强夯法对杂填土地基处理效果的实例分析

2012-01-23刘东甲侯超群

合肥工业大学学报(自然科学版) 2012年6期

关键词：夯点遍数夯法

李浩，刘东甲，侯超群

（合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009）

所谓杂填土［1］，是由于人类的生产和生活活动形成的地面填土层，其填筑物随着地区的生产和生活水平不同而异，其性质与其组成和原地貌有关，回填的方法通常是任意堆放。

目前杂填土地基处理的主要方法是：① 机械振动压实法；② 换上扩建层法；③ 重锤夯实法；④ 短桩处理；⑤ 挤密碎石桩复合地基；⑥ 素混凝土桩复合地基；⑦ 强夯法；⑧ 振冲挤密法；⑨ 灌浆法［2］。

本文属于工程实际问题，该工程是咸阳市上林路K2＋420～K2＋560段杂填土地基处理。通过各种地基处理方法的比选，用强夯法进行地基处理，进行强夯法设计，由此论述了强夯法的具体施工过程，并对处理效果进行了检验，检验是否符合设计要求。

1 场地工程地质条件

该场地土层主要由第四系全新统及上更新统冲积细砂、中砂组成，大部分堆积较厚的生活垃圾与建筑垃圾混合物杂填土。其层序和各层土的特征如下：

（1）杂填土。灰黑色，成分混乱，砖瓦碎块、煤碴、矿石、混凝土块，夹有大量生活垃圾等，臭味浓烈，分布极不均匀。层底埋深0.4～12.6 m，层底标高372.2～385.6 m。

（2）细砂。灰黄色，上部局部夹有黄土状土，主要成分为石英和长石，厚度为1.5～5.5 m，层底埋深为5.5～5.9 m，层底标高378.9～380.4 m。

（3）黄土状土。灰黄色，具少量大孔隙，只分布在1号钻孔处，厚度约为3.0 m，层底埋深5.6 m，层底标高380.4 m。

（4）中砂。黄褐色—黄色，主要矿物成分为石英、长石、和少量云母。本层颗粒上部细，向下变粗，上部夹粉土和粉细砂透镜体。呈中密—密实状态。该砂层未穿透，最大揭露深度20.0 m，揭露厚度达7.2 m。

由室内试验土工实验及野外原位测试结果，经数理统计获得主要土层物理力学性质指标统计值，见表1、表2所列。由表1、表2统计结果，对主要地基土层的物理力学性质作如下评述：

（1）杂填土。主要由建筑垃圾及生活垃圾组成，分布不均匀，成分复杂，实测动探击数2～8.7击，平均值3.6击，松散—稍密。工程性能差异很大，性质不稳定。

（2）细砂。实测标贯击数为11～21击，平均值16.6击，稍密—中密。工程性能较好。

（3）中砂。实测标贯试验击数19～59击，平均34.6击，呈中密—密实状态，工程性能好。

由土工试验标贯及动探试验原位测试结果，依据文献［3－4］和地区建筑经验确定各层地基土的承载力特征值，见表3所列。

表1 标准贯入试验结果

表2 动探试验结果

表3 地基承载力特征值 k Pa

2 地基处理方案的确定与设计

2.1 处理方案的选定

地基处理方法很多，每种处理方法都有一定的适用范围、局限性和优缺点。排水固结法主要特点是理论成熟，但需要压荷载而且预压时间较长，对工期紧迫、缺乏压载条件的工程是难以应用的；深层搅拌法适宜于加固饱和软黏土，但对水质要求较高，而且会不同程度上造成环境污染；水泥土搅拌法不仅可以较大提高地基承载力，而且可以减少原地基沉降量的1／3～2／3，沉降较快趋于稳定，但是这种方法造价高，水泥用量很大；石灰桩法在生产石灰的地区是首选的方法，具有较强的区域性，这种方法目前的施工工具和施工工艺也还不能满足要求，同时存在着环境污染的问题；振冲碎石桩法具有排水固结和置换挤密双重作用，但软土侧向约束作用较差，透水性差，高灵敏的软土被挤密后破坏了原来的结构，不能达到预期的加固目的；强夯法是一种施工简单、经济有效的地基处理方法，但这种方法施工中所产生噪音、振动会造成一定的环境污染。

在诸多地基处理方法中，强夯法所用设备简单，原理直观，适用范围广泛，可用于加固各种填土、湿陷性黄土、碎石土、砂土、一般黏性土、软土以及工业、生活垃圾等地基，特别是对于非饱和土加固效果显著。

当今，强夯法是当前最经济而简便的地基加固方法之一［5－6］，广泛应用于房建、桥涵、道路、港口、码头、机场、大型设备基础等工程，显示出其蓬勃的生命力，投资节省和加固速度快是其主要优势所在，见表4所列。

