尹廣田，于健

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；4.天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

強(qiáng)夯法地基加固因工藝簡(jiǎn)單、施工方便、經(jīng)濟(jì)可靠而廣泛應(yīng)用于地基處理工程中，該方法主要應(yīng)用于碎石土、砂土、粉土、濕陷性黃土、素填土和雜填土的處理，近幾年已有粉質(zhì)黏土地基處理的工程案例，應(yīng)用范圍非常廣泛，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已成為我國最常用的地基處理方式之一。與其工程實(shí)踐上的廣泛應(yīng)用相比，強(qiáng)夯法的設(shè)計(jì)理論還很不完善，強(qiáng)夯加固機(jī)理復(fù)雜，影響因素較多，很難在一個(gè)統(tǒng)一的理論框架內(nèi)進(jìn)行分析[1]。在設(shè)計(jì)上主要依靠以往工程案例所積累的施工經(jīng)驗(yàn)，特別是強(qiáng)夯加固深度問題尚未有明確標(biāo)準(zhǔn)。張峰等[2]以豎向壓縮變形為5%的深度作為標(biāo)準(zhǔn)；葉觀寶等[3]以每米地層壓縮變形為地表變形的2.5%的土層深度為標(biāo)準(zhǔn)；趙煉恒等[4]以附加動(dòng)應(yīng)力為10 kPa 的深度為標(biāo)準(zhǔn)；范維恒等[5]則是通過將加固后原位試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)值作為標(biāo)準(zhǔn)。本文將結(jié)合某高填方土石料地基強(qiáng)夯加固現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)強(qiáng)夯法有效加固深度進(jìn)行分析，并總結(jié)相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式，為該類地基的強(qiáng)夯法加固設(shè)計(jì)施工提供一些參考。

1 有效加固深度的概念及影響因素

強(qiáng)夯法地基加固主要解決地基承載力和變形兩個(gè)問題，這兩個(gè)問題都與強(qiáng)夯的有效加固深度有關(guān)，也決定了夯擊能、夯點(diǎn)的布置方式等關(guān)鍵施工參數(shù)的選取。對(duì)于強(qiáng)夯法地基加固深度的概念有“有效深度”、“影響深度”、“處理深度”等多種說法，規(guī)范中采用了“有效加固深度”的用語，但未解釋其內(nèi)涵和量化指標(biāo)[6]；“影響深度”應(yīng)理解為夯擊能使得一定深度處的地基土體物理力學(xué)性質(zhì)得到一定程度的改善，但改善程度不一定滿足上部結(jié)構(gòu)使用要求；“有效加固深度”是相對(duì)于上部結(jié)構(gòu)使用要求而言的，即不滿足工程使用要求的地基經(jīng)強(qiáng)夯處理后能夠滿足工程要求的深度[7]。

強(qiáng)夯有效加固深度主要由施工工藝和地基土的性質(zhì)兩方面決定，施工工藝包括夯擊能大小、夯錘的形狀、夯錘的底面積等因素，地基土的性質(zhì)包括土的類別、土的含水率、孔隙比、壓縮性以及地下水位等因素。因此要達(dá)到預(yù)期的有效加固深度需結(jié)合地基土的性質(zhì)采用合理的施工工藝。

2 有效加固深度的確定

強(qiáng)夯法的創(chuàng)始人Menard[8]曾提出下列公式估算有效加固深度：

式中：H為有效加固深度，m；M為夯錘重量，t；h為落距，m。

該公式考慮了夯擊能量，未考慮夯錘面積、地基土的性質(zhì)、地下水位等因素，因此在實(shí)際工程中誤差較大。國內(nèi)外工程界基于大量的工程實(shí)踐結(jié)果，在Menard 公式的基礎(chǔ)上將地基土的性質(zhì)的影響歸于一個(gè)小于1 修正系數(shù)來代替，形式簡(jiǎn)潔便于計(jì)算，修正的Menard 公式：式中：α為考慮地基土性質(zhì)的修正參數(shù)，國內(nèi)外大量學(xué)者針對(duì)不同地基土提出了眾多取值范圍，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中建議α取值在0.34～0.80 之間。

Billam 考慮了夯擊能量、夯錘底面積和土的性質(zhì)對(duì)有效加固深度的影響，提出了下列公式：

式中：k為折減系數(shù)，k = g/q，與土的種類和初始密度有關(guān)，一般取0.1～0.16（g為重力加速度，m/s2；q為土骨架的動(dòng)阻力，kN/m2）；D為夯錘底面直徑，m。

