強(qiáng)夯法對壩基的應(yīng)用分析與探討

李海英

(饒河縣紅旗嶺農(nóng)場水務(wù)局，黑龍江饒河155712)

0 引言

強(qiáng)夯法是強(qiáng)力夯實(shí)法的簡稱，又被稱作為動力固結(jié)法，該方法通過重錘墜落使地基得到強(qiáng)力的震動和沖擊，從而達(dá)到重新排列土地顆粒結(jié)構(gòu)、增加地基密實(shí)度和承載能力的目的。該方法廣泛適用于各類軟土地基，對于消除地基的濕陷性有著非常顯著的效果。強(qiáng)夯法在20世紀(jì)60年代首次在法國使用，10 a后傳入我國，在港口、民用建筑、交通施工中得到了大規(guī)模應(yīng)用。強(qiáng)夯法在水利工程中主要應(yīng)用于泵站、水閘等地面建筑的施工中，經(jīng)過長期的使用，已經(jīng)形成了非常詳細(xì)的施工標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。本文主要以濕陷性黃土壩基為例，對強(qiáng)夯法的應(yīng)用進(jìn)行說明。

在土壩壩基方面，我國的《碾壓式土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)中明確指出，濕陷性黃土壩基宜采用翻壓、挖除、強(qiáng)夯等方法對其濕陷性進(jìn)行消除，可根據(jù)實(shí)際情況在試驗(yàn)通過后進(jìn)行使用。不過我國目前尚未形成強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土壩基的有關(guān)規(guī)范，盡管泵站、水閘等地面剛性建筑可以根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2002)中的要求進(jìn)行處理，但土壩不僅具有一定的適應(yīng)形變能力，且荷載強(qiáng)度較高，與剛性建筑有著明顯差別，所以不能完全套用此類規(guī)范進(jìn)行施工，下面就對強(qiáng)夯法應(yīng)用于濕陷黃土壩基中的一些問題進(jìn)行探討。

1 影響深度及界定問題

梅那公式認(rèn)為，從起夯面開始，強(qiáng)夯法的影響深度主要與單擊能有關(guān)，若將地基所受的單擊能設(shè)為Mh，則在深度為H范圍內(nèi)的地基都會受到影響。不過梅那公式并沒有對影響深度的界定指標(biāo)予以明確表示，因此無法在實(shí)際施工中進(jìn)行應(yīng)用。為了解決這一問題，梅那公式將修正系數(shù)k引入其中，稱其為有效加固深度，并對其進(jìn)行相應(yīng)的界定，即公式(1):

式中:k表示的是有效加固深度的折減系數(shù)，該系數(shù)在對不同的地基類型進(jìn)行計(jì)算時(shí)選用不同的數(shù)值，濕陷性黃土地基的數(shù)值為0.34～0.5;M表示的是重錘的重量;h表示的是重錘下落距離。

由于多種因素均可對加固深度造成影響，因此k值在實(shí)際應(yīng)用中也有著很大的不確定性，為了解決這一問題，(JGJ79—2002)中指出，有效加固深度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行確定，若缺乏試驗(yàn)條件，則應(yīng)根據(jù)表1進(jìn)行預(yù)估。

表1 濕陷性黃土地基有效加固深度分析

從表1中可以看出，有效加固深度所對應(yīng)的修正系數(shù)k值與公式(1)中所使用的k值基本相同，而以往的工程實(shí)踐也證明表1中所列數(shù)值基本屬實(shí)，可以作為預(yù)估值進(jìn)行使用。

不過需要注意的是，(JGJ79—2002)并沒有對表1中的有效加固深度進(jìn)行明確的定義，其它技術(shù)規(guī)范中也沒有給出明確的界定指標(biāo)，所以在施工過程中，工作人員習(xí)慣將濕陷性的消除深度作為有效加固深度。這樣就導(dǎo)致了不同工程所采取的指標(biāo)各不相同以及與施工所在地實(shí)際情況不符的問題，給施工帶來了很多不便。

