强夯法处理高水位砂土地基的应用研究

程佳 张春辉 贾亚会 尚艳亮

(石家庄铁路职业技术学院1) 河北石家庄 050041 河北省高校桥隧智慧建造应用技术研发中心2) 河北石家庄 050041 中国兵器工业北方勘察设计研究院有限公司3) 河北石家庄 050011 河北省地下空间工程岩土技术创新中心4) 河北石家庄 050011)

强夯法因其具有施工设备简单、节约材料、工期短、造价低等优点得到了广泛的应用，其机理研究也到了进一步发展[1]。目前，针对碎石土、黄土、砂土和非饱和粘性土的地基处理已经具备较完善的设计施工参数与经验，但对高水位砂土地区的地基处理，还未形成成熟的强夯法经验。本文以某能源化工项目为工程实例，探讨在高水位砂土地区的强夯施工参数。

1 强夯法加固机理

强夯法进行地基处理是将夯锤提升至一定高度，使其自由落体，从而产生较大的冲击能量，在地基土中以冲击波的形式传播，使其压密，提高地基土强度、减少沉降、消除湿陷性等[2]。目前，将强夯法加固的地基土大致分为两类，一类是非饱和地基土，另一类是细颗粒饱和地基土。针对第一类地基土主要应用了动力夯实原理，即较大的冲击能使土颗粒发生重分布，土中气泡从孔隙排除，减小了孔隙体积，形成了相对密实结构。第二类地基土中，强夯法破坏了原有结构，使其渗透性增加，孔隙水压力消散后土体发生固结，主要应用了动力固结原理。P.W.Mayne[3]等人推导了普通土体在强夯作用下的夯沉量、应力波传播、动应力响应等方面的求解公式，推动了强夯加固机理的研究。郭玉玲[4]等人通过试验研究，探讨了湿陷性黄土在强夯作用下的动应力和加固深度关系。目前，对于强夯法加固饱和土地基原理的研究还很浅显，有些理论还建立在假设的基础上，因此有必要进行深入研究[5]。

2 强夯试验设计

2.1 概况

某能源化工项目位于内蒙古鄂尔多斯市乌审旗乌审召工业园内，内蒙古自治区最南端，毛乌素沙地腹地。项目地基作用在软弱土和高水位砂土上，无法达到设计要求，利用强夯法进行地基处理。土体表层属于全新统风积砂和素填土，其余为中细砂和粉细砂，属于第四系全新统冲湖积形成，地层由素填土、细砂、粉细砂、中细砂、全风化砂岩、强风化砂岩组成。场地内地下水位埋深较浅，静止水位深度范围为1.20～2.60 m，为上层滞水与孔隙潜水的结合水。根据地基设计的要求，地基承载力不应小于210 kPa，压缩模量需不应小于8.5 MPa。为达到地基设计要求，初步确定强夯的加固深度约为10 m。

2.2 强夯参数的选择

（1）夯击能的确定

夯击能一般根据场地地质条件、加固后地基承载力等来确定单击夯击能，常采用梅纳公式来计算[6]，即

式中，G为夯击能(t·m)；M为夯锤重量(t)；k为不同地基土的修正系数；H为加固深度(m)。

由式(1)可得夯击能为：

该项目预估处理深度为10 m，场地以细砂和粉细砂为主，根据场地勘察资料及地区施工经验，确定修正系数k值，也可根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)确定单击夯击能[7]。因此该项目前两遍单击夯击能为8000 kN·m，最后一遍单击夯击能为3000 kN·m。

（2）夯点布置与间距

依据场地的工程勘察报告，细砂层与粉砂层是强夯处理的主要土层，处理面积广，故第一遍和第二遍采用正方形布点，第三遍满夯采用等腰三角形布点。根据相邻夯点间的扩散情况进行夯距计算，加固深度与加固深度之间的关系，如图1 所示。

图1 加固深度与加固宽度计算图

由图2 可知，强夯加固宽度b为：

图2 强夯布点示意图

式中，b为加固宽度(m)；D为夯锤直径(m)；θ为扩散角，根据土质情况确定，一般为22 °～30° ；H为加固深度。

夯点间距L为：

式中，h'为满夯时的有效影响深度，一般为1 m～3 m；L为夯点间距；其他意义同前。

该工程满夯(第三遍)时夯击能为3000 kN·m，此时h'取值为1.5 m；θ为30°；夯锤直径为2.5 m。代入式(4)得L=4.0 m。夯点布置，如图2 所示。

（3）夯击次数和夯击遍数

该项目场地地基土以细砂和粉细砂为主，土体密实度较小，第一遍和第二遍的夯击次数为10～15 击，每个夯点的最后两击平均沉降量不应大于规范要求。根据项目场地土质情况，确定夯实遍数为2 遍，最后在满夯一遍。

（4）间隔时间

间隔时间取决于超静孔隙水压力消散时间，由于项目场地为砂土地基，静孔隙水压力消散时间很短，故可连续夯击。

（5）试夯检测及优化设计

按上述强夯参数在试夯区进行试夯，施工结束14 d 后进行检测，处理后地基承载力达到210 kPa以上，压缩模量达到8.5 MPa 以上。根据检测结果判定强夯参数是否需要修正。

3 强夯质量检测研究

为确定强夯的处理效果，采用不同方法进行质量检验。

3.1 静载荷试验

静力载荷试验，也被称为载荷试验，是一种测试方法，旨在模拟地基在实际工作状态下的情况，该试验能够综合性地反映土层的应力-应变-时间关系特征[8]。图3 所示为试验装置示意图。

图3 试验装置示意图

本项目静载荷试验通过200 吨千斤顶进行加压，刚性方形承压板的边长为1.41 m，压力通过负荷传感器测读，传感器的量程为1000 kN，测量采用50 mm 量程的百分表。当最终荷载为420 kPa时，所有试验点总沉降量范围为18.90 mm～28.52 mm，根据测量结果，p～s曲线呈现出缓变型特征。图4 为检测最大沉降的夯点及夯间p～s曲线图。

图4 p～s 曲线图

3.2 标准贯入试验

通过标准贯入试验可以检验地基土的密实情况以及其强度。标准贯入试验的检测时间需强夯施工完成7 d 后进行，8 个夯间处的具体试验击数，见表1。

表1 标准贯入试验结果表

3.3 动力触探试验

动力触探是利用一定的落锤能量，将探头打入地基土中，根据打入的难易程度判断土体性质的一种原位测试方法[9]。动力触探试验的检测时间同样需强夯施工完成7 天后进行，检测采用超重型（120 kg）动力触探试验，检测为4 个夯点和4 个夯间。8 个检测点的具体试验结果，见表2。

表2 超重型动力触探试验结果表

根据表2 三种检测结果可以判断，该强夯参数可以满足设计要求：（1）地基承载力特征值不小于210 kPa；（2）根据原位测试结果和相关经验，试夯区地基土的压缩模量最优取值如下：在4 m深度以内为14 MPa，在4 m 深度以下为20 MPa。

4 结语

（1）根据工程实例，证明强夯法适合处理高水位砂土地基，其处理效果较好。

（2）在高水位砂土地区进行强夯施工时，采用夯击能量较大的方法以提高地基的承载力，夯击遍数不少于3 遍。

（3）针对高水位砂土地基的特点，我们提出了三种不同的检测方法，通过对检测结果进行对比分析，以确保处理后地基的承载力和变形值的准确确定。