此外，國內(nèi)外許多學(xué)者根據(jù)大量的工程經(jīng)驗(yàn)建立了有效加固深度與夯擊能、擊數(shù)、單擊夯沉量、土體含水率及容重等的統(tǒng)計(jì)關(guān)系[9]，還有一些學(xué)者通過能量守恒、數(shù)值分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[10-11]等對(duì)強(qiáng)夯有效加固深度進(jìn)行了研究，一定程度上指導(dǎo)了強(qiáng)夯地基處理的設(shè)計(jì)工作，但是這些計(jì)算公式在應(yīng)用上都具有一定的局限性。

通過地基某一深度處的變形或動(dòng)應(yīng)力來確定有效加固深度，在操作上比較困難，工程上強(qiáng)夯有效加固深度一般通過標(biāo)準(zhǔn)貫入、動(dòng)力觸探、靜力觸探等原位測(cè)試方法來評(píng)價(jià)地基一定深度范圍內(nèi)的承載力和變形等指標(biāo)是否能夠滿足上部結(jié)構(gòu)的使用要求來判斷，也可通過更為簡(jiǎn)便的物探手段來定性評(píng)價(jià)強(qiáng)夯的加固效果，胡云龍?jiān)陂_山土石料強(qiáng)夯處理中采用瑞麗面波法檢測(cè)[12]，董雪華證明了該方法簡(jiǎn)單、快速、有效[13]。

3 某高填方強(qiáng)夯加固試驗(yàn)區(qū)典型施工

3.1 地質(zhì)條件

某填海造地工程采用周邊山體的開山土石料回填而成，回填厚度約23 m?；靥盍弦运槭K石為主，并有一定的含泥量，回填料粒徑不均，個(gè)別塊石粒徑達(dá)到1 m 左右，級(jí)配較差、孔隙大。地下水位位于地表下3 m 左右。

3.2 強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)施工工藝參數(shù)

由于回填厚度較大，為了消除后期的土體沉降，需對(duì)地基進(jìn)行加固處理，因此場(chǎng)區(qū)中開展了5種夯擊能試驗(yàn)，夯擊能分別為6 000 kJ、10 000 kJ、18 000 kJ、25 000 kJ、30 000 kJ 的強(qiáng)夯典型試驗(yàn)，其中夯擊能為6 000 kJ、10 000 kJ、18 000 kJ的3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)采用的夯錘直徑為2.52 m，夯擊能為25 000 kJ、30 000 kJ 的2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)采用的夯錘直徑為2.8 m。其余強(qiáng)夯施工工藝參數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of construction parameters

點(diǎn)夯過程中可進(jìn)行夯坑補(bǔ)填，補(bǔ)填料采用試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的回填料，每遍點(diǎn)夯之后進(jìn)行場(chǎng)地整平。全部點(diǎn)夯結(jié)束后均進(jìn)行一遍普夯，夯擊能量為1 500 kJ，每點(diǎn)2～3 擊，要求夯印搭接，且搭接部分不小于夯錘底面積的1/4。

強(qiáng)夯完畢后，地面表層采用激振力200～400 kN 的振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓處理，碾壓5～8 遍，直至無輪跡。

4 強(qiáng)夯有效加固深度分析

為了解強(qiáng)夯試驗(yàn)的加固效果，在加固試驗(yàn)過程中和加固后開展了大量的試驗(yàn)檢測(cè)工作。在點(diǎn)夯過程中進(jìn)行了表層及深層沉降觀測(cè)、深層水平位移觀測(cè)及孔隙水壓力觀測(cè)，在加固后進(jìn)行了超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、多道瞬態(tài)面波測(cè)試和平板載荷試驗(yàn)。

下面主要通過單點(diǎn)試夯的深層水平位移觀測(cè)結(jié)果、超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)和多道瞬態(tài)面波檢測(cè)結(jié)果對(duì)各種能級(jí)的有效加固深度進(jìn)行分析總結(jié)，并總結(jié)其計(jì)算方法。

4.1 點(diǎn)夯試驗(yàn)地基超重型動(dòng)力觸探檢測(cè)分析

回填料來自開山土石料，以碎石、塊石為主，因此采用超重型動(dòng)力觸探對(duì)加固前后的場(chǎng)地進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)加固前后分別進(jìn)行3 個(gè)孔的超重型動(dòng)力觸探檢測(cè)，檢測(cè)位置位于4 個(gè)夯點(diǎn)的幾何中心位置，且加固前后的檢測(cè)位置一致，將加固前后各孔的動(dòng)探擊數(shù)按每米進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)加固前后超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Results of ultra-heavy dynamic sounding test before and after reinforcement in each test area

