(含强夯机的选择)饱和砂土地基液化强夯处理.doc

饱和砂土地基液化强夯处理
【摘要】：强夯法即动力固结法，其原理是利用起重设备将夯锤提升到一定高度，然后使其自由下落，以一定的冲击能量作用在地基上，在地基土里产生极大的冲击波，以克服土颗粒间的各种阻力，使地基密实，从而提高强度，减少沉降，消除湿陷性或者提高抗液化能力。本实验为饱和砂土液化地基的强夯处理，按要求设计强夯处理方案，通过强夯试验确定具体参数，以作为大面积强夯施工的技术依据。试验数据证明强夯后地基的密实度有了显著提高，强度明显增长，加固效果显著，达到了消除砂土液化的目的。相对于其他地基处理方式，强夯法为经济较为合理，技术较为可靠的地基处理方法，且施工简单，易于操作和管理，是值得推广的地基处理方式。
【关键词】：液化，夯击能，干密度，孔隙比，标准贯入击数

    一、概论
    1、地基液化及其危害
    地基液化是指处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用时将趋于密实，使孔隙水压力增加及土颗粒间有效应力降低而引起地基粒状材料(砂土、粉土甚至包括砾石)由固态转变成液态的过程。影响液化的因素主要有：颗粒级配、透水性能、相对密度、土层埋深、地下水位、地震烈度及地震持续时间等。地基液化会对地表的影响表现在喷砂冒水、堤岸滑塌、地面开裂、不均匀沉降等，对其上建筑物造成很大危害。
    2、地基液化判别及处理
    我国《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ11—78)给出了以临界标准贯入击数为指标的砂土液化判别公式。现行规范《建筑抗震设计规范》(GBJ11—89)对原规范进行了修改，采用了两步评判原则，并对临界标贯击数公式进行了修改，使之更符合实际。在国标《岩土工程勘察规范》(GB50021—94)中，对此又进行了补充，给出了液化比贯入阻力临界值和液化剪切波速临界值公式，用来进行液化判别。
    液化地基处理恰当与否，关系到整个工程的质量、投资和进度。因此其重要性已越来越多地被人们所认识。液化地基可采取换填法、高压喷射法、挤密碎石桩、强夯等方式处理，对于大面积处理可液化土而言，强夯法和干振碎石桩法是首选的处理手段。当全液化地基路段较长，或需处理面积大，地基处理区域较近范围内无村庄，无重要构造物时，强夯法是比较理想的地基处理方法。 
    强夯法处理地基的原理：利用起重设备将夯锤提升到一定高度，然后使其自由下落，以一定的冲击能量作用在地基上，在地基土里产生极大的冲击波，以克服土颗粒间的各种阻力，使地基密实，从而提高强度，减少沉降，消除湿陷性或者提高抗液化能力。
    强夯施工前应进行强夯试验，检测强夯效果，确定具体强夯参数，为大面积强夯施工提供技术依据。南水北调安阳段安阳河倒虹吸出口节制闸及渠道基础处理，采用强夯作为饱和砂土地基液化的处理方式。
    二、强夯试验
    南水北调中线一期工程安阳河倒虹吸出口闸室段及渠道连接段26+685.896～26+892.896位于安阳河左岸，地面高程约82.8～84.4m，渠底板高程85.6m。地质结构自上而下分别由第③、③＇、④、⑨、⑩层轻粉质壤土、细砂、卵石、粘土岩组成。闸基础及渠底板处的填方均位于第③层轻粉质壤土上部。该工程地震烈度为7度，砂性土层埋深小于5米，地下水位埋深5.61米。根据实际标贯试验，轻粉质壤土、细砂实测标准贯入击数值小于临界值，判为可液化土，存在地震液化问题，设计采取强夯进行地基处理。强夯处理的深度应至液化土层下界面，且处理后土层的标准贯入击数的实测值应大于相应的临界值，达到不液化要求。
    1、试验区选定
    试验区目的：通过试验确定合适的强夯参数，为大面积强夯施工提供技术依据。
强夯施工前，在强夯处理范围内选择不小于400m2的场地进行现场试验，以确定具体的强夯设计参数。试验过程中按规范要求在强夯前后进行测试（包括标准贯入试验或相对密度），以检测夯实效果，并将强夯前后数据对比，验证地基处理是否满足设计要求，调整后确定正式的强夯参数，以作为大面积强夯施工的技术参数。在节制闸、出口渐变段桩号26+685.896～26+795.896基础范围内选定一块较为平坦的区块，作为本次试验的试验区，试验区面积25m×16.23m=405.75m2。
    2、强夯参数初定
    2.1、强夯施工的技术参数
    强夯法加固地基要根据现场的地质情况、工程的具体要求和施工条件，根据试验选择确定有关技术参数，包括锤重、落距、夯击点布置及间距、夯击击数、夯击遍数、两遍之间的间歇时间、平均夯击能、加固范围及深度等。
    (1)、锤重及落距
    锤重与落距是影响强夯效果的主要因素，它直接决定每一击的夯击能，影响加固效果。锤重与落距选择的是否合理直接影响整个强夯工程的效果。根据实际情况和工程需要，本试验选定锤重（G）20吨、夯锤直径2.5米，落距（H）10米。
    (2)、夯击点布置和夯击遍数
    本工程属大面积强夯，夯点采用正三角形布置。第一遍夯点按正三角形布置，第二遍夯点在第一遍夯点之间布置，第三遍满堂布，夯锤高度可降低至4～6m。参照《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）规定夯点间距为夯锤直径的2.5～3.5倍，取下限夯点间距为6.25m。夯点布置图如下：
