劉利平,孫運(yùn)青,郭 軍

(河北建設(shè)勘察研究院有限公司,河北石家莊 050031)

強(qiáng)夯法加固不同飽和土地基的比較試驗(yàn)研究

劉利平,孫運(yùn)青,郭 軍

(河北建設(shè)勘察研究院有限公司,河北石家莊 050031)

通過室內(nèi)試驗(yàn)就中海石油煉化山東公司東營港 (堆場(chǎng)區(qū))場(chǎng)地的土性條件和加固前、加固后的變形和強(qiáng)度特征的變化進(jìn)行了比較。此外,根據(jù) 3個(gè)場(chǎng)地的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料的比較,分析了不同地層條件下強(qiáng)夯荷載作用引起的孔隙水壓力的分布特征,最后研究強(qiáng)夯法加固飽和土地基的土性適用條件。

強(qiáng)夯法;飽和軟土;孔隙水壓力;剪切強(qiáng)度;變形特征

0 引言

強(qiáng)夯法早期的應(yīng)用主要是處理碎石填土或砂礫石土,最大處理深度可達(dá)到 30 m。近年來,利用強(qiáng)夯法的夯擊機(jī)具并與排水固結(jié)法中排水系統(tǒng) (如塑料排水板、輕型井點(diǎn)法)相結(jié)合進(jìn)行軟土地基處理也已經(jīng)比較成熟[1,2]。白冰等[3]利用“動(dòng)靜結(jié)合排水固結(jié)法”對(duì)飽和軟土地基進(jìn)行了加固。孟慶山等[4]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)動(dòng)力排水固結(jié)法的機(jī)理進(jìn)行過探索。鄭穎人等[5]對(duì)該法的施工參數(shù)進(jìn)行了研究。

實(shí)際上,用強(qiáng)夯法加固飽和軟土地基時(shí)應(yīng)特別注意下面一些問題:強(qiáng)夯加固地基的土性條件;地層條件 (即軟硬不同的典型的地基場(chǎng)地);強(qiáng)夯的影響深度和范圍;合理強(qiáng)夯能量的選擇[6]。

本文以 3個(gè)不同地層條件 (即軟硬不同的典型的地基場(chǎng)地)的強(qiáng)夯試驗(yàn)結(jié)果來說明強(qiáng)夯荷載作用下孔隙水壓力的分布特征,重點(diǎn)對(duì)中海石油煉化山東公司東營港 (堆場(chǎng)區(qū))吹填土地基的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析。

1 三個(gè)場(chǎng)地的基本物理性質(zhì)

3個(gè)不同地質(zhì)條件的場(chǎng)地包括:場(chǎng)地 1,東營中海油加固地基場(chǎng)地,本文重點(diǎn)給出加固前和加固后該場(chǎng)地的變形和強(qiáng)度特征的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果;場(chǎng)地 2,山東大唐東營電廠廠區(qū)吹填粉土地基;場(chǎng)地 3,京滬高速鐵路某路段松軟土地基。

1.1 東營中海油加固地基場(chǎng)地

對(duì)擬進(jìn)行試驗(yàn)的場(chǎng)地在降水后的現(xiàn)場(chǎng)吹填軟土地基進(jìn)行取樣 (深度為表層 1 m)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn),測(cè)定土的基本物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。室內(nèi)試驗(yàn)得到的表層土塑限、液限和塑性指數(shù)分別為 wP=2012%,wL=2914%,IP=912。按照“建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB 50007-2002)”分類法,屬于粉土。表層土的密度 Gs=2171 g/cm3?，F(xiàn)場(chǎng)軟土的含水量w=1717%～2212%,重度為 2112 kN/m3。結(jié)合液塑限試驗(yàn)結(jié)果,為流塑狀態(tài)。對(duì)降水后的吹填軟土層土樣 (強(qiáng)夯前)進(jìn)行了變水頭滲透試驗(yàn),測(cè)定的滲透系數(shù) k=1118×10-4cm/s。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取得的土樣進(jìn)行室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)(包括強(qiáng)夯前和強(qiáng)夯后),采用篩分法和密度計(jì)法聯(lián)合測(cè)定,顆粒級(jí)配曲線見圖 1。

1.2 山東大唐東營電廠廠區(qū)吹填粉土地基

山東大唐東營電廠廠區(qū)吹填粉土地基場(chǎng)地上部地層主要為飽和吹填粉土 (灰色,均勻),吹填區(qū)域內(nèi)表面積水較多。吹填土層厚度一般在310～315m之間,平均厚度約 313 m?，F(xiàn)場(chǎng)軟土層搖振反應(yīng)迅速,平均含水量 w=3118%,重度為 2112 kN/m3,液性指數(shù) IL=1133,呈流塑狀態(tài)。吹填軟土層的塑限、液限和塑性指數(shù)分別為 wP=2012%,wL=2819%,IP=817,土粒密度 Gs=2170 g/cm3。