地基處理是工程設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)之一，處理工作必須使設(shè)計(jì)要求得到全方位的滿足，所以將強(qiáng)夯有效深度定義為施工結(jié)束后，地基的變形、強(qiáng)度等滿足設(shè)計(jì)要求的垂直深度無疑是合理的。土壩設(shè)計(jì)要求指標(biāo)主要包括密實(shí)度指標(biāo)(ρd)、濕陷性指標(biāo)(δx)、地基承載力(fk)、壓縮系數(shù)(αv)，以及強(qiáng)度指標(biāo)Φ、C和孔隙水壓力指標(biāo)、滲流指標(biāo)等。但是在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不可能對各項(xiàng)指標(biāo)都預(yù)先提出要求，考慮到土密實(shí)度與變形、強(qiáng)度、孔隙水壓力、滲流等指標(biāo)的高度相關(guān)性，可以用干密度Pd作為代表。這樣，濕陷性黃土壩基的強(qiáng)夯有效加固深度就可以通過兩個(gè)指標(biāo)來表示。

土體密實(shí)度的有效增加與濕陷性消除深度并不是同一個(gè)值，地基黃土在經(jīng)過強(qiáng)夯后，其原有的結(jié)構(gòu)遭到了破壞，濕陷性得以消除，而增加土體密實(shí)度、恢復(fù)土體結(jié)構(gòu)的程度還受其它因素的影響。所以在絕大多數(shù)情況下，密實(shí)度的有效增加深度要小于濕陷性的消除深度。表2中列舉了幾項(xiàng)工程中二者深度變化的對比。

表2 強(qiáng)夯后密實(shí)度增加及濕陷性消除深度的對比

從表2可以看出，使用一個(gè)指標(biāo)對強(qiáng)夯的有效加固深度進(jìn)行反映是不確切的。針對這種情況，有些施工人員除了使用濕陷性的消除深度來對有效加固深度進(jìn)行確定外，還使用密實(shí)度的提高程度使用一個(gè)能夠反映“綜合效果”的深度。也有的施工人員對密實(shí)度的加固深度進(jìn)行了劃分，并將密實(shí)度顯著增加的深度作為“強(qiáng)加密帶”。

對于處在濕陷性黃土地及上的土壩而言，都需要對濕陷性進(jìn)行消除，或者將其控制在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)，以免壩體在開始蓄水后因濕陷而發(fā)生開裂。同時(shí)，還要求在壩基面以下一定深度范圍內(nèi)的土體得到加密，以減少壓縮變形量，提高壩體的穩(wěn)定性。不同工程受壩型、壩高等因素的影響，對于壩基加固的要求也存在著較大差異，所以很難將某一個(gè)有效加固深度應(yīng)用到全部的工程項(xiàng)目當(dāng)中，對于濕陷性消除深度的要求也往往高于對地基密實(shí)度增加的要求。通過以上分析，筆者認(rèn)為應(yīng)該將黃土壩基濕陷性消除深度定義為加固深度，并將密實(shí)度的有效增加深度作為強(qiáng)夯處理指標(biāo)，以便在優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的同時(shí)與其它行業(yè)的劃分標(biāo)準(zhǔn)保持一致。

2 黃土地基密實(shí)度受強(qiáng)夯的影響

在經(jīng)過強(qiáng)夯處理后，地基所能達(dá)到的土體結(jié)構(gòu)、地層分布、干密度、夯擊功能等主要與所采用的工藝及各項(xiàng)參數(shù)和原始含水量有關(guān)，并且效果會隨著深度的增加而遞減。

