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摘要：随着社会经济的不断发展与进步，人类在软土地基上进行的工程建设越来越多，其地基处理技术也日益多样化，许多新型实用的技术被越来越多地应用到工程实践中，其中强夯法就是比较常用的地基处理技术，近年来得到广泛地应用，取得很好的工程和经济效益。本文结合工程实例分析了强夯法的可行性，并对强夯法应用于软土地基实际工程的强夯加固效果进行了评述，提出了一些建议。
关键词：强夯法；夯击能；软土地基；地基处理；地基承载
强夯法又称动力固结法( Dynamic consolidation), 就是用起重设备反复将80kN～400kN的锤(最重达2000kN)起吊到8m～25m 高处(最高达40m) , 而后利用自动脱钩释放载荷或带锤自由落下,其动能在土中形成强大的冲击波和高应力,从而提高地基土的强度、降低压缩性、改善抗振动液化能力、消除湿陷性等。同时,夯击能还可提高土层的均匀程度,减少将来可能出现的差异沉降。该法自诞生以来,以其经济易行、效果显著、设备简单、施工便捷、节省材料、质量容易控制、适用范围广、施工周期短等突出优点,在世界各地多种类型、多种目的的地基处理工程中得到了日益广泛的应用。
一、工程概况及场地岩土工程条件
1、工程概况
比亚迪汽车研发生产深圳坪山基地综合站房工程的主体构筑物给水蓄水池以及多个废水处理池组成。由于给水蓄水池一部分、两个废水处理全部处于人工鱼塘位置,属软土地基,且构筑物的基础设计标高与满足要求的持力层标高高差达5～6m ,不能满足地基基础设计的要求,因此必须对地基进行换填加固处理。根据设计要求 ,处理后的地基承载力特征值 fak不得低于150kPa。
2场地岩土工程条件
根据工程地质勘察报告,该场地的主要岩石土层为:
(1)人工填土层:A素填土,该土层堆填时间为5～6 a,厚度为1.8～5.6 m。
(2)第四系冲积土层:B-1粉质粘土层厚0.5～3.4 m,B-2粘土层厚1.4～7.8 m,B23淤泥质粉质粘土层厚2.4～6.5 m,B-4中砂层厚4 m。
(3)第四系残积土层:C粉土层厚度变化大,厚1.2～9.5 m。
(4)基岩及其风化层:D强风化含砾砂岩揭露厚度为3.5～15 m。
该场地地下水类型主要为储存于人工填土中的上层滞水及储存于中砂层中的孔隙潜水,基岩裂隙水贫乏。
二、确定地基处理方案
根据工程地质勘察报告中提供的岩土承载力特征值、土的状态及压缩模量等参数,对地基处理换填垫层法及强夯法两种方案进行了比较。
(1)换填垫层法。该方法适用于浅层软土地基及不均匀地基的处理,换土垫层材料可采用砂、砂石、灰土等,但厚度不宜大于3 m。采用灰土换填材料,土料选用粉质粘土,石灰选用新鮮消石灰,两者体积比按3∶7计。本工程的换填垫层预算造价大约为200万元,造价较高。
(2)强夯法。强夯法适用于浅层软土地基的处理,工期短,施工工艺及检测方法相对简单,有利于总体工程施工的组织安排。本工程强夯处理的预算造价大约为135万元,相对换填垫层法造价较低。满足设计要求的同时,应选择能保证工期而且施工费用和造价最小的方案,故采用强夯法对地基进行加固处理。
三、强夯法施工
1施工准备
本工程软土地基加固处理的范围面积约8 720m2。鱼塘抽干水后,将场地表面植物残根、淤泥、淤泥质土清理干净,回填砂砾粘土,部分掺杂强风化砾砂岩。回填土按40～50 cm厚度分层铺设,并用20 t振动压路机压实,按设计要求密实度须达到93%,方可进行强夯施工。同时,在强夯施工前对加固处理范围场地内的地下管线位置进行了细致检查,以免因强夯施工造成破坏。
2强夯机械设备
采用50t履带式起重机作为提升机具,夯锤采用直径2m的钢筋混凝土锤、夯锤质量16.5t,140W推土机1部,水准仪,自动脱钩器等。
3强夯设计参数选取
3.1强夯加固地基的有效加固深度
以《建筑地基处理技术规范》(DBJ 15—38—2005)公式计算,见式(1)。
H =α(1)
式中：H—有效加固深度,m；α—修正系数,一般为0.34～0.8(根据土质情况而定,粘性土取0.7)；Q—夯锤质量,t；h—落距,m。
