池 海，刘燕才

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）



碎石土回填地基强夯加固现场试验研究与应用

池 海，刘燕才

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

摘要：地基加固处理中应用强夯法，具有工期短、施工工艺简单、工程造价低的优点。本文结合“中国石油大连石化长兴岛炼化项目地基处理工程”系统介绍了强夯加固碎石土回填地基的试夯与试验方案，通过孔隙水压力观测、静力载荷试验、动力触探试验、瑞利波测试以及加固前后土体指标的对比，对各强夯能级强夯加固效果进行了定性和定量的评价，确定了合理的施工控制参数，可为类似碎石土回填地基加固设计提供借鉴。

关键词：碎石土；强夯法；夯击能；经验系数

引 言

强夯法亦称为动力固结法，自1969年问世以来经历了30年的发展，引入我国也有20年的历史，其间经历了成功、失败诸多事例，到目前为止可以认为它是一种技术上比较成熟、经济而实用的地基加固处理方法。由于强夯法处理地基基础具有效果显著、设备简单、施工方便、适用范围广、经济易行和节省材料等优点，因此越来越广泛地被应用于工民建、公路路基、铁路路基、机场跑道、码头等地基处理工程。实践中强夯法要求的控制参数很多，如：锤重、落距、夯击遍数、夯点间距等，必须根据具体的工程地质条件合理的选择设计参数。因此，一般正式施工前需要选定典型施工区进行试夯，通过试夯取得相关设计参数，确定最终合理的设计控制要求。本文以长兴岛某工程厂区地基处理工程为例，通过现场综合试验研究，确定合理的施工控制参数，对加固效果做出客观的评价。

1 工程概况

示例场区占地面积约为5.5 km2，位于滨海区域，场地由海滩及浅海经人工回填形成，地形大部分相对较为平坦，局部起伏较大。依据勘察资料，场地地层指标如表1。

表1 各土层指标

2 使用要求及地基处理方法

1）地基处理设计要求

工后地基承载力≥250 kPa，压缩模量≥25 MPa。

2）地基处理方法

本工程上部主要为新近回填碎石土，主要以劈山块石、碎石为主，岩性为石英砂岩、板岩、片岩、辉绿岩，骨架粒径含量占60 %～80 %以上，余为粘性土、砾石等。回填土均匀性差，欠固结，未经处理，不宜做天然地基,拟采用强夯法对回填碎石土进行地基处理。

3 试夯参数

目前强夯法尚无成熟的设计计算方法，主要设计参数如有效加固深度、夯击能、夯击次数、夯击遍数、间隔时间、夯击点布置和处理范围等都是根据规范或工程经验初步选定，其中有些参数还应通过试夯进行验证，并经必要的修改调整，最厚确定适合现场土质条件的设计参数。

夯击能确定：

根据《港口工程地基规范》(JTS147-1-2010)，强夯法有效加固土层可按下式验算：

式中：α为经验系数，取0.4～0.7；M为夯锤的重量，kN；h为夯锤落距，m。

表2 强夯有效加固深度计算

本工程碎石土填土厚度平均为13.0 m，场地碎石土厚度分布差别较大，从技术经济性最优化考虑，本次试夯场地拟设置不同夯击能的6块场地，试夯参数如表3。

表3 试夯参数

4 试夯施工工序

设备进场→设备安装→试夯区确定→测量场地标高→夯点测定→设备就位→落距调整→第一遍点夯→推平夯坑、场地平整→第二遍点夯→推平夯坑、场地平整→测量场地标高→第三遍点夯→推平夯坑、场地平整→测量场地高程→满夯→第三方检测→试夯结束参数确定。第三方检测内容主要包括孔隙水压力消散观测、静力载荷试验、动力触探试验、瑞利波检测。其中点夯第三遍降低夯击能，满夯第一遍2 000 kN·m；第二遍1 000 kN·m。实测结果见表4。

表4 点夯实测主要成果

5 孔隙水压力消散观测

一般强夯施工两遍夯击之间应有一定的时间间隔，以利于土中超静孔水压力的消散。所以夯击间隔时间取决于超静孔水压力的消散时间，土中超静孔水压力的消散塑料与土的类别、夯点间距等因素有关。

