不均的飽和軟黏土;該層組土層結(jié)構(gòu)松散,土質(zhì)不均勻,有較高的水平向和垂直向的滲透系數(shù),但由于層狀黏性土的隔水作用,因而不利于土體豎向排水固結(jié)。(2)土體排水固結(jié)的不足以黏性土為主,具有高含水量、大孔隙比、低強(qiáng)度、高等壓縮性以及低滲透系數(shù)等特點(diǎn),不利于土體排水固結(jié)。該層組在附加應(yīng)力作用下是產(chǎn)生主、次固結(jié)沉降的主要層組。(3)層的深組深度小于65m以砂性土為主,中密—密實(shí),具有中—低等壓縮性。各土層的主要物理力學(xué)特性,見表1所列。1.2吹砂壓壓預(yù)壓機(jī)場(chǎng)跑道位于圍海促淤區(qū)內(nèi),場(chǎng)道地基土層壓縮性高、工程地質(zhì)條件差,且缺乏土方,基于地理位置的有利條件(瀕臨東海),決定采取吹砂方案補(bǔ)土并進(jìn)行堆載預(yù)壓。堆載預(yù)壓前原始地面標(biāo)高一般在3.5m,設(shè)計(jì)吹砂體頂面標(biāo)高為7.2m。施工分2個(gè)階段完成:第一階段堆至5m標(biāo)高,第二階段堆至7.2m標(biāo)高。堆載體為吹填砂,預(yù)壓時(shí)地基土中沒有設(shè)置砂井和塑料排水板等豎向排水措施。堆載預(yù)壓后的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明,土體性狀得到了改善,原位測(cè)試結(jié)果見表2所列。1.3淺層地基處理難,專門課多,由于建設(shè)工期提前,通過堆載預(yù)壓完成深層土體的沉降十分困難,綜合各方面的情況,決定在堆載預(yù)壓的基礎(chǔ)上進(jìn)行淺層地基處理。為了選擇合適的淺層地基處理方案,根據(jù)場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在場(chǎng)區(qū)北端共進(jìn)行了7組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),簡(jiǎn)述如下:(1)后2遍點(diǎn)夯實(shí)擊能3遍點(diǎn)夯,第一遍點(diǎn)夯夯擊能為500kN·m,后2遍點(diǎn)夯單擊夯擊能分別為1000kN·m、1500kN·m,夯后鋪設(shè)30cm厚的墊層材料,進(jìn)行碾壓。(2)后2遍點(diǎn)夯實(shí)支撐3遍點(diǎn)夯,第一遍點(diǎn)夯夯擊能為500kN·m,后2遍點(diǎn)夯單擊夯擊能為1500kN·m,點(diǎn)夯前鋪設(shè)總計(jì)80cm厚的墊層材料,分2次鋪設(shè)。(3)后2遍點(diǎn)夯實(shí)支撐3遍點(diǎn)夯,第一遍點(diǎn)夯夯擊能為500kN·m,后2遍點(diǎn)夯單擊夯擊能1500kN·m,點(diǎn)夯前鋪設(shè)總計(jì)130cm厚的墊層材料,分2次鋪設(shè)。(4)“高真空和強(qiáng)壓力”區(qū)域2次高真空排水,每次高真空排水后采用3000kN·m的夯擊能強(qiáng)夯擊密,第三次采用超大功率振動(dòng)擊密,最后鋪設(shè)封面墊層材料。(5)“平塑帶和沖擊壓力”區(qū)域設(shè)置塑料排水板,深度8.0m,間距1.8m,鋪設(shè)0.4m厚的山皮石墊層材料,進(jìn)行沖擊碾壓擊密。(6)墊層材料沖擊壓實(shí)機(jī)理2次高真空排水,第一次排水后鋪設(shè)0.4m厚的山皮石墊層材料,然后采用較低能量進(jìn)行沖擊碾壓,第二次排水后采用較高能量進(jìn)行沖擊碾壓,第三次采用高能量沖擊碾壓致密。(7)聯(lián)合工藝方案的確立鋪設(shè)0.4m厚的山皮石墊層材料,進(jìn)行沖擊碾壓試驗(yàn)。