斜坡式水工护岸强夯效果分析

丁 祺

(天津港工程监理咨询有限公司，天津 300461)

强夯法又称动力压实法［1，2］，是将重锤反复提到高处使其自由下落，给土体以冲击和振动能量，将土体夯实，降低其压缩性，从而达到改善土体的目的。该法自20世纪70年代末引入我国，先后在天津新港、河北廊坊、山西白杨墅等地进行了试验研究和工程实践，取得了较好的加固效果。由于其适用土类广、设备简单、施工方便等优点，目前已在全国范围内得到推广应用。然而，有关强夯机理的研究，至今没有统一的理论。究其原因是各类土体的性质千差万别，难以得到统一强夯加固理论。同时，重型动力触探［3］作为一种有效的检测土体密实度的手段，可以用来分析强夯对土体的加固效果。本文便借助重型动力触探，对经过强夯处理的斜坡式水工护岸碎石土进行检测，分析其加固效果，并为类似工程提供经验。

1 工程概况

大连港东部地区搬迁改造工程位于大连湾南岸，大连港大港区东侧的寺儿沟地区，根据项目开发进度安排，7，8标段全部及4标段大部分均采用斜坡式水工护岸，总里程约1.6 km。该区段处理方式为通过爆炸挤淤的方式处理海底的可压缩性土体，然后换填大块石，形成堤身，再在后方30 m范围内陆抛开山石，最后安装胸墙，而胸墙的安装位置为护岸轴线后方18.0 m，该处上部为开山石(碎石土)，下部为大块石(如图1所示)。因此需要对上部土体进行强夯处理，以便消除大部分沉降，避免胸墙过大的不均匀沉降而产生开裂。

图1 斜坡式水工护岸断面示意图

2 动力触探试验

2.1 试验原理及过程

圆锥动力触探试验的类型分为轻型，重型和超重型三种，根据土体类型本试验选择重型。其主要设备由圆锥触探头、触探杆和穿心锤三部分组成。其原理为利用一定质量的落锤，以一定高度的自由落距将标准规格的圆锥形探头打入土中，根据探头贯入的难易程度判定土层性质。在具体操作过程中，15击/min～30击/min连续贯入土中，当贯入深度12.0 m时停止试验，在贯入过程中，每贯入10 cm记录相应锤击数。

2.2 试验成果及分析

根据试验结果，绘制了重型动力触探锤击数随深度的变化曲线。图2为典型强夯重型动力触探锤击数随深度变化趋势:0 m～0.5 m深度范围内碎石土锤击数平均10击，碎石土的密实度处于稍密和中密之间，在0.5 m～6 m范围内，碎石土的锤击数平均达到15击，碎石土体的密实度处于中密，6 m～8 m范围内碎石土锤击数平均约10击，碎石土的密实度下降为稍密和中密之间过渡状态，8 m～12 m范围内碎石土锤击数平均约6击，碎石土接近松散与稍密的分界线。从上述情况可知，土体在0.5 m～6 m范围内强夯效果最为显著，0 m～0.5 m及6 m～8 m范围次之，8 m～12 m范围内加固效果甚微。值得注意的是在8 m～12 m范围碎石土锤击数随深度变换表现为S形波动，而在上部土体中这种规律表现的并不突出。

2.3 动力触探的成果修正

在通常情况下，动力触探的原始成果，作为强夯检测的手段，能较为直观的分析其加固效果，而要更为准确的得到土体加固后的密实程度则要通过探杆及地下水位两项修正后才能得到。

当采用重型圆锥动力触探试验时需要对探杆长度进行修正，在碎石土中的锤击数公式为:

其中，N63.5为修正后的重型圆锥动力触探试验锤击数;α1为重型圆锥动力触探试验锤击数修正系数;N'63.5为实测重型圆锥动力触探试验锤击数。

当粗粒土和卵石中存在地下水时，锤击数公式为:

由式(1)，式(2)可得:

上述公式便是碎石土中同时考虑杆长及地下水位修正的锤击数公式。根据有关经验和相关资料可知侧壁摩擦影响对碎石土一定深度范围内锤击数影响较小可以不予考虑。

图2 典型强夯N63.5—h曲线

图3 典型强夯修正N63.5—h曲线

根据修正公式得到修正锤击数随深度变化曲线如图3所示。对比修正前后锤击数随深度变化曲线，可知在整体上，碎石土锤击数提高了0.5击～1.5击，但在同一深度处实测锤击数越大，其修正值相对越小。在碎石土深度9.0 m以下，当实测锤击数超过10击时修正甚微，修正值可以忽略。

