大能量強夯在地基處理工程中的應(yīng)用

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近年來隨著施工機械和施工工藝的跨越式發(fā)展，強夯施工能量從3000kN.m提升到6000kN.m、8000kN.m，目前已經(jīng)突破15000kN.m能級，強夯法處理地基深度也日益加大，有效加固深度超過15米的已不罕見，大能量強夯工藝處理工程地基范圍越來越廣，能級也越來越高。國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，帶動了大批基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，同時為了節(jié)約有限的土地資源，國內(nèi)外不同程度地出現(xiàn)了開發(fā)荒山、灘頭以保護耕地，“塊石回填山溝”、“炸山填海”、“吹砂填海”等造地建設(shè)又推動了大能量強夯施工技術(shù)的發(fā)展。

1  工程概況及地質(zhì)情況

1.1 工程概況

該工程位于廣東省珠海市，地基處理面積約18萬平方米，擬建油罐基礎(chǔ)，夯前地基土為沖填砂土及塊碎石回填層。大面積強夯施工前，通過試驗確定了針對不同施工區(qū)域采取不同能級的施工參數(shù)。

1.2 地質(zhì)情況

(1)碎石層：黃褐及灰白色，主要由花崗巖碎石堆積而成，結(jié)構(gòu)松散，呈稍濕的松散狀態(tài)。厚度0.5～12.8米，平均3.23米，屬于不均勻的中等壓縮性地基土。

(2)沖填土：灰色 、褐灰色，主要由粉細砂沖填而成，有較多的粘性土及貝殼碎片，結(jié)構(gòu)松散，呈飽和的松散狀態(tài)，厚度0.5～7.5米，平均厚度3.27米。

(3)塊石層：主要由花崗巖塊石及碎石堆積而成，黃褐及灰白色，厚度0.5～6.5米，平均均厚1.88米。

(4)第四系海陸交互相沉積層，包括：

②淤泥：深灰、灰色，含貝殼碎片，局部混少量粉細砂，偶見腐植物，呈飽和的流塑狀態(tài)，厚度0.6～12.0米，平均3.25米。

⑥中風(fēng)化層，黃褐及灰白色，中粗粒結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，該層埋藏深淺不一，揭露厚度0.30～6.10米，平均揭露厚度2.08米。

2  地基處理技術(shù)要求：

(1)地基處理后的地基承載力特征值fak≥300KPa，壓縮模量Es≥12MPa；

(2) 投產(chǎn)后1年沉降量≤20cm，其中：20000m3罐的差異沉降≤17cm，其它罐的差異沉降≤12cm；

(3)有效加固深度：從設(shè)計標高算起，中風(fēng)化花崗巖埋深在12m以內(nèi)，有效加固應(yīng)至中風(fēng)化花崗巖巖面，超過12m的有效加固深度應(yīng)不小于15m；

(4)消除砂土層的液化性。

3  地基處理方案與試夯參數(shù)確定

3.1 施工目標與難點

(1)深層淤泥層的處理；

(2)滿足加固深度不小于15米的要求；

(3)滿足處理后承載力特征值fak≥300KPa，壓縮模量Es≥12Mpa的要求。

3.2 總體規(guī)劃：

根據(jù)不同工程地質(zhì)情況進行分區(qū)處理，以先進設(shè)備和施工方法，結(jié)合豐富的施工實踐經(jīng)驗保證加固效果，精心施工，科學(xué)管理，爭創(chuàng)精品。

3.3 初步施工參數(shù)設(shè)想

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，以及擬建上部結(jié)構(gòu)對于地基的力學(xué)技術(shù)要求，針對不同的基巖面埋深及淤泥、沖填土厚度等，將本項目地基處理的施工范圍劃分為三個處理區(qū)域：

(1)基巖埋深小于等于8米的區(qū)域，采取低能量強夯加固，擬采用單擊能量為3000kN.m；

(2)基巖埋深大于8米、但不超過12米的區(qū)域，擬采用單擊能量為6000kN.m～8000kN.m的中等能量級進行強夯處理施工；

(3)對于基巖埋深大于12米的區(qū)域，采取高能量級進行施工，擬采用單擊能量為10000～14000 kN.m。

(4)為便于施工和提高作業(yè)效率，強夯點布置采取正方形布點，夯點間距根據(jù)夯擊能量大小進行適當?shù)恼{(diào)整，以取得最佳的處理效果,夯后輔以振動碾壓。

4  強夯設(shè)計參數(shù)與強夯試驗

綜合考慮工程地質(zhì)情況以及前述試夯參數(shù)設(shè)想，本強夯處理地基項目擬設(shè)置單擊夯擊能量分別為3000kN.m、6000kN.m、8000kN.m和10000～14000kN.m四個強夯試驗區(qū)，各試驗區(qū)擬定的設(shè)計施工參數(shù)以及欲處理深度范圍如下。

4.1 3000kN.m強夯區(qū)

