巴基斯坦某项目强夯地基处理设计与施工工程实例

周军红

(中航勘察设计研究院有限公司,北京 100098)

0 引言

巴基斯坦某项目位于巴基斯坦Punjab省Kamra地区,该场地交通便利。场地地基土为新近沉积的粉土和砂类土，地基承载力特征值较低，靠近河道附近存在轻微液化，岩土工程勘察报告建议采用强夯法或半刚性桩复合地基，因巴方无强夯设备，将场地分层碾压比原勘察地面高出1.2～3.0 m,在此基础上进行钻孔灌注桩施工,经检测钻孔灌注桩不能满足设计要求。

设计要求对104、105、106、107、112号厂房(见图1)进行强夯地基处理,强夯后地基承载力特征值fak≥160 kPa,消除轻微液化(见表1)；为保证工程设计的要求,考虑到强夯的有效加固深度,回填土的实际回填厚度,为大面积施工提供设计参数,强夯方案施工之前布置两个强夯试验区,试夯区的位置选择在场地最有代表性的位置。

1 工程概况及工程水文地质条件

场地分层碾压比原勘察地面高出1.2～3.0 m,107、112号厂房回填碾压深度约1.2～1.5 m,104、105、106号厂房回填碾压深度约1.8～3.0 m,104号厂房西南角有一些跳跃式土坑,最深达4 m，其下为新近沉积的粉土和砂类土。

根据勘察报告，该工程揭露深度范围内土层从上至下分别描述如下：

(1)杂填土①层：褐黄—褐灰色，稍湿，松散，含大量植物根系和砖块。

(2)新近沉积层

a.粉细砂②层：褐灰色—灰褐色，稍湿，松散—稍密,含长石、云母，局部含中粗砂薄层。

b.中砂③层：褐灰色—灰色，稍湿—湿，中密—密实，含长石、云母，局部含粉细砂薄层。

土层分布见图2，土层参数见表3。

地下水类型为潜水，地下水埋深为6.0～8.0 m。根据当地记录，历年最高水埋深为1.5～2.0 m，并且随时间变化地下水位呈逐年下降趋势，目前地下水埋深大约7.0 m。该场地内的地下水对混凝土结构和钢筋混凝土结构中的钢筋均不用考虑腐蚀性。

2 强夯地基处理设计

本工程基础形式采用独立柱基和条形基础，地基承载力和沉降变形不能满足设计要求。依据岩土工程勘察报告所揭示的地层分布情况，以及现场踏勘的实际情况，经多次和设计方交换意见，对本工程地基处理可采用的方案进行了深入的分析。本着质量第一、经济合理、施工方便的原则，提出优化的地基处理方案。以下对目前可能实施的地基处理方案的优缺点进行了对比分析：若采用钻孔灌注桩，即长螺旋钻机成孔后灌注，虽然单桩承载力高且对地基承载力的改良提高作用明显，但是对地基的液化性不能起到明显的改善[1]，而且经过检测前期施工的钻孔灌注桩不能满足设计的有关要求。而如采用夯扩挤密灰土桩的方案，虽然可以消除粉细砂②层的液化性，同时挤密桩间土，但此方法施工速度太慢，效率低，施工用水、用电量大。

图1 厂房总平面布置图

图2 巴基斯坦某工程典型地质剖面图

表1 拟建物概况及设计要求参数统计表

强夯法处理地基施工工艺简单、施工速度快、造价低廉，而且在本工程地质条件下使用该方法可以成功消除粉细砂②层的轻微液化性。经强夯处理后，上部1.2～3.0 m回填碾压土在一定的深度范围内工程特性得到更好改善，②层土层轻微液化性也可以消除，并且处理夯实的面积比灌注桩和挤密桩大大增加，这对建筑物的长期稳定非常有利。根据勘察报告，该工程地层经强夯处理后比较容易满足不小于160 kPa的地基承载力要求。虽然强夯法处理地基会产生噪声和震动，但采取隔震沟等措施可以减少对周围居民的生活及周围的建筑物产生影响。由于强夯施工不用电、不用水，施工对场地的要求也低，故采用强夯的方法是可以经济快捷地达到本工程地基处理要求的。

综上所述，强夯法是处理本场地地基的最佳方案，既能满足上部结构的承载力要求，又能消除粉细砂②层的液化性，同时保证地基土的均匀性，地基土的压缩模量不小于12 MPa，减小建筑物沉降量和沉降差。

2.1 强夯设计计算

强夯设计施工参数包括：锤重和落距、最佳夯击能、单点夯击能、单点夯击击数、夯点布置、夯击遍数以及两遍间隔时间、处理范围等。

2.1.1 单点夯击能

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)[2]和公式(1)即可确定。

(1)

