砂土地基强夯影响因素及振动规律的现场试验研究

陈向阳，郭冰鑫，谢玲霞，马永峰.中国港湾工程有限责任公司科技部，北京0007.中国石油工程建设公司环境岩土分公司，山东青岛6607



砂土地基强夯影响因素及振动规律的现场试验研究

陈向阳1，郭冰鑫1，谢玲霞1，马永峰2
1.中国港湾工程有限责任公司科技部，北京100027
2.中国石油工程建设公司环境岩土分公司，山东青岛266071

摘要：针对某些大型建筑工程地基软土地质发育，下卧地层常为高含水量、高压缩性、低强度土层的情况，开展了砂土地基强夯的现场试验。根据试验结果，分析了地下水位、软土夹层、满夯遍数及振动碾压对砂土地基强夯加固效果的影响，探讨了不同能级强夯振动规律。研究结果表明：地下水位对强夯加固深度和效果有明显影响，砂土地基强夯时，若地下水位过高，需将地下水位降至地面下2～3 m后再施工；加固深度内若有软土夹层，则会明显减小强夯夯能向下传递效果，因此需提高单击夯能来提高强夯加固效果；第二遍满夯的加固效果不明显，可与第一遍满夯合并，或者用具有相同加固效果的振动碾压方式来替代；通过对不同级别强夯振动的现场试验，提出了不同能级强夯振动的三向加速度峰值衰减系数和当量系数值，并给出了不同能级强夯振动的安全距离。

关键词：砂土地基；强夯；现场试验；影响因素

随着能源需求的进一步加大，我国在沿海地区兴建了越来越多的大型炼厂或港口等大型建筑工程，且规模朝着大型或巨型方向发展。由于在滨海、冲积平原等区域软土地质发育，下卧地层常为高含水量、高压缩性、低强度的土层，因此土层存在着明显的固结过程，这不但使地基产生显著沉降，同时也决定了地基沉降是一个长期复杂的过程。随着软土地基固结过程的发展，长期沉降持续增加，差异沉降相应增加，导致结构的横向、纵向内力分布规律连续发生改变，当结构内力超过强度极限时，将导致结构产生纵、横向裂缝，从而影响建筑的正常使用及安全运营，因此，必须对大型建筑工程地基中软弱土层进行先行处理。强夯法作为地基加固的常用方法，在诸多工程应用中取得了良好的地基处理效果和经济效益，因而亦常用于大型石化工程或港口工程的地基处理中。在石化工程中，一些学者对强夯法的应用进行了研究：高广运等［1］探讨了高能级强夯在大型石化工程中的应用，刘红军等［2］对大型储罐高能级强夯碎石地基变形进行了数值分析，满俊英等［3］对预增湿高能级强夯处理大型储罐地基进行了试验研究，嵇转平［4］对广东某石化厂油罐非均匀回填土地基进行高能级强夯试验，何国富等［5］阐述了石化地基松散回填土场地柔性墩强夯置换法地基处理效果，栾帅等［6］对残积土回填地基高能级强夯进行了现场试验研究，给出了不同类型地基强夯的有效加固深度。

本文基于砂土地基强夯的现场试验结果，分析了地下水位、软土夹层、满夯遍数及振动碾压对砂土地基强夯加固效果的影响，探讨了不同能级强夯振动加速度变化规律，并给出了粉细砂土地基强夯振动的安全距离。

1　试验工程地质条件

依托工程场区地貌单元为榕江三角洲平原，地形较平坦开阔。场区地基土主要为第四系人工填土层、第四系全新统的风-水堆积层、沼泽相沉积层、海陆相交互沉积层、第四系上更新统的海陆相交互沉积层、冲洪积层、残积层以及燕山期花岗岩层。揭露岩层分别为全风化层、强风化层、中风化层，局部为微风化层。工程场地上部广泛分布着10.0～20.0 m厚的第四系风-水堆积粉细砂层及0.5～21.0 m厚的淤泥质黏性土，其中②1层细砂层级配不良，以松散状态为主，局部稍密，属于中等液化土层；②2层粉细砂层级配不良，稍密～中密，饱和，属于轻微～中等液化土层，局部严重液化；淤泥质黏性土呈软塑～可塑状态，具有抗剪强度低、孔隙比及有机质含量大、压缩性高、灵敏度高及流变性强等不良工程特性。上述软弱土层处理将对工程的正常与安全运营产生显著影响，处理方案的选取和优化亦影响项目的投资和工程进度，因此场地软弱土层的加固处理已成为工程建设的关键问题。