上述試驗(yàn)完成后進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試,其中包括:靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入、地基反應(yīng)模量(K)、回彈模量(E)和CBR值測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見表3所列。上述試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明,強(qiáng)夯聯(lián)合降水法具有較好的場(chǎng)地適應(yīng)性,若再結(jié)合沖擊碾壓對(duì)表層進(jìn)行處理,可以達(dá)到比較理想的結(jié)果。最終決定采納“高真空降水+強(qiáng)夯+沖擊碾壓(代替滿夯)”的聯(lián)合處理方案:強(qiáng)夯2遍,每遍單擊夯擊能2500kN·m,夯擊數(shù)8~10擊,每遍夯擊前進(jìn)行高真空降水;2遍夯完后表面鋪設(shè)山皮石墊層30cm,沖擊碾壓20遍。相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(4)區(qū)的夯擊能3000kN·m,大面積施工時(shí)降低了500kN·m,主要是因?yàn)榇竺娣e卸載后留做地基填土的粉細(xì)砂層厚度分布不均勻,有些區(qū)域的厚度比試驗(yàn)區(qū)更薄一些,同時(shí)也是為了減少對(duì)中部軟土層的過度擾動(dòng)。1.4設(shè)計(jì)指標(biāo)的測(cè)定跑道大面積淺層加固施工完成后,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),見表4所列。由表4數(shù)據(jù)可知,設(shè)計(jì)指標(biāo)全部滿足,而且有些指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。跑道竣工后近1a的運(yùn)行實(shí)踐表明,工后沉降和差異沉降均在控制范圍之內(nèi),道面平整,沒有一條裂縫超過設(shè)計(jì)限制,說明本項(xiàng)目淺層地基處理效果很好。2不同軟土地基強(qiáng)高效夯實(shí)能力分析強(qiáng)夯法加固軟土地基,是利用強(qiáng)夯降低土的壓縮性,消除主固結(jié)沉降,提高加固土層的強(qiáng)度和剛度。強(qiáng)夯加固軟弱或松散地基土層的機(jī)理,對(duì)于非飽和的粗顆粒土層,在于動(dòng)力密實(shí);對(duì)于飽和細(xì)顆粒土層則是動(dòng)力固結(jié)。強(qiáng)夯加固時(shí)夯擊能越大,夯能影響深度越深,夯擊數(shù)越多,影響范圍越大。但對(duì)于高含水量的軟土地基來說,夯擊能太大、夯擊數(shù)太多,會(huì)導(dǎo)致加固土體發(fā)生沖剪破壞,因此目前軟土地基強(qiáng)夯加固,強(qiáng)調(diào)低能量(500~1500kN·m)、少擊多遍。本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(1)~(3)區(qū)夯能為500~1500kN·m,而強(qiáng)夯(4)區(qū)夯能達(dá)3000kN·m,夯擊2遍,每遍夯擊數(shù)為8~10擊,從表3數(shù)據(jù)可看出,該區(qū)加固效果最好。對(duì)比前面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)各區(qū)的介紹可以看出,強(qiáng)夯加固工藝參數(shù)——夯擊能及夯擊數(shù)的選取與加固土體的地質(zhì)狀況、應(yīng)力歷史等因素有關(guān),降排水方式對(duì)于提高加固效果具有重要意義。(1)淺部層組土體預(yù)壓前后的原位檢查比較場(chǎng)區(qū)地基土層由淺部層組、中部層組和深部層組3部分組成。淺部層組主要以粉性土為主,另加層厚不均的軟黏土夾層,表1中土層的物理力學(xué)特性表明:②-3和③-2層砂質(zhì)粉土比貫入阻力較高,滲透性較好。