式中：H为加固深度，m；M为锤重，取180 kN；h为锤落距,m；α为修正系数，取0.5～0.8，本工程可以取0.6。

经计算，当锤重180 kN，落锤高度16.7 m时，即夯击能3000 kN·m时，即可满足设计要求。 考虑到本工程的重要性，同时根据地基土的类别、结构类型和加固深度，结合经验，单击夯击能取3000 kN·m。

2.1.2 单点夯击击数

单点夯击随着击数增加，土体越来越密，此时具有一个最佳夯击击数，超过此击数时，地基土不但不会加密，反而会越夯越松，因此单点夯击击数应由现场单点夯试验确定。夯点的夯击次数应满足下列条件：

a.最后两击的平均夯沉量不宜大于50 mm；

b.夯坑周围地面不应发生过大的隆起；

c.不因夯坑过深而发生提锤困难。

一般单点夯击击数为4～6击。

2.1.3 夯点布置

为了保证整个场地都能均匀加固不留空白，同时又要考虑到夯击坑的有效影响范围，因此单点夯击间距与夯锤直径有密切关系，一般夯锤直径为2.5～3 m，由单点夯试验隆起曲线可很容易确定单点夯击间距，一般遍夯单点夯击间距为6～7 m。根据本工程基础大小形式，采用直径为2.4 m的夯锤，单点夯击间距为6 m，采用三角形布置，见图3。

图3 107#厂房强夯局部平面布置示意图

2.1.4 夯击遍数

夯击时单点重夯应采取两遍，两遍布点梅花型交叉布置，最后一遍为低能量满夯。满夯能量为1000 kN·m，采用低落距锤，锤印搭接1/3。

2.1.5 处理范围

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)[2]，考虑到本工程结构要求以及地质条件，设计基础外超出的处理范围为最外边基础外皮向外不小于3.0 m。

2.1.6 两遍之间的时间间隔

因本工程地下水水位埋深较深，同时，需要进行处理的地基土含水量相对较小，根据有关经验，两遍强夯施工可连续进行。

各个厂房的强夯设计参数见表2。

表2 强夯设计施工参数统计表

2.2 变形计算

变形计算时，地基内应力分布采用各向同性均质线性变形体理论。根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[3]提供的公式，利用分层总和法进行计算：

(2)

式中：s——地基最终变形量，mm;

ψs——沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定；

n——地基变形计算深度范围内所划分的土层数；

P0——对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力，kPa;

Esi——基础底面下第i层土的压缩模量，应取土的自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力段计算，MPa;

zi、zi-1——基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离，m;

经强夯处理后，回填地段压缩模量取15 MPa，其余地段压缩模量取20 MPa。选取106#厂房中心点和角点独立基础进行计算，强夯处理后106#厂房建筑物独立基础中心点在上述两地段的变形量分别为38.161 mm和9.592 mm，沉降差为28.569 mm，沉降差满足0.002l的规范要求。经计算，其它厂房变形及倾斜都满足设计及规范要求。

3 强夯地基处理施工

本工程总体遵循先试验、后工程施工的原则安排施工。工程开始施工前，应结合工程主夯点进行一组单点夯试验，继而进行群夯试验，以确定夯击数、夯后所达到的指标，尽可能达到最佳夯实效果。

本工程具体施工顺序为先主夯，后满夯，强夯主机开行路线每遍的施工顺序应保持一致，不得逆行施工。

本工程具体施工工艺如下：

(1)推土机进场平整场地，场地标高满足设计要求→(2)定位测量第一遍夯击点位置、测量夯击点标高→(3)起重机就位，夯锤放置于夯击点位置→(4)测量夯前锤顶标高→(5)吊起夯锤进行夯击，测量夯后的锤顶标高→(6)重复步骤(5)，按照设计与试验确定的夯击参数以及控制标准，完成一个点的强夯→(7)换一个强夯点，重复步骤(3)—(6)，完成第一遍强夯→(8)用推土机将夯坑填平，并测量场地标高→(9)在一定的时间间隔后，按照前述步骤完成全部夯击点的强夯，推平场地后测量地面标高→(10)低能量满夯，能量为1000 kN·m将表层松土夯实，并测量夯后场地高程。

表3 巴基斯坦某工程基底以下土的物理力学性质统计表(平均值)