2　强夯效果的影响因素分析

2.1地下水位

地下水位对强夯加固效果及加固深度有一定的影响，为研究砂土地基采用强夯加固时地下水位的影响程度，以提高强夯加固效果，在场地的典型区域进行了降水前后的强夯对比试验。

降水前地下水位埋深约0.5 m左右，经井点降水后，地下水位下降至地面以下2.5 m左右。降水前后均进行强夯试验，试验方案为：强夯分4遍进行；第1、2遍为点夯，夯击能为3000kN·m，点夯间距6m，呈正方形布置，夯点的收锤标准为最后两击的平均夯击沉降量小于50 mm；点夯结束后，采用1 000 kN·m夯击能满夯2遍，每夯点两击。未降水和降水条件下强夯前后静力触探试验结果见图1。

图1　未降水与降水条件下强夯前后静力触探试验曲线

由图1可知，地下水位对强夯加固深度和加固效果具有显著影响。当地下水位由0.5 m降低到2.5 m左右时，强夯加固后的静力触探试验锥尖阻力可以提高30％～60％，有效加固深度可以增大10％～30％。强夯加固砂土主要依靠强夯夯击产生的剪切波和压缩波对砂土颗粒发生的共同作用，地下水位较浅时，地表附近砂土含水率和饱和度很高，夯能主要被浅层砂土孔隙水所吸收，这导致砂土颗粒吸收和传递的有效夯能显著减小，从而明显降低强夯动应力的传递深度。所以地下水位过高，严重影响强夯的加固效果和加固深度。

根据本次试验结果，结合国内外类似工程经验，采用强夯法加固砂土地基时，若现场地下水位过高，可采用井点降水结合明沟排水的方式来降低地下水位，将地下水位降低到地面以下2～3 m后再进行强夯施工，且夯能越大，要求地下水位降深越大。

2.2软土夹层

场地内部分区域存在不同厚度的软土夹层，软土夹层的存在会对强夯夯能传递产生一定程度的影响。从所做的15 000 kN·m和12 000 kN·m能级强夯试验结果可知，试验区场地10～11 m深度附近存在的软土夹层对强夯夯能传递产生显著影响。由于该软土夹层对夯能的吸收作用，导致15 000 kN·m和12 000 kN·m能级强夯对软土夹层下面砂土几乎不再产生加固作用。

为进一步探讨浅层软土夹层对夯能传递的影响，对相同夯能作用下不同软土夹层情况的强夯效果进行了对比。图2为有无软土夹层存在时3 000 kN·m能级强夯后的静力触探试验对比曲线，从图中可以看出，当在深度2 m左右存在一薄层软土夹层时，软土夹层对强夯夯能的传递具有明显的减弱作用，可以明显降低软土夹层下面砂土的加固效果。深度2 m左右的这一软土夹层的存在，可以减小加固后软土夹层下面砂土的静力触探锥尖阻力15％左右，减小有效影响深度10％左右。

图2　不同软土夹层情况下强夯加固后静力触探试验曲线

从本次试验结果可知，在场地设计加固深度内若存在软土夹层，将会明显减小强夯夯能向下传递效果。因此，在进行强夯设计时应考虑该软土夹层的影响，需根据软土夹层的埋深和厚度适当增加强夯的单击夯击能量。

2.3不同能级满夯两遍的对比分析

本工程分别采用了15 000 kN·m和12 000 kN·m能级进行了强夯试验，其中15 000 kN·m的试验小区在点夯后分别进行了3 000 kN·m和1 000 kN·m的满夯；在12 000 kN·m的试验小区则在每遍点夯后分别进行了2 000 kN·m和1 000 kN·m的满夯。为对比分析点夯后相邻两遍不同夯能满夯的加固效果，每遍满夯后均在相应试验区的典型位置进行静力触探试验，具体试验结果见图3。

