超高能级强夯法现场试验分析

于 健，刘 江，郭玉彬，付建宝

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222；2.大连空港建设发展有限公司，辽宁 大连 116033）

超高能级强夯法现场试验分析

于 健1，刘 江2，郭玉彬1，付建宝1

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222；2.大连空港建设发展有限公司，辽宁 大连 116033）

强夯法是一种工艺简单、经济可靠的地基处理方式。文中涉及的场地由高回填的开山碎石料形成，地处滨海地区，为消除地基沉降，计划采用强夯法对回填碎石料进行密实处理。由于本场地的回填料较厚，开展了国内罕见的夯击能为18 000 kJ、25 000 kJ、30 000 kJ的超高能级强夯试验，为了验证施工工艺的可行性及地基处理效果，在强夯施工过程进行了地基沉降、位移、孔隙水压力的动态观测以及加固后的原位试验检测。监测、检测结果表明：超高能级的强夯处理效果明显，地基压缩变形明显，地基密实度提高，有效地消除地基沉降，同时建议30 000 kJ夯击能试验区的夯点间距进一步扩大。

超高能级强夯；沉降；位移；孔隙水压力；动力触探试验；静载荷试验

0 引言

强夯法最早于1969年由法国的梅那公司发明，我国最早于1978年首次由中交天津港湾工程研究院及其协作单位在天津新港三号路进行了强夯试验现场研究。在初步掌握这种方法的基础上，于1979年又在秦皇岛码头堆煤场细砂地基上进行了现场试验并正式应用，其加固效果显著[1]，此后强夯法在全国各地迅速推广。30多a来，强夯法广泛应用于工民建、仓库、油罐、公路、铁路、机场跑道及码头的地基处理中，主要适用于加固砂土、碎石土、低饱和度粉土、黏性土、湿陷土、杂填土和素填土等地基。

1 强夯法地基加固机理

强夯法地基处理是在极短的时间内对地基土体施加一个巨大的冲击能量，这种突然释放的巨大能量将以纵波、横波、瑞利波等形式传到地下，在这些波的综合作用下，土体颗粒重新排列相互靠拢，排出孔隙中的气体或液体，使土体挤密压实，强度提高。

根据地基土的不同性质，地基强夯法加固地基的机理可分为动力密实和动力固结。对非饱和砂土，特别是孔隙多的粗粒土，强夯的巨大夯击能量所产生的冲击波和动应力在土中传播，使颗粒破碎或使颗粒产生瞬间的相对运动，迫使颗粒重新排布，从而使土体孔隙体积减少，使地基土形成较密实的结构；对于饱和的粉土、粉砂或黏性土，夯击时巨大的冲击能量在土中产生强大动应力，动应力使土体中的孔隙水压力瞬间升高，随后孔隙水压力慢慢消散，土体固结，强度增长。

2 某强夯处理试验区工程概况

某填海造地工程离岸约4 km，陆域形成回填料采用周边山体的开山石料，以石灰岩为主，采用爆破的方式开采，回填时基本以碎石、块石为主，含泥量较少，回填料粒径不均，级配较差、孔隙大。

陆域形成后，建设单位开展了多个地基处理试验区来处理回填的开山碎石层，其中采用了夯击能分别为18 000 kJ、25 000 kJ、30 000 kJ的超高能级强夯法来处理填料厚度约23 m的地基，并进行了一些有针对性的监测、检测工作，为后续地基处理的设计施工提供参数或工程经验[2-4]。

3 强夯试验方案

1）夯击能18 000 kJ强夯试验区

点夯3遍，第1、2遍点夯夯击能为18 000 kJ，间距10 m，正方形布置，每点夯击20击，最后2击平均夯沉量臆200 mm，第3遍点夯夯击能为8 000 kJ，夯点间距为9 m，排距4.5 m，等腰三角形布置，每点夯击16击，最后2击平均夯沉量臆200 mm。

2）夯击能25 000 kJ强夯试验区

点夯3遍，第1、2遍点夯夯击能为25 000 kJ，间距12 m，正方形布置，每点夯击22击，最后2击平均夯沉量臆300 mm，第3遍点夯夯击能为10 000 kJ，夯点间距为12 m，排距6 m，等腰三角形布置，每点夯击20击，最后2击平均夯沉量臆200 mm。