表4 几种主要地基处理方法单位面积造价时间比

2.2 强夯法设计

强夯法在工程中得到了广泛的应用，但至今尚无一套成熟的设计计算方法。目前通常是针对具体工程根据经验初步选定设计参数，再通过现场试验的验证和必要修改后，最终确定适合于现场土质条件的设计参数。强夯法的主要设计参数包括：有效加固深度、夯击能、夯击次数、夯击遍数、间隔时间、夯击点布置和处理范围等。

2.2.1 地面设计承载力估算

根据“上林路市政工程施工图设计文件”，可知该路规划红线宽50 m，道路红线外两侧各控制5 m宽绿化带，道路断面为三块板型式，其中，机动车道 23 m，隔离带2×2.5 m，非机动车道2×5 m，绿化带2×3 m，人行道2×3 m。路面结构设计如下。

（1）机动车道路面结构，各层厚度如下。

面层：AC－16Ⅰ型中粒式沥青混凝土5 cm。

下面层：AC－30Ⅰ型粗粒式沥青混凝土7 cm。

喷洒乳化沥青透油层：1.0 kg／m2。

基层：二灰碎石（石灰、粉煤灰、碎石的配比为7.5∶17.5∶75）23 cm。

底基层：石灰土（含灰量10%）30 cm。

（2）非机动车道路面结构，各层厚度如下。

面层：AC－16Ⅰ型中粒式沥青混凝土5 cm。

喷洒乳化沥青透油层：1.0 kg／m2。

基层：二灰碎石（石灰、粉煤灰、碎石的配比为7.5∶17∶75）20 cm。

底基层：石灰土（含灰量10%）30 cm。

（3）人行道路面结构，各层厚度如下。

面层：面砖采用200×100×60彩色通体透水砖6 cm。

座浆层：M7.5水泥砂浆3 cm。

垫层：C20混凝土6 cm。

基层：石灰土（含灰量10%）15 cm。

由此可计算公路基础自重约为：G＝2.37×0.13＋2.05×0.23＋2.15×0.3＝1.42 t／m2，即设计荷载为14.2 k Pa。

根据文献［7］可知轮胎接地压强p为700 k Pa，见如表5所列，取扩散角为35°，则轮胎接地压强作用于地基上的荷载为：

表5 标准轴载计算参数

所以基底附加应力为基础自重与轮胎接地压强的和，即40 k Pa，小于杂填土的承载力特征值。由此可知地基强度条件满足下文处理地基变形条件。

2.2.2 确定有效加固深度

强夯法的有效加固深度是指起夯面以下，经强夯加固后，土的物理力学指标已达到或超过设计值的深度。根据不同的地层和加固目的，有效加固深度的判别标准和检验方法也不相同。对软土地基，主要是提高地基承载力和减少沉降量；对饱和砂土和粉土，主要是消除液化趋势；对黄土及新近堆积黄土主要是消除湿陷性、提高地基承载力。对不同的土质条件和不同的工程应采用不同的标准。

地基土的压缩是由外界压力在地基中引起的附加应力所产生的。在理论上，附加应力可深达无穷远，但实际计算地基土的压缩量时，只须考虑某一深度范围内土层的压缩量，这一深度范围内的土层就称为“压缩层”。在水利工程中通常按竖向附加应力σz与自重应力σs之比确定。对于一般黏性土，当地基某深度的附加应力σz与自重应力σs之比等于0.2时，该深度范围内的土层即为压缩层；对于软黏土，则以σz／σs＝0.1为标准确定压缩层的厚度［8］。

由勘查报告可知，需要处理的地基的长l＝140 m，宽b＝50 m。经过承载力估算确定该地基受均布荷载40 k Pa，若取压缩深度z＝10 m，据此可求地基中心点处的附加应力，因l1＝l／2＝140／2＝70 m，b1＝b／2＝50／2＝25 m，则l1／b1＝70／25＝0.8，z／b1＝10／25＝0.4。由文献［8］查得应力系数，所求的附加应力和自重应力为：

则σz／σs＝39.062 4／200＝0.195 312＜0.2，所以压缩深度取10 m，即有效加固深度为10 m。

2.2.3 选取夯锤与落距

单击夯击能等于锤重乘以落距，由处理深度根据修正后 Menard公式［9］确定单击夯击能E，即则E＝Mh＝（H／a）2×10＝（10／0.8）2×10＝1 563 k N·m。其中，H为加固深度；M为锤重；h为落距；a为小于1的修正系数，变动范围为0.35～0.80，饱和软土取0.45～0.50，一般黏土取0.50，砂性土取0.70，填土取0.60～0.80，黄土取0.35～0.50。

在单击夯击能相同的情况下，实践表明，增加锤重W比增加落距h更有效，但锤重越大，对起吊设备要求越高［9－10］。所以选择锤重为12 t，落距为13 m。夯锤用圆形，直径为2.5 m。

