强夯法在某铁路站场素填土地基处理中的应用

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摘要:结合某铁路专用线站场素填土地基处理工程,介绍了强夯法的机理、设计方法、施工方法及处理效果.

关键词:强夯 强夯系数 施工方法 地基处理检测

1、强夯及其机理

强夯法,即“强力夯实法”,又称动力固结法,是用起重机械反复将大吨位夯锤(质量一般为10～40t)起吊到10～40m高度后使其自由下落,给地基以强大的冲击和振动能量,使土中出现很大的冲击应力,土体产生瞬间变形,迫使土层孔隙压缩,土体局部液化,在夯击点周围产生裂痕,形成良好的排水通道,孔隙水合气体逸出,使土粒重新排列,经时效压密达到固结,从而提高地基承载力并降低其压缩性,改善地基性能.是1968年由法国的L.Menard技术公司首先提出并创造使用的.我国自1978年引进这一方法,并进行了试验研究,取得了成功.该法具有设备简单、施工方便、节省材料、经济易行、效果明显、适用范围广等特点,越来越受到工程技术界的重视.目前,我国已广泛应用强夯法来加固碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土。杂填土和素填土等各类地基.

本文结合某铁路专用线站场路基地基处理工程,就强夯法的设计及施工作以简要说明.

2、工程地址概述

该铁路专用线位于广西钦州港开发区,站场地基的原始地貌为海岸丘陵,场地中不远为一条北东走向,宽约60～110m,深8～9m的天然沟,是沟通南北水流的唯一通道,现已人工挖山、填方回填整平,并经初步夯实,地势平坦.地面标高9.25～7.19m,相对高差2.06m,整个厂区地层主要由第四系的素填土、海陆相沉积层和泥岩、砂岩、泥质砂岩组成,分述如下:

①素填土:由山体挖方区的全风化～中等风化的砂岩、泥岩、页岩组成,局部覆盖粉土,厚度0.5m～15.1m,综合确定的承载力特征值fak=140kPa,呈稍密～密实,稍湿～饱和状态,随上部荷载的增加产生较大的不均匀沉降,应进行加固处理.

②海陆相沉积层:该层在场地原始冲沟低洼处均有分布,包括以下亚层:

②-1层淤泥质粘性土:黑色、灰黑色,有腥臭味,局部夹有粉质粘土薄层,呈软塑状态.分布较广泛,厚度0.2～12.5m,fak=60kPa.

②-5砂:黑色、灰黑色,有腥臭味,岩性不均匀,局部夹有粘土薄层,呈松散～稍密、很湿～饱和状态.局部分布,厚度0.5m～2.2m,呈透镜体状,fak=100kPa.

以下为泥岩、砂岩、泥质砂岩,结构稳定,具有一定的承载力.

场地地下水类型主要为填土层中的上层潜水与赋存于基岩节理、层理、裂隙中的基岩裂隙水,水量不大.地下水稳定水位埋深为0.60～2、92m,受季节性江水影响.建筑场地抗震设防烈度为7度.

站场地基总面积为137497m2,为防止工后沉降,需进行地基处理,处理深度应至基岩强风化带顶面.

3、设计技术标准

3.1 地基处理要求

地基承载力特征值fak≥160kPa,地基土压缩模量Es≥10MPa.

设计方案的确定

处理深度应至基岩强风化带顶面,深度2.10～17.2m.由于素填土和海陆沉积层全场分布,场地地址条件复杂,要提高天然地基的承载力和减少沉降量,增加场地均匀性,经综合考虑,采用强夯法具有设备简单、施工方便、节省材料、经济易行、效果明显等特点,且铁路站场路基厂区与广西石油公司的其他厂区相邻,其它厂区采用此法成功的处理好地基,故采用强夯处理.

4、强夯参数

4.1 单击夯击能

按《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)强夯法有效加固深度表和Menard修正公式(H=а×,H:加固深度,W:锤重,h:落距а:修正系数,取0.5),根据要求的地基有效加固深度,结合相邻厂区的经验,确定单击夯击能.

夯击次数

夯点的夯击次数,常以夯坑的压缩量最大、夯坑周围隆起最小为确定原则.按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定,并应同时满足下列条件:

(1)最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值:当单击夯击能小于4000KN・m时为50mm,当单击夯击能为4000～6000KN・m时为100mm,当单击夯击能大于6000KN・m时为200mm.

(2)夯坑周围地面不应发生过大的隆起;

(3)不因夯坑过深而发生提锤困难.