3.2单击夯击能
强夯的单击夯击能根据地基土类别、性质,上部结构类型、荷载大小、基础形式和要求处理深度等综合考虑,本项目要求处理深度为5～6 m。本工程中原选定夯锤质量为25 t,锤径为2.2～2.4 m,落距第一、二遍为10m,后考虑附近找不到此种参数的夯锤,为赶在雨季来临之前完成强夯工作而改选定夯锤质量为16.5 t,直径2 m,落距为15.2 m,则:Qhg=16.5×15.2×10=2 500(kN•m),Qhg值即为单击夯击能。
3.3夯击遍数与夯点布置
本工程强夯采用两遍点夯一遍满夯。两遍点夯布点均采用5 m×5 m正方形布点,第二遍夯点位于第一遍夯点四个相邻点的对角线相交处,两遍布点最后形成梅花形布点(见图1)。满夯夯锤印间搭接不小于1/4夯锤底面积(见图2)。
3.4点夯每点夯击数及间歇时间
点夯每点夯击数均为6～8击,两遍点夯施工间歇时间不小于14d。
图1点夯大样(单位:m) 图2满夯大样
3.5满夯夯击能
根据《建筑地基处理技术规范》的规定:在完成全部夯击遍数施工后,宜用夯击能为500～2 000 kN•m的满夯将场地表层松土夯实。在本工程中,根据现场回填土的实际情况,结合强夯施工单位以往的施工经验,满夯夯击能取1000 kN•m。
4试夯
试夯参数:点夯单击夯击能为2 500 kN•m,点夯每点夯击数为6～8击,点击收锤标准为最后两击平均夯沉量须小于5 cm;满夯单击夯击能为1 000kN•m,满夯的布置按1/4锤底面积搭接,满夯每点夯击数为2～3击。试夯:选择场地内有代表性的3个夯点进行夯击,以试夯的情况确定强夯设计参数的合理性。强夯施工单位进场工作准备好后,会同甲方、设计、监理、质检等相关单位对3个试夯点进行点夯施工,按《建筑地基处理技术规范》的要求做好每个夯点的施工记录,试夯施工完成后,按规范间隔时间,对试夯场地进行了检测。现场的夯前测试数据、夯击情况、施工数据及检测结果显示,强夯设计参数是合理的,可作为最终的施工参数。
5施工操作
5.1点夯施工
按照夯点平面布置图进行定位放线,准确标出夯点位置,并测量场地标高。每点夯击程序为:起重机就位,使夯锤对准夯点位置→测量夯前锤顶标高→将夯锤起吊至预定高度15.2 m,待夯锤脱钩自由落下→测量锤顶标高,若发生坑底倾斜而造成夯锤歪斜时,应及时将坑底整平。这样循环多次,直至完成按设计规定的夯击次数及控制标准。
5.2满夯施工
前二遍点夯施工完毕后,用推土机将场地整平,进行满夯施工,将场地表层松土夯实。满夯单击夯击能为1000 kN•m,采用搭夯施工。施工时,行走强夯机到达指定的位置,调节好夯击能后,使夯锤对正起始位置,起吊夯锤夯击地基,达到设计锤击数后,移动夯锤至将要施工的夯点与已施工夯点搭接1/4夯锤底面积后,吊起夯锤继续夯击。重复上述步骤直到覆盖式夯完所有夯区。满夯施工完毕后,用20t振动压路机对场地进行碾压密实。
5.3防振沟
根据《建筑地基處理技术规范》的要求“当强夯施工所产生的振动会对邻近建筑物或设备生产产生有害影响(影响范围为10～15 m)时,应采取防振或隔振措施”。由于本工程邻近一期净水构筑物,故必须设置防振沟,防振沟宽1m,深2.5 m。因为强夯施工时会产生巨大的振动及对侧向土体产生挤压,防振沟设置须具有一定的强度以避免沟体坍塌,所以在施工中采用了3m长的钢板桩进行支护。在邻近强夯一侧,防振沟采用了连续支撑,另一侧则按30cm的间隔设置钢板桩,同时设置了横向支撑。
5.4施工中的排水降水措施
由于本工程清水池的设计标高为整个场地内的最低洼点,因此在施工中在强夯区域范围内四周挖掘明沟集水,排至设置于清水池内(靠近恒速滤池一侧)的若干个集水坑,然后再由抽水泵排至市政排水管网。
6施工质量控制
施工前检查锤重和落距,以确保单击夯击能符合设计要求。在每遍夯击前,应对夯点放线、夯点布置进行复核,夯完后检查夯坑位置,发现偏差或漏夯应及时纠正。施工过程中记录每个夯点的夯沉量作为原始记录。
四、强夯检验
强夯施工结束后间隔2周时间对强夯地基质量进行检验,此次检验由具有资质的建设工程质量检测中心负责组织实施,分别进行了动力触探试验和压板载荷试验。
