医院工程施工中含砾黏土地基强夯加固试验研究

韩莅莉

摘 要：针对医院工程施工中含砾黏土导致承载力和贯击次数变化的问题，运用浅层平板荷载试验以及标准贯入试验，对强夯前后的Q1～Q4试验区进行分析，得到强夯加固存在适宜能级，同时得到加固深度。基于试验结果，运用数值模拟软件对强夯加固进行模拟，得到数值模拟的加固深度与试验的加固深度接近。由此说明数值模拟可为实际工程提供支持，减少试验流程。

关键词：强夯;地基处理;有效加固深度;含砾黏土

中图分类号：TU745 文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）12-0125-04

Experimental Study on Dynamic Consolidation of Gravel Clay Foundation in Hospital Construction

Han Lili

（BeiJing TongRen Hospital， CMU， Beijing 100176， China）

Abstract：In the hospital construction， the gravel clay causes the bearing capacity and the penetration times to change. Shallow plate load test and standard penetration test are used to analyze the Q1～Q4 test area before and after dynamic consolidation. It is found that there is an appropriate level of dynamic compaction， and the consolidation depth is obtained. Based on the experimental results， the numerical simulation software is used to simulate the dynamic consolidation， in which the consolidation depth of numerical simulation is close to that of experiment. This shows that numerical simulation can provide support for practical engineering， so as to reduce the experiment process.

Key words：dynamic consolidation; foundation treatment; effective consolidation depth; gravel clay

0 引言

對大型工程而言，对地基承载力、强度等都有非常高的要求。一旦地基当中出现砾黏土，会造成地基力学性能降低，渗透性不均匀，进而给地基的承载力造成影响。针对这种情况，工程上往往会对含砾黏土的地基进行加固[1-3]。在加固中，强夯法是常用的一种加固方式，但传统的强夯加固具有工序复杂，以及检测项目多的缺点[4-6]。所以如何减少强夯法的缺点，成为当前工程研究的重点。而针对强夯法的缺点，人们提出引入有限元分析方法对强夯加固方案进行优化，进而减少强夯法在实际应用过程中的工艺。基于此，本研究以某医院工程含砾黏土地基为背景，运用试验法和有限分析法对地基强夯地基加固方案进行优化，进而解决强夯加固中深度问题，为含砾黏土地基的强夯加固提供更为科学和合理的方案。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

该医院工程位于某丘陵地带，主要为耕地和林地。通过对该项目的地质勘察，该工程地质地层主要包含9个岩土体单元，如填土、坡击黏土、黏土、含砾黏土、全风化灰岩等。其中，含砾黏土中的角砾和砾石的总体含量在10%～20%，整体粒径大小在2～20 mm，部分砾石和角砾的粒径超过100 mm。同时土质局部坚硬，属典型的中压缩性土。

1.2 试验目的

地质勘查表明，该工程整体地质条件好，但含砾黏土地基复杂。如果采用传统的试验方法，很难找到最佳的强夯加固工艺。因此，本试验的目的，是对含砾黏土地基进行试验，并通过有限元分析方法对试验参数进行验证，以进一步验证和简化强夯法在含砾粘土地基加固的效果。

1.3 施工工艺

根据1.1的工程勘察结果，设置Q1～Q4  4个试验区。在4个试验区中，通过试验的方式确单点夯击的次数，而收夯的标准是两次夯击下平均沉降量小于5 cm。具体的强夯施工参数见表1所示。

1.4 试验方案

1.4.1 标准贯入试验

通过试验，选取Q1～Q4   4个试验区的4个测点，选取的深度在0～0.8 m，然后进行贯入试验，以检测土体的相关参数，如土地的含水率、粘聚力、压缩模量、贯击次数。其中，贯击次数的计算采用公式[7]：

式中，Nx为实测锤击数;Nx'为锤击数平均值;n为统计的测量数。本试验用的标准贯入的锤重包括10、63.5和120 kg。

1.4.2 荷载力试验

按建筑关于地基的GB 50007—2011[8]和JGJ 79—2012[9]的标准，选用0.25 m2的方形承压板进行荷载试验。试验中，基坑的底宽度应大于方形承压板直径或宽度的3倍。试验中，每隔10 min进行读数，连续3次读数不变，即可进行试验。其中浅层平板荷载装置如图1所示。

