强夯法处理湿陷性风积砂土地基评价

柳 旻，姚晨辉，张国敬，孙 涛

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司， 陕西 西安 710043；2.哈尔滨电站设备成套设计研究所有限公司， 黑龙江 哈尔滨 150046)

“湿陷性”一词的定义最早出现在我国1966年颁布的《湿陷性黄土地区建筑规范》[1](GB 50025—1966)中：“黄土在一定的压力作用下受水浸湿，土体结构迅速破坏而发生显著附加下沉的性质，叫做黄土的湿陷性”。可以看出早期工程界对于“湿陷性”的认识主要局限在“黄土”，研究也多集中在湿陷性黄土方面，内容涉及湿陷性黄土的湿陷性机理与本构关系、湿陷性黄土试验及评价方法、基本物理力学性质指标与湿陷性关系、湿陷性黄土地基处理等等[2-11]。湿陷性砂土在我国主要分布在我国西北部，分布范围有限，相关研究成果也较少[12]，相应的地基处理方法的研究也较贫乏。随着我国“一带一路”战略实施，工程建设遇到越来越多的复杂的地基土，湿陷性砂土即是一种，如安哥拉罗安达是KK新城建设中遇到的“湿陷性红砂土”[13]、尼日利尔某炼厂建设中的“湿陷性风积砂土”等[14]，随后相关湿陷性砂土试验、评价及处理的研究也开始多起来[15-16]。

巴基斯坦塔尔煤田其位于塔尔沙漠腹地，是我国实施“一带一路”战略、推进中巴经济走廊建设的优先发展项目之一。这里土壤沙化，地貌单元为沙丘，为东北至西南走向，工程建设区遇到的地基土主要为风积砂，其具有特殊的工程性质即遇水强度降低，并产生湿陷显著的变形，这将直接影响到厂区建设以及后期运行中建筑物的安全稳定，因此必须对地基土进行处理。

国内湿陷性黄土地基处理的目的主要是消除黄土的湿陷性，提高地基的承载力，从而消除湿陷性造成的工程危害。强夯法在处理湿陷性黄土地基具有施工简便、工期短、成本低、效果好等特点，在全国湿陷性黄土地区得到广泛应用和推广[17]。但强夯法对湿陷性砂土地基处理效果如何，目前工程实例相对较少。

本文以巴基斯坦塔尔煤矿某在建电厂建设中地基处理工程为依托，开展对强夯法处理湿陷性砂土地基效果评价的研究。

1 工程地质概况

拟建场地地形较为平缓，略有起伏，高程在82 m～85 m之间，在钻探深度范围内，整个厂区地层岩性为第四系风积土(Qeol)，地层岩性单一，均为粉细砂。图1为场地内某一工程地质剖面图，按密实程度分为4个亚层：粉细砂①：灰黄色，干燥—稍湿，松散—稍密，层厚0.40 m～2.80 m，修正后的标准贯入试验锤击数平均值为13.4击；粉细砂②：灰黄色，稍湿，中密，修正后的标准贯入试验锤击数平均值为22.8击，层厚1.50 m～4.70 m；粉细砂③：灰白—灰黄色，稍湿，密实，层厚16.70 m～21.40 m，修正后的标准贯入试验锤击数平均值为70.1击；粉细砂④：灰黄色，稍湿，密实，修正后的标准贯入试验锤击数平均值为107.0击，该层未揭穿，最大揭露厚度为29.00 m，最大钻探深度50.00 m。

根据室内湿陷性试验及现场载荷试验结果：①、②层土具有湿陷性。湿陷土层分布不均匀，分布深度位于原始地面下约5.0 m深度范围内，湿陷系数介于0.015～0.090之间。

由于国内没有专门针对湿陷砂土的相关规范，故参照《湿陷性黄土地区建筑规范》[18](GB 50025—2004)，对湿陷性砂土进行评价。本场地地基土湿陷程度从轻微至强烈均有分布，因此需要对场地地基土进行处理，以消除或避免因湿陷性造成的工程危害。

图1 场地典型地质剖面图

2 强夯施工设计

本场地采用强夯法进行地基处理，要求消除①、②层土的湿陷性，强夯后地基土承载力不小于251 kPa，压缩模量不小于14 MPa。

强夯施工中夯锤重15.6 t，锤底直径为2.5 m，底面为椭圆形。点夯夯击能为2 000 kN·m，夯点间距为4 m，夯击时按间隔1个夯击点进行跳夯，跳夯间距为8 m。第一遍夯击点按正方形网格排列，间隔8 m，间隔1个夯击点跳夯夯击完成。第二遍选用第一遍已夯点间隙，采用梅花形网格排列，依次夯击完成。第三遍夯击选用第一、二遍已夯点间隙，采用正方形网格排列，依次夯击完成。点夯顺序如图2所示。

图2 强夯点布置图(单位：mm)

点夯夯击数8击～15击，最后两击夯沉量应满足小于50 mm。点夯完后以1 000 kN·m低能量满夯一遍，以加固前几遍之间的松土和被振松的表土层，夯印搭接不小于60 cm。根据前期试夯经验，在强夯施工前应对夯区进行适量增湿处理，使土体含水量达到最优，可提高强夯处理效果。