從圖1 可明顯看出：總體上強(qiáng)夯加固后地基超重型動(dòng)力觸探擊數(shù)顯著增大，地基物理力學(xué)性質(zhì)得到改善。地表均存在一薄弱層，應(yīng)為夯坑深度以上范圍內(nèi)加固作用相對(duì)較弱的部分；夯坑深度以下存在一層明顯加強(qiáng)層，然后沿深度方向動(dòng)探擊數(shù)逐漸衰減，表明加固效果也逐漸減弱。

通過自上而下的全地層斷面的超重型動(dòng)力觸探擊數(shù)可以明顯看出不同深度處地基改善程度，本工程作為強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)，以加固后超重型動(dòng)探擊數(shù)增加5 擊作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，因此5 種夯擊能試驗(yàn)區(qū)有效加固深度分別約為9 m、10 m、13 m、16 m、17 m。

4.2 點(diǎn)夯試驗(yàn)地基多道瞬態(tài)面波檢測(cè)分析

在地面施一適當(dāng)?shù)呢Q向激振力，地下介質(zhì)中可產(chǎn)生縱波、橫波和瑞利面波。其中瑞利面波在分層介質(zhì)中具有頻散特性，且瑞利面波的傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，因此往往可根據(jù)瑞利面波波速判斷地層密實(shí)情況。

采用50 kg 重錘（落距1.5 m）作為激振力。檢波器24 個(gè)，道間距2 m，偏移距5～10 m。在加固前后的相同位置上分別布置3 條測(cè)線，每條測(cè)線上設(shè)置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，典型的頻散曲線見圖2。

圖2 試驗(yàn)區(qū)加固前后多道瞬態(tài)面波試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of multi-channel transient surface wave test before and after reinforcement in each test area

從圖2 可看出：強(qiáng)夯加固后上部地基土波速顯著，即地基土密實(shí)度增大，上部地基得到改善。加固后地基土的面波波速離散性較大，根據(jù)波速量化判斷有效加固深度尚有難度，從加固前后頻散曲線總體趨勢(shì)可定性判斷5 種夯擊能試驗(yàn)區(qū)的有效加固深度分別為9 m、10 m、14 m、17 m、18 m。

4.3 點(diǎn)夯試驗(yàn)地基深層水平位移監(jiān)測(cè)分析

每個(gè)試驗(yàn)區(qū)先進(jìn)行單點(diǎn)夯擊試驗(yàn)，在試夯夯點(diǎn)附近布設(shè)了地表沉降標(biāo)、深層水平位移、孔隙水壓力計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器，其中深層水平位移的測(cè)斜管距中心夯點(diǎn)的距離分別為6 m、8 m、10 m、12 m，測(cè)斜管埋設(shè)深度約25 m。點(diǎn)夯試驗(yàn)監(jiān)測(cè)設(shè)施布置平面圖見圖3。

圖3 單點(diǎn)試夯監(jiān)測(cè)設(shè)施布置平面圖Fig.3 Layout plan of single-point test tamping monitoring facilities

觀測(cè)結(jié)果表明，點(diǎn)夯時(shí)地基土發(fā)生明顯側(cè)向變形，離夯點(diǎn)越近，夯擊能越大，土體的深層水平位移越大，影響深度也越大[14]。各試驗(yàn)區(qū)深層水平位移最大值統(tǒng)計(jì)見表2，深層水平位移曲線見圖4。

圖4 試驗(yàn)區(qū)單點(diǎn)試夯地基深層水平位移Fig.4 Deep horizontal displacement of single-point test compaction foundation in each test area

表2 各試驗(yàn)區(qū)深層水平位移最大值統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of maximum horizontal displacement in depth of each test area

最大深層水平位移曲線接近橫置的拋物線形狀，強(qiáng)夯加固有效深度可取最大深層水平位移發(fā)生深度的2 倍，夯擊能為25 000 kJ 和30 000 kJ的試驗(yàn)區(qū)的深層水平位移監(jiān)測(cè)位置距離夯點(diǎn)6 m，位于4 個(gè)夯點(diǎn)的中心位置，因此其有效加固深度分別為14 m 和16 m；而夯擊能6 000 kJ、10 000 kJ、18 000 kJ 三個(gè)試驗(yàn)區(qū)的夯點(diǎn)間距分別為7 m、9 m、10 m，考慮到夯擊能在地基是向下擴(kuò)散的，即距離夯點(diǎn)越遠(yuǎn)，最大影響深度越大，最大深層水平位移發(fā)生的深度也越大，因此這3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)距離夯點(diǎn)6 m 位置觀測(cè)到的最大水平位移深度應(yīng)偏大，即其強(qiáng)夯有效加固深度應(yīng)分別小于11 m、11 m、13 m。

5 強(qiáng)夯有效加固深度經(jīng)驗(yàn)公式探討

影響強(qiáng)夯有效加固深度的施工工藝和土質(zhì)性質(zhì)等方面因素眾多，采用一個(gè)計(jì)算公式能夠全面反映上述所有因素是很困難的，從工程應(yīng)用的角度來講也是沒必要的。