圖 1 吹填軟土顆粒級(jí)配曲線

首先用水沖法沖孔埋設(shè)豎向排水管 (直徑 32 mm),然后再敷設(shè)橫向排水管 (直徑 63 mm)。豎向排水管井點(diǎn)排距 2 m。

經(jīng)過降水后 (大約 15天),進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)。分 3遍進(jìn)行,前兩遍為點(diǎn)夯,最后一遍為滿夯。每遍夯點(diǎn)為正方形排列,兩遍錯(cuò)落布置。夯錘直徑為 2125 m,夯錘高度為 017 m,夯錘質(zhì)量為 10 t。

1.3 京滬高速鐵路某路段松軟土地基

試驗(yàn)場(chǎng)地為沖湖積平原,地形平坦,地勢(shì)開闊,原大部辟為耕地。地表覆蓋第四系全新統(tǒng)沖湖積層

(Q3

al+1)粉質(zhì)粘土,黃褐色,堅(jiān)硬～硬塑,含姜石、砂礫,平均厚度為 310 m。其下為花崗片麻巖,較為堅(jiān)硬。場(chǎng)地地下水位深度為 1179 m?，F(xiàn)場(chǎng)地基土的平均含水量 w=1915%,孔隙比 e=0155,重度為2110 kN/m3,干密度為 118 g/cm3。塑限、液限和塑性指數(shù)分別為 wP=2418%,wL=3818%,IP=1410,土顆粒密度 Gs=2172 g/cm3。液性指數(shù) IL=-0138,為堅(jiān)硬狀態(tài)。

2 加固前后地基土的力學(xué)指標(biāo)比較

對(duì)于東營中海油加固地基場(chǎng)地,對(duì)降水后不同條件下 (強(qiáng)夯加固前、強(qiáng)夯加固后)的土樣進(jìn)行了室內(nèi)側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)。試樣厚度為 2 cm,試樣直徑為6118 cm。e-logp曲線見圖 2。

經(jīng)過計(jì)算,降水后但未進(jìn)行強(qiáng)夯處理的土樣的壓縮系數(shù) a1-2=0112 MPa-1,為中壓縮性土。進(jìn)行夯擊處理后,壓縮系數(shù) a1-2=0128 MPa-1。

由圖 2可以看出,對(duì)于降水但未進(jìn)行處理的土樣,其 e-logp曲線要比強(qiáng)夯后的 e-logp曲線陡峭,但呈直線壓縮特征,說明強(qiáng)夯后土層的壓縮性有一定改善。

圖 2 不同工況下的 e-logp曲線

對(duì)土樣進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn) (不固結(jié)快剪)。試樣厚度為 2 cm,試樣直徑為 6118 cm。剪切速率為014 mm/min。圖 3給出剪應(yīng)力 -剪切位移之間相互關(guān)系。圖 4給出四種土樣的抗剪強(qiáng)度包線。表 1給出抗剪強(qiáng)度包線擬合方程及強(qiáng)度指標(biāo)。

圖 3 剪應(yīng)力 -剪切位移相互關(guān)系曲線

圖 4 抗剪強(qiáng)度包線

表 1 抗剪強(qiáng)度包線擬合方程及強(qiáng)度指標(biāo)

由圖 3a可以看出,未經(jīng)過加固的吹填土 (原始狀態(tài))的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的特征。當(dāng)采取降水措施后 (圖 3b),土樣強(qiáng)度就比原始狀態(tài)土樣強(qiáng)度 (圖3a)有明顯增大,此時(shí)土樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也呈現(xiàn)超固結(jié)土的一些性狀,即呈現(xiàn)一定的應(yīng)變軟化的特征。當(dāng)采取強(qiáng)夯措施后(圖 3c),土樣強(qiáng)度也有較大程度增大,并且呈現(xiàn)更為明顯的應(yīng)變軟化的特點(diǎn) (特別是在圍壓較小時(shí)),即在剪切位移較大時(shí)出現(xiàn)峰值,然后剪切應(yīng)力減小。

由表 1和圖 4所給出的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)來看,經(jīng)過降水過程 (即降水后)以及強(qiáng)夯后,土樣的抗剪強(qiáng)度比未經(jīng)過處理的原始狀態(tài) (降水前)的土樣抗剪強(qiáng)度明顯增大,而內(nèi)摩擦角的增加量則更為明顯。

3 不同土性條件孔隙水壓力的比較

圖 5給出 3個(gè)不同土性條件 (即不同地質(zhì)條件)下強(qiáng)夯荷載作用下地層中孔隙水壓力的分布特征。其中,圖 5(a)為東營中海油加固地基場(chǎng)地的不同的強(qiáng)夯能量對(duì)地層孔隙水壓力的影響范圍(第一遍強(qiáng)夯,單點(diǎn)強(qiáng)夯能量分別為 1000、2000、3000 kN·m)。

由圖 5(a)可以看出,東營中海油加固地基場(chǎng)地產(chǎn)生的孔隙水壓力值大小介于場(chǎng)地 2(即山東大唐東營電廠廠區(qū)吹填粉土地基)和場(chǎng)地 3(京滬高速鐵路某路段松軟土地基)之間。而其地質(zhì)條件也介于這兩個(gè)場(chǎng)地之間。所以,對(duì)于較為堅(jiān)硬的土層一般產(chǎn)生較大的孔隙水壓力。另一方面,孔隙水壓力分布與場(chǎng)地 2(即山東大唐東營電廠廠區(qū)吹填粉土地基)顯示的孔隙水壓力比較接近。