1、N63.5重型动力触探试验
根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)规定,动力触探试验N63.5(即重型动力触探试验)落锤63.5 kg,落距76 cm,采用机械落锤法进行连续锤击,锤击速率小于30击/min,贯入器打入土中10 cm的锤击数即为动力触探试验N63.5,修正后的锤击数为动力触探试验N63.5′。试验的目的是掌握垂直方向的地基承载力分布情况、强夯加固深度和影响深度。本工程检测试验按网距90～100 m2布置一个检测点,共布置86个检测点位,检测累计深度165.00 m。其试验结果(即地基持力层承载力特征值)见表1。
表1地基持力层承载力特征值
2、压板载荷试验
试验的目的是了解较深范围地基土的承载力和变形模量。根据《N63.5重型动力触探试验报告》的检验结果,共选取三个场地内最薄弱的点进行压板载荷试验。并且根据规范规定试验中的总加载量不小于设计要求值的两倍,在本次试验中每个试验点共压了12块钢筋混凝土件,每件试件尺寸均为1.0 m×1.0 m×1.0 m,总的加荷重为300 kN。检测报告显示,三个检测点的荷载q-沉降量s曲线较平缓,沉降量s-时间(对数)lgt曲线基本呈平行规则排列,说明场地内的地基承载力达到150 kPa。其试验结果见表2。
3、强夯效果
现场检测试验的结果表明,场地内的地基承载力完全满足地基基础的设计要求,达到ƒak≥150 kPa,说明本工程的软土地基强夯加固的效果明显,充分证明了强夯法是一种十分有效的地基处理方法。
表2压板载荷试验结果
五、结束语
1) 该工程地基处理施工中, 采用强夯施工工艺, 成功有效地提高了地基土的承载力,可满足一般多层建筑浅基础的承载力要求,与未经地基处理直接采用桩基础相比, 节约材料、 降低工程造价。
2)软土地基强夯施工技术含量高,采用上述方法所用设备简单,原理直观,适用范围广,可用于加固各种填土、湿陷性黄土、砂土、一般粘性土、 软土以及工业、生活垃圾等地基,特别是对非饱和土加固效果显著。对饱和土加固效果的好坏, 关键在于排水,如饱和砂土地基的渗透性好,超孔隙水压力容易消散, 夯后固结也快。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：强夯法；夯击能；软土地基；地基处理；地基承载
强夯法又称动力固结法( Dynamic consolidation), 就是用起重设备反复将80kN～400kN的锤(最重达2000kN)起吊到8m～25m 高处(最高达40m) , 而后利用自动脱钩释放载荷或带锤自由落下,其动能在土中形成强大的冲击波和高应力,从而提高地基土的强度、降低压缩性、改善抗振动液化能力、消除湿陷性等。同时,夯击能还可提高土层的均匀程度,减少将来可能出现的差异沉降。该法自诞生以来,以其经济易行、效果显著、设备简单、施工便捷、节省材料、质量容易控制、适用范围广、施工周期短等突出优点,在世界各地多种类型、多种目的的地基处理工程中得到了日益广泛的应用。
一、工程概况及场地岩土工程条件
1、工程概况
比亚迪汽车研发生产深圳坪山基地综合站房工程的主体构筑物给水蓄水池以及多个废水处理池组成。由于给水蓄水池一部分、两个废水处理全部处于人工鱼塘位置,属软土地基,且构筑物的基础设计标高与满足要求的持力层标高高差达5～6m ,不能满足地基基础设计的要求,因此必须对地基进行换填加固处理。根据设计要求 ,处理后的地基承载力特征值 fak不得低于150kPa。
2场地岩土工程条件
根据工程地质勘察报告,该场地的主要岩石土层为:
(1)人工填土层:A素填土,该土层堆填时间为5～6 a,厚度为1.8～5.6 m。
(2)第四系冲积土层:B-1粉质粘土层厚0.5～3.4 m,B-2粘土层厚1.4～7.8 m,B23淤泥质粉质粘土层厚2.4～6.5 m,B-4中砂层厚4 m。
(3)第四系残积土层:C粉土层厚度变化大,厚1.2～9.5 m。
(4)基岩及其风化层:D强风化含砾砂岩揭露厚度为3.5～15 m。
