强夯法在人工填土地基处理中的应用

张艳涛,王 兵,董艳平

(武汉地质工程勘察院,湖北武汉 430051)

强夯法在人工填土地基处理中的应用

张艳涛,王 兵,董艳平

(武汉地质工程勘察院,湖北武汉 430051)

介绍某体育中心运用强夯法处理人工填土地基,针对工程实际情况,根据经验初步选定施工参数(有效加固深度、夯击能、夯击次数、夯击遍数、夯击点布置及分区处理等),通过试夯、试验检测结果,微调工艺参数,最终保证了良好的处理效果。

人工填土;强夯法;夯击能;地基处理

0 引言

强夯法软基处理技术是20世纪60年代末由Menard技术研究所创始的,也称强力夯实法。它利用起重机吊起夯锤,至一定高度后自由落下,给地基以强大的能量冲击,使土体颗粒重新排列,并排除孔隙中的气和水,从而提高地基土强度,降低其压缩性[1]。它具有设备简单、施工方便、施工速度快、适用范围广、经济易行等优点,在地基处理中得到广泛应用。某体育中心采用强夯法对人工填土进行地基处理便是成功的例证。

1 工程概况

该体育中心原始地貌单元为风化剥蚀台地与山前冲积平原接触地带,场平后地形地貌基本被破坏。本次地基处理范围为“二场两馆”主体建筑以外的建筑场地(运动场、跑道、广场、停车场、绿地、人工湖、地下通道、地下停车库、消防车道、水池等),处理面积34.46×104m2,即场地回填整平区。场平前相对标高约7 m,回填厚度0.30～8.80 m,均厚5.80 m,fak<80 kPa,为人工新近堆填,堆填时间约3个月。回填材料来自于西南侧热身赛场处山体挖方区,填土层物质成分复杂,主要由含碎石粘性土、全风化泥岩、粉砂岩碎块等组成,局部夹强风化泥岩、粉砂岩碎块石,土石比7∶3,土质不均匀。

根据勘察报告得知:场地地表水不发育,地下水主要为赋存于第四系人工填土层中的上层滞水,场地地下水位一般埋深在3.50～9.70 m之间。

2.1 强夯有效加固深度

广场、停车场、绿地、人工湖、消防车道区域人工填土厚度超过7 m的范围,有效加固深度可取7 m,其余地段为全填土厚度。

2.2 强夯处理质量技术要求

绿地、人工湖区域强夯处理后承载力达到100 kPa,变形模量达到8.0 MPa;运动场、广场、停车场区域强夯处理后承载力达到120 kPa,变形模量达到10.0 MPa;跑道、消防车道、水池、地下通道、地下停车库区域强夯处理后承载力达到150 kPa,变形模量达到12.0MPa。

2 强夯技术要求

3 强夯处理分区

根据场地环境地质条件,按不同的场地功能和填土厚度,将本场地强夯处理区域分为5个区,11个亚区,38个块段,其中第①区为不需要进行处理区;第②区为处理后地基承载力达到150 kPa,变形模量达到12.0 MPa区;第③区为处理后地基承载力达到120 kPa,变形模量达到10.0 MPa区;第④区处理后地基承载力达到100 kPa,变形模量达到8.0 MPa区;第⑤区不需要强夯,只作碾压区。第②、③、④区按填土厚度不同,分为9个亚区。强夯处理分区见图1、表1。

4 强夯工艺试验研究

4.1 试验区域划分

为探讨强夯法在本工程各地质条件下的可行性,并为确定强夯施工参数提供依据,在建设场地选取有代表性的试验区进行试夯,各区的地质条件见表2。

图1 强夯处理分区图Fig.1 Zoningmap of dynamic compaction treatment

表1 强夯处理分区一览表Table 1 Zoning of dynamic compaction treatment

表2 各试验区地质条件表Table 2 Geological conditions in test area

4.2 强夯试验

为了保证施工质量,通过强夯试验确定不同处理区的夯击能、有效加固深度、最佳夯击数、夯距、夯击遍数以及夯沉量等强夯参数。

4.2.1 夯击能及有效加固深度的确定

根据《建筑地基处理技术规范》[2](JGJ79—2002)强夯法对单点夯击能及有效加固深度设计要求,并结合广东省地方标准及深圳市强夯处理经验,初步确定各试夯区单点夯击能分别为5 000 kN·m、3 000 kN·m、1 600 kN·m。为方便施工,统一选择重250 kN的夯锤,夯锤底面为圆形,锤底面积为5 m2,落距分别为20 m、12 m和6.4 m。