    (3)、夯击击数
    按土体竖向压缩最大，两侧向移动最小的原则，通过单点试夯，观测夯击坑周围土体变形来确定夯击击数和夯击遍数，按规范规定，当单击夯击能小于4000KN.m时,最后两击的平均夯沉降量不大于50mm，并且夯坑周围地面不应发生过大的隆起。当夯击到每一击所产生的瞬时沉降量达到规范标准时，即认为基础已经夯实。此时的夯击数，即为最佳夯击次数。每夯击点的夯击数一般为3～10击，试夯施工过程中作好单点瞬时沉降量记录。
    (4)、两遍之间的间歇时间
    强夯前后两遍夯击的间歇时间取决于强夯产生的孔隙水压力的消散情况。一般土质颗粒细、含水量高、透水弱、粘土层厚的，间歇时间宜加长，间歇时间一般为2～3周；对于粘土或冲积土为3周左右；前一遍夯击完成后，将工作面推平，即可进行下一遍夯击。本工程属于地下水位较低、含水量较小轻粉质壤土间歇时间拟采用2周时间，同时，需对孔隙水压力消散情况进行观测。
    (5)、夯击能选择
    根据设计要求和现场设备情况，以及工期要求，强夯施工尽量减少夯击遍数。第一遍、第二遍采用现场设备最大夯击能20t×10m=2000KN·m，以后逐渐减少。第三遍选择夯击能20t×5m=1000 KN·m，连续排夯。
    夯击能的改变：采用改变落距的办法来改变各级夯击能的大小。 
    (6)、强夯加固深度
    估算强夯加固深度Menard经验公式为：
    h=√￣GH）
    根据国内外经验Menard公式须经修正才能符合实际深度，即：
    h= K√￣(GH) 
    K——修正系数，按国内强夯试验经验取k=0.4～0.7。
    G——夯锤重（t）
    H——夯锤落距（m）,按夯击能2000 KN·m～800 KN·m，我们取值H=10～4
    h——加固影响深度
    h= (0.4～0.7) √- (20×10) =5.6 m～9.9 m
    该加固深度满足本工程地基处理的深度应至液化土层下界面的要求。
    2.2、强夯机具的选择
    (1)、夯锤的选择
    根据工程实践证明，圆形夯锤锤印易于重合，能有效减少几次夯击之间夯坑不重合造成的夯击能消耗，故本试验选择圆形夯锤：夯锤直径2. 5米，夯锤重20吨，为铸钢材料， 4个直径300mm的排气孔对称分布。
    (2)、起重机的选择
    本试验投入一台40吨履带式起重机，采用自动脱钩装置，起重能力大于1.5倍锤重，40t＞20t×1.5=30t，最大落距为10米。
    3、强夯试验技术要求
    3.1、当强夯施工所产生的振动对临近建筑物或设备产生有害的影响时，应采取防振或隔振措施，如挖减振沟等；
    3.2、强夯施工，当第一遍强夯施工完成后，用推土机将夯坑填平，并测量场地高程；在规定的时间间隔后，按上述步骤逐次完成全部夯击遍数，最后用低能量满夯，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程；
    3.3、强夯施工过程中设专人负责夯锤、落距、夯击次数和夯沉量的检测工作，对各项参数及施工情况进行详细的记录，待以后对强夯效果进行评定；
    3.4、强夯开始应检验夯锤是否处于中心，若有偏心，应采取锤边焊钢板或增减混凝土等办法使其平衡，以免夯坑倾斜；
    3.5、夯击时落锤应保持平稳，夯位正确。如错位或坑底倾斜过大，应及时用壤土将坑底整平；
    3.6、强夯施工必须以各个夯击点的夯击数作为施工控制数值，也可采用试夯后确定的最后两击的平均沉降量小于50mm控制。夯击深度应用水准仪测量控制；
    3.7、尽量避免雨雪天进行强夯施工，以防止强夯场地积水，否则土质含水量增加，土质变软，会产生挤出现象，降低强夯效果。
    三、质量检测
    3.1、质量检测方案
    为了检测强夯效果，试验区强夯施工结束后14天、地基土孔压消散后，对试验区进行标贯和探坑检查，各测一孔一坑。部点位置综合考虑随机性和代表性，根据施工情况确定夯击试验部位和旁边原状土部位的取样室内试验和现场标贯试验，以检测夯实效果，对比强夯前后数据，确定强夯参数，依据设计要求和相应的标准规程制定方案如下：
    (1)、检测目的：验证处理效果是否满足设计要求。根据设计要求，地基强夯处理后地基土的干密度、孔隙比及标准贯入击数应满足以下要求：
         a)干密度≥1.65kg/m3；  
         b)孔隙比e≤0.638 ； 
         c)标准贯入临界贯入数大于临界值7击。
    (2)、检测方法：标贯、现场探坑和取样。
    (3)、检测依据：
    《土工试验规程》SL237-1999
    《水利水电工程钻探规程》DL5013-92
    《水利水电工程坑探规程》SL166-96
    《岩石工程勘查规范》GB50021-94
    (4)、检测项目及数量：
    本次检测的检测点随机取3处，具体分布如下图：
    3.2、检测结果分析
    (1)、原状土检测:
    原状土取土样4个，检测检测结果如下：

