曾力娟,李 強,于元峰

(北京愛地地質勘察基礎工程公司,北京 100144）

強夯法在吹砂填海地基加固中的應用分析

曾力娟,李 強,于元峰

(北京愛地地質勘察基礎工程公司,北京 100144）

通過強夯法在首鋼京唐曹妃甸鋼鐵公司吹填砂地基處理工程中的應用情況和成功經驗,對強夯設計、施工參數、加固效果進行了分析,為相似工程提供參考。

吹填砂;強夯法;地基處理;曹妃甸

0 引言

首鋼搬遷方案于2005年年初獲國務院批準,并被列為國家“十一五”重點工程項目,河北省重點工程項目一號工程。擬建工程填海面積達20萬km2,填海規(guī)模居我國首位。

為加快鋼鐵廠建設的工程進度,采取邊吹填、邊開發(fā)的模式進行建設。場地上部吹填形成厚度約5 m左右的海砂,由于吹填時間短,沒有經過排水壓密,為欠固結土,工程力學性質差、承載力低,并且臨近無工程資料可供參考。為了不影響后續(xù)工程建設的開展,選擇加固效果好、工期短和造價低廉的地基處理方案尤為重要。

根據曹妃甸鋼鐵廠建設場區(qū)工程地質和水文地質條件的特點,在前期進行了真空動力固結和強夯法進行試驗,兩種方法地基加固效果明顯,但相對真空動力固結法,強夯法造價低,工期短,因此被推薦為首選方案。通過2006年以來3年多的道路區(qū)域及工業(yè)廠區(qū)地基處理工程實踐,強夯法取得了明顯的效果,現對取得的經驗進行總結,以求對今后的工程施工起到一定的指導作用。

1 工程地質條件

1.1 地形地貌

擬建廠區(qū)地貌上屬于濱海淺灘。曹妃甸一帶為灤河三角洲平原海岸,具有雙重岸線特征,其中內側大陸岸線為沿灤河古三角洲前沿發(fā)育的沖積海積平原。沿岸多鹽田,潮灘發(fā)育。外側島嶼岸線與大陸岸線走向基本一致,由蛤坨、腰坨和曹妃甸沙島群構成沙質海灘,其南端的曹妃甸島由12個沙島組成,西南端最大,最高處有少量沙生植物,內外岸線間為寬闊的淺水海灘,低潮時部分出露,且地形平坦,東西兩側潮溝最大水深為2～5 m,曹妃甸沙島位居渤海灣北岸岸線轉折處,尤如磯頭和岬角緊貼渤海灣深槽(深槽的水深20～30 m）。

場地進行人工吹填后,地形基本平坦,地面高程2.70～4.23 m,平均3.52 m。

1.2 地層巖性

根據勘察結果,曹妃甸地區(qū)在深度20.0 m范圍內的地層主要為人工吹填砂(Q4ml）和第四系全新統(tǒng)海相沉積(Q4

m）的砂類土,具體的地層主要特征見表1。

1.3 地下水

地下水位埋深0.5～1.5 m,平均為1.02 m。

2 強夯試驗

2.1 試夯參數

為了獲取曹妃甸地區(qū)強夯參數,在吹填工作完成后,在工程場地分別進行了1500、2000、3000和4000 kN·m四個不同夯擊能的強夯試驗,試夯參數見表2。2.2 試驗結論

表1 地層巖性主要特征一覽表

表2 試夯參數

(1）通過強夯試驗夯后標準貫入、靜力觸探、面波、淺層平板載荷以及強夯振動地面加速度測試等試驗,夯后效果明顯,各參數統(tǒng)計見表3。

表3 夯后各指標參數統(tǒng)計

(2）通過各夯擊能下地基土中孔隙水壓力觀測,夯后0.5 h內可消散超靜孔隙水壓力的65%～80%,在夯后4 h內已基本消散。因此建議強夯每遍間隔時間不宜少于4 h。