根据Menard公式系数修正法确定有效加固深度[3]:

式中:h——加固深度(m);α——Menard公式修正系数,取0.40;Q——夯锤重量(kN);H——锤的落距(m)。

由上述公式计算出Ⅰ区有效加固深度h=8.94 m,Ⅱ区有效加固深度h=6.93 m,Ⅲ区有效加固深度h=5.05 m。

4.2.2 各试验区的强夯施工参数

(1)夯击能 Ⅰ试验区点夯5 000 kN·m,满夯1 200 kN·m;Ⅱ试验区点夯3 000 kN·m,满夯1 200 kN·m;Ⅲ试验区点夯1 600 kN·m,满夯1 200 kN·m;

(2)施工机具 夯锤底面积5 m2,锤重25 t,静压力50 kPa;

(3)夯击方法 分三遍夯,第一、二遍为点夯,每遍分两次点夯,采用跳夯法,第三遍满夯(图2～图4);

(4)夯击次数 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ试验区点夯每点分别7击、8击、7击,满夯均为3击,锤印搭接不小于锤底面积的1/3;

(5)夯沉量 最后两击的平均夯沉量单击夯击能为5 000 kN·m时<100 mm;单击夯击能3 000 kN·m和1 600 kN·m;1 200 kN·m时<50 mm,夯坑周围地面不应发生过大隆起;

(6)夯点间距 Ⅰ试验区点夯间距4.50 m,Ⅱ、Ⅲ试验区点夯间距3.50 m;

(7)间隔时间 第二遍点夯应在孔隙水压消散率达到80%以上时方可进行,初步设计Ⅰ、Ⅱ试验区第二遍点夯间隔时间不少于2 d,Ⅲ试验区第二遍点夯间隔时间不少于5 d。

图2 Ⅰ试验区夯点布置图Fig.2 Tamping point distribution ofⅠtest area

图3 Ⅱ、Ⅲ试验区夯点布置图Fig.3 Tamping point distribution ofⅡ、Ⅲtest area

图4 满夯夯点布置图Fig.4 Tamping point distribution offull compaction point

4.3 强夯处理效果

各试验区地基经强夯处理后,采用载荷试验、瑞雷波检测、标准贯入试验及取土做土工试验对地基处理效果进行检测。

4.3.1 载荷试验与强夯地基承载力

载荷试验目的是确定强夯地基承载力标准值。从载荷试验成果表可以看出,经强夯处理后地基承载力有显著提高,提高幅度为85.7%～87.5%,见表3。

表3 各试验区强夯后载荷试验成果表Table 3 Loading test results after dynamic compacting in test area

4.3.2 瑞雷波检测

根据各试验区强夯后瑞雷波检测点曲线,并结合地方经验分析,强夯试验区瑞雷波检测成果见表4。

表4 强夯试验区瑞雷波检测成果表Table 4 Rayleigh wave test results in dynamic compaction test area

4.3.3 标准贯入试验和有效加固深度

强夯的有效加固深度是反映加固效果的重要参数,标准贯入试验的目的是检验强夯地基各土层承载力并判定有效加固深度。从试验结果(图5)可看出,有效加固深度达到预期目标。

图5 各试验区强夯前后标准贯入击数N与深度Z的关系曲线Fig.5 Relationship curve of SPT blow countN&depthZbefore and after dynamic compaction in test area

各区的试验结果见表5,可以看出标准贯入试验结果与瑞雷波检测结果及《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)所列数值比较接近,与Menard公式系数修正法确定有效加固深度基本一致。

表5 有效加固深度统计表Table 5 Statistics of effective reinforcement depth

4.3.4 取土做土工试验

各试验区强夯前后土的主要物理力学指标如表6所示。可见各试验区在有效加固深度以内,土的天然容重提高较大,均>1.90 g/cm3,压缩模量由原来的3.00～3.30 MPa提高到5.77～6.81 MPa,孔隙比由0.920～1.005降低到0.670～0.690,压缩系数提高到0.27～0.31 MPa-1,压缩模量提高较大。

表6 各试验区强夯前后土的主要物理力学指标比较Table 6 Comparison ofmain physical and mechanical properties of soil before and after dynamic compaction in test area

