吹填土地基强夯加固效果评价研究

孙海军,岳喜兵

(江苏省交通规划设计院股份有限公司,江苏南京 210014)



吹填土地基强夯加固效果评价研究

孙海军,岳喜兵

(江苏省交通规划设计院股份有限公司,江苏南京 210014)

摘要:连云港赣榆港区采用航道的疏浚土方,吹填后形成作业港区中的吹填土地基(黏土和砂的混合土),为提高地基承载力,采用强夯法进行加固。文中介绍了采用强夯法对吹填土地基进行加固处理的施工工艺,分别采用静力触探试验、动力触探试验和平板载荷试验对加固效果进行评价,检测结果均表明强夯法加固后地基各项指标明显提高。

关键词:公路;强夯法;夹砂黏土地基;静力触探试验;动力触探试验;平板载荷试验

随着中国沿海城市经济的快速发展,对土地的需求量逐渐增加,大多数地方呈现土地紧张的趋势,为适应人们对土地需求的不断增长,围海吹填造陆成为大势所趋。

吹填土是通过泥浆泵将海底沉积的黏土和砂随水吸入围堰中,由于吹填土是由水力吹填形成的,其分布规律与吹填的水力条件密切相关。以连云港赣榆港区为例,该场地疏浚土涉及2层土(黏土层和砂土层),由于未能进行分层疏浚,形成了砂夹黏土的吹填土地基,地基砂含量较高、渗透性较好。

强夯法由于设备简单、造价低、工期短、经济效益好,工程实践中得到优先使用。国内外对强夯法加固软弱地基的应用进行了很多研究,但一般认为对于饱和软黏土进行强夯加固时需选择适宜的夯击能、加固工艺和排水条件才能达到预定加固目的。对于粘粒含量较多、渗透系数较小的土体,吹填后很长时间才能形成一定强度的吹填淤泥。连云港赣榆港区吹填土属于夹砂黏土,介于黏土和砂土之间,特点是砂含量较高,渗透性较好,强夯法在这种特殊吹填土加固中的应用缺少相应研究。为此,该文对该场地吹填土地基进行强夯法处理,并对加固效果进行评价,为吹填土地基的加固处理及强夯法的工程应用提供参考。

1 场地概况及施工工艺

该围海造陆工程场地离海岸线约10 km,吹填土层厚度为10 m。试验段场地宽28 m,长28 m。场地由海中黏土和砂吹填形成。由于吹填方式、吹泥口位置变化和水力分选等因素导致吹填场地土层变化剧烈,均匀性较差。场地中的砂层以松散状态为主,黏土层以软塑为主,地基土含砂量较大。

钻孔资料显示:试验区场地以黏土混合中粗砂为主,局部含碎石及钙质结核。0～2.0 m段以黏土为主,可塑,黄褐色,灰白色;2.0～4.0 m段黏土混杂大量中粗砂砾,砂含量40%～50%;4.0～6.0 m段中粗砂混杂黏土,黏土可塑～硬塑;6.0～8.0 m段以黏土混杂中细砂为主,黄褐色,可塑～硬塑;8.0 ～10.8 m段以中细砂混杂黏土为主。

强夯试验机械采用履带式夯机,夯锤底部为圆形,直径为2.2 m,夯锤重量为16 t,最大落距为17 m。试验区场地夯前满铺1.2～1.4 m厚且级配良好的碎石。

图1 群夯点位及试验点位布置(单位:m)

如图1所示,群夯共设81个夯点,按9排×9列布置,夯点间距3.5m。首先采用4遍主夯,以间隔跳打的方式进行夯击,单击夯击能为2 000 k N·m,夯点间距为3.5 m,夯击次数为12击且最后2击夯沉量小于5 cm。4遍主夯结束后,采用800 k N·m夯击能进行2遍辅助夯击,并整平场地。当夯锤击穿地面致使夯锤提升困难时,往夯坑内填入碎石,继续进行夯实。