3）夯击能30 000 kJ强夯试验区

点夯3遍，第1、2遍点夯夯击能为30 000 kJ，间距12 m，正方形布置，每点夯击25击，最后2击平均夯沉量臆300 mm，第3遍点夯夯击能为18 000 kJ，夯点间距为12 m，排距6 m，等腰三角形布置，每点夯击20击，最后2击平均夯沉量臆200 mm。

各试验区每遍点夯之后均进行场地整平，并补填至交工标高，然后进行一遍普夯，夯击能量为1 500 kJ，每点2耀3击；最后采用激振力200耀400 kN的振动压路机振动碾压5耀8遍，直至无轮迹为止。

在试夯过程中，进行了沉降、深层水平位移、地下水位、孔隙水压力等监测工作，在强夯完成后进行了超重型动力触探试验、平板载荷试验等检测工作。监测项目平面布置见图1。

图1 监测点平面布置图（m）Fig.1Plan layout of monitoring-point（m）

4 施工过程中监测情况

4.1 土体深层水平位移监测情况及分析

为分析点夯施工时，夯击能对夯点周边土体的影响，在某一夯点一侧布置了4个测斜管来监测深层土体的水平位移情况，测斜管离试验夯点的距离分别为6 m、8 m、10 m、12 m。该点点夯后深层水平位移随深度的变化趋势见图2。图中均以指向中心夯点的方向为正方向。

图2 夯点周边土体深层水平位移变化图Fig.2 Deep soil horizontal shift variation diagram of tamping point perimeter

观测结果表明，距夯点中心不同距离处，以及不同深度处的土体均发生了水平位移，其中：

1）在水平方向上，离夯点越近，土体的深层水平位移越大，3种夯击能在距夯点最近的6 m位置处引起的土体最大水平位移分别为132.5 mm、240 mm、250 mm；距夯点最远的12 m位置处引起土体最大水平位移分别为19.8 mm、21 mm、43.8 mm。

2）在垂直方向上，地表以下约2~3 m深度范围内土体发生向夯点方向的位移，深度2~3 m以下的土体则发生远离夯点方向的水平位移，且随着夯击能的增加，最大水平位移发生的深度分别为6.0 m、6.5 m、7.5 m，高能级对于深层土体加固更为有利。

4.2 场区沉降及土体深层沉降监测情况及分析

施工过程中在夯前及3遍点夯后均进行了场地标高测量，各试验区加固边线内场地平均沉降量见表1。

为了掌握点夯施工过程中不同深度处土体的沉降情况，在试验时还进行了深层土体的沉降监测。夯击能18 000 kJ试验区的深层沉降板埋设深度分别为12 m、16 m、20 m，埋设位置位于相邻两个夯点之间，即离夯点4.5 m。夯击能25 000 kJ试验区的深层沉降板埋设深度分别为11 m、14 m、17 m、20 m，埋设位置也位于相邻两个夯点之间，即离夯点6.0 m。

在第1遍点夯过程中，点夯引起土体的侧向位移较大，对测量精度有一定的影响，且在第2遍点夯仪器均已被破坏，因此只得到第1点夯完成后的观测数据。夯击能18 000 kJ试验区深度分别为12 m、16 m、20 m的深层沉降板第1遍点夯后的沉降量分别为167 mm、64 mm、12 mm，夯击能25 000 kJ试验区深度分别为11 m、14 m、17 m、21 m的深层沉降板第1遍点夯后的沉降量分别为353 mm、142 mm、72 mm、6 mm。

对于30 000 kJ试验区，在2个夯点之间（距某个夯点6 m位置）埋设了1组分层沉降仪，对该夯点夯击后对深层土体产生的沉降进行观测，观测结果见图3。

表1 各试验区沉降量统计Table1 Settlement statistics of each test area

图3 分层沉降观测结果Fig.3 Observations of lamination settlement

可见：18 000 kJ试验区的主要沉降量发生在深度12 m以上范围内，25 000 kJ试验区的主要沉降量发生在深度14 m以上范围内；结合表1中第1遍点夯后场区平均沉降量分别为0.78 m、0.94 m，18 000 kJ试验区在12 m深度以上范围内的土体压缩量为51 mm/m，25 000 kJ试验区在17 m深度以上范围内的土体压缩量为51 mm/m。

