船厂吹填粉细砂地基强夯加固质量控制

杨 传 景

(1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063； 2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海 200063)

1 概述

修造船厂一般沿江、沿海建造，地势较低、地质条件较差，大规模换填和填筑低洼地带需要大量土石方，存在土方资源少、建设成本高等问题。而充分利用江河疏浚产生的砂土进行吹填既能解决疏浚砂土堆放占地的问题又能解决船厂地基填筑中缺少填料的问题。但吹填砂存在结构松散、含水率高、承载力差等问题；滨水船厂存在地下水位高、水位变化大、地形起伏、暗浜沟渠纵横、地势低填筑厚度大、填筑面积广等问题；随着造船技术的发展，分段造船技术运用更加普遍，大型分段运输设备的运行对地基提出了更高的要求。因此，基于长江口某大型造船厂厂内道路吹填粉细砂地基的强夯加固工程，通过多种技术手段确定强夯加固吹填粉细砂地基的施工参数和质量控制指标，为同类船厂吹填地基的强夯加固提供参考。

2 强夯施工参数确定

强夯主要通过夯锤落地瞬间产出的冲击波，使土体颗粒在竖向上产生重新排列和固结，从而达到加固土体的作用。长江口某船厂吹填粉细砂层厚度4 m～6 m，吹填时间不足半年，固结程度较低。强夯加固处理应保证以下几点：1)夯击能传递到吹填层底部，达到全厚度加固的效果；2)加固后吹填层有效固结，达到减少或消除工后沉降的效果；3)夯击间距合理，达到平面全范围加固的效果。因此，夯击能、夯点间距和夯击次数是强夯加固中主要的施工参数，关系到强夯加固效果和施工成本。

2.1 夯击能

根据勘察资料长江口某大型船厂建设区位原为沿江滩涂，经吹填长江口粉细砂后基本达到设计标高，粉细砂层厚度4 m～6 m。需根据吹填土深度采用合适的夯击参数(夯锤重量、下落高度)，保证夯击有效能应传递到吹填层底部，对吹填层全厚度进行有效加固处理，通过现场试夯，选择不同的夯锤和落距，以夯击能为变量，对应不同的静力触探结果。同时试验场地采用真空降水，将地下水位降低至6 m，外围设置封管防止强夯时地下水位回升，分别选择1 500 kN·m和2 000 kN·m的夯击能(15 t和20 t的两种夯锤落距10 m)进行试夯，试夯次数为6次，采用静力触探法测量夯后比贯入阻力。强夯机具及试夯现场见图1，夯后比贯入阻力测量结果见表1，图2。

表1 比贯入阻力表

根据现场试夯后静力触探结果，选用重量为2 000 kN的夯锤和最大提升高度10 m的起重机，根据不同的吹填层厚度调整夯锤落距，可保证吹填层厚度最大6 m时，强夯后底层粉细砂的比贯入阻力不小于3 MPa，确保夯击有效深度覆盖整个吹填层。

2.2 夯击次数

强夯涉及的是地基土在巨大的冲击力作用下的动态响应问题。可通过ansys LS-DYNA模拟强夯作用的数值分析[3]。根据地基模型在夯击作用下的土体竖向位移，分析强夯加固地基的效果，以确定夯击次数的范围。模型主要计算参数见表2。

表2 模型主要计算参数

由于强夯冲击荷载作用时间极短，在计算锤底冲击力时，不计入粘滞力对动力反应的影响。采用三角形形式定义瞬时荷载，夯击能采用2 000 kN·m。土体模型采用10 m×10 m×10 m的立方体，在土体的底面和侧面设置多次透射边界，避免振动波反射影响计算结果，土体顶面及夯锤底面定义接触面，建立土体模型和单元划分。计算结果云图如图3所示。

根据数值模拟，夯击5次以后单次夯击沉降值和累计夯沉值的变化均趋于平缓，相邻两次夯击沉降差在2 cm左右。因此，施工过程中夯击次数一般应不小于6次，根据夯击实际效果适当调整，见图4。

2.3 夯点间距

探地雷达是一种先进的无损检测方式，可通过扫描地层根据反射波的变化来分析土层结构的变化，在强夯效果监测和路基结构无损检测中已逐渐普及应用[1,2,4]。采用俄罗斯产OKO-2型探地雷达1 000 MHz天线扫描强夯后的地层反射波变化，分析强夯的水平影响范围。强夯前后地层雷达图如图5，图6所示。

根据探地雷达扫描图可知，直径2.5 m的夯锤落地后其竖向冲击能扩散角约为45°，但随着竖向深度的增加水平方向扩散的冲击能逐渐减小，1 m深度以下夯锤垂直作用区域以外的地基加固并不明显，因此点夯时夯点中心距离可控制在3.5 m，夯点呈梅花形布设，并配合1 500 kN·m夯击能的满夯，可确保对地基水平向的全范围加固。

3 强夯施工指标监测与质量控制

强夯本质上是一种动力加速地基土层固结的方法，以达到提高地基承载力、减少工后沉降的目的，除采用合理的夯击能、夯击次数、夯击间距等施工参数外，地下水位也是影响加固效果的重要因素之一，强夯时巨大的冲击能将在土体颗粒之间形成超空隙水压力，水压力能否快速消散将直接关系到加固效率和效果。同时，根据试夯和多种技术手段确定的施工参数简化施工过程中的指标监测是控制强夯加固质量，提高施工效率的重要手段。

3.1 地下水位监测与控制

长江口地下水位较高，强夯前采用真空井点降水，井点降水深度直接关系到强夯加固效果。试夯初期由于未设置水位观测井，并在降水10 h后将井点管一次性全部拔除，导致强夯后加固效果不理想，现场开挖发现地下水位约为3 m，未达到不得高于吹填层底的要求。

采取以下措施后解决了地下水进入吹填层，影响强夯效果的问题:

1)开挖排水明沟，将真空泵抽出的地下水排出至施工范围50 m以外；

2)增设观测井，采用地下水位计实时监测地下水位高度，地下水位低于设计要求水位方可拔管；

3)强夯施工时外围封管继续抽水，防止地下水回流，同时监测地下水位回升速度和高度，保证强夯施工时地下水位满足设计要求。

3.2 夯沉监测与静力触探

根据第2节的分析和计算，长江口某船厂吹填粉细砂层强夯加固时点夯采用2 000 kN·m夯击能进行强夯，夯击次数不小于6次，且测量最后两夯沉降差小于2 cm时进行下一点夯击。

根据详勘资料施工区域吹填层厚度分布不均，最深处达6 m，施工过程中根据吹填层厚度划分区域，层厚超过4 m的区域重点进行监测，强夯加固后抽取点位进行静力触探计算比贯入阻力，对其中1号路选择6个点进行静力触探，吹填层底部附件比贯入阻力均大于3.0 MPa，满足设计强度要求。

4 结语

长江口某大型造船厂新吹填粉细砂地基固结时间较短，固结度较低、地下水位高，不满足道路地基的设计要求，通过强夯进行加固处理。本文通过现场试验试夯采用静力触探和探地雷达测量，根据土层物理力学指标的变化和土层断面层结构的变化，确定了夯击能为2 000 kN·m可有效加固最厚6 m的吹填层，点夯间距3.5 m为较经济合理的夯点布设间距；同时采用大型三维有限元模拟夯锤作用下的土层竖向变形，确定了夯击次数一般不小于6次。根据强夯施工参数和设计要求，通过对地下水位的监测、最后两次夯击沉降差的测量和抽取关键位置进行静力触探等手段，对强夯加固的质量进行了有效的控制。