2.2.4 夯击遍数及次数的确定

强夯中，夯击次数是强夯设计中的一个重要参数。对于碎石土、砂土、低饱和度的湿陷性黄土和填土等地基，夯击时夯坑周围往往没有隆起或虽有隆起但其量很小，这种情况下，应尽量增多夯击次数，以减少夯击遍数。但对于饱和度较高的黏性土地基，随着夯击次数的增加，土的孔隙体积因压缩而逐渐减小，但因这类土的渗透性较差，孔隙水压力将逐渐增长，并促使夯坑下的地基土产生较大的侧向挤出，引起夯坑周围地面的明显隆起，此时若继续夯击，并不能使地基土得到有效的夯实，而造成浪费。

在施工场地选取一个地质条件有代表性的试验区，平面尺寸为28 m×32 m［11］。在试验区内进行详细的原位测试，采取原状土样测定有关数据。根据拟定的试验方案进行现场试夯施工。施工中应做好现场测试和记录。测试内容包括：夯点沉降观测（测出每个夯点的每一击夯沉量及总夯沉量）、夯坑周围隆起、振动影响范围、饱和软黏土孔隙水压力的增长和消散情况等。试夯结束后1～4周进行试夯效果检验，并与试夯前的数据进行对比。检验试夯前后的检测资料，分析试夯效果是否符合要求。如果不符合要求，应补夯或调整强夯参数后再进行试验。如果符合要求，则由夯沉量与夯击数关系曲线确定最佳夯击数，并正式确定强夯施工所采用的其他技术参数。

根据现场试夯画出夯击次数N与每击沉降量Δs的关系曲线，当Δs－N曲线趋于稳定接近常数时，且满足最后2次平均沉降量不大于50 mm；夯坑周围地面没有发生过大的隆起；不因夯坑过深而起锤困难3个条件时，可取相应的夯击次数为最佳夯击数［12］。

夯击遍数是指将整个强夯场地中同一编号的夯击点夯完后算作1遍。夯击遍数应根据地基土的性质确定。一般来说，有粗颗粒土组成的渗透性强的地基，夯击遍数可少些；由细颗粒土组成的渗透系数小的地基，夯击遍数要求多些［13］。根据日本资料报导，对于碎石、砂砾、砂质土和垃圾土，夯击遍数为2～3遍；粉性土为3～8遍，泥炭为3～5遍。最后在对全部场地进行轻量级夯击，使表层土得以夯实。

根据现场试验，本次强夯法的强夯次数确定为9次，强夯遍数确定为2遍。最后再以35 t压路机振动碾压一遍，其目的是将松动的表层土碾压密实。

2.2.5 夯击点布置及间距

当基础面积较大时，可按正方形布置夯击点的平面位置。夯击点间距的确定一般根据地基土的性质和有效加固深度要求确定。细颗粒土为了便于超静孔隙水压力的消散，夯点间距不宜过小。当要求加固深度较大时，第1遍的夯点间距更不宜过小，以免夯击时，在浅层形成密实层而影响夯击能往深层传递。此外，若夯点间距太小，在夯击时上部土体易向侧向已夯成的夯坑中挤出，从而造成坑壁坍塌、夯锤歪斜和倾倒，以致影响夯实效果。这一点已被实践所证明。根据国内经验第1遍夯击点间距可取夯锤直径的2.5～3.5倍，对处理深度较深或单击夯击能较大的工程，第1遍夯击点间距应适当增大。第2遍夯击点位于第1遍夯击点之间。又由于强夯夯击时，应力向外扩散，因此，夯击点必须间隔5～9 m夯距。若夯点紧接，应力叠加，效率降低。经综合考虑取夯击点间距为7 m，如图1所示。

由于应力扩散作用，夯击点范围应大于建筑物基础范围，每边超出基础外缘的宽度，宜为设计处理深度的1／2～2／3，但不宜小于3 m。本工程取6 m。

图1 夯点平面布置图

2.2.6 2遍夯击的间歇时间

间歇时间是指2遍夯击之间的时间间隔。间歇时间取决于土中孔隙水压力的消散时间。对于砂性土，孔隙水压力的消散时间只有3～4 min，故可连续作业；对于细粒土，当缺少实测资料时，可根据地基土的渗透性确定；对排水条件差的饱和粉土和黏性土地基，一般不少于3～4周［14］。本工程取间歇时间为7 d。

3 施工

3.1 施工设备

强夯法的施工设备主要包括夯锤、起重机、脱钩装置等。需要注意的是，由于履带式起重机空车停置时对地面的压力为80～100 k Pa，空车行驶时为100～190 kPa，起重时为170～300 k Pa。因此，为保证起重机正常施工，要求在地基先铺设厚度为0.5～2.0 m的粗粒料垫层，用推土机推平并来回碾压，以形成一层稍硬的表层作为施工场地的通道，以支承超重设备［15］。