深厚软土地基综合处理技术试验研究

2021-12-08王德亮曹军波郭军陈军红王国辉

钻探工程 2021年11期

王德亮，曹军波，郭军，陈军红，王国辉

（河北建设勘察研究院有限公司，河北石家庄 050227）

0 引言

沿海地区广泛分布着较厚的松散粉细砂、粉质粘土、淤泥质土、吹填土等软弱土层，这类土具有含水量大、压缩性高、强度低等特点，利用这些场地做建、构筑物的地基时一般均需进行软基处理［1-2］。

振冲碎石桩作为一种常用的复合地基处理方式［3-5］，工程中应用十分广泛，能有效地消散地震等震动引起的超静孔隙水压力，减少砂土地基的液化现象［6］。强夯法处理地基是20世纪60年代末由法国工程师Menard［7］首先提出。国内诸多专家、学者也对强夯工艺的作用机理进行了深入研究［8-10］。当软弱土层的厚度不大，需要提高浅层地基的承载力时，碎石垫层可起到较好的效果，还可以起到减少基础沉降量、加速软弱土层排水固结的作用。轻型井点降水适用于地下水埋深<6 m的粘土及粉土等地层，结合其他地基处理方式时，可提高地基土的排水固结速度［11-12］。

深厚软土地区沉积地层的均一性较差，采用单一地基处理方法的处理效果有时不理想。只有多种地基处理方法相结合［13］，才能针对性地解决多种工程问题，因此有必要对软基处理的新方法、新工艺不断地进行研究和摸索。

1 综合处理新技术加固机理

深厚软土地基综合处理新技术充分利用了碎石垫层、轻型井点排水固结、强夯动力固结、振冲碎石桩4种地基处理方法的技术优势，以振冲碎石桩为主体，考虑饱和软土的工程特性，将振冲置换、强夯动力固结、软土排水固结、垫层应力扩散这几种地基处理机理有机结合、综合应用，最终实现改善和提高土体力学物理性能，提高复合地基的承载力及压缩模量，改善地基抵抗变形的综合能力。

2 试验区概况

试验区面积为20 m×20 m，在振冲碎石桩加固范围内，地层主要以粉质粘土为主，粉质粘土多为软塑—可塑状态，上部地层为软塑状态，下部地层为可塑状态；地面以下5 m及15 m位置各有一层粉土，层厚均为1.5 m左右，粉土以中密为主，摇震反应迅速。

在试验桩区域，仅1层地下水，属潜水，主要受大气降水及潮汐的补给，蒸发为主要排泄途径，施工期间稳定地下水位埋深1.5~2.5 m。

3 试验方案

采用振冲碎石桩、碎石垫层、轻型井点排水固结、强夯动力固结4种地基处理方法进行综合试验处理，要求处理后复合地基承载力特征值fak≥220 kPa，具体施工步骤如下：

振冲碎石桩施工→桩间真空井点排水系统的布设及降水→碎石铺设→低能量强夯及排水固结→施工区满夯→碎石垫层施工。

3.1 振冲碎石桩

振冲碎石桩桩径1.2 m，桩长25 m，正三角形布桩，桩间距1.8 m，桩顶标高-1.5 m，在试验区内共布置61根桩。采用含泥量≯5%的碎石，粒径为40~150 mm。选用BJV130E-426型振冲器进行施工。

3.2 轻型井点

成孔孔径≮150 mm，深度10 m。井点管采用直径≮32 mm的PVC管，孔深9.8 m，底部设置2.5 m长的花管段。

井点管沿试验区四周布置一圈，形成封闭环，间距2 m。试验区内井点位于正三角形布置的碎石桩中心点土体内，间距采用1.8 m×3.1 m。内、外圈井点单独抽排水，外圈井点主要起到隔断外界水源向试验区内部进行补给的作用，内部井点进行试验区域内部疏干降水。

真空抽水期间要求真空度≮0.08 MPa，且强夯主夯期间保持井点管运行正常。

3.3 碎石铺设

强夯之前及满夯之后均铺一层碎石垫层，采用级配碎石，有机质含量、含泥量≯5%，最大粒径≯30 mm，铺填厚度300 mm，采用压路机分2层压实，夯填度≯0.9。

3.4 低能量强夯

（1）采用4遍点夯2遍满夯的工艺，第一、二遍强夯施工期间继续进行试验区碎石桩桩间土真空井点降水的施工方法。夯锤直径2.0~2.3 m，锤重10~15 t，接地压力25~40 kPa。

