软土地基的强夯法处理分析

刘俊贤

(中国石油工程设计有限公司西南分公司,成都 610000)

1 强夯法的加固机理

强夯机理研究主要侧重于夯击能对地基土所产生的作用及其在地基土体中的传递过程,这对强夯参数设计、优化及施工都有直接的指导意义。但由于强夯法适用的地基土范围广泛,且不同地基土之间存在显著差别,因此关于强夯法加固地基的机理,目前国内外尚未形成统一认识。但公认的是,首先应该区分宏观机理和微观机理,对饱和土与非饱和土加以区分,同时对饱和土中粘性土与无粘性土也应该加以区别。对特殊土,如湿陷性黄土、膨胀土等,还应考虑其特殊性,必要时应进行专门分析。同时,还要考虑强夯施工工艺,即单击夯击能量、单位面积平均夯击能、夯击次数以及夯击遍数等。

强夯在极短的时间内对地基土体施加一个巨大的冲击能量,加荷历时几十至100ms,冲击能转化为各种波型传递到地基土体内。由强夯产生的冲击波按其在土中传播和对土作用的特性可分为体波和面波。体波包括纵波(P波)和横波(S波),从夯击点沿着一个半球波阵面径向向地基深处传播,对地基土可起压缩和剪切作用,引起地基土的压密固结。面波(R波)从夯击点沿地表传播,其随距离的增加而衰减的幅度比体波慢得多,对地基土不起加固作用,其竖向分量对表层土起松动作用。因此,强夯的结果是在地基中沿深度形成性质不同的3个区,首先为地基表层松动区,当松动区下面某一深度,受到体波的作用,使上层产生沉降和土体的压密,形成加固区,加固区下面冲击波逐渐衰减,不足以使土产生塑性变形,对地基土不起加固作用,即为弹性区,如图1。

2 强夯法在软土处理中的应用

2.1 现行强夯法对软土处理失败的原因分析

图1 强夯法加固机理

现行强夯施工工艺,一般先进行高能量的单点夯击再用低能量的满夯进行处理,单点的夯击能一般在1000～6000kN·m,夯击次数一般在8～15击,收锤标准为最后2击累计沉降差小于5～10cm。这种方式考虑的是充分利用高夯击能,但对土体的结构破坏却考虑不足。沈珠江教授曾在文章《软土工程特性和软土地基设计》中指出,天然粘土多具架空结构,大孔隙之间形成透水通道,因此在高孔隙比的同时必具有较强透水性。天然粘土的固结系数可以达到同样条件下重塑土的10～15倍,渗透系数也可能达到重塑土的2～4倍。

根据其微观结构,孔隙比大、含水量高、渗透性差、强度低的软粘土,在强夯的高夯击不能像其余粗颗粒非饱和土一样瞬间排出大量的水,由于水来不及排出,随着体积的缩小,孔隙水压增高且短时间内难以消散,土的抗剪强度大大降低,如连续夯击,则会出现橡皮土。软粘土所具有的结构性与结构强度,在通常强夯法的处理下,地基表层土结构受到破坏,既损失结构强度还大幅度下降影响其渗透性,导致工程处理失败。在以往的工程施工中,均因如上原因导致处理失败,不仅没有起到加固作用还需要以高昂代价重新处理橡皮土。如天津在20世纪80年代的某工程,虽考虑到排水因素,采用了砂井排水结合进行处理,但仍未达到处理效果,有大量剩余沉降没有完成,导致强夯失败。

2.2 对软粘土处理的方法分析

2.2.1 合理排水体系分析

根据以上分析,结合软粘土特性,大部分强夯处理软粘土失败的原因均产生于橡皮土,其中最重要的就是排水问题没有解决好。采取何种排水方式如砂井排水、预压排水、插设塑料排水板、开挖排水盲沟等均可起到一定排水作用。但在强夯的高夯击能下,排水体系也将受到冲击和破坏导致其排水作用大大降低。因此可采取多种方式结合的方法,如在竖向插设塑料排水板、横向由塑料排水板排至地表或夯坑中,再用泵及时抽走的方式进行处理。

