试述强夯法在液化地基加固中的设计与应用

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地基液化分析与处理一直是土动力学的主要研究课题之一。液化一词最早见于1920年Hazen.A的《动力冲填坝》,用来说明卡拉弗拉斯冲填坝的毁坏。1936年casagrande首先给出了砂土液化的判别方法――临界孔隙比法。上世纪50年代,各国学者对砂土液化进行了广泛研究,主要包括:砂土液化的机理,砂土液化的预估方法,砂土液化的地基处理等。

所谓液化是指由于孔隙水压增加及有效应力降低而引起粒状材料(砂土、粉土甚至包括砾石)由固态转变成液态的过程。影响液化的因素有:①颗粒级配,包括粘粒、粉粒含量,平均粒径d50,②透水性能;③相对密度;④结构;⑤饱和度;⑥动荷载,包括振幅、持时等。

我国《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJlI-78)根据1971年以前8次大地震的数据,参考美国、日本的有关研究成果给出了以临界标准贯人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》(GBJIl-89)通过对海城、唐山地震的系统研究,结合国外大量资料,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。在公路工程中,基本上沿用上述两步评判原则,采用了临界标贯击数判别方法,并根据公路工程中的研究成果,给出了临界标贯击数的计算公式。这些规范在我国工程界得到了广泛应用。

一、强夯法在液化地基处理方案的确定

强夯法处理地基是20世纪60年代末Menard技术公司首先创立的,该方法将80-400kN重锤从落距6-40m处自由落下,给地基以冲击和振动,从而提高地基土的强度并降低其压缩性。强夯法常用来加固碎石、砂土、粘性土、杂填土、湿陷性黄土等各类地基土。由于其具有设备简单、施工速度快、适用范围广、节约三材、经济可行、效果显著等优点,经过20多年来的应用与发展,强夯法处理地基受到各国工程界的重视,并得以迅速推广,取得了较大的经济效益和社会效益。

由于强夯处理的对象(即地基土)非常复杂,一般认为不可能建立对各类地基土均适合的具有普遍意义的理论,但对地基处理中经常遇到的几种类型土,还是有规律可循的。实践证明,用强夯法加固地基,一定要根据现场的地质条件和工程使用要求,正确选用强夯参数,一般通过试验来确定以下强夯参数:

(1)有效加固深度:有效加固深度既是选择地基处理方法的重要依据,又反映了处理效果。

(2)单击夯击能:单击夯击能等于锤重×落距。

(3)最佳夯击能:从理论上讲,在最佳夯击能作用下,地基土中出现的孔隙水压力达到土的自重压力,这样的夯击能称最佳夯击能。因此可根据孔隙水压力的叠加值来确定最佳夯击能。

(4)夯击遍数:夯击遍数应根据地基土的性质确定,地基土渗透系数低,含水量高,需分3-4遍夯击,反之可分两遍夯击,最后再以低能量“搭夯”一遍,其目的是将松动的表层土夯实。

(5)间歇时间:所谓间歇时间,是指相邻夯击两遍之间的时间间隔。

(6)夯点布置和夯点间距:为了使夯后地基比较均匀,对于较大面积的强夯处理,夯击点一般可按等边三角形或正方形布置夯击点,这样布置比较规整,也便于强夯施工。由于基础的应力扩散作用,强夯处理范围应大于基础范围,其具体放大范围,可根据构筑物类型和重要性等因素考虑确定。

二、强夯法设计要点

(1)强夯技术参数的确定。强夯法虽然已在工程中得到广泛的应用,但至今尚无一套非常成熟的设计计算方法,一般应参照国内强夯法加固地基的成功经验,初步确定各类地基的强夯参数,在强夯施工前,选择代表性路段(夯区)进行试夯,以确定合理的强夯参数与施工工艺。强夯法的主要设计参数包括:锤重、落距、垫层材料与厚度,有效加固深度、夯击能、夯击次数、夯击遍数、间隔时间、夯击点布置和处理范围等。

(2)施工质量控制。强夯地基的质量检验,包括施工过程中的质量监测和夯后地基的质量检验,其施工过程检验指标分别为施工控制夯沉量和有效处理深度。强夯施工结束后,间隔2周对地基加固质量进行检验,检验频率为每100m一个断面,每断面检验3点,其中路中一点、左右边坡坡脚各一点,检验方法可选用标准贯入试验、静力触探试验、动力触探试验及现场荷载试验等方法并结合室内土工试验。检测深度不小于设计处理深度。

三、强夯法处理液化地基的质量控制与管理

1、施工单位选择

对参与施工的强夯施工单位,各施工标段中标单位要先审查其施工资质、信誉和业绩,并附有前业主对该单位的书面评价报告,任何单位不得将强夯分包给个人施工。

2、施工准备

编写施工组织设计,经驻地监理组审查,监理组提出书面审查意见,报总监代表审批同意方可施工。

3、施工管理

(1)施工单位要按设计图要求编制夯点编号图,编号图要清晰、规范、科学。

(2)施工单位必须制定严格的安全管理措施,现场操作人员必须戴安全帽,并对施工机械定期作安全检查。在强夯区四周要设置醒目的危险警告标志和安全管理措施,不允许行人和非施工车辆进入强夯区,以确保操作员、过往行人和车辆的安全。

(3)施工单位要对强夯机械进行编号,每台强夯机械必须持有监理组发放的《施工许可证》方可进行强夯施工。

(4)施工单位除在强夯机械上挂《施工许可证》外,还必须挂有《机械操作主要人员》和《施工技术参数》两块醒目的牌子,进行机械操作的主要人员必须挂牌上岗。

(5)施工单位要制定施工要点供现场人员执行。

(6)铺设垫层前要对原地面进行清表并整平,且要按每20米一个断面,每个断面5个规定测点,测量清表后标高。

(7)用水准仪测量垫层铺设前、后的对应测点标高,初步确定垫层厚度,每20米一个断面,每个断面5个规定测点,再按每断面挖1处探坑,进一步确定垫层厚度(控坑必须在测点位置上)。

(8)垫层宽度按每20米一处用钢尺丈量。

(9)按设计要求进行夯点布置,夯点定位布置用钢尺按100%的频率丈量。

强夯法具有设备简单,施工便捷,适应范围广,节省材料,降低投资,工期短等优点。通过这几年的国内工程施工经验和成果来看,充分证明强夯法用于处理砂土液化地基可以取得良好的处理效果。