强夯法加固砂卵砾石层坝基及其应用

朱红兴, 张国林, 刘君荣

(云南建工水利水电建设有限公司, 云南 昆明, 650041)

强夯法加固砂卵砾石层坝基及其应用

朱红兴, 张国林, 刘君荣

(云南建工水利水电建设有限公司, 云南 昆明, 650041)

强夯法作为一种高效经济的地基加固处理方法，被广泛应用于地基沉降处治工程中. 介绍了强夯对地基的加固机理、强夯参数的设计、强夯的施工工艺以及强夯施工控制，并以具体坝基工程为实例，通过试验分析研究了强夯对砂卵砾石层坝基的加固效应. 试验结果表明： 应用强夯法加固处理砂卵砾石层坝基，对进一步提高坝基土强度，降低压缩性，消除不均匀沉降，改善土的物理力学性质和工程特性具有明显的效果.

强夯法；砂卵砾石层；动力触探；效果检测

强夯法[1-2]又称动力固结法[3]，是利用起重设备将大吨位重锤提升到一定高度后自由落下，在极短的时间内对地基土施加巨大的冲击能量，冲击产生的压缩波、剪切波和瑞利波反复使土体受到瞬时加荷、卸荷和剪切的作用，使土颗粒之间原有的连接形式破坏而产生位移，形成新的较为稳定的形式，从而达到减小孔隙比、增加土体密度、提高土体强度的目的[4].

我国自1975年开始介绍并引进强夯技术，1978年开始在工程中试用，曾叫做“超重锤夯实”. 由于我国地震高烈度区、湿陷性黄土区和软粘土区分布广泛，因此，作为一种适用性广、经济有效的地基处理方法，强夯技术在我国得到比较广泛的推广，强夯法的应用在深度和广度上都在进一步迅速发展中. 当前应用强夯法处理地基的工程范围极广，已付诸实践的有工业与民用建筑、重型构筑物、机场、堤坝、公路和铁路路基、贮仓、飞机场跑道及码头、核电站、油库、油罐、人工岛等. 近年来强夯法在工程建设与环境保护协调方面己发展应用于垃圾填埋场、沙漠地基、核废料场等的处理[5]. 总之，强夯法在某种程度上比其它机械的、化学的或力学的加固方法使用更为广泛和有效, 对青山嘴水库砂卵砾石层坝基强夯加固便是成功例证.

1 工程概况

青山嘴水库位于云南省楚雄市西北东瓜镇青山嘴村旁的龙川江上，水库枢纽由粘土心墙石碴主坝、右岸粘土均质副坝、右岸溢洪道及输水隧洞、导流泄洪隧洞组成. 主坝最大坝高41.5 m，总库容10 805.2×104 m3，为大型水库，工程等别为II等.

坝基地形及地质：主坝坝址处地形开阔，河段为“Z”型，河谷为“U”型宽谷，两岸为侵蚀岸坡，河床为河谷阶地，坝轴线较长. 右岸山坡较陡，局部陡崖，左崖相对较缓，上覆残坡积层厚0～5 m，为砂质粘土、壤土、砂壤土夹碎石. 河床滩地面积较大，广泛分布第四系冲洪积层，具二元结构，上部为粉土、粉细砂层，结构松散，高压缩性，强度低；下部为砂卵砾石、漂石层，夹有孤石及粉细砂、粘土透镜体，岩性成分不均匀，局部有架空现象，中～高压缩性. 河床第四系冲洪积层存在地震液化及压缩变形问题. 心墙强～弱风化岩体(含长石石英砂岩夹粉砂质泥岩)强度较高，其中强风化岩体低压缩性，不存在压缩变形，但存在渗漏问题. 心墙坝基F2-1、F2-2断层带构造挤压强烈，断层面不连续，构造节理密集，断层带内岩石破碎、糜棱岩、碎裂岩，岩体中等～强透水，存在渗漏问题.

2 坝基强夯处理

2.1 强夯加固机理

强夯对坝基的加固机理可概括为加密作用、液化作用、固结作用和时效作用[6].

a. 加密作用：所夯之处液体和气体的体积都有所减少，土体得到加密，根据试验每夯击一遍气体体积可减少40%.

b. 液化作用：在巨大的冲击压力作用下，土中孔隙水压力迅速提高，当土中孔隙水压力上升到与覆盖压力相等时，土体即产生局部液化，土的强度丧失，土粒可自由排列.

c. 固结作用：当强夯在坝基中产生的超孔隙水压力大于土粒间的侧向压力时，土粒便会出现裂隙，形成排水通道，此时土的渗透性改变，渗透系数剧增，孔隙水得以顺利排出，加速了土的固结，当孔隙水压力消散到小于土粒间的侧向压力时，排水的裂隙即自行闭合，土中水的运动又重新恢复常态.

d. 时效作用：随着时间的推移，孔隙水压力消散，土颗粒又重新组合紧密接触，自由水也重新被土颗粒吸附而变成吸附水，土的强度逐渐恢复，称为时间效应.