4.3 土体孔隙水压力及地下水位监测

为了了解强夯能量在土体中引起的应力分布情况，在某个夯点周边埋设了多组孔隙水压力计来观测土体中孔隙水压力的变化，试图借以分析强夯时土体有效应力的变化情况。在砂土地基，强夯时产生超静孔压往往在数秒到1~2 min内形成峰值，又在2~3 min内迅速消散[5]，本场地地基为碎石料，空隙较大，因此采用自动采集装置进行观测，观测周期为1耀5 s，观测多个时段发现孔隙水压力基本不变，只有个别测点的压力值会有突变，但会瞬间消失。孔压观测的同时还进行了地下水位的观测，并结合当天相应工程区域内的潮汐变化情况，对试验区强夯施工时地下水位变化情况与潮汐的关系进行了对比，结果见图4。

图4 6月7日地下水位与潮汐关系曲线Fig.4 Relationship between groundwater level and tide in June 7th

由图中曲线可以看出，试验区域地下水位与潮汐变化基本同步，而水位观测位置离海边超过300 m，表明试验区的回填料的透水条件极好，因此对于该类型的地基土强夯不会引起孔隙水压力的变化或者引起的超静孔压在形成的一瞬间便消散，现有仪器设备基本观测不到，同时也说明对于该类型的碎石回填料的强夯加固，其加固机理是动力密实作用，不存在动力固结作用。

5 加固效果检测

为了进一步评价强夯加固效果在强夯加固前后分别进行了超重型动力触探试验，在强夯后还进行了平板载荷试验。

5.1 超重型动力触探试验

各试验区在强夯加固前、后分别进行了超重型动力触探试验检测，为了便于强夯加固前后的对比分析，未考虑杆长、上覆压力等对动探击数的影响，按标高对加固前、后每1 m范围内的实测动力触探锤击数进行统计平均，绘制试验对比曲线见图5。

图5 加固前后动力触探锤击数对比曲线Fig.5 Contrast curves of dynamic penetration hammer before and after reinforcement

从加固前、后的试验对比曲线可以看出，3个试验区在地表均有2耀3 m后的相对松散层，分别在标高约为-9 m、-11 m、-12 m深度范围内（标高约-11.0 m以上），超重型动力触探锤击数与加固前相比增长较为明显。

5.2 静载荷试验

设计要求场地地基承载力不得小于150 kPa，经静载荷试验验证场地的地基承载力完全能够满足设计要求，通过超重型动力触探试验结果也可以看出该场地的地基承载力应远大于150 kPa。根据规范[6]松散状态的碎石土承载力在200耀400 kPa之间，可见本项目采用回填料而形成的场地地基承载力较高，场地内回填料的强夯处理设计应以消除沉降为目的。

6 结语

1）30 000 kJ夯击能的点夯在距夯点12 m位置仍能使土体发生43.8 mm的水平位移，而距夯点8 m位置产生的水平位移与25 000 kJ夯击能下离夯点6 m位置引起的侧向水平位移接近，因此30 000 kJ的夯点间距应可以放大16 m左右，减小夯点之间的相互挤压作用，有利于对深层土体的加固。

2）在垂直方向上，地表以下约2~3 m深度范围内土体发生向夯点方向的位移，深度2~3 m以下的土体则发生远离夯点方向的水平位移，且随着夯击能的增加，最大水平位移发生的深度分别为6.0 m、6.5 m、7.5 m，高能级对于深层加固更有利。

3）该项目位于滨海地区，场地内地下水位与潮汐变化基本同步，表明回填料的透水条件极好，从加固机理上讲，强夯是通过自由落下的夯锤在地基中引起机械外力使碎石颗粒能够发生相对错动而密实，不同于黏性土、粉土、粉砂地基，外力首先引起孔隙水压力变化，超静孔隙水压力消散后土颗粒发生错动或进一步的相互挤压接触而使土体有效应力增大，因此该地基加固不存在土体固结的作用。