表5 孔隙水压力消散统计值

根据以上统计资料可知，12 000 kN·m、15 000 kN·m夯击能加固深度较深，加固深度达到素填土以下的粉砂层和淤泥质粉质粘土层，孔压的增长与消散存在滞后性，间隔时间较长，另外也显示夯点间距越大，孔压消散越快。3 000 kN·m、6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m夯击能主要加固深度范围内碎石土，土体渗透性好，孔压相应快，显示为孔压消散均较快。

综合以上可知，如果采用12 000 kN·m、15 000 kN·m夯击能建议间隔时间为6天；如果采用3 000 kN·m、6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m夯击能建议间隔时间为3天。

6 静力载荷试验

6.1 试验设备及试验方法

试验装置由加载稳压系统、反力装置与变形观测3部分组成。加载稳压装置包括刚性承压板、压力传感器、千斤顶与应变仪等，反力为堆载重物，变形观测系统包括固定支架及百分表。

依据设计要求，处理后的场地承载力特征值不小于250 kPa，按规范要求，实际加载不应低于承载力特征值(250 kPa)的2倍，即按500 kPa进行加载。圆形承载板直径1 600 mm，实际加荷为500 kPa×2 m2＝1 000 kN。为保证试验安全，反力荷载至少应为试验荷载的1.2倍，即为1 200 kN。

6.2 试验终止条件

1）承压板周围的土明显的侧向挤出；

2）沉降s急剧增大，荷载－沉降曲线出现陡降段；

3）在某一荷载下，24 h沉降速率不能达到稳定标准；

4）s/b≥0.06。

6.3 测试结果及其分析

根据现场观测资料6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m、12 000 kN·m、15 000 kN·m夯击能区在500 kPa与3000 kN·m夯击能区在400 kPa的试验荷载内既没有出现屈服极限也无比例界限，说明强夯场地浅层承载力特征值不小于250 kPa与200 kPa。

场地浅层变形模量E0可取p~s曲线的初始直线段，按下式计算：

式中：I0为刚性承载板的性状系数，圆形取0.785，方形取0.866；μ为泊松比，碎石土取0.27；d承载板直径或边长，m。

经计算与理论分析，6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m、12 000 kN·m、15 000 kN·m试夯压缩模量不小于25 MPa，3 000 kN·m试夯区压缩模量不小于20 MPa，强夯对于提高素填土的压缩模量效果显著。

7 动力触探试验

对素填土层采用N120超重型动力触探测试，对粉砂层采用N63.5重型动力触探测试，对淤泥质粉质粘土层采用标准贯入试验。

7.1 动力触探结果统计表

不同土层不同能级各点位处的贯入度曲线见图1~图3。

图1 素填土层贯入度曲线

图2 粉砂层贯入度曲线

图3 淤泥质粉质粘土层贯入度曲线

7.2 加固前后指标对比

分析可以得出，15 000 kN·m、12 000 kN·m、10 000 kN·m试夯区的强夯影响深度较深，素填土层得到有效加固，粉砂层和淤泥质粉质粘土层表层承载力均得到有效提高；8 000 kN·m、6 000 kN·m试夯区素填土层得到有效加固，粉砂层表层承载力均得到有效提高；3 000 kN·m试夯区的强夯影响深度较浅，素填土层分布深度内不能全部得到有效加固。

表6 各试夯区加固前后指标

8 瑞利波检测

强夯加固前后在试验场地分别进行了瑞利波检测，监测结果如表7所示。

表7分别给出夯前与夯后实测特征深度处瑞利波波速，夯后瑞利波波速显著提高，说明强夯加固效果较好。在特征深度内，6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m、12 000 kN·m、15 000 kN·m夯击区夯后实测瑞利波速平均值不小于260 m/s，依据《建筑地基基础技术规范》（DBJ 03-07-2006），表明强夯场地承载力特征值不小于250 kPa。3 000 kN·m试夯区，夯后实测瑞利波速平均值不小于240 m/s，表明强夯地基承载力特征值不小于200 kPa。说明强夯加固效果明显。