(3）通過場區(qū)標貫試驗數據計算,強夯影響深度范圍內砂層夯后液化現象消除。

3 強夯方案選擇及施工參數

3.1 強夯方案選擇

根據強夯試驗結果和場地建筑物荷載情況,場區(qū)內大部分區(qū)域在消除液化后進行復合地基和樁基施工,地基承載力提高至220 kPa,因此場地主要采用3000 kN·m夯擊能進行處理。

道路區(qū)域荷載較小,承載力達200 kPa即可,因此采用2500 kN·m夯擊能。

3.2 強夯施工

由于上部吹填土形成時間短、含水量大且地下水埋深淺,其天然地基承載力很小,部分區(qū)域夯機進入即陷沉,給施工造成極大困難。因此對該土層進行強夯處理,必須首先解決降水、排水問題。

前期場地通過開挖明溝、強力擾動進行排水,地下水經過強力擾動涌出后,場地表層強度便提高很多,然后采用超濕地180推土機進行橫縱交錯的強力碾壓2～3遍。以上步驟完成,經過1～2天的晾曬后,再碾壓一遍,即可達到夯機進入不下陷。

另外現場施工中,由于場地是圍海造地,水力分選作用導致圍堰出水口處積聚了有限范圍的厚層粘性土,該范圍內吹填土以淤泥質粘性土為主,含水量大,大于液限,水分難以排出。根據此種情況,現場采用了山皮石修道擠入、換土混砂后強夯的方案,較好地解決了地表吹填形成的淤泥質土問題。

強夯參數如下:

(1）夯錘底直徑2000～2500 mm,高度1000 mm,夯錘質量20 t;單擊夯擊能2500～3000 kN·m,提升高度15.0～18.0 m[1]。

(2）主夯

夯點間距:5 m×5 m;四個點夾一個點形成梅花形布置,見圖1。

圖1 主夯點示意圖

夯擊遍數:點夯2遍。

夯擊擊數:第一遍點夯8～10擊,第二遍點夯7～9擊。

夯錘落距:落距=夯擊能/錘重。

停錘標準:最后兩擊夯沉量之和不大于10 cm。

(3）滿夯

滿夯搭界:1/4錘底面積,夯擊能1000 kN·m;夯擊遍數:1遍;

夯擊擊數:1擊;

每遍夯后間歇時間:3天。

4 強夯檢測結果及分析

4.1 夯前指標

根據各場地夯前場地勘察報告綜合統(tǒng)計,上部各層土力學參數見表4。

表4 夯前土層力學參數

由夯前各地層物理力學指標可以看出,①層吹填土處于松散狀態(tài),③層粉細砂處于松散～稍密狀態(tài),并且壓縮模量較小,地基承載力較低。根據《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2001）計算,①層、③層粉細砂處于中等～嚴重液化狀態(tài)。

4.2 強夯處理

經3000 kN·m夯擊能處理后,場地②層淤泥質粉質粘土厚度小于1.5 m區(qū)域各地層力學參數見表5。

表5 3000 kN·m夯擊能處理后土層力學參數

根據夯前勘察和3000 kN·m夯擊能處理檢測報告統(tǒng)計,按各參數夯后和夯前比率繪制柱形圖2。

圖2 夯前夯后各地層參數比率柱形圖

由表4、表5和圖2可以看出:采用3000 kN·m夯擊能時,各層土的力學性能比未處理前均有明顯提高,尤其是①層吹填土提高幅度最大,標貫擊數和靜探錐頭指標提高了150%,地基承載力提高了160%,壓縮模量增加了3倍;②層粉粘和③層粉細砂地基承載力提高了90%以上;同時①層吹填土和③層粉細砂消除了液化。

經2500 kN·m夯擊能處理后,場地②層淤泥質粉質粘土厚度小于1.5 m區(qū)域各地層力學參數見表6。

對比表4、5、6的數據可知:采用2500 kN·m夯擊能時,各層土的力學性能比未處理前均有明顯提高,但相對3000 kN·m夯擊能提高幅度較小。根據標貫數據計算采用2500 kN·m夯擊能夯后①層吹填土和③層粉細砂消除了液化。