夯擊擊數(shù)一般由最后兩擊的夯沉量差值決定，滿足夯沉量差值要求后認(rèn)為繼續(xù)夯擊已經(jīng)沒有效果了，也不經(jīng)濟(jì)，即可認(rèn)為將該能級(jí)的夯實(shí)效果已經(jīng)完全發(fā)揮出來，因此在夯擊擊數(shù)滿足停錘標(biāo)準(zhǔn)的情況下，認(rèn)為該因素不影響加固深度；夯點(diǎn)間距和夯擊遍數(shù)也不影響加固深度，而土質(zhì)參數(shù)則較為復(fù)雜，隨著強(qiáng)夯工藝應(yīng)用的越來越廣泛，特別是在開山土石回填土、建筑垃圾回填土等復(fù)雜非均質(zhì)地基加固工程中應(yīng)用較多，要根據(jù)地質(zhì)情況建立強(qiáng)夯加固深度計(jì)算公式比較困難，因此強(qiáng)夯有效加固深度主要是由單位面積的夯擊能決定的[15]，本文重點(diǎn)探討強(qiáng)夯加固深度與夯擊能和夯錘面積等施工參數(shù)的關(guān)系，夯錘面積跟沖擊荷載有關(guān)，Menard 公式未考慮夯錘面積是有欠缺的，而且在有些強(qiáng)夯加固工程的設(shè)計(jì)文件里面只對(duì)夯擊能、夯點(diǎn)間距、夯擊遍數(shù)、擊數(shù)等施工參數(shù)提出要求，而忽視了夯錘面積，這是不合理的。

綜合上述各個(gè)試驗(yàn)區(qū)多種原位檢測(cè)及監(jiān)測(cè)結(jié)果，可基本判斷6 000 kJ、10 000 kJ、18 000 kJ、25 000 kJ 及30 000 kJ 夯擊能試驗(yàn)區(qū)有效加固深度分別約為9 m、10 m、13 m、16 m、17 m。推算Menard 公式修正系數(shù)α 在0.31～0.37 之間，比規(guī)范建議值略小，說明夯擊能越大，修正系數(shù)α越小。推算Billam 公式折減系數(shù)k在0.000 4～0.001 0 之間，修正系數(shù)偏離幅度較大，難以在工程上應(yīng)用。

考慮到強(qiáng)夯加固深度主要與夯擊能、夯錘面積等施工參數(shù)有關(guān)，本著應(yīng)用簡(jiǎn)單又能夠反應(yīng)夯擊能、夯錘面積等主要施工參數(shù)的原則，本文根據(jù)5 個(gè)夯擊能強(qiáng)夯試驗(yàn)相關(guān)監(jiān)測(cè)檢測(cè)結(jié)果建立高填方開山土石料強(qiáng)夯加固深度的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：H為有效加固深度；A為夯錘底面積；α為修正系數(shù)；Δh為有效加固深度修正值。

按上述公式進(jìn)行擬合，推算α= 0.03，Δh=5.8，擬合關(guān)系曲線見圖5。

圖5 擬合關(guān)系曲線圖Fig.5 Fitted relation curve

6 結(jié)語

1）強(qiáng)夯加固地基的有效加固深度采用動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入、多道瞬態(tài)面波測(cè)試等現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試手段檢測(cè)加固前后地基土的性質(zhì)來判斷，較為直觀。

2） Menard 修正公式簡(jiǎn)單直觀，但未考慮夯錘面積的這一關(guān)鍵參數(shù)。本次試驗(yàn)中修正系數(shù)α在0.31～0.37 之間，比規(guī)范建議值小，高能級(jí)強(qiáng)夯修正系數(shù)α應(yīng)取小值；Billam 公式推算折減系數(shù)k在0.000 4～0.001 0 之間，難以應(yīng)用。

3）觀測(cè)夯點(diǎn)幾何中心位置地基土的深層水平位移是一種簡(jiǎn)便易行的判斷強(qiáng)夯有效加固深度方法，沿深度方向的最大水平位移曲線呈橫置的拋物線形狀，強(qiáng)夯的有效加固深度可近似為地基水平位移最大深度的2 倍。

4）根據(jù)多種試驗(yàn)檢測(cè)手段結(jié)果，總結(jié)了5 個(gè)不同能級(jí)強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)的有效加固深度，建立了高填方開山土石料強(qiáng)夯有效加固深度經(jīng)驗(yàn)公式，考慮了主要夯擊能、夯錘面積等主要施工參數(shù)，為類似工程提供一些借鑒。