从上述试验检测结果可以看出,试夯区的加固效果十分显著,可以满足工程设计的要求。

5 强夯工艺参数的调整确定

根据试夯结果,结合实际的地质情况及施工机具,设计最后调整确定有关强夯工艺参数:

(1)②区夯点仍按原夯点间距布置,对③-1、③-2亚区夯点间距设计为4.0 m,④区夯点间距设计为3.5 m;

(2)点夯二遍,仅对单击夯击能1 600 kN·m调整为2 000 kN·m,每点≥8击,最后两击的平均夯沉量单击夯击能为5 000 kN·m时<100 mm;单击夯击能3 000 kN·m、2 000 kN·m和1 500 kN·m时<50 mm;

(3)点夯完成后,小能量满夯一遍,夯击能1 200 kN·m,每点≥2击,锤印搭接不小于锤底面积的1/3;

(4)同意采用试夯用的强夯机具;

(5)第二遍点夯应在孔隙水压消散率达到80%以上时方可进行,②-3亚区第二遍点夯间隔时间不应少于5 d,其余亚区第二遍点夯间隔时间不应少于2 d。

对不同亚区有关强夯工艺参数列于表7。

6 施工质量控制要求

(1)为便于定位,减少升降时旋转,减少能量损耗,夯锤均用圆夯,同时,为便于夯击时空气排出,减少夯底的真空压力,夯锤均开有排气孔;

表7 强夯施工设计工艺参数一览表Table 7 Construction&design parameters of dynamic compaction

(2)控制好夯点位置,强夯时应控制落距、击数及最后一击沉降量,认真做好观察、检测、记录;

(3)强夯时夯锤中心应对准夯点中心,夯锤须平稳落下,如发现夯锤偏心应及时调整;

(4)当夯坑深度太大,发生起锤困难时,应补充填料后再继续施工,若发现因坑底不平造成夯锤倾斜时,应及时将坑底整平;

(5)认真做好夯区的地表排水及夯坑排水工作;

(6)场区不同标高区域和各块段边界处强夯施工方案应遵循:①先进行低标高位置强夯,后进行高标高位置强夯;不同能级分区结合部位,高能级向低能级延伸;②先进行坡下区域的强夯,然后将斜坡地段填土面推平,将坡上区域填土范围向外扩大3 m,按上一级区域的强夯标准进行强夯施工,保证不留未施工空白区;③各块段之间的施工顺序应先夯高能量和大厚度块段,先夯块段向周边外扩3 m范围,保证不留未施工空白区。

7 结论

该体育中心人工填土主要由含碎石粘性土混少量碎块石组成,土石比7∶3,土质不均,层厚0.30～8.80 m,平均厚度5.80 m,具强度低、压缩性高、孔隙比大的特征,采用强夯法,按文中所述施工参数进行处理,取得了良好的效果,因此强夯法处理该类型填土是切实可行的,也是切合实际的,与其它地基处理方法相比,不仅节约大量建设资金,缩短建设周期,且造价低,具有较好的适用性,值得推广应用。

[1] 张福海,王保田,刘汉龙,等.强夯法在城市防洪工程地基加固中的应用研究[J].岩土力学,2004,25(3):155-159.

[2] JGJ 79—2002,建筑地基处理技术规范[S].

[3] 叶书麟.地基处理工程实例应用手册[S].第一版.北京:中国建筑工业出版社,1998:78-79.

(责任编辑:胡立智)

Application of Dynamic Compaction Methodin Artificial Filled Soil Foundation Bed

ZHANG Yantao,WANGBing,DONG Yanping
(Wuhan Institute of Geological Engineering Exploration,Wuhan,Hubei430051)

This article describes the dynamic compaction method used in dealing with the artificial filled foundation bed in a sports centre.In view of the practical conditions of project,construction parameters are selected preliminarily(the effective reinforcement depth,tamping can,number of tamping,t ime of tamping,layout of tamping point&partition processing and so on).According pre-compaction,experimental test results and fine-tuning the processparameters,a good treatment effect finally is ensured.

artificial filling;dynamic compaction method;tamping can;foundation treatment

TU472.3+1

A

1671-1211(2010)03-0275-05

2009-12-16;改回日期:2010-01-06

张艳涛(1979-),男,助理工程师,岩土工程专业,从事岩土工程勘察及工程施工工作。E-mail:zytao-220@163.com