4.3 夯击遍数

夯击遍数根据地地基土的渗透性确定,渗透性强的地基夯击遍数可少,反之要多.强夯法的加固顺序是先深后浅,即先加固深层土,再加固中层土,最后加固表层土.对于加固深度较深的地基,强夯时先高能级点夯处理深层,再降低能级点夯处理中层,最后低能级满夯处理表面土层,尤其是夯坑之间的空隙.

4.4 夯点布置及夯距

本工程宜采用正方形布置夯点.夯点间距一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定,渗透性差,为了便于超静孔隙水压力的消散,夯点间距应大点.要求处理深度较深,点夯采用较大的夯点间距,一面夯击时在浅层形成密实层而影响夯击能往深层传递.第一遍夯击点位置确定后,第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间.

4.5 间隔时间

相临两遍夯击的间歇时间应根据超静孔隙水压力消散时间而定.因本工程素填土属弱性透水性地层,故可在前一遍夯完后,将土推平,间歇时间为3～4d.

4.6 本工程的设计参数

本工程要求的地基有效加固深度2.10～17.2m,变化幅度大,面积广,依据强风化层顶高程等高线图,结合相邻厂区的施工经验,分区域进行设计,不同的加固深度选择相应的夯击能,夯击能分为2000KN・m,3000KN・m,6000KN・m,10000KN・m,12000KN・m五个能级,分述如下:

2000KN・m能级强夯,主夯点间距4m,第一、二遍强夯能级2000KN・m,点夯完成后采用1500KN・m能级满夯一遍,夯印1/3搭接;前两遍间隔时间不少于3d,之后可连续施工.

3000KN・m能级强夯,主夯点间距5m,第一、二遍强夯能级3000KN・m,点夯完成后采用1000KN・m能级满夯一遍,每点两击,夯印1/3搭接.

6000 KN・m能级强夯,主夯点间距6m,第一、二遍强夯能级6000KN・m,点夯完成后满夯两遍,第一遍能级2000KN・m,每点两击,第二遍能级1000KN・m,每点两击,夯印1/4搭接;前两遍间隔时间不少于3d,之后可连续施工.

10000 KN・m能级强夯,主夯点间距10m,第一、二遍强夯能级10000KN・m,第三遍能级4500KN・m.点夯完成后满夯两遍,第一遍能级2000KN・m,每点两击,第二遍能级1000KN・m,每点两击,夯印1/4搭接;前三遍间隔时间不少于4d,之后可连续施工.

12000 KN・m能级强夯,主夯点间距12m,第一、二遍强夯能级12000KN・m,第三遍能级6000KN・m,第四遍能级3000KN・m.点夯完成后满夯两遍,第一遍能级2000KN・m,每点两击,第二遍能级1000KN・m,每点两击,夯印1/4搭接;前四遍间隔时间不少于4d,之后可连续施工.

以12000 KN・m能级强夯为例,给出夯点布置图,见图1.

4.7 试夯检验强夯系数

影响强夯有效加固深度的因素很多,除了夯击能量外,还同土的阻尼性质、夯锤的形状、锤底的单位压力、土层孔隙中存在的气体和空气,不同土层的埋藏条件,地下水位状况、夯击次数等不同有关,因此,目前还没有任何一种计算方法可精确地计算出各种不同地质条件下的强夯影响深度.强夯施工前,应在施工现场有代表性的场地上选取各种能级的试验区,进行试夯,夯后28d后进行检测,验证以上确定各种能级的强夯参数是否合理.若地基处理后不符合设计要求,则应改变设计参数.

5、施工方法及注意事项

(1)在施工前排除地表积水,场地平整度和表面硬度应满足施工设备安全行走要求.

(2)复测场地标高,按施工图布置夯点,并白灰标出夯印.

(3)强夯主机和夯锤就位后,要对夯锤的落距进行测量,并采取措施,使其在夯击过程中落距始终保持不变,确保每击均能达到设计单击夯击能.

(4)将夯锤起吊到预定高度后自动脱钩,夯锤夯击地面,测量夯锤顶面标高,减去夯锤就位时的顶面标高就是第一击的夯沉量,如此反复进行,直至满足控制要求,重复上述步骤,直至所有第一遍夯点全部完成.

(5)第二遍夯点施工时应先将第一遍夯坑回填,平整场地,进行第二遍夯点施工,按第一遍强夯方法进行施工.

(6)满夯施工时,控制夯击数、夯锤落距和夯印搭接情况.

