典型湿陷性黄土地基强夯处理施工技术研究

王 勋,王 沙

(1.西安交通工程学院,西安 710100; 2.玉山镇前程小学,西安 710100)

0 引言

对湿陷性黄土地基的处理方法较多,其中强夯法优势明显。胡长明等[1]给出了不同能级条件下强夯加固夯点的中心距、最佳击数、停夯标准及有效加固深度等参数,在此基础上确定了强夯有效加固深度的估算方法。吕秀杰[2]给出了强夯湿陷性黄土与粉土作业中的几个强夯参数。宋修广[3]对梅纳德(Menard)加固公式在不同工况下进行验证,结果表明,在较大夯击能下梅纳德公式并不适用。王松江[4]针对某深厚湿陷性黄土地基进行强夯对比试验,结果表明,强夯作业能够对湿陷性黄土的物理力学性质产生较大影响。黄雪峰等[5]论述了大厚度自重湿陷性黄土地基的处理原则,提出不同自重湿陷性黄土层厚度宜采取的地基处理厚度及剩余湿陷量控制标准。

项目场地局部有一黄土层,根据地质勘探资料可知,该黄土层的湿陷性系数δs为0.010～0.100,湿陷性起始压力为18～180 Kpa。项目工地试验室检测出该黄土层土质物理力学指标如表1所示。综合地勘与表1数据可知,该地层黄土具有一定的湿陷性且湿陷等级为Ⅱ级。该项目公路等级为高速公路,施工时需对该地的湿陷性黄土进行特殊加固处理。查阅资料可知,高速公路、一级公路通过湿陷黄土压缩性较高的地段时,该地区地基最小处理深度为3～5 m,见表2。

表1土质物理力学指标 Tab.1 Soil physical and mechanical index

表2 湿陷性黄土最小处理深度Tab.2 Minimum treatment depth of collapsible loess

1 强夯处理施工要点

1.1 施工准备

清理、平整施工场地,确定强夯施工作业范围,在施工场地选择典型的区段进行试夯作业,试夯采用直径为2.25 m、重量10 t的圆柱形铸铁夯击锤,可知夯锤的夯击能为1500 kN·m。完成试夯后,根据试夯结果调整夯击参数。

1.2 确定夯击遍数及夯点布置

对需要处理的地基范围进行3遍夯实,其中第1、2遍进行点夯,夯点位置按间距6 m在场地中正方形布置,第3遍在800 kN·m夯击能的作用下进行满夯作业。作业时,由线路的中线夯点夯起,平行于中线向两侧夯击,直到夯击区夯击完成,前后两次夯击的夯点彼此重叠1/4来加固表层。应对夯击过程中的参数进行详细记录,以便后期数据处理。

1.3 强夯孔隙水压力监测试验

工作原理。采用振弦式数字型孔隙水压传感器来监测强夯作业及地基土的孔隙水压力变化数据,推得孔隙水压力的的消散规律。孔隙水压计的工作原理是:当有压力施加到轴承板上时,通过液体传感介质传输到传感单元的二次膜引起变形,改变磁路的气隙、磁阻及线圈电感,进一步改变L-C振荡电路的输出信号频率,这种频率变化与轴承板上的压力成正比,强夯试验过程中的孔隙水压力实时数据直接由智能测控仪来采集存储。

试验仪器布设。孔隙水检测仪器用采用钻机钻孔埋设,钻孔孔径为105～108 mm。埋设监测传感器时,传感器应紧贴测点土层,使用干膨胀土或高液限黏土球封孔,使测点土层孔隙水与上层土层完全隔绝。由于孔隙水压计的进水孔较大,如果不做处理容易被封孔的泥沙堵塞,故埋设前应给孔隙水压计的进水孔设置过滤层,防止堵塞情况的发生。孔隙水压计埋设完成后,应与数据采集仪连接,检查传感器状态并做以记录。钻孔回填完成3～4 d后,连续记录孔隙水压计的读数,直至基本稳定不变为止,最终以稳定读数作为初始数据。

在强夯试验区内设置3个钻孔,在钻孔埋深1.5 m、3 m、7 m、9 m的位置设置孔隙水压力监测装置。在第一遍点压实完成后立即监测并记录1、2…48 h的孔隙水压力计数据。孔隙水压力计沿深度方向的埋设情况如图1所示。

图1 检测仪器沿深度方向埋设Fig.1 Bury of measuring instrument in the depth direction

1.4 强夯作业与数据分析

1.4.1 强夯作业

在强夯处理区按照试验要求把夯机吊装到位,将夯锤放置于夯点上方预定位置处,夯击点位置如图2所示,令夯锤脱钩自由下落至夯点位置。落距与击数应经过反复试验后确定其最优组合,若发现夯击过程中因坑底倾斜导致夯锤不正时应组织人员对坑底进行整平。根据试验参数规定的夯击要求,对每一个夯点进行强夯,当最后两次击实的平均击实沉降不超过5 cm、击实坑周围地面没有明显隆起、击夯坑的深度不存在锤击起锤困难的情况时即可停止击实。重复上述步骤,完成所有夯击点的第一遍和第二遍压实作业。

图2 夯点与监测点平面布置Fig.2 Layout of tamping and monitoring point

1.4.2 数据分析

强夯作业两遍点夯之间的时间间隔有一定的要求,时间间隔取决于加固土层中孔隙水压力消散所需时间,当第一遍夯击完成后孔隙水压力消散至初始压力的75%以上时方可进行第二遍夯击。

在点夯过程中使用采集仪收集记录3个监测点埋深为1.5 m、3 m、7 m、9 m位置处1～48 h的孔隙水压消散数据,如表3所示。

表3 孔隙水压消散Tab.3 Pore water pressure dissipation

根据表3可知,监测点埋深为9 m位置的孔隙水压计未检测到孔隙水压,说明此次强夯作业深度仅影响到地下7 m位置处,每个监测点最后一个埋深的孔隙水压在48 h内均可消散至初始孔隙水压的75%左右,表明两遍夯击的时间间隔至少应为2 d。由于此地基土质大部分为湿陷性黄土,故设计夯击间歇不应少于3 d,由此可得强夯作业的夯击间歇为3 d。

1.4.3 孔隙水压力增量与埋深的关系分析

根据表3可绘制出孔压增量与埋深的关系(如图3所示),可知强夯作用下表层(1～3 m)孔压增量显著增加,远大于深层(7～9 m),3个监测点孔隙水压增量与深度的相关规律一致,进一步表明试验数据较为准确。

图3 孔隙水压力增量与埋深的关系Fig.3 Relationship between pore water pressure increment and burial depth

1.5 完成地基强夯加固作业

在规定的时间间隔后于强夯工区按照上述步骤进行全夯实,用推土设备对压实后的基坑进行填筑,经测量强夯后的湿陷性黄土地基的稳定性与承载力都有了大幅度提升。

2 结论

通过研究发现,典型湿陷性黄土地基强夯处理施工技术对地基加固效果较为明显,操作简单,是一种良好的软土地基处理方法。在强夯处理湿陷性黄土地基技术的实施过程中,根据土体孔隙水压力的消散监测结果及设计要求确定点夯与满夯之间的时间间隔为3 d。强夯作业中,确定落距与击数是作业质量控制的关键点。强夯法加固湿陷性黄土地基能够削弱黄土的湿陷性,提高地基承载力及稳定性,可推广使用。