强夯法处理黄泛区粉土地基试验研究

王同福

(德州市德商高速公路项目建设管理办公室,山东德州 253006)

强夯法处理黄泛区粉土地基试验研究

王同福

(德州市德商高速公路项目建设管理办公室,山东德州 253006)

针对黄泛区上部粉质黏土、下部粉砂的不良地基条件,通过现场试验,监测夯击过程中超孔隙水压力在不同深度土层中的增长与消散规律,计算了有效加固范围和有效加固系数,提出了确定夯坑间距、强夯间歇时间、单点夯击次数的方法。利用分层总和法计算了桥头高填土总沉降,分析了加固效果,论证了该地区强夯加固技术的可行性和有效性。

黄泛区；粉土；地基处理；强夯；现场试验

0 引言

鲁西北黄泛冲积平原为较为稳定的工程地质区,地质条件良好,兼之地势较为平坦,路基稳定性问题基本上能够得到保证,适宜公路工程建设。但是,另一方面,该地区由于黄河多次决口、改道和沉积,地质变异现象较为显著；沿线土层以粉土、粉质黏土、黏土、粉砂、细砂为主,质地松散,固结程度低；局部软土、粉性土及上部表土因地下水位埋深较浅,性质偏软。因此,根据工程路段的地质条件和建设情况,进行相应的地基和路基处理以控制路基变形,是该地区高速公路建设过程中的重要一环。

对于高速公路工程中的桥头地基,填方一般较高,因此必须进行有效的路基处理,方能有效控制桥头地基工后沉降,防止桥头跳车现象的出现。强夯法具有工期短、施工简便、经济节省等突出优点,在引入中国后［1］,得到了迅速的发展和应用。不少学者根据不同的地质条件和工程实际,从理论分析和现场试验方面分别得出了一定的研究成果［2-6］。然而,强夯的压实效果、施工工艺与实体工程的土质条件、气候条件紧密相关,目前国内尚无统一标准。因此,本研究依托德商高速公路建设工程,拟在桥头填方处对地基土进行强夯处理,确定鲁西北黄泛冲积平原地区强夯工艺的流程、参数和施工方法。

1 现场试验方案

本研究选用德商高速公路五合同段的典型桥头地基。经勘查,在试验期间,试验段的地下水位稳定在3 m左右。根据该区钻探结果以及结合区域地质资料分析,该区域揭露深度内的地层为第四系全新统地层,主要岩性特征为冲积层,主要地质条件状况如表1所示。

表1 土层条件

根据现场试夯情况发现,点夯后孔隙水压力上升不明显,地下水位抬升不显著,夯坑并没有出水情况,并且单点试夯结果表现为孔隙水压力消散迅速,有的甚至大于后几击的提升量。因此,为了使地基加固效果更为显著,尽可能减少桥头地基的工后沉降,试验区夯击方案采取不跳夯的策略,采取两遍点夯,一遍满夯,点夯的夯点间距为6 m,满夯夯印搭接1/4,点夯夯点布设方案如图1所示。强夯的参数选择如下：夯锤重15.6 t,提升高度为8 m,单点夯击能约为1 200 kN·m,单点夯击10下,夯击能总和约12 000 kN·m,满夯夯击能为800 kN·m。

图1 夯点布置图

2 监测结果与效果评价

2.1 地下水位

实验过程中,定期测量地下水位变化情况,绘制成地下水位变化图(见图2)。地下水位相对较低,稳定在地表以下约3 m的深度,而第一遍点夯施工过程中,地下水位迅速上升了约30 cm,至地表下275 cm的深度,在一昼夜时间内回落到298 cm,消散程度约为70%。点夯完成后2 d时间内,地下水位能够基本回落到地表下300 cm,消散程度为95%。第二遍点夯施工后,地下水位上升了约20 cm,且地下水位在两昼夜时间内能基本完全回落。满夯施工作业是在填筑了约50 cm厚度的建筑砖渣后,因此满夯作业期间,地下水位仅能够上升约10 cm,影响较弱。

图2 地下水位变化图

2.2 超孔隙水压力

单点试夯时,超孔隙水压力增长情况如图3所示。可见,随着点夯的作用,地下水位迅速通过地下孔隙上升,超孔隙水压力也因此得到显著上升。在单击夯击能1 200 kN·m作用下,距离地表6 m以内的超孔隙水压力随着夯击次数的增加上升明显,而距离地表10 m以下的超孔隙水压力随着夯击次数的增加上升幅度较为不明显。

图3 单点试夯超孔隙水压力增长图

夯点正下方处孔隙水压力增长情况于距离夯点正下方2 m处孔隙水压力增长情况如图4所示。可知,在单击夯击能为1 200 kN·m时,距离夯点0～2 m范围内超孔隙水压力都会随着夯击次数而增长,但是在2 m外的范围夯击能的影响十分微小,因此有效的加固范围在2 m以内。当夯点间距为6 m时,单点夯击时,对周边的夯点影响十分微小,可以忽略不计,故认为实际工程进行时可按6 m的夯点间距,不必跳夯。

图4 单点试夯超孔隙水压力增长图

第二遍点夯完后地表出现出水现象,多处地表出现弹簧土,夯击无法进行作业,加之多日的阴雨天气,使得翻晒工作无法开展,故采取铺设50 cm砖渣的处理方式,在砖渣上进行满夯作业。相对应的超孔隙水压力变化如图5所示。由于夯击能的减少以及砖渣厚度的影响,满夯过程中超孔隙水压力的峰值小于点夯时的峰值,夯后5 h内迅速消散,24 h候趋于稳定。