    表3-2：   原状土干密度、孔隙比检测统计表

    项  目 平均值 最大值 最小值 标准差
    含水率（％） 22.6 26.4 19.6 -
    干密度（g/cm3） 1.61 1.72 1.50 -
    孔隙比 0.692 0.807 0.576 -
    作标贯4个，平均值5击，最大值9击，最小值3击。

    (2)、试验区土样检测结果统计：
    试验区共取土样9个，结果统计如下：
    表3-3： 试验区干密度、孔隙比检测统计表
    项  目 平均值 最大值 最小值 标准差
    含水率（％） 17.8 23.2 13.4 3.789
    干密度（g/cm3） 1.73 1.84 1.61 0.076
    孔隙比 0.572 0.677 0.473 0.067

    其中干密度大于设计要求1.65g/cm3土样个数为8个，占总个数（9个）的88.9%，孔隙比小于设计值0.638的土样个数为8个，占总个数（9个）的88.9%。
    轻粉质壤土中作标贯9个，平均值为10击，最大值为15击，最小值为7击，标准差为2.587, 砂层中作标贯2个，平均值为25击。标贯结果满足设计要求。
    (3)、试验区探坑检测结果统计
    探坑共取土样6个，结果如下：
    表3-4：探坑干密度、孔隙比检测统计表
    项目 平均值 最大值 最小值 标准差
    含水率（％） 20.9 23.0 19.5 -
    干密度（g/cm3） 1.67 1.70 1.65 -
    孔隙比 0.621 0.636 0.601 -
    其中干密度不小于1.65g/cm3土样个数为6个，占总个数的100％，孔隙比不大于0.638的土样个数为6个，占总个数的100％。结果满足设计要求。
    四、结 论
    4.1、根据检测结果,地基经过强夯处理后平均干密度均大于设计要求1.65g/cm3,且比试验前平均值1.61 g/cm3有明显增大；平均标贯数10击较试验前5击也有很大提高，均大于临界标贯击数7击，可见地基密实度有了显著提高，强度明显增长，加固效果显著，试验结果满足设计要求。说明强夯的工艺性试验和可行性试验是成功的，试验参数可以作为大面积强夯施工的技术参数。
    4.2、布点：通过试验数据可以发现，均匀的布点将产生最理想的夯击效果。均匀合理的正三角形的布点方式处理效果较佳。大面积强夯施工点位布置应以正三角形为最佳选择，点位间距选择6.25米。 
    4.3、强夯前夯区平均高程为84.08米，强夯试验后地面高程为83.17米，夯沉量为0.91米。按设计要求，对于闸室段及渐变段局部夯前地基高程低于建基面设计高程或高于建基面不足0.91米区域，应先进行回填后在进行强夯施工，以保证夯后地基高程不低于建基面高程。
    4.4、相对于其他地基处理方式，强夯法是消除砂土地基液化最为经济的手段之一, 且施工简单，易于操作和管理，是值得推广的地基处理方法。

参考文献
【1】 强夯和强夯置换法加固地基/徐至钧、张亦农编著。北京：机械工业出版社，2004.1
【2】 建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）。北京：中国建筑工业出版社，2002
【3】 土工试验规程（SL237-1999）。中国水利水电出版社，1999
【4】水利水电工程坑探规程（SL166-96）。中国水利水电出版社，1996
【5】 岩石工程勘查规范（GB50021-94）。中国建筑工业出版社，1995

履带吊吨位：15T, 25T, 32T, 35T, 40T, 45T, 50T, 55T, 70T, 80T, 100T, 150等。
起重能力大于1.5倍锤重，40t＞20t×1.5=30t，最大落距为10米。