变形模量E0（MPa）计算公式为[10]：

式中，I0为刚性承压板的形状系数，I0=0.886;为土体松泊比;d为承载板边长或直径;p为p-s曲线线段的压力，kPa;s为与p对应的沉降，mm。

2 结果与分析

2.1 标准贯入试验结果

通过强夯处理前后对Q1～Q4 4个试验区4个测点标准贯入击数的测量，得到不同深度下的标准贯入平均击数，具体如图2和图3所示。

由图2和图3看出，经强夯加固后，标准贯击次数在Q1试验区内，在0～1 m从6次左右下降到5次以下;在Q2～Q4区，其贯击的次数也明显减少。而在2～5 m深度，贯击次数有明显增加。通过以上的结果可以判定，随着夯击能级的不断增加，强夯对土体被破坏的深度也在不断的增加。在一定的深度后，贯击的次数也出现明显下降的趋势。而随着土体表层被破坏的增加，夯击能的损失也在出现不同程度的增加，加固的有效深度出现下降。同时通过图2和图3的加固效果表明，Q1、Q2区优于Q3、Q4区，且Q1～Q4 4个区的有效加固深度分别约为4.95、5.83、4.47和4.25 m。

2.2 荷载力试验结果

通过强夯处理前后测量的浅层平板荷载力，得到图4和图5的结果。

由图4和图5对比看出，经过强夯处理后，除Q1的平均最大沉降量约为16.8 mm外，其余Q2～Q4的平均最大沉降约22.5 mm。根据该结果看出，随着夯击能的增加，各加载阶段沉降量的减小幅度变小。另外，随夯击能的增加，4个试验区的承载力特征值也都有所提高。由此可以看出，通过强夯可提高试验区的承载力，即可对土层进行加固。而在1.5～2 m内，随着夯击能的增加，沉降量逐步扩大。因此，根据该结果得出选择合适的夯击能也是影响加固的一个关键参数。

3 数值模拟分析

为进一步验证上述加固的效果，确定最优的加固参数，在上述实验的基础上，通过数值模拟的方式进行强夯加固模拟。

3.1 本构模型

首先采用弹性模型分析材料内部力学问题。选择该模型的原因，是因为只需体积模量K和剪切模量G，且运行快，课更好的找到应力位置，帮助划分网格密度;其次，选择摩尔库伦模型对土体应力和应变关系进行建模。

3.2 模型参数选取

摩尔库伦模型参数：夯锤半径r为1.5 m，模型长、宽、高分别为10、10、25 m，上层表面无约束，底部各方向位移及侧面各方向位移为0，边界3个方向全部固结，地面为自由边界，生成的网格模型为20000。

剪切模量G、体积模量K、变形模量E0用式（3）～（5）进行计算。

泊松比、粘聚力、密度等参数则根据前期勘查资料整理，结果如表2所示。

3.3 数值模拟结果与分析

3.3.1 位移云图

由于Q2区域较典型，故本数值模拟以Q2为例;Q2的应力云图如图6所示。由图6可看出，随着夯击能的增加，土体的水平和竖直位移呈现为不规则的变化。其中，水平位移变化明显，增加较大;但持续增加，使得夯坑出现裂缝。由此说明，强夯能的增加并不是越大越好，而是存在一个合适的强夯能。

3.3.2 应力云图分析

通过分析土体模型在不同夯击能下最大应力变化，结果如图7所示。由图7可看出，最大主应力随深度的增加而在不断地减少。与此同时，夯坑侧壁拉应力随能级的增加而增长，当夯击能由1 200 kN加至1 600 kN时，最大主应力不断增加。随夯击能继续增加，加固深度变化减少，甚至出现减小的趋势。出现以上的原因，可能是随着土体表层破坏的增加，土体与水相互作用，耦合效应加剧所致。故夯击能有所消耗，即强夯加固效果减弱。

3.3.3 加固效果

不同夯击能作用下的强夯加固深度如表3所示。结果表明，数值模拟测定的有效加固深度与2.1现场试验测定的有效加固深度非常接近。

4 结语

通过对医院含砾黏土地基加固的研究，得出以下几点结论：

（1）通过标准贯入试验，发现夯击能的增加， 在一定深度范围内，土体的贯击次数和力学性能逐步。

（2）通过对含砾黏土地基强夯加固效果的数值模拟，得到在不同深度下的最佳夯击能有所不同。

（3）在不同夯击能下，强夯的有效加固深度不同。但数值模拟和试验测定发现，两者之间的参数非常接近。由此，通过该问看出，对含砾黏土地基加固，通过数值模拟得到的结果与试验接近，因此课通过数值模拟方式对实际工程问题进行解决。

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