3 强夯加固碎石土效果分析及其影响因素

3.1 强夯加固碎石土效果分析

为了更好的分析强夯加固碎石土的效果，根据现场具体施工情况对工程结合部进行了动力触探试验。其中图4为两标段强夯分界线处动力触探锤击数随深度的变化曲线，而图5为强夯区外3.0 m动力触探锤击数随深度的变化曲线。与图3相比不难发现，强夯区分界线处动力触探锤击数比典型强夯动力触探锤击数偏低，尤其是表层0 m～1.0 m范围内的碎石土，非典型强夯表层土体处于松散与稍密之间，与图5未经强夯的区域类似，说明该层土体加固效果不明显。从图5可以看出，未经强夯处理的碎石土，密实度大部分处于稍密，锤击数约7击，在12.0 m深度范围内变化不大，同时发现在0 m～2.0 m及5.0 m～8.0 m范围内土体密实度比3.0 m～4.0 m范围内提高一个等级，这说明虽然碎石土未在强夯加固区外，但依旧受到强夯作用，认为表层土体密实度提高与土体侧向挤密有关，而深部土体是由于强夯能量扩散引起，但该影响范围类似一椭球体，只有某一深度范围内的碎石土可以受到影响，而其上部和下部土体影响微弱。

3.2 地下水对强夯效果的影响

由于目前对强夯机理研究并不完善，强夯的加固效果主要通过有效加固深度来反映［4-6］，同时也是设计计算的主要参数。本工程强夯夯机能为8 000 kN·m，根据相关规范和经验其加固碎石土的有效加固深度为10 m～10.5 m，但没有考虑地下水位的影响。然而本工程作业范围为水工护岸轴线后方5.0 m～25.0 m范围，因此极易受潮水影响，尤其在大潮时，护岸顶部标高约为4.5 m，而设计高潮位为3.82 m，考虑潮水渗透到护岸碎石土中存在一定的水头损失和滞后现象，则护岸碎石土中最高水位接近1.0 m，而且距离护岸轴线越近，水位越高。因此当强夯在高潮位进行时，其一部分能量将分担到较高的碎石土海水中(假定在高潮位时，3.82 m以下土体为饱和状态)，而本工程典型强夯重型动力触探锤击数随深度变化曲线也充分说明这一点，即在深度8.0 m以下强夯碎石土处理效果不明显，从而可以认为在具有高地下水位的碎石土中，强夯的有效加固深度需进行一定程度的折减。

图4 非典型强夯修正N63.5—h曲线

根据图4表现出来的强夯加固特点(表层土体的加固效果差)，由相关经验认为是没有进行满夯或是满夯控制出现问题所致。但通过调查得知，虽该区域处于两标分界处，但施工工艺及参数完全一致，说明不存在机械和施工因素。通过测量发现该区域标高较低约4.0 m，高潮位时护岸几乎全部被海水淹没，因此认为此处强夯时接近高潮，海水吸收了较多的夯击能量，使得土体整体上较典型强夯差，而表层土体强夯效果表现尤其差。经分析认为当夯锤高速接近饱和碎石土时，由于碎石土处于松散状态，压缩性大，而水和碎石本身的压缩性极小，这就使得高速夯锤在与土体接近瞬间，先将能量作用到水和碎石骨架上，之后碎石骨架之间的空隙被压缩，而水只能被挤出骨架之间的空隙。这与固结现象类似，只是强夯能量极大，使得饱和碎石土在强夯作用时有类似于“投石如水”的现象产生，碎石土接近表面的水体会被高速夯锤激起而对碎石土起顶托作用，反而对土体挤密产生消极作用，且速度愈大顶托作用越大，表层强夯效果越差。由于碎石土渗透性极好能很快地将能量传递给骨架本身。

4 结语

1)通过重型圆锥动力触探试验，得到了碎石土的锤击数，并利用杆长及地下水修正公式，对锤击数进行了修正，利用此结果对强夯加固效果进行了分析。

2)进一步分析了地下水对强夯效果的影响，通过实测数据与相关规范对比发现，当地下水较高(本文为潮位较高)时，强夯的影响深度比相关规范小，说明碎石土中地下水位对强夯有一定的影响，尤其高水位时。

3)利用重型圆锥动力触探试验结果，初步探讨了碎石土饱和状态时，强夯对表层土体加固效果不明显的原因，有待于做进一步的理论分析。

［1］龚晓楠.地基处理手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008:6.

［2］JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规范［S］.

［3］工程地质手册编委会.工程地质手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［4］王成华.强夯地基加固深度估算方法评述［J］.地基处理，1991，2(1):3.

［5］钱家欢.动力固结的理论与实践［J］.岩土工程学报，1986，8(6):91-92.

［6］Scott R.A.，Pearce R.W..Soil Compaction by Impact［J］.Geotechnique，1975，25(1):33-34.