图5 满夯超孔隙水压力累计与消散规律

2.3 地基沉降

在单点夯击过程中,随机选取10个点,利用水准仪测量其每一击的夯沉深度,得到的数据取平均值,绘制单点夯击沉降图和累计夯击沉降图(见图6)。可知,随着单点夯击击数的增加,单点夯沉量的总体呈现减小的趋势,说明夯锤下方的土体得到了有效的压实。同时,最后两击总体上满足止夯条件,即最后两击平均夯沉量不大于5 cm。单个夯坑累计的夯沉量平均为80.2 cm。每一击的沉降只有第一击较大,之后每一击沉降量逐渐减小,稳定在4～7 cm之间。

图6 单点夯击沉降规律

以桥头横梁为基准点,在强夯作业面上选取24个点,利用水准仪进行地表的高程记录,分别在点夯前、第一遍点夯、第二遍点夯以及满夯后进行测量,可以得知：第一遍点夯后,地表发生相对沉降18.7 cm,第二遍点夯后,地表发生相对沉降4.4 cm,两遍点夯总沉降为23.1 cm。采用分层总和法计算桥头填方6.53 m所能造成的天然地基的沉降约为66.91 cm。结合前两遍点夯的沉降,根据分层总和法计算所得最终沉降,可以绘制图7。

图7 夯沉量分析结果图

可知,两遍点夯的沉降能达到总体沉降的35%,考虑到没有纳入计算的满夯工序,同时也考虑到第二遍点夯后测量地表高程时,地面出现了弹簧现象,地表并未达到严格的压实,因此整体测量所得的强夯总体夯沉量偏于保守,实际整平后的夯沉量应大于35%。为了进一步减少施工后的沉降,该桥头将采取堆载预压方式,因此可以认为经过强夯处理,能够消除35%以上的地基沉降,同时继续采用堆载预压,能够减少剩余沉降,起到很好的加固效果。

在相关研究和工程实践中发现,强夯对于地基加固的显著效果只能够很明显地反映在地表以下一定的深度范围内,这也就是一般所谓的“有效加固深度”。影响强夯有效加固深度的因素很多,包括夯锤重量、夯击遍数、夯点布置、落距、土体含水率、锤底静压力以及土体的物理力学性质等。最初Menard［8］根据单点夯击的夯锤重量和落距提出了最为简单的强夯有效加固深度的计算公式：

式中：M为夯锤重量,t；H为夯锤落距,m。

后来在工程实践中应用较为广泛的是Gambin［9］提出的修正Menard公式：

王成华［10］根据塑性能量守恒,采用等效拟静力法估算加固深度,将强夯引起的拟静附加应力达到土体自重应力的0.2倍处称为加固深度。通过采用王成华的方法,如图8所示,在单击夯击能为1 200 kN·m时,强夯的有效加固深度约为6 m。同时可以推算出试验段的a=0.537,这可以为今后相同或者相似工况下的强夯设计和施工提供依据。

图8 有效加固深度

3 结语

(1)试验段在1 200 kN·m的夯击能作用下有效影响深度能够达到6 m,有效加固深度系数为0.537,可以为相同或者相似条件下的实际工程提供依据。

(2)相邻夯坑之间点夯孔隙水压力相互影响非常小,间隔2 m 的夯点超孔隙水压力仅为10 kPa,故认为实际工程进行时可按6 m的夯点间距,不必跳夯。

(3)该地区进行点夯施工和满夯施工,其地下水位和孔隙水压力消散较为迅速。夯后1 d孔隙水压力能够消散70%以上,夯后2 d孔隙水压力能够消散80%以上。单从超孔隙水压力消散考虑,夯击间歇时间安排为2 d足够。

(4)经过强夯处理,能够消除35%以上的地基沉降,大大减少了剩余沉降,起到了很好的加固效果。

［1］ 潘千里.国外一种经济而简便的地基加固方法一强夯法［J］.建筑结构,1978,8(6)：6-8.

［2］ 罗希文.高速公路路基强夯技术应用研究 ［J］. 湖南交通科技, 2001,27(1): 10-12.

［3］ 刘富伟,韩丽馥,谢翰. 抛石挤淤辅以强夯的软土地基处治技术在沈大高速公路改扩建工程中的应用 ［J］. 辽宁省交通高等专科学校学报,2005,7(3): 23-25.

［4］ 周健,曹宇,贾敏才,等.强夯一降水联合加固饱和软粘土地基试验研究［J］. 岩土力学， 2003， 24(3): 376-380.

［5］ 刘嘉， 罗彦，张功新，等.井点降水联合强夯法加固饱和淤泥质地基的试验研究 ［J］. 岩石力学与工程学报， 2009， 28(11): 2222-2227.

［6］ 周健,张思峰,贾敏才,等. 强夯理论的研究现状及最新技术进展［J］. 地下空间与工程学报,2006,2(3): 510-516.

［7］ 郑颖人， 李学志， 冯遗兴， 等. 软粘土地基的强夯机理及其工艺研究［J］. 岩石力学与工程学报， 1998， 17(5): 571-580.

［8］ Menard L， Broise Y. Theoretical and practical aspect of dynamic consolidation［J］. Geotechnique， 1975， 25(1): 3-18.

［9］ Leonards G A， Holtz R D， Cutter W A. Dynamic compaction of granular soils［J］. Journal of the Geotechnical Engineering Division，1980， 106(1): 35-44.

［10］ 王成华. 强夯地基加固深度估算方法述评 ［J］. 地基处理，1991， 2(1): 20-24.

U412.22+2

B

1009-7716(2015)09-0075-03

2015-07-15

王同福(1970-),男,山东武城人,工程硕士,高级工程师,从事路桥工程项目管理工作。