2.2 强夯参数设计

考虑到砂卵石层深度有限，强夯效果较好，可采用梅那(L. Menard)公式[7]进行估算：

式中：H为强夯加固地基影响深度(m)；a为修正系数，范围0.38～0.8；M为夯锤重量(kN)；h为落距(m). 根据公式(1)，当修正系数a取0.6、锤重20 t、落距18 m时，估算的最大加固深度为11.4 m.

强夯能级确定(指单点夯击)，公式[8]为：式中：E为单击强夯能级(kN·m)；W为夯锤重量(kN)；h为落距(m).

经过现场试夯, 本坝基工程强夯确定采用带有自动脱钩装置的QUY50A履带式起重机，最大吊高27 m，夯锤重W=200 kN，夯锤底面对称设置4个与其顶面贯通的排气孔，孔径300 mm. 点夯3遍，每遍 12击，落距h=20 m，根据公式(2)，单击夯击能E=W·h=200 kN· 20 m=4 000 kN· m ; 满夯一遍，每遍10击，锤印彼此搭接35 cm. 夯锤重W=200 kN，落距h=5 m，单击夯击能E=W·h=200 kN· 20 m=4 000 kN· m, 在满足设计的夯击次数，并应满足最后2击的平均夯沉量≤50 mm，夯坑周围地面不应发现过大的隆起及不应夯坑过深而发生提锤困难情况下可以收锤.

强夯采用正方形布置夯点，遍数为点夯三遍，满夯一遍. 第一遍强夯时，夯点位于正方形的顶点强夯，第二遍强夯时夯点布置在第一遍夯点组成的正方形的形心处，第三遍强夯的夯点布置在第二遍夯点组成的正方形形心处. 第一遍夯点间距离6 m，采用逐渐加密法施工，强夯夯点具体布置如图1所示. 强夯处理范围为上、下游坝壳(包括下游贴坡排水)基础轮廓线外加一排夯点(6 m). 处理从砂卵砾石、漂石层到河床第四系底界，深度为1.2～9.4 m，其中砂卵砾石层厚度为1.3～11.8 m.

图1 强夯夯点布置图

2.3 强夯施工工艺

a. 清除场地内堆积物，整平施工场地，各区场地地坪标高平整到起夯设计标高；

b. 设置施工测量基点；

c. 测量整平场地起夯地坪高程，地坪标高误差在200 mm以内；

d. 标出第一遍夯点位置，校正夯锤、起重机位置，使夯锤对准夯点；

e. 将夯锤起吊到预定高度，待夯锤脱钩自由下落后，放下吊钩，测量锤顶高程，若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时，及时将坑底整平；

f. 重复步骤d、e，按设计规定的技术及控制标准完成一、二、三遍每一个夯点的夯击作业；

g. 换夯点，重复步骤c至f，完成第一至第三遍全部夯点的夯击；

h. 用推土机将夯坑填平，并测量场地高程；

i. 进行低能量满夯，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程.[9]

2.4 强夯施工控制

a. 每一锤在正式提升前，强夯机和夯锤就位，夯锤对准夯点中心，误差控制在±15 cm内；

b. 每一锤都要提升到设计要求的高度；

c. 锤落下后，如夯坑底有倾斜，当超过20°时，用土将坑底补平，再进行下次夯击；

d. 当施工场地及夯坑由于降雨或地下水位上升等原因积水时，要及时采取排水措施，待水排干后，才能填坑；

e. 夯击过程中，如遇到基土含水量过高，形成“橡皮土”，或夯坑周边隆高过大等异常现象时，应停止作业，采取适当的措施进行处理；

f. 每夯击完一遍，用新土或周围土将夯击坑填平，并测出本遍场地的平均标高，求出沉降量；

g. 夯坑回填时需用推土机等略加压实，并稍高于附近地面，以防止坑内填土吸水过多；

h. 相邻两遍的间隔时间，要符合根据空隙水力消散要求的设计天数.

2.5 强夯安全措施

a. 由于强夯机组高大，稳定性较差，因此对施工场地要求较严，不得软硬不匀，不得有虚填坑洞和浅层墓坑；

b. 强夯时有土块石子等飞出，现场人员必须戴安全帽. 吊车上应安装防护网，非施工人员不得进入现场；

c. 应随时注意检查机具的工作状态，经常维修和保养，发现不安全之处应及时处理；

d. 在强夯施工区附近有建筑物时，应经常观察振动的影响，对较近的建筑物应挖防震沟，其深度应超过该建筑物的基础深度；

e. 强夯机械使用交流电源时，特别注意各用电设施的接地防护装置，施工现场附近有高压线路通过时，必须根据机具的高度、线路的电压，详细测定其安全距离，防止高压放电，发生触电事故.

