晋祠灌区渠道基础处理中强夯技术的应用

孙 娟

(太原市晋祠水利管理处，山西 太原 030000)

1 黄土湿陷机理

湿陷性黄土又名大孔土，黄土结构疏松，具有较多结构性空隙，湿陷性黄土中不抗水颗粒受水浸湿后如遇一定压力，土体结构将迅速破坏，出现明显的湿陷变形，强度迅速降低。黄土湿陷将严重削弱地基承载力，无法达到建筑设计承载能力要求，还会引发已有建筑物的不均匀沉降，严重威胁建筑物的安全。实践表明，强夯治理可以有效加固湿陷性黄土基础，消除地基场内沉陷的不利影响。强夯技术是将夯锤持续升至相应高度后，通过直接砸击地基土而向其施加地基颤动能量，压缩地基土原有空隙，使土颗粒重新压密排列后固结，从而提升土体承载力，消除土体压缩性和湿陷性的地基加固技术，强夯法是湿陷性黄土基础处理经济而有效的措施，尤其对于非自重湿陷性黄土基础的加固较为适用[1]。

2 强夯技术在湿陷性黄土基础处理中的应用

晋祠灌区位于太原市著名的晋祠风景旅游区，是一个具有3000年灌溉历史的自流灌区。南北分别与晋源区姚村、金胜接壤，东临汾河，西依悬瓮山，地形为北高南低，西高东低，属太原盆地的一部分。气候属半干旱大陆性气候，多年平均降雨量450mm，主要降雨集中在5-9月份，年平均蒸发量1450mm，冻土层深74cm。

2.1 试夯施工

灌区渠道沿线分布长度为15.58km的黄土，结合勘察资料，黄土区3-6m为轻微-强烈湿陷性黄土，6m以下为非湿陷性黄土，黄土比重2.17，干密度1.43-1.56g/cm3，液限23-27.6%，塑限15.0-15.8%，塑性指数7.8-10.9，饱和状态下黏聚力17.0-25.0kPa。根据灌区该段湿陷性黄土基础所处地理位置及对工程的影响，拟进行预浸水、挤密桩、置换法和夯击法进行处理。为确定最佳处理方案，决定对天然含水率下强夯技术的可行性与适用性进行试夯试验，试验内容主要有试夯施工、夯击前后土的物理力学性质取样与试验、振动检测等。按照含水率、湿陷等级和土层厚度的不同划分试验区，见表1。

为给灌区湿陷性黄土基础处理提供有效的可比性数据，确保大面积施工质量，对试夯施工进行如下安排：在每段场地中划分出两个10×10m的试夯区域，进行不同夯击能试验，1#夯击区域采用预浸水增湿后与其余不浸水的2#、3#、4#、5#、6#夯击区域进行强夯结果对比。

表1 试验区划分情况

2.1.1 设备参数的确定

灌区湿陷性黄土基础强夯试验所需设备名称、数量、型号等参数具体如下：YTHQ450型强夯机1台，36.0t夯锤1个，用于试夯施工；ZL20G型装载机1辆，用于场地与夯坑平整；DS3水准仪1个，用于高程与夯坑沉降量测量；100.0m钢卷尺1个，用于夯点测放；Ys-1型压缩仪2台；WG-4型固结仪1台、GYS-2型电子液塑限仪2台、JG-328型光电分析天平3台，用于试夯后土常规、压缩性、湿陷性及含水量等参数的室内检测与试验；TYL-30型原位荷载仪1台，于试夯后进行承载力检测。

2.1.2 施工参数确定

强夯技术应用时必须严格按照土层湿陷属性、含水率、夯点距离、处理深度等参数确定夯击能，按照《湿陷性黄土地区建筑施工规范》(GB50025-2004)(以下简称规范)，采用强夯法处理湿陷性黄土基础，土的含水率应低于塑限含水率3%，对于拟夯实基层，土体天然含水率低于10%，应增湿直至接近最优含水率，而当土体含水率大于塑限含水率3%以上，应晾干或通过其他措施降低含水率[2]。

本次试验夯击次数按照规范确定，夯点的夯击次数必须同时满足以下条件：最终两击夯沉量平均值≤50mm，单击夯击能E≥4000 kN·m时的夯击次数≤100mm，夯坑周围地面不能出现过大隆起，避免夯坑过深带来的起锤困难。“点夯+满夯”的夯击遍数为2+1遍，按正方形布置的夯点中心距为5m。

2.2 强夯后的检测成果

试夯试验表明，灌区湿陷性黄土在天然状态下按照不同夯击能夯击后，土层干密度明显增加，压缩变形程度降低，地基所允许承载力也有大幅度提升，详见表2。天然状态下夯击能为3000-5000kN·m时，地表以下4m内夯后干密度增加，200kPa的湿陷系数增大，湿陷性黄土的湿陷性完全消失；夯击能为5000 kN·m及以上时，地表以下5-7m以内夯后干密度增加，200kPa的湿陷系数增大，湿陷性黄土土层湿陷性完全消失，仅在5#夯击区4-7m土层可能存在轻微-强烈的湿陷性以及6#夯击区5-7m土层存在中强湿陷，结果表明，强夯技术对湿陷性黄土基础加固处理效果明显。

表2 夯击前后实现性黄土干密度与湿陷对比

2.3 振动检测

为进一步明确强夯试验所引起的振动对周边土层及建筑物的影响范围与程度，选择1#和2#两个夯击区域，增大夯击能，进行不同距离最大水平振速和垂直振速的振动检测，检测结果详见表3。

根据夯击试验振动检测结果，按照《爆破安全规程》(GB6722-2014)有关规定，振动主频率为10-50Hz时所允许的安全振速为0.7-1.3cm/s，安全夯击距离为10-20m，完全符合《强夯施工手册》所规定的安全夯距。

表3 强夯试验振动检测结果

续表3 强夯试验振动检测结果

3 讨论与结论

检测结果显示，天然含水率越低则黄土湿陷性越强，黄土干密度越大则孔隙比越小，湿陷系数越小。强夯技术通过改变黄土的黏粒含量、可溶盐含量、含水率及干密度等进而改变黄土的湿陷性，达到加固土基的目的。除天然含水率、干密度之外，黏粒含量、可溶盐含量也是影响黄土湿陷性的重要因素[3]。黏粒含量越少则黄土结构中的胶结作用越弱，湿陷性越强；固态形态的可溶盐具有胶结黄土的作用，可溶盐溶解后呈离子状态时将与土粒表面所吸附的阳离子发生置换，改变黄土的湿陷性。研究结果表明，与其他地基处理方法相比，强夯技术处理湿陷性黄土基础效果好、造价低、工期短，强夯所引起的振动对周边土层及建筑物的影响范围与程度完全符合《强夯施工手册》安全夯距的规定。