日本的坂口旭將強(qiáng)夯后的地基分為4層:第一層是夯坑底部以上的部分，成為張弛隆脹區(qū)，這一土層的干密度會較之前出現(xiàn)大幅度的增加。第二土層的應(yīng)力大于地基極限強(qiáng)度，加密效果也是各層中最為顯著的。第三土層的應(yīng)力在屈服值與極限值之間，夯實(shí)能對其產(chǎn)生的影響相對較弱，加密效果不是非常明顯。第四土層的應(yīng)力在屈服界限以內(nèi)，基本上沒有固結(jié)。就以往的工程實(shí)踐結(jié)果來看，砂黃土地基在強(qiáng)夯后，干密度值有明顯的分層現(xiàn)象，并且遵循隨深度遞減的規(guī)律。地基土的天然含水量是另一個(gè)影響土體加密度的因素，實(shí)踐表明，在地基土層的含水量為9%～25%的時(shí)候，強(qiáng)夯法的效果是最佳的，在此范圍之外則效果不明顯。

3 強(qiáng)夯試驗(yàn)

雖然在水利工程建設(shè)中，強(qiáng)夯法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在濕陷性黃土壩基的處理上也有了一些經(jīng)驗(yàn)，但對于強(qiáng)夯機(jī)理的研究直到目前也沒有得出令人滿意的成果。因此根據(jù)(JGJ79—2002)的要求，國內(nèi)幾乎全部的重點(diǎn)工程在施工前都進(jìn)行了強(qiáng)夯試驗(yàn)，以便根據(jù)實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)。如果不進(jìn)行前期試驗(yàn)，那么所提出的各項(xiàng)指標(biāo)就有可能并不適用于施工所在地的實(shí)際情況，容易引發(fā)合同、設(shè)計(jì)、工期等多種問題，影響工程的按期、保質(zhì)完工。

強(qiáng)夯試驗(yàn)方案的確定應(yīng)盡可能兼顧到可能出現(xiàn)的各類問題，做到多種選擇，試驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容一般包括強(qiáng)夯點(diǎn)設(shè)置、試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果檢測要求等，其中，試驗(yàn)參數(shù)主要有主、副夯的夯點(diǎn)間距，夯擊次數(shù)，主、副夯的夯擊能、夯沉量等內(nèi)容。

對于試驗(yàn)檢測指標(biāo)的選擇要有針對性，一般來說，民用及工業(yè)建筑的檢測指標(biāo)為地基承載力變化、濕陷深度消除情況以及干密度的變化等。而表層土的承載力指標(biāo)并不會在壩基施工中被直接使用，不過為了滿足設(shè)計(jì)及施工要求，壩基強(qiáng)夯試驗(yàn)應(yīng)對C值、φ值、滲流、變形等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。夯點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)與有關(guān)地質(zhì)及水利勘測規(guī)范相結(jié)合，切忌生搬硬套民用和工業(yè)建筑的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

4 結(jié)語

在對濕陷性黃土地基的處理過程中，強(qiáng)夯法無疑是最為有效的措施之一，而強(qiáng)夯設(shè)計(jì)則是壩體設(shè)計(jì)的重要組成部分，其作用是使壩基與壩體之間能夠更好的相互適應(yīng)。當(dāng)然，濕陷性黃土地基并非是不通過強(qiáng)夯就不能筑壩，例如黃河引水工程中北干線的大梁水庫，濕陷性黃土地基的深度就高達(dá)25 m，工作人員采用了砂礫石心壩墻，并將壩體的斷面擴(kuò)大，以控制裂縫、消除變形，就是一個(gè)非常典型、有效的處理方式。

不過濕陷性黃土壩基在經(jīng)過強(qiáng)夯處理后，即便是沒有完全消除其濕陷性，也會在很大程度上改良壩基狀態(tài)。所以只要將濕陷變形量控制在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)，滿足壩體的穩(wěn)定性要求也是可行方案之一。另外，即使是將濕陷性完全消除，也要注意進(jìn)行變形、穩(wěn)定及滲流的復(fù)核，以便為大壩安全提供更多的保障。

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