2 试验方法

为满足场地后期使用对承载力和沉降的要求,强夯加固效果的准确评价至关重要。评价基本方法如下:以强夯前土体强度指标为基础,强夯法加固处理后,通过动力触探、静力触探、载荷试验等对吹填土地基加固效果进行评价分析。

2.1 静力触探

孟高头对单桥和双桥静力触探进行了对比研究,认为单桥静力触探仅能测一个参数,精度较低;而双桥静力触探技术参数较多,在划分土类别和求取土的固结系数方面精度较高,建议推广使用。

双桥静力触探的基本原理是通过一定机械,用静力将标准规格的金属探头垂直、均匀地压入土中,通过锥尖和侧壁的传感器将土体的阻力转换成电信号,接收器接受该信号,利用传感器量测表测量土层对触探头的贯入阻力,并根据测得的阻力情况分析判断土层的物理、力学性质。主要适用于黏土、粉性土和砂性土层。该工程所用静力触探设备的规格见表1。

表1 静力触探双桥探头的规格

2.2 动力触探

赵昭熔通过分析动力触探贯入破坏机理,确定地基的基本承载力,为强夯地基承载力的检测提供了理论指导。王祎望分析了动力触探试验在确定强夯地基承载力方面的可靠性,为强夯地基的检测提供了理论依据。

该工程采用重型动力触探,设备主要由触探头、触探杆及穿心锤三部分组成。触探头直径74 mm,锥角60°;触探杆配用直径42 mm、接头加厚的钻杆;穿心锤重63.5 kg。贯入前,触探杆安装平稳,保持触探杆垂直。采用自动落锤,锤击频率15～30 击/min。贯入时,穿心锤自由下落,落距为76 cm,记录每贯入10 cm的实测锤击数。

2.3 平板载荷试验

现场平板载荷试验是通过千斤顶在一定面积的载荷板上逐级对地基土施加荷载,观察并记录沉降随时间的发展趋势、稳定时的沉降量和地基土破坏时的荷载,并将试验得到的各级荷载对应的沉降量绘制成荷载-沉降(p-s)曲线,以确定地基变形模量和承载力。

岳喜兵等通过载荷试验确定强夯地基承载力,并在此基础上运用数值模拟分析得到在2倍板径范围内附加应力的分布。王吉利等研究了强夯法处理路基后的载荷试验结果,认为可以其作为地基设计的重要指标。

该工程采用圆形承压板,直径为2.55 m,面积为5.1 m2,载荷试验根据GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》附录C的要求进行。最大加载值预估为1 800 k N,加载分级为最大加载值的1/12,分级荷载为150 k N。

沉降相对稳定标准:连续2 h内的沉降量小于0.1 mm/h时,认为已趋稳定,可加下一级荷载。当出现下列情况之一时,即可终止加载:1)承压板周围的土明显侧向挤出;2)沉降s急骤增大,p-s曲线出现陡降段;3)在某一级荷载下,24 h内沉降速率不能达到稳定;4)沉降量与承压板宽度或直径之比≥0.06。满足前3种情况之一时,其对应的前一级荷载定为极限荷载。

选取试验段中心较平坦区域作为载荷试验场地,先后进行2组不同垫层厚度(分别为0.2和1.3 m)载荷试验,圆形载荷板面积为5.09 m2(板径为2.55 m)。

3 试验结果分析

3.1 静力触探试验结果及分析

为检测强夯法在吹填土地基中的应用效果,采用双桥静力触探仪进行静力触探试验,对强夯前后的吹填土地基分别进行试验,试验结果见图2～4。

当qc后/qc前=1时,强夯前后土体静力触探的锥尖阻力不变,即强夯法的加固效果为零。由图2 ～4可知:吹填土采用强夯法处理后,10 m深度范围内静力触探显示的锥尖阻力明显提高,特别是在深度6 m以内,强度提高明显,说明强夯法加固土体的有效深度约为6 m,这与江舜武等对单点夯的研究结果基本一致。