图3　满夯后静力触探试验结果

由静力触探试验结果可知，第一遍满夯采用的是3 000 kN·m或2 000 kN·m夯能，再进行第二遍1 000 kN·m满夯后，其静力触探检测结果相比第一遍未见有明显变化，因此，在进行完第一遍3000kN·m 或2 000 kN·m夯能满夯后再进行第二遍满夯作用不大。大面积施工时可考虑合并第一和第二遍满夯。

2.4振动碾压加固效果分析

曾有学者在洋山港等地（洋山港的吹填粉细砂和本工程的粉细砂颗粒组成相近）进行过振动碾压加固前后的对比试验，试验采用自身重力不小于180 kN、激振力不小于350 kN的振动压路机，碾压时采用先稳压一遍，再振动碾压6遍的方法（振动碾压机一个来回为一遍）。碾压前后的典型静力触探试验结果见图4。当地下水位埋深不小于2 m时，对于粉细砂土，振动碾压的最大加固深度可达到地面以下2m。由于第一遍满夯后再进行最后一遍1 000 kN·m能级满夯的目的是加固浅层1～2 m的粉细砂层，而振动碾压的最大加固深度也可达地面以下2 m，因此可考虑采用振动碾压来代替最后一遍的1 000 kN·m能级的满夯。

图4　洋山港振动碾压前后静力触探试验曲线（强夯加固后）

3　不同能级强夯振动规律

3.1强夯振动测试方案

为确定不同能级夯击振动的水平影响范围，以确保周围建（构）筑物的安全，在进行单点夯时选择典型剖面进行振动加速度测试。加速度监测方法是在地表距离夯点不同位置处（3、5、10、20、30 m）分别放置一个三向加速度传感器，测试强夯过程中引起地表加速度的变化情况。每一测点的加速度分为径向（测点与夯击点连线方向相同）、切向（测点与夯击点连线的垂直方向且平行于水平面）和竖向。为防止夯击时加速度计被弹起，将加速度传感器埋入砂层内0.5 m深度处。

3.2强夯振动加速度变化规律

15 000、12 000、8 000、3 000、1 000 kN·m 的5个能级强夯典型加速度时程曲线见图5。

图5　不同能级下三向振动加速度峰值衰减曲线

从图5中距夯点中心不同位置处的振动加速度测试值可知：

（1）在各能级强夯作用下，竖向、径向和切向的加速度峰值均与距夯点中心的距离有关，各级夯能下的加速度峰值均随距夯点的距离增大而近似呈负幂函数的形式急剧减小，径向加速度衰减速度最快，竖向较径向略小，切向加速度衰减速度最慢。由各级夯能作用引起的不同位置处的地面振动加速度峰值可以用下式表示：

式中：a为距夯点R处的地面加速度峰值，m/s2；g为重力加速度，m/s2；R为测点距离夯点的距离，m；W是夯锤质量，t；H为夯锤落高，m；Es为加固前土的压缩模量，MPa；β为加速度峰值衰减系数；k为当量系数。

根据实测结果，利用式（1）拟合后的不同能级三向加速度峰值衰减系数β和当量系数k见表1。

表1　不同能级三向加速度峰值衰减系数和当量系数值

（2）各向加速度峰值随单击夯能的增加而增加，但增加幅度逐渐减小，当夯能大于12 000 kN·m时，各向加速度峰值受单击夯能增加的影响很小。夯能越大，各向加速度峰值衰减得越快。

（3）同一点三个方向上的加速度峰值，径向较竖向略大，切向明显小于竖向和径向。

3.3强夯振动安全距离分析

目前国内外在对强夯振动的安全距离进行分析时，大多根据建（构）筑物破坏标准和人体对振动的允许标准确定强夯施工振动的安全距离，一般将强夯振动影响划分为3个区域：破坏区（振动加速度＞0.5 g，速度＞5 cm/s）、损坏区（振动加速度0.1 ～0.5 g，速度1～5 cm/s）及相对安全区（振动加速度＜0.1 g，速度＜1 cm/s）。考虑到强夯振动的径向加速度最大，且一般建（构）筑物对水平加速度更敏感，因此本次确定不同能级强夯振动安全影响范围以水平径向加速度为控制指标。根据实测不同能级强夯振动加速度结果，利用式（1）可初步得到粉细砂土地基上各能级强夯施工时振动的相对安全距离，见表2。