4）通过加固后的超重型动力触探试验和静载荷试验结果来看，该场地的地基承载力较高，能够满足陆域形成的设计要求，接下来的强夯处理设计应根据场地上部结构的使用要求以消除沉降为主要目的；超重型动力触探结果表明夯击能18 000 kJ、25 000 kJ、30 000 kJ的强夯处理分别在约13 m、15 m、16 m深度范围内有着非常明显的加固效果。

[1] 叶国良，徐宾宾.强夯加固理论及研究综述[J].中国港湾建设，2015（4）：1-5.YE Guo-liang,XU Bin-bin.Reinforcement mechanism of dynamic compaction and its literature review[J].China Harbour Engineering,2015(4):1-5.

[2]郭玉彬.大连临空产业园填海造地工程清淤换填区强夯地基处理试验区1-1区、2-1区监测（检测）报告[R].天津：天津港湾工程质量检测中心有限公司，2016.GUO Yu-bin.Monitoring test report of dynamic consolidation foun原dation treatment zone in desilting replacement area of Dalian Air原port Industrial Park reclamation project for district 1-1and 2-1[R].Tianjin:Tianjin Harbour Engineering Quality Inspection Center Co.,Ltd.,2016.

[3]于健.大连临空产业园填海造地工程清淤换填区强夯地基处理试验区1-2区、2-2区监测（检测）报告[R].天津：天津港湾工程质量检测中心有限公司，2016.YU Jian.Monitoring test report of dynamic consolidation founda原tion treatment zone in desilting replacement area of Dalian Airport Industrial Park reclamation project for district 1-2and 2-2[R].Tianjin:Tianjin Harbour Engineering Quality Inspection Center Co.,Ltd.,2016.

[4]于健.大连临空产业园填海造地工程清淤换填区强夯地基处理试验区1-2a区监测（检测）报告[R].天津：天津港湾工程质量检测中心有限公司，2016.YU Jian.Monitoring test report of dynamic consolidation founda原tion treatment zone in desilting replacement area of Dalian Airport Industrial Park reclamation project for district 1-2a[R].Tianjin:Tianjin Harbour Engineering Quality Inspection Center Co.,Ltd.,2016.

[5]高志义，高潮.某沉箱码头后方强夯试验研究[J].中国港湾建设，2010（5）：34-38.GAO Zhi-yi,GAO Chao.Research on dynamic compaction test at the back of a caisson dock[J].China Harbour Engineering,2010(5):34-38.

[6]TB 10012—2007，铁路工程地质勘察规范[S].TB 10012—2007,Code for geology investigation of railway engi原neering[S].

Field test analysis on super high energy dynamic compaction

YU Jian1,LIU Jiang2,GUO Yu-bin1,FU Jian-bao1
（1.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering of the Ministry of Communications,Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering of Tianjin,Tianjin 300222,China;2.Dalian Airport Construction Development Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116033,China）

Dynamic consolidation is a simple,economical and reliable foundation treatment method.In this paper,the site is formed by high backfill crushed stones,which is located in the coastal area,the dynamic compaction method is adopted to treat the newly backfilled rockfill to eliminate the settlement of the foundation.Because the backfill is thick on this site,we carried out a rare test of ultra high energy dynamic compaction in China,the tamping energy is 18 000 kJ,25 000 kJ and 30 000 kJ,and carried out dynamic observation of foundation settlement,displacement,pore water pressure and in-situ test after reinforcement in the course of dynamic consolidation in order to verify the feasibility of construction technology and the effect of foundation treatment.Monitoring and testing results show that the effect of super high strength dynamic compaction is obvious,the foundation compression deformation is obvious,the foundation density is improved,and the settlement of the foundation is effectively eliminated,and it is suggested that the spacing of tamping points in 30 000 kJ tamping test zone will be further extended.

super high energy dynamic compaction;settlement;displacement;pore water pressure;dynamic penetration test;static load test

U655.4；TU472.31

A

2095-7874（2017）12-0042-05

10.7640/zggwjs201712010

2017-05-19

2017-07-02

于健 （1984— ），男，山东乳山人，工程师，主要从事岩土工程勘察、设计、试验检测以及软土地基处理方面的试验研究工作。E-mail：yujian@tpei.com.cn