表7 强夯加固前后在试验场地瑞利波检测结果

9 强夯有效加固深度

结合以上强夯过程和强夯前后的试验结果，各夯击能条件下场地的有效加固深度如表10。表中“有效加固深度”指夯后实测瑞利波速平均值不小于260 m/s或240 m/s的深度范围。影响深度内，土体基本都得到有效加固，满足设计要求。

表10 各夯击能条件下场地的有效加固深度

将试验所得的夯击能和强夯有效深度带入经验公式，求得经验系数如表11。

表11 经验系数

根据以上分析结果，本工程区域有效加固深度经验系数修正为0.35,另外采用较大的夯击能情况下，有效加固深度以下3 m范围内土体可以得到较大改善。

10 结 语

从以上试夯区加固前后的指标对比，可以得出以下结论：

1）强夯有效加固深度经验系数需要根据实际工程地质条件强夯确定，本工程区域建议为0.35。

2）12 000 kN·m、15 000 kN·m夯击能加固深度较深，加固深度达到素填土以下的粉砂层和淤泥质粉质粘土层，孔压的增长与消散存在滞后性，间隔时间较长，另外也显示夯点间距越大，孔压消散越快。3 000 kN·m、6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m夯击能主要加固深度范围内碎石土，土体渗透性好，孔压相应快，显示为孔压消散均较快。本工程如果采用12 000 kN·m、15 000 kN·m夯击能建议间隔时间为6天；如果采用3 000 kN·m、6 000 kN·m、8 000 kN·m、10 000 kN·m夯击能建议间隔时间为3天。

3）能级越高，加固有效深度越深，对本场地目前回填厚度而言，8 000 kN·m和10 000 kN·m宜作为主要夯击能，当回填厚度较大时，宜采用12 000 kN·m 和15 000 kN·m的高能级强夯。

4）强夯法对上部回填碎石土层加固效果良好，采用较大的夯击能对下部粉砂层和淤泥质粉质粘土层的土体指标也起到一定的改善作用，但是由于下部软土层分布厚度较大，如果本工程对基础的沉降控制有严格的要求，还应考虑采用复合地基等方案对基础进行处理，以减少使用期沉降变形带来的不利影响，保证结构安全。

强夯法虽然已在工程中得到广泛应用，有关强夯的机理的研究，国内外已做了不少工作，但至今未取得满意的结果。究其原因主要是各类地基土的性质差别很大，很难建立适用于各类土的强夯加固理论，设计中有必要按照不同土类分别研究强夯机理及其设计计算方法，本文推荐碎石土回填地基设计实践满足一定的可靠度要求,可供工设计人员在类似工程设计中参考。

参考文献：

[1] 中华人民共和国交通运输部. JTS 147-1-2010港口工程地基规范[S].

[2] 中国工程建设标准协会. 强夯地基处理技术规程[S].2010.

[3] 中国建筑工业出版社. 地基处理手册[M]. 2008, 6.

Field Experimental Research and Application of Dynamic Compaction Reinforcement of Foundation Backfilled with Crushed Stone Soil

Chi Hai, Liu Yancai
(CCCC First Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300222, China)

Abstract:Dynamic compaction applied in foundation reinforcement has the advantages of short duration, simple construction process and low project cost. Based on "Foundation treatment of CNPC Dalian petrochemical Changxing Island refinery project", an introduction has been given systematically to the trial tamping and testing option for the dynamic compaction reinforcement of the foundation backfilled with crushed stone soil. By using pore water pressure observation, static load test, dynamic sounding test, Rayleigh wave detection and the contrast of soil indices before and after reinforcement, the qualitative and quantitative evaluation have been carried out for the reinforcement effects of different dynamic compaction levels, and reasonable construction control parameters have been determined, which serve as a reference for the design of reinforcing foundation backfilled with crushed stone soil.

Key words:crushed stone soil; dynamic compaction method; tamping energy; empirical coefficient

作者简介：池海（1984-），女，工程师，主要从事港口与航道工程水工结构设计工作。

收稿日期：2015-08-21

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160119

中图分类号：TU472.3+1

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）01-0080-05