(7)本工程强夯工艺流程如下:

场地平整测量放线第一遍夯点场地平整测量放线第二遍夯点场地平整测量放线满夯场地平整测量放线单体验收.

(8)强夯锤应为圆柱型钢锤或铸铁锤,直径应为2.2～2.6m,强夯锤应设置若干个上下贯通的气孔,孔径250～300mm,施工过程中须保证畅通.磨损严重、锤底为锅底型,锤身为梨形的锤在本工程中不得使用.本工程采用的最大强夯锤重61.38t.

(9)监理及施工技术人员应随时掌握填土成分,块石粒径的大小.夯后夯坑宜立即回填,防止下雨夯坑积水.

(10)强夯施工时,不得在夯坑底有水或淤泥的情况下施工,若出现大量淤泥,应挖出淤泥并回填碎石后,再进行施工.

(11)强夯施工过程中,如遇地面隆起,影响施工,则应适当考虑消散期,并分次施工.适时挖除隆起量,保持起夯面标高不变.如隆起土方为淤泥,应适当超挖一定深度后,回填中风化的含土量较少的山皮石至起夯标高,继续强夯施工,保证强夯施工设备能够正常作业.

(12)应对整个施工过程做详细记录,包括每击夯沉量,填料量等,完整填写强夯施工记录表.

(13)强夯振动问题:场地内若有构筑物在强夯边界15m范围内,应引起注意,施工时应注意保护并加强施工监测,必要时应设置减震沟并进行振动监测.

6、填料控制

施工过程中,应采取各种有效措施尽量减少塌孔保证有效加固深度.对孔深超过2.5m的夯坑,施工中应坚持“少喂料,喂小料,喂好料”的原则.强夯置换夯坑填料尽量选用材质较好的填料,填料中等风化块石成分不宜少于70%,粒径不宜大于30cm,含泥量不得大于5%,填料中不得含有植物残体、垃圾等杂质.

7、地基处理检测

(1)鉴于本场地地层条件复杂,施工单位在施工过程中应加强夯沉量与隆起量等变形监测.若在施工中出现异常现象,应立即停止施工,并及时报告监理方、建设方和设计方.

(2)要严格执行相关规定和设计要求,加强自检工作,及时对夯点布置、夯锤落距、夯击次数、夯沉量等进行检测.

8、地基处理检测

地基处理工程于2007年10月17日开始施工,2007年12月20日全部完成.地基强夯完成后,在满足相关规范规定的消散期后,对地基处理效果进行检测:

(1)鉴于场地的及其不均匀性,本场地地基检测采用平板静力载荷试验、瑞利面波试验和重型动力触探试验进行综合检测,检测点布置原则:随机、均匀并有足够代表性.判断地基加固效果,包括承载力、压缩模量、有效加固深度等.

(2)施工完成后到检测之间的间歇时间为28天.

(3)检测数量执行《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB50202-2002)的相关规定.共布平板静力载荷试验点62个;瑞利面波试验点夯前64个、夯后248个,夯前夯后完全重合;重型动力触探试验点夯前32个、夯后77个,夯前夯后基本重合.检测时间:夯前2007年10月16日-10月19日,夯后2007年11月30日-12月31日.

(4)夯后检测结果及分析

由于篇幅所限,下面以12000 KN・m能级强夯检测结果为例说明,对夯前、夯后的动探和瑞利波检测结果进行分层统计分析,统计结果见表1,地基静载试验结果汇总见表2.

从表1可以看出,该强夯加固区9～12m以下分层剪切波速较高,逐渐进入基岩;整体上强夯加固效果较好,其中1.0～10.0m加固效果显著(土层动探击数提高率为103～208%,土层等效剪切波速提高率为21～30%)),10.0～13.0动探击数提高率逐渐降低(为61%～47%)和波速提高率逐渐降低(为15%～12%).强夯有效加固深度10～12m,局部达风化岩面.

全场检测结果表明,场地强夯加固处理后,地基强度有明显提高,整体加固效果较好.强夯有效加固深度内地基承载力指标满足设计要求(地基承载力特征值fak≥160kPa,压缩模量ES≥10Mpa).

结语

大面积的施工经验证明,本区域强夯有效加固深度内地基承载力指标满足并达到了设计要求.充分证明强夯法在地基处理中具有设备简单、施工方便、节省材料、经济易行、效果明显、节省时间等特点.

参考文献

[1]建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002).北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2]徐至钧.强夯和强夯置换法加固地基.北京:机械工业出版社,2004.