大粒径碎石土强夯法试验研究

2024-02-20陈利王静文

广东建材 2024年2期

陈利王静文

（1 中交四航局第二工程有限公司；2 上海港湾基础建设股份有限公司）

强夯法作为一种地基加固技术，通过高能量冲击改良地基，提高其承载力。其优势在于施工速度快，能有效改善土体的工程性质，且经济效益显著。强夯这种技术在软弱土层的处理中尤为有效[1-3]，通过强夯能显著增加土体密实度，减少其压缩性和渗透性，从而大幅提升地基的稳定性和安全性。国内针对大粒径碎石土的强夯地基加固研究较深入，在山区机场高填方[4]、公路路基[5-6]等有关项目广泛应用。随着一带一路政策的持续推进，中东地区基建项目近年逐渐，尤其是沙特2030愿景的实施，更多中国企业进军中东地区基建市场，根据相关资料，强夯法等地基处理及加固技术已经在中东地区多个项目中得到应用实践[7-10]，相关项目如表1。

表1 中东地区部分强夯法应用项目

由表可知，大部分项目为近海平原地区砂土质地基处理，岩层也多为强度较低的珊瑚礁岩，对于大粒径碎石土的强夯加固效果研究及验证试验经验较少。

沙特利雅得某土方项目位于沙特中部高原地区，海拔约680m，地形复杂，砂土资源贫乏，大型基建项目采用就近开挖土石方回填低洼地区，大部分传统采用破碎筛分然后分层碾压的地基加固处理方式，成本高，工期久，试验周期长。本项目碎石土最大碎石粒径为700mm，强度分布不均匀，大面积施工前，现场设立两个50m×50m 试验区进行强夯试验，通过标准贯入试验(SPT)、区域荷载试验(ZLT)和板荷载试验(PLT)验算相关参数是否满足设计要求。

1 工程概况

沙特利雅得四方城土方包项目为沙特2030 愿景实施计划项目之一，位于利雅得西北部。主要实施内容为约581.3 万方的土石方开挖回填和105 万平的地基加固，最低开挖标高为+672m，地下水位线为+662m，所以不需考虑降水风险，回填区最大回填深度为15m，分层最大厚度6m，根据地勘报告，项目地质属于Arab-D Mem‐ber, 主要由碳酸盐岩组成。开挖区地质条件为表层为密实砂土层夹杂硕石，第二层为强风化至中风化的石灰岩，第三层为强风化（很少）至微风化石灰岩；UCS 值大部分在25Mpa 以下，业主原方案为开挖料破碎筛分为精选料后回填区分层回填，我方根据以往项目经验提出强夯地基处理和表层精选料回填方案，根据设计要求，地基处理后相关要求为：

⑴地基承载力达到150kPa；

⑵50年最大总沉降量不超过25mm；

⑶不均匀沉降不超过1：500；

⑷SPT值每1米至少30击；

⑸回弹模量至少30MPa。

2 碎石土工程特性

根据设计及技术规格书要求，回填料需满足最大粒径不超过700mm，回填土细颗粒含量最大25%，试验区强夯前对相关材料随机进行取样检测。

2.1 岩石物理性能

随机从开挖区选取不同类型岩石进行取芯检测，分类及结果如表2所示。

表2 现场岩石分类及性能

从表中可看出，开挖区岩石多为中-强风化石灰岩，与地勘报告中相符。

2.2 回填土工程特性

随机从回填试验区取4 个样品进行相关物理和化学检测，试验结果如表3所示。

表3 现场回填土检测指标

根据AASHTO M145土的分类，现场回填土料都为A-2-4以上，属于良好级别回填料。

3 强夯试验设计

3.1 强夯布置及施工参数

根据现场实际情况，强夯试验区划分为T1和T2，T1回填厚度6m，T2 回填厚度4m，面积均为2500m2，具体施工参数如表4所示。

表4 试验区强夯试验参数

T1 区点夯夯锤15 吨，落距12m，T2 区点夯夯锤15吨，落距5m。

根据美国联邦公路管理局（FHWA）规范（FHWA-SA-95-037），采用D = nWH0.5验证强夯影响深度是否满足要求，其中n 为加固修正系数，按规范取值0.5，W 为夯锤重，H为落距。

经计算，强夯影响深度分别为：T1 区6.7m，T2 区4.3m。满足设计要求。

3.2 强夯过程监测

强夯试验区实测T1区最大夯沉量102cm，最小夯沉量80cm，平均沉降量88cm；T2 区最大夯沉量80cm，最小夯沉量70cm，平均沉降量73cm，按照上表夯击次数均能满足规范要求

3.3 夯后地基试验

对于沙特地区沙土地基或者软土地基，常用地基检测为CPT 检测，通过等效锥尖阻力评价强夯效果，本项目地基材料为大粒径碎石土，且岩石强度最高40MPa 以上，CPT 并不适用。所以采用标准贯入试验(SPT)、区域荷载试验(ZLT)和板荷载试验(PLT)验证强夯效果。