表6 2500 kN·m夯擊能處理后土層力學參數

4.3 淤泥質土影響

施工中發(fā)現,同樣采用3000 kN·m夯擊能處理,局部區(qū)域由于②層淤泥質粉質粘土厚度較厚,對②層淤泥質粉質粘土和③層粉細砂強夯效果影響較大。經統(tǒng)計場區(qū)內礦石料場區(qū)②層淤泥質粉質粘土大于1.5 m強夯檢測結果,各地層力學參數指標見表7。

表7 ②層厚度大于1.5 m區(qū)域夯后土層力學參數

由表7數據可以看出,經3000 kN·m夯擊能處理后,各層土力學指標相對夯前指標都有提高,但相對②層淤泥質粉質粘土小于1.5 m區(qū)域,指標提高幅度較小。

由于局部區(qū)域②層淤泥質粉質粘土厚度過大,消弱了夯擊能向③層粉細砂的傳遞,導致下部粉細砂強度提高受到影響。②層淤泥質粉質粘土由于其處在超飽和狀態(tài),粘粒含量較高,排水條件不好,強夯效果不理想。

5 結論及建議

(1）相對其它地基處理方法,強夯法具有設備簡單,施工方便、施工期短、施工費用低等特點,經濟效益顯著。

(2）通過場地強夯,加速了上部吹填土地基固結,減少了工程建設周期,確保了土建工程的順利進行;強夯施工應在圍海造地6個月之后進行,利于設備進入,效果良好。

(3）通過夯前夯后標準貫入試驗、靜力觸探試驗、面波測試結果的對比,淤泥質土小于1.5 m的區(qū)域,強夯影響深度能達10 m,夯后影響深度范圍內各地層力學指標均有提高,地基承載力提高100%以上,同時消除了場地液化現象,強夯效果顯著,處理地基的均勻性較好。

(4）對于采用天然地基的料場等大范圍堆載區(qū)域,經強夯處理后,應該按照分級堆載的原則,待前期預壓荷載下地基土的強度增長滿足下一級荷載下地基的穩(wěn)定性要求后再加載,防止加載過快造成地基破壞。

(5）對于局部淤泥質土較厚的區(qū)域,工程設計時應根據荷載及建構筑物情況考慮其不利影響:

①道路區(qū)域,可以采用換填法進行處理;

②采用增加排水溝、袋裝砂井等方式增加排水通道,加速軟土固結;

③可以通過復夯,即采用普通強夯錘2遍點夯后,填平夯坑再次進行復夯,根據淤泥土厚度情況確定夯擊次數,達到提高地基承載力的效果;

④也可采用真空堆載預壓法或真空動力固結法進行地基處理,能夠取得更好的效果。

[1] JGJ 79-2002,建筑地基處理技術規(guī)范[S].

[2] 白李妍.強夯法和強夯置換法在深厚人工填土層中的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2007,34(12）:39-41.

[3] 劉世奇,陳靜曦,潘冬子.強夯法處理濕陷性黃土地基的效果分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2004,31(6）:19-21.

[4] 陳昌富,李樹偉,張曉欣.某試驗區(qū)吹填軟基處理工程監(jiān)測數據分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2009,36(7）:46-49.

Application and Research on Dynam ic Compaction M ethod to Hydraulic Fill Sand Foundation Bed Treatment

ZENG Li-juan,L I Q iang,YU Yuan2feng(Beijing Aidi Geotechnical Investigation&Foundation Engineering Company, Beijing 100144,China）

Analysiswasmade on the dynamic consolidation design,construction parameters and reinforcement effects by the application and successful experience of hydraulic fill sand foundation treatment with dynamic compaction method in Shougang Jingtang Caofeidian SteelUnited Company,which could be the reference for the similar projects.

hydraulic fill sand;dynamic compaction method(DCM）;foundation treatment;Caofeidian

TU472

:A

:1672-7428(2010）06-0067-04

2010-01-27;

2010-03-04

曾力娟(1982-）,女(漢族）,湖北天門人,北京愛地地質勘察基礎工程公司注冊巖土工程師,巖土工程專業(yè),從事巖土工程勘察設計工作,北京市石景山區(qū)晉元莊路23號,zenglijuanyu@126.com。