强夯法作用下黑燕调蓄水池地基承载力研究

朱全海 张多宏 丁建兴 杨耀峰 贾生海

（1.甘肃水利机械化工程有限责任公司，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070）

地基承载力（Subgrade bearing capacity）是指在单位面积的地基土随荷载增加所发挥的承载能力[1]。在荷载作用下，地基会发生变形并且随着载荷持续增加而增大，在初期，地基土中应力处在弹性平衡状态，具有安全承载能力，随着时间的推移，就可能出现大的沉降和变形，从而导致建筑物破坏。强夯法也称为动力固结法、动力压实法，在20世纪60年代后期在法国第一次应用于地基处理工程。其原理是将一定质量的重锤（100 kN~400 kN）提升到一定的高度（10 m~40 m）后释放，对地基土产生一个强大的冲击能后形成一定的冲击波和动应力，从而压实地基土，加固地基，以采取增加强度、降低压缩性、消除湿陷性的工程措施[2]。

强夯法无须借助其他设备材料，建筑过程相对简单，除设备成本外，几乎没有什么消耗，因此成本会下降[3]。

总的来说，在黄土地区修建工程设施，存在湿润、渗漏等问题，会引起黄土的湿陷变形，因此，必须使用压实技术处理地基，以保证基础的稳定性和变形满足使用要求。综上所述，强夯法是一种常用的地基加固技术，其优点是施工方便、造价低和加固效果好，因此得到了广泛应用。

1 工程概况

黑燕调蓄水池位于甘肃省定西市通渭县黑燕乡黄土梁峁台地，北侧与主山体相连，南侧为侵蚀冲沟，地面高程2260m~2280m，设计池容为30 万m3，属引洮供水二期配套城乡供水工程的一部分。蓄水池采用半挖半填长方形结构，全池土工膜防渗。池顶高程2277.0m，池底高程2263.0m，池深14.0m；蓄水池顶宽6.0m，池底长170m，宽120m，迎水面边坡1 ∶2.75，背水面边坡1 ∶2.0，在2267.0m 高程以下设排水棱体，池顶以上马兰黄土永久边坡采用1 ∶1.5。相关工程地质数据见表1。

表1 上、中部黄土工程地质数据表

场地存在的主要工程地质问题是地基土的湿陷变形和场地稳定问题，如果将上层强湿陷性6 m~13 m 厚度土层全部挖除，挖除后的土再运到填方部位回填夯实，基础处理费用将增加30%。因此，施工组织设计基础处理方案选择强夯处理，处理方案池底和池壁自上而下依次为清基+强夯处理（影响深度8 m 以内）。为达到设计处理效果，决定在现场对原地基土进行强夯处理试验。

1.1 试验方法

2019 年10 月5 日开始，对该项目进行现场强夯地基试验，试验段选在蓄水池南侧填方区域，选取500m×100m 范围，划分成100m×100m 的5 个试验区，编号分别为1#~5#，1#试验区采用单击夯能为3000kN·m，夯击2 遍；2#试验区第一遍采用单击夯能为3000kN·m，第二遍采用单击夯能为4000kN·m；3#试验区采用单击夯能为4000kN·m，夯击2 遍；4#试验区采用单击夯能为4000kN·m，第二遍采用单击夯能为5000kN·m；5#试验区采用单击夯能为5000kN·m，夯击2 遍。由于强湿陷性土体在工程区上部8m~12m，因此决定试验单击夯击能取最高5000kN·m。对各试验区不同深度原状土和夯击土分别取样，用烘干法测干密度和含水率，并对地基土承载力以及湿陷系数等进行计算。

2 试验结果及分析

2.1 夯击能与地基承载力

对1#~5#试验区夯击能与地基承载力检测结果见表2，试验区地基承载力关系曲线如图2 所示。

图2 1 号试验区强夯影响深度与变形图

图3 2 号试验区强夯影响深度与变形图

图4 3 号试验区强夯影响深度与变形系数图

图5 4 号试验区强夯影响深度与变形系数图

表2 夯击能与地基承载力表

对5 个试验区进行单击夯能试验，均夯击2 遍，1#、3#、5#号试验区2 遍都采用相同的荷载，2#、4#号试验区第二遍夯击能均增加1000 kN•m，由此可知，当夯击能不同时，随着夯击能增大，地基承载力也随之增加。3#和5#试验区数据显示，虽然第二遍夯击能比2#和4#提高了1000 kN•m，但是承载力并没有明显提升，每个试验区地基承载力均未达到委托要求的地基承载力。

2.2 干密度与含水率检测

分别在1#~5#试验区对原状土和夯击土分层取土，取样深度为1 m~9 m，用烘干法在试验室分析得到干密度和含水率。2#、3#试验区因和1#试验区接近，未检测原状土样干密度和含水率。1#~5#试验区取样位置及地面标高见表3，干密度和含水率试验检测结果见表4 和表5。

图1 试验区地基承载力关系曲线图

表3 1#~5#试验区取样位置及地面标高

表4 1#~5#试验区干密度检测结果 （单位：g/cm3）

表5 1#~5#试验区含水率检测结果 （单位：%）

表 6 1 号试验区强夯影响深度与变形系数

表7 2 号试验区强夯影响深度与变形系数

表8 3 号试验区强夯影响深度与变形系数

表9 4 号试验区强夯影响深度与变形系数

由试验数据分析可知：各试验区原状土干密度随取土深度增加变幅不大，各试验区相同取土深度内干密度基本一致。对夯击土来说，影响深度内干密度每层均显著增加，1 m~5 m 处增长最显著，6 m 以下增长不显著。