圖 5 孔隙水壓力沿深度方向分布

由圖 5(b)可以看出,對(duì)于場(chǎng)地 2,吹填粉土地基在第 1、2、3遍強(qiáng)夯作用下,孔隙水壓力在深度 5 m范圍內(nèi)的反映是明顯的,而深度 6 m處孔隙水壓力幾乎為零。這里需要說明,第一遍強(qiáng)夯能量為800 kN·m。因此,可以認(rèn)為孔隙水壓力的影響深度在 5 m以內(nèi)。測(cè)試結(jié)果表明,在水平距離 6 m范圍內(nèi),超孔隙水壓力上升比較明顯 (水平距離 6 m處為 8 kPa)。

對(duì)于場(chǎng)地 3,由圖 5(c)可以看出,第一、二遍強(qiáng)夯荷載作用下,深度 6 m處孔隙水壓力分別可達(dá)17011和 10312 kPa,表明強(qiáng)夯作用的影響在深度 6 m以上是非常顯著的。這里需要說明,第一遍強(qiáng)夯能量為 2000 kN·m。這一影響深度可以使得本場(chǎng)地 4～5 m深度范圍內(nèi)土層的密實(shí)度和強(qiáng)度得到明顯改善。而第三遍滿夯作用下,淺層土的孔隙水壓力仍然較大,但此時(shí)土層較深處的孔隙水壓力則相對(duì)較小 (如深度 6 m處的孔隙水壓力為 1515 kPa)。測(cè)試結(jié)果表明,在水平距離 4175 m的范圍內(nèi),超孔隙水壓力上升比較明顯。由此可以認(rèn)為,在夯擊能量為 2000 kN·m時(shí),其水平影響距離可以達(dá)到4175 m。

上述分析表明,在水平方向,較硬土層地基 (如京滬松軟土地基)所產(chǎn)生的孔隙水壓力似乎比超軟弱土層 (如吹填粉土地基)的孔隙水壓力要小。然而,由于較硬土層地基有更強(qiáng)的向下的荷載傳遞效應(yīng),因此較硬土層在深度方向產(chǎn)生的孔隙水壓力遠(yuǎn)大于超軟弱土層的孔隙水壓力。

由上述 3個(gè)不同地質(zhì)條件的強(qiáng)夯試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著場(chǎng)地地質(zhì)條件增強(qiáng),強(qiáng)夯荷載作用下的影響深度一般也增大。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于降水但未進(jìn)行處理的土樣,其壓縮曲線要比降水及強(qiáng)夯后的土樣的壓縮曲線陡峭,但呈直線壓縮特征,說明強(qiáng)夯后土層的壓縮性有一定改善。

(2)當(dāng)采取降水措施后,土樣強(qiáng)度就比原始狀態(tài)土樣強(qiáng)度有明顯增大,此時(shí)土樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也呈現(xiàn)超固結(jié)土的一些性狀。當(dāng)采取強(qiáng)夯措施后,土樣強(qiáng)度也有較大程度增大,并且呈現(xiàn)更為明顯的應(yīng)變軟化的特點(diǎn)。

(3)經(jīng)過降水過程 (即降水后)以及強(qiáng)夯后,土樣的抗剪強(qiáng)度比未經(jīng)過處理的原始狀態(tài)的土樣抗剪強(qiáng)度明顯增大,而內(nèi)摩擦角的增加量則更為明顯。

(4)3個(gè)不同地質(zhì)特征的強(qiáng)夯試驗(yàn)表明,對(duì)于較為堅(jiān)硬的土層一般產(chǎn)生較大的孔隙水壓力。而且,土層地質(zhì)條件不同,其孔隙水壓力的分布特征也不同。

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Comparative Exper iment on the Dynam ic Compaction Consolidation for Various Saturated Soil Foundation

L IU Li-ping,SUN Yun-qing,GUO Jun(HebeiResearch Institute of Construction and Geotechnical Investigation Co.Ltd.,Shi-jiazhuang Hebei 050031,China)

By the laboratory tests,the soil conditions of a container yard in Shandongwere compared aswell as the varia-tions of ground deformation and strength characteristics before and after the consolidation.According to the comparative a-nalysis on the field test data of 3 sites,analysiswasmade on the distribution of porewaterpressure caused by dynamic com-paction loading in different formations;and the applicable conditions for consolidation of saturated soft soil with dynamic compaction was discussed.

dynamic compaction;saturated soft soil;pore water pressure;shear strength;deformation characteristics

TU472.3

A

1672-7428(2011)06-0055-04

2010-12-08

劉利平 (1968-),男 (漢族),河北人,河北建設(shè)勘察研究院有限公司,巖土工程專業(yè),從事巖土工程設(shè)計(jì)施工工作,河北省石家莊市建華南大街 58號(hào),hbjk2010@126.com。