图2 CH1、CH2、CH3试点强夯前后锥尖阻力qc对比

图3 CH4、CH5、CH6试点强夯前后锥尖阻力qc对比

图4 CH7、CH8、CH9试点强夯前后锥尖阻力qc对比

对各试点的静力触探锥尖阻力进行统计,结果见表2。

表2 静力触探试验结果

由表2可以看出:强夯后吹填土地基锥尖阻力增大约35%,最大处增加约74%,吹填土地基采用强夯法加固处理后土体强度有较大幅度提高。

3.2 动力触探试验结果及分析

对4个测点进行动力触探试验,结果见图5。

从图5可知:强夯后土体的动力触探击数较夯前有一定增加,对所有动力触探数据进行线性拟合,得y=1.833x,R2=0.822。说明吹填土在强夯法加固后其密实程度提高很大,提高约83%。

根据王祎望等对动力触探击数与地基承载力建立的经验公式[见式(1)],反算得到地基的承载力(见表3)。

由表3可以看出:强夯处理后地基承载力平均值达到192.5 k Pa,约为强夯前的2.22倍,地基承载力提高约122%。

表3 重型动力触探试验结果

3.3 载荷试验结果及分析

图6为2组平板载荷试验所得p-s曲线,表4为地基承载力和变形模量。其中承载力按GB 50021-2001《岩土工程勘察规范》确定,变形模量按下式计算:

式中:E0为地基的变形模量(MPa);μ为泊松比,按0.30取值,即表层碎石垫层与下层黏土-砂混合层泊松比的均值;d为板直径(m),取2.55 m;p为比例界限荷载(kPa);s为比例界限对应的沉降(mm)。

图6 平板载荷试验p-s曲线

表4 平板载荷试验结果

试验结果表明:6个试点的沉降量在设计极限荷载下均没有达到破坏标准(6%,15.3 cm),地基承载力均大于160 kPa,较加固前有较大改善,进一步验证了强夯法在吹填土地基中的使用效果。

4 结论

该文结合连云港赣榆港区吹填土地基处理工程,对吹填土地基进行强夯法现场试验,并采用静力触探试验、动力触探试验和平板载荷试验评价其加固效果。静力触探试验结果表明强夯后吹填土的锥尖阻力提高近35%;动力触探试验表明强夯加固后土体强度提高83%,通过前人经验公式反算的地基承载力表明强夯使得土体强度提高近122%;载荷试验结果表明采用强夯法加固后地基承载力满足设计要求。强夯法在加固吹填土地基中取得良好效果,其多手段检测的指标均有较大提高,可为强夯法应用于该类地基处理提供参考依据。

参考文献:

[1]江舜武,王宝善,岳喜兵,等.强夯法加固夹砂粘土吹填场地的现场试验研究[J].防灾减灾工程学报,2014,34(4).

[2]邓永锋,岳喜兵.连云港赣榆港区起步工程吹填土场地分析报告[R].南京:东南大学,2011.

[3]孟高头,张得波,刘事莲,等.推广孔压静力触探技术的意义[J].岩土工程学报,2000,22(3).

[4]王祎望,王仁刚,闫韶兵.动刚度和动力触探在强夯地基检测中的应用[J].岩土力学,2004,25(5).

[5]赵昭熔,曹化平.动力触探试验技术的研究与应用[J].铁道工程学报,2005,12(增刊).

[6]岳喜兵,江舜武,王宝善,等.强夯地基垫层厚度对承载力和变形模量的影响[J].水利水运工程学报,2014,11(6).

[7]王吉利,刘怡林,栾茂田,等.强夯法处理黄土路基检测方法试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(增1).

[8]吴柏斌.某回填土地基强夯试验研究[J].公路与汽运,2011(4).

[9]刘利平,殷青芳,董树巍.沉管砂桩与强夯法联合加固吹填土地基试验研究[J].建筑科学,2011(9).

[10]陈晨.塑料排水板-强夯法在吹填土地基加固中的应用[D].大连:大连理工大学,2007.

[11]陈全飞.强夯法加固吹填软土地基试验研究和数值模拟[D].北京:北京交通大学,2011.

收稿日期:2015-10-19

中图分类号:U416.1

文献标志码:A

文章编号:1671-2668(2016)02-0119-04