本能級強夯擬有效處理深度4～6m，強夯加固分三遍進行。第一、第二遍為3000kN.m點夯，夯點間距5.0m，呈正方形布置。夯點的夯擊次數(shù)暫定8～10擊，夯點的收錘標準以最后兩擊的平均夯沉量小于5cm控制。最后一遍為1500kN.m能級的滿夯，每夯點夯擊2～3擊，要求夯錘的底面積彼此塔接1/3。

4.2 6000kN.m強夯區(qū)

本能級強夯擬有效處理深度6m～8m，強夯加固分四遍進行。第一、第二遍為6000kN.m強夯施工，夯點的間距為8.0m，正方形布置夯點。每夯點的夯擊數(shù)暫定10～12擊，夯點的收錘標準以最后兩擊的平均夯沉量小于10cm控制。第三遍為3000kN.m強夯施工，夯點位置為第一遍、第二遍相臨夯點的中間位置，夯擊數(shù)8擊，夯點的收錘標準以最后兩擊的平均夯沉量小于5cm控制。最后一遍為2000kN.m能級的滿夯，每點夯兩擊，要求夯錘底面積彼此搭按1/3。

4.3 8000kN.m強夯區(qū)

本能級強夯擬有效處理深度8m～12m，強夯加固分四遍進行。第一遍和第二遍的夯擊能均為8000kN.m，夯點間距為9.0m，正方形布置夯點，夯擊數(shù)暫定為12～15擊，實際夯擊數(shù)以最后兩擊平均夯沉量不大于15cm控制。第三遍的夯擊能為4000kN.m，夯擊數(shù)暫定為10擊，實際夯擊次數(shù)以最后兩擊的平均夯沉量不大于5cm控制，第三遍夯點在第一、二遍四個相鄰主夯點的中間插點。第四遍采取滿夯施工，夯錘底面積彼此搭接1/3，籍此夯實坑底以上的回填土。

4.4 10000～14000kN.m強夯區(qū)

綜合考慮各種因素，最終以10000kN.m單擊夯能進行試驗。本能級強夯擬有效處理地基土深度12m～16m，強夯加固分四遍進行。第一遍和第二遍的單擊能均為10000kN.m，夯點間距為9.0m，正方形布點，夯擊數(shù)暫定為15～20擊，實際夯擊數(shù)以最后兩擊平均夯沉量不大于20cm控制。第三遍夯擊能為6000kN.m，夯擊數(shù)暫定為12擊，實際夯擊次數(shù)以最后兩擊的平均夯沉量不大于10cm控制。第四遍滿夯施工，能級為2000kN.m，每點夯兩擊。

試驗區(qū)主夯最佳夯擊的次數(shù)通過單點夯擊能試驗確定，強夯施工之后按規(guī)定進行振動碾壓處理。

5  強夯主要施工設(shè)備

強夯試驗施工配備的主要機械設(shè)備為強夯機以及強夯錘、推平、振動碾壓等為常規(guī)設(shè)備。

單擊夯擊能在3000kN.m及以下的,采用W200A型履帶式起重機作為強夯機，扒桿接長23米，夯錘重量160kN，直徑2.2米，錘底靜壓力42.11kPa；

單擊夯擊能在4000～6000kN.m的,采用W200A型履帶式起重機作為強夯機，扒桿接長23～26米，附帶高度26米的龍門架，夯錘重量320kN，直徑2.4米，錘底靜壓力70.77kPa；

單擊夯擊能在8000～10000kN.m的,采用W200A型履帶式起重機作為強夯機，扒桿接長26～28米，附帶高度28～30米的龍門架，夯錘重量400kN，直徑2.4米，錘底靜壓力88.46kPa。

6  試驗區(qū)強夯施工

在本工程的四個強夯區(qū)分別選擇地質(zhì)情況較差、處理深度最大且有代表性的區(qū)域進行試驗， 3000kN.m能級強夯試驗區(qū)，強夯試驗區(qū)面積20m×20m；6000kN.m能級強夯試驗區(qū)，強夯試驗區(qū)面積32m×32m；8000kN.m能級強夯試驗區(qū)，強夯試驗區(qū)面積32m×32m；10000KN.m能級強夯試驗區(qū)，強夯試驗區(qū)面積32m×32m。

由于場地上部回填土的非均質(zhì)性以及下部地基土的變異性，各工程試驗區(qū)通過進行單點夯擊能試驗來確定和驗證前期策劃，對設(shè)計參數(shù)進行校驗。

強夯夯擊能試驗時，夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大的隆起；不因夯坑過深而發(fā)生提錘困難；各區(qū)夯擊點的夯擊數(shù)，應(yīng)使試驗區(qū)土體豎向壓縮量最大，而發(fā)生側(cè)向位移最小為原則。

由于本工程10000kN.m以上能級夯坑深度較大，推平回填后對夯坑中回填土須進行原點加固，即在填料推平后在原10000kN.m夯點位再進行6000kN.m能級加固夯，擊數(shù)5-8擊，最后兩擊的平均夯沉量小于10cm控制（不同于策劃10000～14000kN.m能級試驗區(qū)中的第三遍夯擊）。正式施工中應(yīng)予以充分注意。