该场地地下水类型主要为储存于人工填土中的上层滞水及储存于中砂层中的孔隙潜水,基岩裂隙水贫乏。
二、确定地基处理方案
根据工程地质勘察报告中提供的岩土承载力特征值、土的状态及压缩模量等参数,对地基处理换填垫层法及强夯法两种方案进行了比较。
(1)换填垫层法。该方法适用于浅层软土地基及不均匀地基的处理,换土垫层材料可采用砂、砂石、灰土等,但厚度不宜大于3 m。采用灰土换填材料,土料选用粉质粘土,石灰选用新鮮消石灰,两者体积比按3∶7计。本工程的换填垫层预算造价大约为200万元,造价较高。
(2)强夯法。强夯法适用于浅层软土地基的处理,工期短,施工工艺及检测方法相对简单,有利于总体工程施工的组织安排。本工程强夯处理的预算造价大约为135万元,相对换填垫层法造价较低。满足设计要求的同时,应选择能保证工期而且施工费用和造价最小的方案,故采用强夯法对地基进行加固处理。
三、强夯法施工
1施工准备
本工程软土地基加固处理的范围面积约8 720m2。鱼塘抽干水后,将场地表面植物残根、淤泥、淤泥质土清理干净,回填砂砾粘土,部分掺杂强风化砾砂岩。回填土按40～50 cm厚度分层铺设,并用20 t振动压路机压实,按设计要求密实度须达到93%,方可进行强夯施工。同时,在强夯施工前对加固处理范围场地内的地下管线位置进行了细致检查,以免因强夯施工造成破坏。
2强夯机械设备
采用50t履带式起重机作为提升机具,夯锤采用直径2m的钢筋混凝土锤、夯锤质量16.5t,140W推土机1部,水准仪,自动脱钩器等。
3强夯设计参数选取
3.1强夯加固地基的有效加固深度
以《建筑地基处理技术规范》(DBJ 15—38—2005)公式计算,见式(1)。
H =α(1)
式中：H—有效加固深度,m；α—修正系数,一般为0.34～0.8(根据土质情况而定,粘性土取0.7)；Q—夯锤质量,t；h—落距,m。
3.2单击夯击能
强夯的单击夯击能根据地基土类别、性质,上部结构类型、荷载大小、基础形式和要求处理深度等综合考虑,本项目要求处理深度为5～6 m。本工程中原选定夯锤质量为25 t,锤径为2.2～2.4 m,落距第一、二遍为10m,后考虑附近找不到此种参数的夯锤,为赶在雨季来临之前完成强夯工作而改选定夯锤质量为16.5 t,直径2 m,落距为15.2 m,则:Qhg=16.5×15.2×10=2 500(kN•m),Qhg值即为单击夯击能。
3.3夯击遍数与夯点布置
本工程强夯采用两遍点夯一遍满夯。两遍点夯布点均采用5 m×5 m正方形布点,第二遍夯点位于第一遍夯点四个相邻点的对角线相交处,两遍布点最后形成梅花形布点(见图1)。满夯夯锤印间搭接不小于1/4夯锤底面积(见图2)。
3.4点夯每点夯击数及间歇时间
点夯每点夯击数均为6～8击,两遍点夯施工间歇时间不小于14d。
图1点夯大样(单位:m) 图2满夯大样
3.5满夯夯击能
根据《建筑地基处理技术规范》的规定:在完成全部夯击遍数施工后,宜用夯击能为500～2 000 kN•m的满夯将场地表层松土夯实。在本工程中,根据现场回填土的实际情况,结合强夯施工单位以往的施工经验,满夯夯击能取1000 kN•m。
4试夯
试夯参数:点夯单击夯击能为2 500 kN•m,点夯每点夯击数为6～8击,点击收锤标准为最后两击平均夯沉量须小于5 cm;满夯单击夯击能为1 000kN•m,满夯的布置按1/4锤底面积搭接,满夯每点夯击数为2～3击。试夯:选择场地内有代表性的3个夯点进行夯击,以试夯的情况确定强夯设计参数的合理性。强夯施工单位进场工作准备好后,会同甲方、设计、监理、质检等相关单位对3个试夯点进行点夯施工,按《建筑地基处理技术规范》的要求做好每个夯点的施工记录,试夯施工完成后,按规范间隔时间,对试夯场地进行了检测。现场的夯前测试数据、夯击情况、施工数据及检测结果显示,强夯设计参数是合理的,可作为最终的施工参数。
5施工操作
5.1点夯施工
按照夯点平面布置图进行定位放线,准确标出夯点位置,并测量场地标高。每点夯击程序为:起重机就位,使夯锤对准夯点位置→测量夯前锤顶标高→将夯锤起吊至预定高度15.2 m,待夯锤脱钩自由落下→测量锤顶标高,若发生坑底倾斜而造成夯锤歪斜时,应及时将坑底整平。这样循环多次,直至完成按设计规定的夯击次数及控制标准。