（2）第一遍夯击能1200 kN·m，第二遍夯击能1500 kN·m，夯点均布置在振冲碎石桩上，每点夯3击，间距7.2 m×3.1 m。

（3）第三遍、第四遍夯击能均为2000 kN·m，夯点布置在第一遍、第二遍夯点之间，每点夯3击，间距7.2 m×3.1 m。

（4）满夯夯击能1000 kN·m，每点夯击2击，锤印搭接不少于1/4。2遍满夯施工间隔3 d。满夯施工完毕后，间歇不少于14 d的恢复期。

图1为试验区域平面布置示意图。

图1 试验区平面布置示意Fig.1 Layout plan of the test area

4 试验过程监测与分析

试验区四周井点管内侧布置了5个水位观测点；在东北及西南侧各布置了一个孔隙水压力监测点。每组孔隙水压力计沿深度方向按照间距2 m埋设一支（即自碎石桩桩顶算起，每孔5支孔隙水压力计）。

4.1 降水系统出水量观测与分析

第一、二遍强夯时，降水机组2的井眼数均为30眼井。在强夯过程中，由于土体中超孔隙水压力的显著增大，场地单位时间出水量明显上升；强夯结束后，土体中孔隙水压力迅速下降，单位出水量也呈现出指数下降的趋势。强夯动力荷载对于加速场地的排水具有显著的效果。

第二遍强夯时，强夯分前后2 d完成，出水量变化如图2所示。随着强夯点数和次数的增加，土体的孔隙水压力呈现阶梯跳跃式升高。土体中形成较多的裂隙排水通道，土体单位时间出水量增加。水排出后，孔隙水压力迅速下降，土体单位时间的出水量相应减小。

图2 第二遍强夯出水量变化曲线Fig.2 Water yield change curve of the second round of dynamic compaction

第三遍强夯时，试验区内真空井点减少为16眼；再进行第四遍强夯时，土体排出的水量已经很小，继续增加强夯基本没有太大效果，表明本次试验进行3遍强夯是合理的。

4.2 地下水位观测与分析

刚开始强夯时地下水位上升较明显，强夯结束后，在不断排水的情况下，地下水位逐渐降低。随着强夯次数的增加，地下水位变化越来越小。

强夯过程中，在夯击能作用下，孔隙水压力增大，自由水大量排出，引起地下水位升高。真空降水系统的可靠运行和对补给水源的隔离措施，对试验区内的地下水位控制非常重要，将直接影响软土固结效果，施工时应当保证降水系统的可靠运行。

4.3 孔隙水压力的观测与分析

孔隙水压力随着地下水位上升或下降变化十分明显，即随着地下水位升高（降低）而增大（减小）。待孔隙水压力和地下水位稳定后进行下一遍强夯。

第一遍强夯开始时，孔隙水压力在2 m的位置呈现负值，说明此处井点降水对孔隙水压力影响较大，地下水位-3.91 m以下的孔隙水压力为正值。孔隙水压力最大增幅接近10 kPa，不同深度的孔隙水压力变化不同，10 m处增幅最小，说明强夯对地下水的有效影响深度在8 m之内。强夯后31 h，孔隙水压力消散了85%以上。

第二遍强夯孔隙水压力变化整体规律和第一遍强夯基本一致。

第三遍强夯采用的是较大的能量，强夯期间孔隙水压力最大增幅均低于6 kPa，且总体趋势较稳定，与前2次的强夯相比，第三遍强夯时孔压增幅较小，说明强夯的加速固结作用越来越小，经过前几遍的强夯处理后，土体被压密，土层含水量变小，强夯遍数再增加已无太大意义。

第四遍强夯的第一天，地下水位呈明显下降趋势，进行点夯时，孔隙水压力呈现较小波动趋势，但整体是在减小。第四遍强夯的第二天，强夯后地下水位有轻微上升，孔隙水压力有较小增长。

满夯过程中，孔隙水压力呈现先升高，之后慢慢消散的规律，各孔检测数据变化规律趋于一致。孔隙水压力的变化幅值和波动小于前2次点夯，和第三遍强夯的情况类似，说明经过地基处理后，土体被压密，含水量降低，进行满夯时已没有过多的水被排出。

4.4 夯沉量分析

经过地基综合处理后，试验区总夯沉量为368 mm。第一遍的夯沉量最大，第三遍虽然加大了夯击能，但夯沉量变化不大，这和孔隙水压力的分析结果较吻合，由此可见，对于本项目强夯遍数设置为3遍是适宜的。

5 加固效果评价

通过采用碎石桩桩身超重型动力触探、桩间土标准贯入试验、单桩复合和三桩复合载荷试验等检测手段对复合地基进行了加固前和加固后的对比。

5.1 标准贯入试验评价

在强夯前后共进行了2组标准贯入试验，每组3个试验点，处理前后锤击数N的平均值对比如图3所示。0~5 m深度范围内土体锤击数较处理前均有所提高，此范围内锤击数平均增加了1~4击。说明经过多遍强夯及降水处理后，土体被挤密，承载力提高，形成了“硬壳层”，弥补了振冲碎石桩表层承载力相对偏小的缺点。6~10 m深度范围内土体锤击数N整体有所提高，说明本项目的地基综合处理方法对较深层土体也有一定的加固和挤密效果。