2.2.2 合理施工工序分析

现行强夯施工工艺的处理方式是先用高能量夯击加固深层土体,再用低能量夯击加固表层土体。但由于软粘土的特殊性,如在一开始就进行高能量的夯击,软粘土中的水很难在短时间排出,同时导致孔隙水压力增大却又难以消散,土的抗剪强度大大降低,形成橡皮土。因此为适应软土的高含水量、低渗透性、低强度的方式,应一开始采取较小的夯击能使表层土体先排水固结,形成一个“硬壳层”。有了“硬壳层”以后就能承受更大的夯击能,然后再逐渐增大夯击能,向深层加固。为使软粘土中的孔隙水压能充分消散,不能采取以往累计沉降小于5cm的收锤标准,而应当在夯2～5击后就暂停,待孔隙水压消散后再进行夯击,为达到处理效果应采取多遍夯击的方式。

2.2.3 单点夯击次数的分析

由于软粘土强度低,渗透性低的特点,如采取以往通常的夯击方式来进行夯击则土体结构会遭到破坏。强度很低、孔压很高的软粘土地基对夯击次数的确定尤其重要,为避免土体的宏观结构遭到破坏,夯击次数应尽可能减少,同时增加夯击遍数,单点夯击的收锤可参考如下标准。

(1)夯坑周围布出现明显隆起。

(2)出现过大的侧向位移。

(3)后一击夯沉量小于前一击,如后一击夯沉量大于前一击,则说明土体结构遭到破坏。

(4)控制单点夯击的夯坑深度,按通常经验不能超过60cm。

2.2.4 满夯的处理分析

由于采取的是先用低能量夯击再用高能量夯击,先加固表层土再加固深层土的方式对软粘土进行处理,对满夯的要求不如低含水量粗颗粒土的要求高。但满夯可以增强其压实度与均匀度,因此满夯也是必须进行的,满夯遍数可根据现场情况如土含水量的变化、地层情况的变化、孔隙水压力的变化等进行调整,即信息化施工。

2.3 对软粘土地基处理的机理分析

强夯法处理高含水量软土地基与处理其余低含水量粗颗粒土、填土、湿陷性黄土地基其施工设备、方式、方法均有很多相同之处,仅施工工序有些许变化。但就是这些结合软粘土特性而做出的些许变化,使强夯法处理高含水量软土成功率得到了很大的提升。在以往的强夯处理中,强夯过程可划分为能量转换、液化破坏、压密固结和触变变化4个阶段,随着处理工序的改变,其处理机理也有变化。可分为能量转换与夯坑冲剪破坏,在这个阶段中,由于采取了较小的夯击能和较低的夯击遍数,坑壁四周土体遭受破坏较小,夯坑表面隆起也较小,并可杜绝丢锤现象;超孔隙水压力上升与消散阶段,因加强了排水体系的设置和夯能的降低,其孔隙水压力增量较小,消散加快,且不会出现上层土体结构的破坏与液化;固结压密阶段软粘土地基固结过程相对较慢,因采取了排水体系的设置,缩短了孔压消散时间加快了固结过程;触变固化与强度提高阶段,因较低的夯击能消除了液化区和破坏区,因而表层土体的强度提高较大,强夯效果明显。

3 结语

强夯对粗颗粒非饱和土、含水量不大的素填土和杂填土以及湿陷性黄土的处理已日趋成熟,但对于含水量高的软土,一些教科书或标准规范中都有明确规定不宜采用或不能采用强夯法进行处理尤其是饱和粘性土,并存在一些失败工程的例子。但强夯法所具有的设备简单、经济易行、处理迅速的优点能成功地运用于处理高含水量软土中,则能带来巨大的经济效益和社会效益。因此,强夯加固软土机理的研究在工程实际运用中具有十分重要的意义。

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