3.3.1 标准贯入试验

试验区强夯前后按照ASTM-D1586 的相关规定间隔1m 进行标准贯入试验，采用旋挖钻孔法，试验区SPT 数据如表5所示。

表5 试验区SPT试验结果

根据SPT 试验结果初步分析，T1 区强夯前SPT N 值范围13～17，强夯后范围30～45，属于中密-密实区间；T2 区强夯前SPT N 值范围13～16，强夯后范围30～36；均属于中密-密实区间，由SPT 值的增加得出，强夯法对地基加固效果明显，并且符合设计中最低为30的要求。

3.3.2 荷载板试验

T2 区按照美标ASTM D-1195/1196 进行PLT 试验，荷载板直径600mm，反力装置采用挖机，最终加载到15吨荷载（相当于530kPa），沉降为0.81mm。荷载-沉降量曲线如图1所示。

图1 T2区PLT试验荷载-沉降曲线

3.3.3 区域荷载试验

T1 区按照美标ASTM D-1195/1196 进行ZLT 检测，3m×3m 混凝土基座，ZLT 试验相关设计参数：设计荷载为150kN/m2，最大荷载为300kN/m2，4个千分表布置于测试基础四个角点，布置如图2所示。

图2 T1区ZLT布置图

ZLT按照每25%级别加载，加载到100%和200%设计荷载时持续时间为12 小时，现场试验记录如表6 所示，荷载-沉降量曲线如图3所示。

图3 T1区ZLT试验荷载-沉降曲线

表6 T1区ZLT试验数据记录表

根据基座4 个角点处千分表读数，在设计荷载下沉降量为：1#点2.62mm，2#点2.08mm，3#点5.01mm，4#点2.18mm；在200%设计荷载下沉降量：1#点4.76mm，2#点5.33mm，3#点8.26mm，4#点4.22mm，不均匀沉降计算如表7所示。

表7 T1区不均匀沉降-200%设计荷载

根据上述计算结果，200%设计荷载下最大不均匀沉降值为0.00135，设计要求为不超过1：500（0.002），符合要求。

4 试验相关验算

4.1 杨氏回弹模量计算

根据PLT和ZLT的结果可以有不同方式计算转换为土体的回弹模量，本文根据广泛采用的经典弹性理论布辛涅斯克（Boussnesq）方程计算杨氏回弹模量：

式中：q为施加荷载，ZLT 取300，PLT 取530；B为荷载板直径，ZLT取3，PLT取0.6；I为形状影响因子；v为泊松比，取0.3；S为沉降量，ZLT取5.34，PLT取0.81。

经计算，可得T1 区回弹模量173MPa，T2 区280MPa。满足设计要求的30MPa。

4.2 内摩擦角值确定

根据BS 5930 规范，标准贯入试验（Standard Penetration Test, SPT）的N 值与土壤的内摩擦角之间存在明确的关联。具体为：当SPT N 值介于10 至30之间时，对应的内摩擦角值在35°至40°之间；若SPT N值位于30 至50 的区间，对应的内摩擦角值在35°至40°之间。因此，依据该规范，可以保守判定地基材料内摩擦角值至少大于35°。

4.3 地基承载力计算

地基极限承载力根据ZLT 试验结果，按照《Foun‐dation Analysis And Design》中的Terzaghi 公式计算：

qult=cNcsc+qNq+ 0.5γBNγsγ

式中：qult为极限承载力；c是土的凝聚力，考虑为无粘聚性土，取0；Nc、Nq、Nγ是与土的摩擦特性相关的承载力系数，分别对应凝聚力、地面上部单位重量和土的自重，按照上文确定的内摩擦角35°查表可得分别为57.8，41.4，42.4；sc和sγ是形状系数，用于考虑基础形状对承载力的影响，按照规范分别取值1.3 和0.8；q是覆盖在地基上的有效土压力，取值0；γ是土壤的单位重量取18KN/m3，B是地基的宽度取3m。

把各值代入上述公式中，极限承载力为915.84kPa。设计安全系数为3.0，可得允许承载力为300kPa，满足规范要求的150 kPa。

4.4 沉降量计算

50 年沉降量预测计算根据施默特曼（Schmert‐mann）提出的方法，此方法是岩土工程分析中常用的计算地基沉降的方法，提供了一种考虑土体变形特性对地基沉降影响的分析方式。施默特曼的研究及其改进了变形影响因子图，这些图是为了估计特定荷载下土体各点的应变分布。通过这些图，工程师可以更准确地预测基在建筑荷载下的行为，计算公式如下：

其中，C1= 1 - 0.5(σ'vo/q')

式中C1为深度修正系数；σ'vo为地基某和深度处的有效应力；q'是地基下土层上的有效应力增量；C2为次级蠕变因子；C3为形状系数；Izi是应变影响因素；Hi是第i层的土层厚度；Esi是第i层土的压缩模量或弹性模量。

按照每0.5m 分层计算，T1 根据ZLT 试验结果，T2 根据PLT 试验结果，50 年预测沉降量分别为7.383mm，16.627mm，均满足设计中50年沉降不超过50mm的要求。