5.2满夯施工
前二遍点夯施工完毕后,用推土机将场地整平,进行满夯施工,将场地表层松土夯实。满夯单击夯击能为1000 kN•m,采用搭夯施工。施工时,行走强夯机到达指定的位置,调节好夯击能后,使夯锤对正起始位置,起吊夯锤夯击地基,达到设计锤击数后,移动夯锤至将要施工的夯点与已施工夯点搭接1/4夯锤底面积后,吊起夯锤继续夯击。重复上述步骤直到覆盖式夯完所有夯区。满夯施工完毕后,用20t振动压路机对场地进行碾压密实。
5.3防振沟
根据《建筑地基處理技术规范》的要求“当强夯施工所产生的振动会对邻近建筑物或设备生产产生有害影响(影响范围为10～15 m)时,应采取防振或隔振措施”。由于本工程邻近一期净水构筑物,故必须设置防振沟,防振沟宽1m,深2.5 m。因为强夯施工时会产生巨大的振动及对侧向土体产生挤压,防振沟设置须具有一定的强度以避免沟体坍塌,所以在施工中采用了3m长的钢板桩进行支护。在邻近强夯一侧,防振沟采用了连续支撑,另一侧则按30cm的间隔设置钢板桩,同时设置了横向支撑。
5.4施工中的排水降水措施
由于本工程清水池的设计标高为整个场地内的最低洼点,因此在施工中在强夯区域范围内四周挖掘明沟集水,排至设置于清水池内(靠近恒速滤池一侧)的若干个集水坑,然后再由抽水泵排至市政排水管网。
6施工质量控制
施工前检查锤重和落距,以确保单击夯击能符合设计要求。在每遍夯击前,应对夯点放线、夯点布置进行复核,夯完后检查夯坑位置,发现偏差或漏夯应及时纠正。施工过程中记录每个夯点的夯沉量作为原始记录。
四、强夯检验
强夯施工结束后间隔2周时间对强夯地基质量进行检验,此次检验由具有资质的建设工程质量检测中心负责组织实施,分别进行了动力触探试验和压板载荷试验。
1、N63.5重型动力触探试验
根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)规定,动力触探试验N63.5(即重型动力触探试验)落锤63.5 kg,落距76 cm,采用机械落锤法进行连续锤击,锤击速率小于30击/min,贯入器打入土中10 cm的锤击数即为动力触探试验N63.5,修正后的锤击数为动力触探试验N63.5′。试验的目的是掌握垂直方向的地基承载力分布情况、强夯加固深度和影响深度。本工程检测试验按网距90～100 m2布置一个检测点,共布置86个检测点位,检测累计深度165.00 m。其试验结果(即地基持力层承载力特征值)见表1。
表1地基持力层承载力特征值
2、压板载荷试验
试验的目的是了解较深范围地基土的承载力和变形模量。根据《N63.5重型动力触探试验报告》的检验结果,共选取三个场地内最薄弱的点进行压板载荷试验。并且根据规范规定试验中的总加载量不小于设计要求值的两倍,在本次试验中每个试验点共压了12块钢筋混凝土件,每件试件尺寸均为1.0 m×1.0 m×1.0 m,总的加荷重为300 kN。检测报告显示,三个检测点的荷载q-沉降量s曲线较平缓,沉降量s-时间(对数)lgt曲线基本呈平行规则排列,说明场地内的地基承载力达到150 kPa。其试验结果见表2。
3、强夯效果
现场检测试验的结果表明,场地内的地基承载力完全满足地基基础的设计要求,达到ƒak≥150 kPa,说明本工程的软土地基强夯加固的效果明显,充分证明了强夯法是一种十分有效的地基处理方法。
表2压板载荷试验结果
五、结束语
1) 该工程地基处理施工中, 采用强夯施工工艺, 成功有效地提高了地基土的承载力,可满足一般多层建筑浅基础的承载力要求,与未经地基处理直接采用桩基础相比, 节约材料、 降低工程造价。
2)软土地基强夯施工技术含量高,采用上述方法所用设备简单,原理直观,适用范围广,可用于加固各种填土、湿陷性黄土、砂土、一般粘性土、 软土以及工业、生活垃圾等地基,特别是对非饱和土加固效果显著。对饱和土加固效果的好坏, 关键在于排水,如饱和砂土地基的渗透性好,超孔隙水压力容易消散, 夯后固结也快。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。