3 强夯效果检测与分析

3.1 上游强夯效果检测与分析

坝基强夯完成后，对上游坝基夯后重型动力触探[10]、干密度、含水率、强夯面高程及夯点沉降量进行了检测，并与夯前各检测项目比较，结果见表1.

表1 上游坝基强夯检测

由表1我们可以得知，上游坝基重型动力触探检测28组，夯前14组，夯后14组，夯前重型动力触探贯入10 cm最小击数为1击，最大大于50击，其中大于50击有6组，占总测点的42.85%；夯后最小击数为15击，最大大于50击，其中大于50击有14组，占总测点的100%，夯后较夯前提高了133.37%. 土体干密度检测21组，夯前6组，夯后15组，夯前干密度最小为1.64 g/cm3，最大为2.18 g/cm3，平均干密度为1.973 g/cm3；夯后干密度为最小1.89 g/cm3，最大为2.43 g/cm3，平均干密度为2.077 g/cm3，夯后较夯前平均干密度提高了5.27%.土体含水率检测21组，夯前6组，夯后15组，夯前含水率最小为6.2%，最大为21.3%，平均含水率为12.183%；夯后含水率最小为4.9%，最大为15.8%，平均含水率为9.888%，夯后较夯前平均含水率降低了23.21%. 强夯面高程检测197组，夯前99组，夯后88组，强夯面平均压缩量为564 mm. 强夯点累计沉降量检测351组，平均累计沉降1 098 mm. 这充分说明上游基础经过强夯，土体内孔隙被压缩，水分和气体被排除，土体得到紧密压实，从而提高地基容许承载能力，强夯效果显著.

表2 下游坝基强夯检测

3.2 下游强夯效果检测与分析

坝基强夯完成后，对下游坝基夯后重型动力触探、干密度、含水率、强夯面高程及夯点沉降量进行了检测，并与夯前各检测项目进行比较，结果见表2.

由表2我们可以得知，上游坝基重型动力触探检测27组，夯前7组，夯后20组，夯前重型动力触探贯入10 cm最小击数为2击，最大大于50击，其中大于50击有6组，占总测点的85.71%；夯后最小击数为15击，最大大于50击，其中大于50击有20组，占总测点的100%，夯后较夯前提高了16.67%. 土体干密度检测17组，夯前7组，夯后10组，夯前干密度最小为1.95 g/cm3，最大为1.98 g/cm3，平均干密度为1.961 g/cm3；夯后干密度为最小1.87 g/cm3，最大为2.55 g/cm3，平均干密度为2.14 g/cm3，夯后较夯前平均干密度提高了9.13%. 土体含水率检测17组，夯前7组，夯后10组，夯前含水率最小为8%，最大为9.5%，平均含水率为8.686%；夯后含水率最小为7.8%，最大为9%，平均含水率为8.37%，夯后较夯前平均含水率降低了3.78%. 强夯面高程检测177组，夯前80组，夯后97组，强夯面平均压缩量为608 mm. 强夯点累计沉降量检测333组，平均累计沉降1 003 mm. 这充分说明下游基础经过强夯，土体内孔隙被压缩，水分和气体被排除，土体得到紧密压实，从而提高地基容许承载能力，强夯效果显著.

4 结论

a. 通过对坝基重型动力触探、干密度、含水率、强夯面高程及夯点沉降量进行检测，均得到了满意的结果，表明砂卵砾石层坝基经过强夯后得到了很好的加固效果，应用强夯法加固砂卵砾石层坝基是切实可行的.

b. 由于坝基的复杂性，采用其它地基加固处理方法均具有局限性，而本工程采用强夯法加固，工艺简单，工期较短，且造价较低，具有较好的技术经济性.

c. 通过强夯面高程的检测，强夯面经强夯均有显著压缩，很大程度地降低了坝基的压缩性，消除了不均匀沉降.

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Application of dynamic compaction to reinforce dam foundation with sand gravel stratum

ZHU Hong-xing, ZHANG Guo-lin, LIU Jun-rong
(Yunnan Construction and Hydropower Engineering Co. Ltd., Kunming 650041, China )

As a kind of method effective and economic method of foundation reinforcement , dynamic compaction has been widely applied in treating foundation settlement engineering . This composition has introduced the reinforcement mechanism and the parameters design of dynamic compaction, and technology and control of dynamic compaction construction. As an example, by the dynamic compaction test, this composition has analyzed and researched reinforcement effects of dam foundation with sand gravel layer. The test results show that the effects of applying dynamic compaction to reinforce sand gravel stratum dam foundation on further increasing strength, reducing compressibility, eliminating non-uniform settlement, improving soil physical and mechanical properties of engineering characteristics are obvious.

dynamic compaction; sand gravel stratum; dynamic penetration; effect detection

TU 411.5

：A

1672-6146(2010)04-0074-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2010.04.020

2010-11-02

朱红兴(1972-), 男, 高级工程师, 主要从事水利工程研究.