各试验区原状土含水率随着深度增加逐渐增大，当取样深度为9 m 时，含水率最大。对夯击土来说，影响深度内含水率每层均显著增加，随着深度增加，含水率逐渐增大，当取样深度为9 m 时，含水率最大。

对夯击土来说，所有试验区影响深度内干密度均未达到设计最大干密度1.68 g/cm3，试验区影响深度内含水率基本均达到击实最优含水率17.3%。

2.3 强夯影响深度与变形系数

对1#~5#试验区强夯影响深度内土样湿陷系数及压缩变形系数进行分析，结果见表6~表10 及图2~图6。

表10 5 号试验区强夯影响深度与变形系数

通过1#~5#试验区土样进行取样试验分析，1#试验区湿陷系数和压缩系数均逐渐减少，2#~5#试验区随着深度的增加湿陷系数和压缩系数整体呈现逐渐增大的趋势。

在1#试验区，只对5 m 以下的土样进行取样试验分析，目的是查看影响深度5 m 以下的土样是否能够消除湿陷性，结果显示，深度不同湿陷系数和压缩系数均不同，从图4 可知，随着取样深度增加，湿陷系数和压缩系数均逐渐变小，取样深度在-5 m~-9 m 湿陷系数从0.016 变为0.0073，压缩系数从0.521×10-3变为0.272×10-3，根据湿陷性黄土地区建筑规范（GB 50025—2004），该区湿陷系数均小于0.015，该试验区可判定为非湿陷性黄土。从土样颜色分析，取样位置-5 m 以上为黄土，-5 m 处土样呈黑色，-5 m 以下为黑土过度层，-8 m、-9 m 均为黑土，经过调查分析，该试验区为山坡梯田的最下部台地，曾经经过取土将上部黄土有过扰动，因此出现-5 m 以下为非湿陷性黄土。

在2#试验区，随着深度的增加湿陷系数和压缩系数均呈现出逐渐增大的趋势。-1 m~-3 m，湿陷系数小于0.015，已消除了湿陷性，-4 m 以下湿陷系数均大于0.015，未消除湿陷性。压缩系数均大于0.1，属中高压缩性土。

在3#试验区内，湿陷系数随深度增大而增大。取样在-4m 深处，湿陷系数低于0.015，已经消除了湿陷性，-4m以下湿陷系数均大于0.015，未消除湿陷性。压缩系数均大于0.1，属中高压缩性土。压缩变形系数整体上呈现增加的趋势，在-2m 处出现极值，可能是试验误差造成的。

在4#试验区，随着深度增加，湿陷系数和压缩系数均呈现逐渐增大的趋势。-4 m 以下湿陷系数均大于0.015，未消除湿陷性。压缩系数均大于0.1，属中高压缩性土。

在5#试验区，随着深度增加，湿陷系数和压缩系数均呈现出逐渐增大的趋势。在1m~4m，湿陷系数小于0.015，已消除湿陷性，-4 m 以下湿陷系数均大于0.015，未消除湿陷性。压缩系数均大于0.1，属中高压缩性土。

综上所述，各试验区地基土在强夯作用下，地基土湿陷性均有不同程度的削减，压缩性也普遍为降为中压缩，但整体来说，-4 m 以下湿陷系数均大于0.015，未消除湿陷性。压缩系数均大于0.1，还属中高压缩性土。强夯法有效地提高了地基的承载力，增加了地基土的密实度，但是仍不能完全消除工程区黄土的湿陷性，达不到设计要求。

3 结论

对1#~5#试验区强夯影响深度内土样湿陷系数及压缩变形系数进行分析，水厂工程地质条件较差，地基湿陷等级为Ⅳ级，地基土的湿陷变形问题很严重。

各试验区原状土干密度随着取土深度增加增幅不大。对夯击土来说，取土深度内干密度每层均显著增加，1m~5m处增长最显著，6m 以下增长不显著。各试验区原状土含水率随着深度增加逐渐增大，当取样深度为9m 时，含水率最大。对夯击土来说，影响深度内含水率每层均显著增加，随着深度增加，含水率逐渐增大，取样深度为9m 时，含水率最大。对夯击土来说，所有试验区影响深度内干密度均未达到设计最大干密度1.68 g/cm3，试验区影响深度内含水率基本均达到击实最优含水率17.3%。

根据湿陷性黄土地区相关工程经验，对该项目基础处理采用强夯法试验，结果不理想，强夯法虽然提高了地基的强度，增加了密实度，消除了部分湿陷性，但是在强夯法加固后，其干密度没有达到设计要求，在规划深度区域，没有彻底清除湿陷性。

工程建议：蓄水池采取半挖半填方式，北侧以挖方为主，南侧下部挖方，上部填方，基础处理建议采用翻夯处理。挖除强湿陷性土层，挖方应尽量挖穿上部eolQ32 马兰黄土，使池底处于plQ31 洪积黄土状土中，池底、池坡应进行原土翻夯或垫层处理，池堤填筑前应对原地基土进行翻夯处理，翻夯时应分层填筑，充分压实，填土干密度大于1.61 g/cm3，最优含水量17%，压实系数大于0.96。