表2　不同能级强夯振动的安全影响距离

4　结论

（1）地下水位对强夯加固深度和效果有明显的影响，降低地下水位可提高强夯加固深度和效果。砂土地基强夯时，若地下水位过高，需将地下水位降至地面下2～3 m后再施工。

（2）加固深度内的软土夹层会明显减小强夯夯能向下传递效果，在进行强夯设计时应考虑该软土夹层的影响，根据软土夹层的埋深和厚度适当增加强夯的单击夯击能量。

（3）第一遍满夯后，再进行第二遍满夯，其加固效果已不明显，故可和第一遍满夯合并处理，或者用具有相同加固效果的振动碾压方式来替代。

（4）通过对不同能级的单击夯能振动现场试验，分析了强夯振动规律，提出了不同能级的三向加速度峰值衰减系数和当量系数值，并给出了不同能级强夯振动的安全距离，可为强夯施工安全与设计提供借鉴与参考。

参考文献

［1］高广运，水伟厚，王亚凌，等.高能级强夯在大型石化工程中的应用［J］.岩土力学，2004，25（8）：1 275- 1 278.

［2］刘红军，赵世斌，贾贵智.大型储罐高能级强夯碎石地基变形数值分析［J］.岩土工程学报，2010，32（S2）：228- 231.

［3］满俊英，王乐福，袁致明，等.预增湿高能级强夯处理大型储罐地基试验研究［J］.施工技术，2012，41（8）：77- 79，83.

［4］嵇转平.高能级强夯法处理非均匀回填地基试验研究［J］.施工技术，2012，28（5）：44- 47.

［5］何国富，张玲云，韩根荣.松散回填土场地柔性墩强夯置换法地基处理［J］.施工技术，2013，42（15）：96- 99.

［6］栾帅，王凤来，水伟厚.残积土回填地基高能级强夯有效加固深度试验研究［J］.建筑结构学报，2014，35（10）：151- 158.

Field Test on Influencing Factors and Vibration Law of Dynamic Compaction for Sand Foundation

CHEN Xiangyang1，GUO Bingxin1，XIE Lingxia1，MAYongfeng2
1. Research & Technology Department，China Harbour Engineering Company Ltd.，Beijing 100027，China
2. Geotechnical Engineering Department，China Petroleum East China Design Institute，Qingdao 266071，China

Abstract：Aimed at the condition of soft foundation and underlying stratum with high water content，high compressibility and low strength in some large scale construction projects，the field test of sand foundation dynamic compaction was conducted. Based on the test results，the influences of underground water depth，soft soil interlayer，number of full- compaction and vibro- rolling on foundation reinforcement effect have been analyzed. Vibration law of different energy- level dynamic compaction has been investigated. Some conclusions have been drawn. Firstly，underground water depth has an obvious influence on reinforcement depth and effect. For dynamic compaction in sand foundation，if the underground water level is high，the water level should be reduced to 2～3 m under the ground surface. Secondly，when soft soil interlayer exists in reinforcement depth，the transmitting effect of compaction energy will be weakened and single compaction energy should be increased to improve reinforcement effect. Thirdly，reinforcement effect of the second time full- compaction is not very obvious. Therefore，the second time full- compaction can be combined with the first time full- compaction or substituded by vibro- rolling which has the same reinforcement effect as the second time full- compaction. Based on vibro test of different energy- level dynamic compaction，attenuation coefficients and equivalent coefficients of peak accelerations in three directions are proposed. And vibration safety distance of different energy- level dynamic compaction in fine sand foundation is also proposed.

Keywords：sand foundation；dynamic compaction；field test；influence factor

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.017

作者简介：

陈向阳（1982-），男，湖北咸宁人，工程师，2009年毕业于河海大学水利水电工程专业，硕士，主要从事港口、路桥工程设计与管理方面的工作。Email：chenxy0317@gmail.com

收稿日期：2015- 12- 15