强夯法处理湿陷性风积砂土地基评价

2020-07-07姚晨辉张国敬

水利与建筑工程学报 2020年3期

柳旻，姚晨辉，张国敬，孙涛

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043；2.哈尔滨电站设备成套设计研究所有限公司，黑龙江哈尔滨 150046)

“湿陷性”一词的定义最早出现在我国1966年颁布的《湿陷性黄土地区建筑规范》[1](GB 50025—1966)中：“黄土在一定的压力作用下受水浸湿，土体结构迅速破坏而发生显著附加下沉的性质，叫做黄土的湿陷性”。可以看出早期工程界对于“湿陷性”的认识主要局限在“黄土”，研究也多集中在湿陷性黄土方面，内容涉及湿陷性黄土的湿陷性机理与本构关系、湿陷性黄土试验及评价方法、基本物理力学性质指标与湿陷性关系、湿陷性黄土地基处理等等[2-11]。湿陷性砂土在我国主要分布在我国西北部，分布范围有限，相关研究成果也较少[12]，相应的地基处理方法的研究也较贫乏。随着我国“一带一路”战略实施，工程建设遇到越来越多的复杂的地基土，湿陷性砂土即是一种，如安哥拉罗安达是KK新城建设中遇到的“湿陷性红砂土”[13]、尼日利尔某炼厂建设中的“湿陷性风积砂土”等[14]，随后相关湿陷性砂土试验、评价及处理的研究也开始多起来[15-16]。

巴基斯坦塔尔煤田其位于塔尔沙漠腹地，是我国实施“一带一路”战略、推进中巴经济走廊建设的优先发展项目之一。这里土壤沙化，地貌单元为沙丘，为东北至西南走向，工程建设区遇到的地基土主要为风积砂，其具有特殊的工程性质即遇水强度降低，并产生湿陷显著的变形，这将直接影响到厂区建设以及后期运行中建筑物的安全稳定，因此必须对地基土进行处理。

国内湿陷性黄土地基处理的目的主要是消除黄土的湿陷性，提高地基的承载力，从而消除湿陷性造成的工程危害。强夯法在处理湿陷性黄土地基具有施工简便、工期短、成本低、效果好等特点，在全国湿陷性黄土地区得到广泛应用和推广[17]。但强夯法对湿陷性砂土地基处理效果如何，目前工程实例相对较少。

本文以巴基斯坦塔尔煤矿某在建电厂建设中地基处理工程为依托，开展对强夯法处理湿陷性砂土地基效果评价的研究。

1 工程地质概况

拟建场地地形较为平缓，略有起伏，高程在82 m～85 m之间，在钻探深度范围内，整个厂区地层岩性为第四系风积土(Qeol)，地层岩性单一，均为粉细砂。图1为场地内某一工程地质剖面图，按密实程度分为4个亚层：粉细砂①：灰黄色，干燥—稍湿，松散—稍密，层厚0.40 m～2.80 m，修正后的标准贯入试验锤击数平均值为13.4击；粉细砂②：灰黄色，稍湿，中密，修正后的标准贯入试验锤击数平均值为22.8击，层厚1.50 m～4.70 m；粉细砂③：灰白—灰黄色，稍湿，密实，层厚16.70 m～21.40 m，修正后的标准贯入试验锤击数平均值为70.1击；粉细砂④：灰黄色，稍湿，密实，修正后的标准贯入试验锤击数平均值为107.0击，该层未揭穿，最大揭露厚度为29.00 m，最大钻探深度50.00 m。

根据室内湿陷性试验及现场载荷试验结果：①、②层土具有湿陷性。湿陷土层分布不均匀，分布深度位于原始地面下约5.0 m深度范围内，湿陷系数介于0.015～0.090之间。

由于国内没有专门针对湿陷砂土的相关规范，故参照《湿陷性黄土地区建筑规范》[18](GB 50025—2004)，对湿陷性砂土进行评价。本场地地基土湿陷程度从轻微至强烈均有分布，因此需要对场地地基土进行处理，以消除或避免因湿陷性造成的工程危害。