4 强夯地基处理检测

4.1 静力载荷试验

4.1.1 试验方法

静载荷试验采用慢速维持荷载法。

4.1.2 试验要点

(1)试验点确定

试验点由监理、甲方、检测方协商确定(见图4)。

图4 107#厂房夯后地基检测局部布置平面示意图

(2)试验装置

品牌经济在21世纪已经成为衡量地区市场经济发达程度的重要标志，农产品区域品牌也是一个地区农业经济和农业产业化发展程度的重要体现。农产品区域品牌竞争力是农产品区域品牌参与市场竞争的能力及品牌自身资产价值的体现，是区域农业经济发展、农业竞争力提升、农民增收乃至新型农业经营主体培育的重要抓手。新疆地域辽阔，农业资源丰富，农业生产基础条件较好，是国家的粮食、棉花、林果、畜牧四大农产品生产基地。提升新疆农产品区域品牌竞争力，有利于新疆农业优势资源转化，有利于提高新疆农产品市场份额，对于促进农业产业化、区域经济持续发展，促进农民持续增收具有重要而现实的意义。

试验采用平台堆载反力装置，即一次将所需配重均匀稳定置于钢梁组成的平台之上，使用1000 kN千斤顶配合高压油泵施加反力，载荷试验仪通过安装在千斤顶上的压力传感器和安装在压板上的位移传感器控制加荷量，记录沉降位移。加载补载均自动完成。试验装置如图5所示。

图5 静载荷试验装置示意图

(3)加载控制

试验按最大荷载的1/11，第一级加倍。每级加载后第一小时内按5、10、15、15、15 min记录沉降量，以后每隔30 min记录一次，当一小时内沉降量小于0.1 mm时认为达到相对稳定，进行下一级荷载。

(4)试验荷载

静载荷试验最大加载压力按不小于设计要求的强夯地基承载力特征值的两倍考虑。

(5)终止加载条件

①沉降急骤增大、土被挤出或压板周围出现明显的隆起；

②总沉降量已大于压板宽度或直径的6%；

④总加载量已达到要求的最大荷载；

⑤发生不可测异常情况。

(6)卸荷观测

每级卸荷量为加载量的2倍。

4.1.3 压缩模量计算

根据《岩土工程勘察规范》[4],利用公式(3)由浅层地基载荷板试验的试验结果推导土的变形模量E0。

Ε0=Ι0Κ(1-μ2)d

(3)

式中:I0为承压板影响系数,对方形板为0.866;K为在设计荷载下的浅层地基载荷板试验P-s曲线中的斜率;μ为土的泊松比,对本区常见的碎石填土地基可以取0.3;d为承压板边长,一般为1000 mm。

压缩模量Es由公式(4)从变形模量E0求得:

(4)

根据上述公式,从本工程的浅层地基载荷板试验报告选取数据进行压缩模量Es的计算。

4.2 标准贯入试验

4.2.1 判别液化标准

根据《建筑抗震设计规范》[5]，当饱和砂土和饱和粉土(不含黄土)标准贯入锤击数小于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判为液化土。

当ds≤20 m时，液化判别标准贯入锤击数临界值按下式计算：

(5)

式中:Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值；N0为液化判别标准贯入锤击数基准值，根据勘察报告本工程取8；β为调整系数，设计地震第一组取0.80，第二组取0.95，第三组取1.05；ds为饱和土标准贯入点深度，m；dw为地下水位深度，m；ρc为黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3。

4.2.2 检测数量

强夯地基进行了标准贯入试验，其中107#厂房检测图见图4。

5 强夯地基处理效果

强夯施工完毕之后进行了地基承载力检测和标准贯入检测试验，根据该工程检测报告可知：104#、105#、106#、107#和112#厂房强夯处理后的地基承载力特征值满足160 kPa的设计要求(见图6—图10)。

标准贯入试验分析结果表明：104#、105#、106#、107#和112#厂房粉细砂②层中的轻微液化现象消除，地基土均匀；压缩模量满足设计提出的地基土Es≥12 MPa的要求；强夯地基处理后地基影响深度约为7 m(以夯前标高为基准计算)，强夯地基处理到粉细砂②层底面。

图6 104#厂房地基静力载荷试验曲线

图7 105#厂房地基静力载荷试验曲线

图8 106#厂房地基静力载荷试验曲线

图9 107#厂房地基静力载荷试验曲线

图10 112#厂房地基静力载荷试验曲线

6 结论

(1)强夯地基处理技术已经广泛应用于国内各行各业地基处理工程，但在巴基斯坦某厂房进行强夯地基处理尚属首次，对于本次强夯参数及施工经验的总结显得尤为重要，对于以后该国同类工程施工具有重大参考意义。

(2)通过强夯地基处理技术在巴基斯坦某工程当中的成功应用，证明该技术可有效解决大跨度厂房建筑结构沉降、差异沉降及承载力问题，同时也能消除部分土层的轻微液化问题。

(3)强夯地基处理技术可以节约工程造价，其中强夯地基处理设计和传统桩基设计相比节约造价更加显著，同时可创造良好的经济效益和社会效益。