7  試驗檢測(10000kN.m強夯區(qū))

為了驗證當初強夯試驗施工參數(shù)策劃，檢驗檢測地基試驗加固效果，強夯試驗過程中以及夯后進行了地面變形和土體孔隙水壓力監(jiān)測、夯后超重型動力觸探、瑞雷波、靜載試驗等，通過檢測確定地基承載力、壓縮模量是否滿足設(shè)計要求。最大加載量按設(shè)計要求地基承載力特征值的2.4倍加載。

7.1孔隙水壓力監(jiān)測

1046#超孔隙水壓力歷時曲線

從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看,整個施工過程中,超孔隙水壓力變化很小。

7.2夯后動探擊數(shù)綜合密實度分層表

從表中數(shù)據(jù)看出，地面以下20 m范圍內(nèi)，0～14.0m地基承載力特征值≥300kPa。

7.3瑞雷波測試

從夯前夯后頻散曲線圖可知，本區(qū)域地層15m以內(nèi)地基加固效果顯著。

7.4 靜載荷試驗

(1)試驗點J-1#的靜載試驗基本情況表：

序號

試驗

點號

位置

載荷板面積

最大

加載量

最終

沉降量

1

J-1#

夯間

2.0㎡

1440kN

16.02mm

(2)試驗點J-1#靜載試驗Q-S曲線

(3)試驗點J-1#靜載試驗S-lgt曲線

(4)試驗點J-1#靜載試驗s-lgQ曲線

7.2試驗結(jié)果分析：

(1)試驗點J-1#，Q-s曲線沒有出現(xiàn)陡降，s-lgt曲線也未出現(xiàn)明顯彎折，試驗點在最大荷載作用下均未達到破壞。

(2)試驗點J-1#，s/b=0.01對應(yīng)承載力為622.5kpa，按規(guī)范建議的變形標準判斷，該點的承載力特征值不小于360kpa，滿足設(shè)計要求。

(3)按規(guī)范公式：E0=I0（1-μ2）pd/s計算，試驗點J-1#的變形模量為106.4MPa，滿足設(shè)計要求。

(4)按照一般施工經(jīng)驗以及強夯地基處理過程的土力學(xué)模型分析，夯點的加固處理效果將優(yōu)于夯點間位置，據(jù)此我們有理由認為本次強夯試驗取得了預(yù)期的加固效果。

(5)工程大面積施工時合理安排施工時間，孔隙水壓力對工程施工的影響較小，理論上可以連續(xù)施工。但對由于雨后和地下水位較高而使得夯坑中積水時，應(yīng)基本清理夯坑積水才能進行施工，條件允許時應(yīng)待夯坑中土體含水量基本接近最佳含水量時再開始夯。

(6)為達到加固地基深層的目的，應(yīng)在條件許可的情況下盡可能選擇錘底靜壓力較大的夯錘。

8  大面積強夯加固地基處理施工

本工程在大面積施工中嚴格執(zhí)行試驗確定的施工參數(shù)，工程業(yè)主單位委托監(jiān)理單位進行全過程的施工監(jiān)理質(zhì)量、安全監(jiān)督。

施工中對于夯能過渡區(qū)應(yīng)予以高度重視，應(yīng)對照地質(zhì)情況和設(shè)計圖紙進行核實，發(fā)現(xiàn)問題及時向有關(guān)方面進行反饋聯(lián)系。為了保證地基加固效果，過渡區(qū)強夯能量應(yīng)偏于采取大能量參數(shù)組織施工。

針對項目所處地理位置、工程地質(zhì)情況、地下水對施工產(chǎn)生的不良后果，施工中專門安排有專業(yè)水平的施工隊伍進行排水施工。

大面積強夯施工時，為保證施工安全，采取了在滿足設(shè)計施工參數(shù)的情況下，盡量地降低強夯機扒桿接長及龍門架高度。

9  結(jié)  語

本工程采用的強夯參數(shù)基本是合理的，施工工藝也是可行的，強夯設(shè)計方案為處理類似地質(zhì)概況提供了參考和依據(jù)。

工程采用大能量強夯工藝，與其他地基處理施工工藝相比節(jié)約了工程造價、縮短了工程建設(shè)工期。

由于大能級強夯施工技術(shù)發(fā)展迅速，我們國家的工程機械制造技術(shù)與發(fā)達國家相比還有距離，再加上成本因素，目前大能量強夯施工大多采用小噸位起重機配套龍門架（小噸位相對于大能量），施工中必須對機械安全、作業(yè)人員的安全給予高度重視，加大安全投入。另外施工效率還比較低，有待于改進和提高。

當然也有報道稱設(shè)備制造業(yè)市場出現(xiàn)了專門針對大能級強夯的新型施工設(shè)備，這些設(shè)備比較昂貴，對施工場地和操作技術(shù)的要求都比較高，其普及應(yīng)用還受到種種條件限制。

我們相信隨著國家科技的發(fā)展，目前的這些問題終將迎刃而解