图1 场地典型地质剖面图

2 强夯施工设计

本场地采用强夯法进行地基处理，要求消除①、②层土的湿陷性，强夯后地基土承载力不小于251 kPa，压缩模量不小于14 MPa。

强夯施工中夯锤重15.6 t，锤底直径为2.5 m，底面为椭圆形。点夯夯击能为2 000 kN·m，夯点间距为4 m，夯击时按间隔1个夯击点进行跳夯，跳夯间距为8 m。第一遍夯击点按正方形网格排列，间隔8 m，间隔1个夯击点跳夯夯击完成。第二遍选用第一遍已夯点间隙，采用梅花形网格排列，依次夯击完成。第三遍夯击选用第一、二遍已夯点间隙，采用正方形网格排列，依次夯击完成。点夯顺序如图2所示。

图2 强夯点布置图(单位：mm)

点夯夯击数8击～15击，最后两击夯沉量应满足小于50 mm。点夯完后以1 000 kN·m低能量满夯一遍，以加固前几遍之间的松土和被振松的表土层，夯印搭接不小于60 cm。根据前期试夯经验，在强夯施工前应对夯区进行适量增湿处理，使土体含水量达到最优，可提高强夯处理效果。

3 强夯后地基土检测结果

本场地强夯处理面积约为72 058 m2，强夯施工完成后间隔7 d～10 d，在处理过的地基土自夯面起至其下5 m或第三层土顶面的深度范围内，每隔1 m取1个土样，总计取380个试样，采用环刀法进行室内湿陷性试验，并在主要建筑物内布置了15个平板载荷试验点。

3.1 室内湿陷性试验

室内湿陷性试验统计结果见表1，从试验数据可以看出，砂土地基经过强夯处理后在0～5 m范围内湿陷系数δs多介于0.003 1～0.008 7之间，平均值为0.006 2，压缩模量为28.75 MPa～41.41 MPa，平均值为32.48 MPa，湿陷性基本得到消除。

表1 强夯处理后砂土的主要物性指标

图3、图4为强夯后砂土湿陷性系数和压缩模量散点图。

图3 强夯后不同深度湿陷性系数分布图

由图3、图4可以看出湿陷性系数多分布在0.015以下，压缩模量多分布在15 MPa～40 MPa。受场地地质条件和施工质量的差异影响，部分区域在3.0 m～4.0 m范围湿陷性系数δs达到了0.030～0.418，仍具有湿陷性，压缩模量偏低介于8.74 MPa～12.54 MPa，需进行补夯的处理，以满足设计要求。

图4 强夯后不同深度压缩模量分布图

通过采用强夯法地基处理措施，该场地湿陷性砂土在0～5 m范围内湿陷性基本得到了消除，总体判别为无—轻微湿陷，压缩模量满足设计要求。部分区域经强夯处理后仍有轻微湿陷性，分布范围小，多呈单点分布，且分散不集中。

3.2 平板载荷试验

强夯后现场平板载荷试验检测结果见表2，其p-s曲线见图5。

图5 强夯地基平板载荷试验p-s曲线

表2 平板载荷试验结果统计表

从图5、表2可以看出，强夯后地基土承载力特征值均达到251 kPa，承载力特征值对应沉降量介于3.10 mm～8.39 mm，变形模量介于24.12 MPa～65.28 MPa，p-s曲线基本无明显拐点，亦无明显的比例界限，强夯提高了地基土的承载力，满足设计要求。

4 强夯处理湿陷性砂土地基效果评价

强夯法处理地基土的机理就是通过重锤从高处自由落下，利用夯锤的势能和动能给地基土以巨大的冲击，使土体压密、固结，使颗粒结构重新排列，以达到增大地基土的密实度，提高地基土承载力，消除湿陷性的目的。因此表征砂土湿陷性、密实度的相关指标，可评价强夯效果，如湿陷性系数、干密度和孔隙比、压缩模量等，表3为未处理砂土的主要物理性质指标。

(1) 湿陷性系数。图6为强夯前后不同深度湿陷性系数平均值对比曲线，可以看出强夯处理后砂土的湿陷性系数平均值均小于0.010，特别在0～2 m范围内湿陷性系数平均值降低幅度较大，表明强夯消除湿陷性效果明显。