表2為堆載預(yù)壓前后的原位檢測(cè)值,可以看出,淺部層組土體經(jīng)預(yù)壓后的靜力觸探值和標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)得到大大提高,說明預(yù)壓后土體的密實(shí)度和抗剪能力大大改善。中部層組以軟黏土為主,性狀較差。設(shè)計(jì)要求的加固深度為地表下6m范圍的土層,對(duì)于淺部層組較薄區(qū)域,該層組也在強(qiáng)夯加固影響范圍之內(nèi)。淺部層組預(yù)壓后強(qiáng)度、剛度進(jìn)一步提高,具有較好的應(yīng)力擴(kuò)散能力,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),在較高能量的強(qiáng)夯動(dòng)力作用下,中部層組軟黏土加固區(qū)域并沒有發(fā)生沖剪破壞。大面積施工實(shí)踐也表明,預(yù)壓有利于提高中部軟黏土層組的加固效果。(2)高土層孔隙水壓力檢測(cè)對(duì)于飽和軟黏土地基,強(qiáng)夯動(dòng)力作用下超孔隙水壓力能否順利排出是強(qiáng)夯加固成敗的關(guān)鍵。相對(duì)于塑料排水板排水或砂井排水,高真空排水作為一種主動(dòng)排水方式,效率高,施工易控制,質(zhì)量易保證。本項(xiàng)目每遍強(qiáng)夯前進(jìn)行高真空降排水,降排水后地下水位控制在地表下3m左右。結(jié)合本場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)狀況,降水后地表下3m范圍內(nèi)的土層在強(qiáng)夯動(dòng)力作用下發(fā)生動(dòng)力密實(shí),當(dāng)夯擊能達(dá)到一定水平時(shí),就能夠取得良好的加固效果;對(duì)于3m以下的土層,只要土層滲透系數(shù)較大,即使是飽和的,強(qiáng)夯過程中不會(huì)引起超孔隙水壓力的積累,其強(qiáng)夯加固機(jī)理依然是動(dòng)力密實(shí)。對(duì)于飽和軟黏土,其強(qiáng)夯加固機(jī)理為動(dòng)力固結(jié),其核心是強(qiáng)夯過程中由夯擊能引起的超孔隙水壓力的消散問題。因此,降低地下水位除了有利于地下水位上部土層發(fā)生動(dòng)力密實(shí),有利于壓實(shí)外,另一重要意義在于增大超孔壓時(shí)的水力梯度,便于超孔壓消散過程的完成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果,在試驗(yàn)(4)區(qū),第一遍點(diǎn)夯后,孔隙水壓力自土體由下至上的增大值為2.5~40kPa,表層變化量大,下層變化量小。影響深度在6m范圍內(nèi)最為明顯,局部地方達(dá)到9m。第二遍點(diǎn)夯后,孔隙水壓力自土體由下至上增大值為1.9~32kPa,影響深度達(dá)10m以上。加固效果明顯好于其他幾個(gè)區(qū)域,說明表面“硬殼層”的形成有利于應(yīng)力擴(kuò)散以及較高的夯擊能向深部傳遞?？紫端畨毫ο⑺俣纫裁黠@快于其他區(qū)域,第一遍點(diǎn)夯后,經(jīng)過24h間歇,孔隙水壓力最大消散70%以上,第二遍點(diǎn)夯后,經(jīng)過24h間歇,孔隙水壓力消散50%左右,48h以后,消散70%以上。第一遍高真空降水,當(dāng)?shù)叵滤唤档?.0m時(shí),開始第一遍夯擊,夯擊時(shí)沿橫管方向邊拔管邊強(qiáng)夯,每遍夯擊結(jié)束并推平后,立即重新插管并抽水,以加速孔隙水的排出和超孔壓的消散。3尋求最佳施工方案(1)強(qiáng)夯加固機(jī)理和強(qiáng)夯加固效果,不僅隨土性而異,而且與加固工藝及選取的參數(shù)密切相關(guān)。需在充分分析地質(zhì)狀況的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),通過現(xiàn)場(chǎng)試