3 强夯后地基土检测结果

本场地强夯处理面积约为72 058 m2，强夯施工完成后间隔7 d～10 d，在处理过的地基土自夯面起至其下5 m或第三层土顶面的深度范围内，每隔1 m取1个土样，总计取380个试样，采用环刀法进行室内湿陷性试验，并在主要建筑物内布置了15个平板载荷试验点。

3.1 室内湿陷性试验

室内湿陷性试验统计结果见表1，从试验数据可以看出，砂土地基经过强夯处理后在0～5 m范围内湿陷系数δs多介于0.003 1～0.008 7之间，平均值为0.006 2，压缩模量为28.75 MPa～41.41 MPa，平均值为32.48 MPa，湿陷性基本得到消除。

表1 强夯处理后砂土的主要物性指标

图3、图4为强夯后砂土湿陷性系数和压缩模量散点图。

图3 强夯后不同深度湿陷性系数分布图

由图3、图4可以看出湿陷性系数多分布在0.015以下，压缩模量多分布在15 MPa～40 MPa。受场地地质条件和施工质量的差异影响，部分区域在3.0 m～4.0 m范围湿陷性系数δs达到了0.030～0.418，仍具有湿陷性，压缩模量偏低介于8.74 MPa～12.54 MPa，需进行补夯的处理，以满足设计要求。

图4 强夯后不同深度压缩模量分布图

通过采用强夯法地基处理措施，该场地湿陷性砂土在0～5 m范围内湿陷性基本得到了消除，总体判别为无—轻微湿陷，压缩模量满足设计要求。部分区域经强夯处理后仍有轻微湿陷性，分布范围小，多呈单点分布，且分散不集中。

3.2 平板载荷试验

强夯后现场平板载荷试验检测结果见表2，其p-s曲线见图5。

图5 强夯地基平板载荷试验p-s曲线

表2 平板载荷试验结果统计表

从图5、表2可以看出，强夯后地基土承载力特征值均达到251 kPa，承载力特征值对应沉降量介于3.10 mm～8.39 mm，变形模量介于24.12 MPa～65.28 MPa，p-s曲线基本无明显拐点，亦无明显的比例界限，强夯提高了地基土的承载力，满足设计要求。

4 强夯处理湿陷性砂土地基效果评价

强夯法处理地基土的机理就是通过重锤从高处自由落下，利用夯锤的势能和动能给地基土以巨大的冲击，使土体压密、固结，使颗粒结构重新排列，以达到增大地基土的密实度，提高地基土承载力，消除湿陷性的目的。因此表征砂土湿陷性、密实度的相关指标，可评价强夯效果，如湿陷性系数、干密度和孔隙比、压缩模量等，表3为未处理砂土的主要物理性质指标。

(1) 湿陷性系数。图6为强夯前后不同深度湿陷性系数平均值对比曲线，可以看出强夯处理后砂土的湿陷性系数平均值均小于0.010，特别在0～2 m范围内湿陷性系数平均值降低幅度较大，表明强夯消除湿陷性效果明显。

图6 强夯前后砂土湿陷性系数对比曲线

表3 强夯前砂土物理性质指标

(2) 干密度。图7为强夯前后砂土干密度对比曲线，可以看出强夯后砂土的干密度比强夯前提高了0.11，平均提高6.6%，表明强夯使砂土更加密实，也间接反映出砂土的湿陷性得以降低甚至消除。

图7 强夯前后砂土干密度对比曲线

(3) 孔隙比。图8为强夯前后砂土孔隙比的变化曲线。由图8可以看出砂土孔隙比较强夯前平均减小0.136，降低约19.4%。表明了强夯降低了土体孔隙比，提高了砂土的密实度，与湿陷性和干密度的分析结果基本一致。

图8 强夯前后砂土孔隙比对比曲线

(4) 压缩模量。图9为强夯前后砂土压缩模量的变化曲线。

图9 强夯前后砂土压缩模量变化曲线

由图9可以看出，相比强夯前砂土的压缩模量得到显著的提高，平均值增大19.18 MPa，提高59.1%。表明强夯也极大提升砂土的压缩模量。

5 结 论

本文通过对巴基斯坦塔尔煤矿某电厂场地湿陷性砂土地基强夯效果分析，主要得到以下结论：

(1) 强夯后地基土的检测数据表明：在0～5 m范围内湿陷性系数范围在0.003 1～0.008 7之间，平均值0.006 2，压缩模量为28.75 MPa～41.41 MPa，平均值32.48 MPa。湿陷性基本得到了消除，总体判别为无-轻微湿陷，压缩模量满足设计要求。

(2) 受地质条件及施工质量影响部分区域在3.0 m～4.0 m范围湿陷性系数δs介于0.030～0.418，湿陷性中等，压缩模量偏低为8.74 MPa～12.54 MPa，需进行补夯的处理，以满足设计要求。

(3) 分析对比强夯前后检测数据，可以看出强夯使得砂土干密度平均增大6.6%，孔隙比平均降低19.4%，压缩模量平均提高了59.1%，也间接反映湿陷性得以降低甚至消除。