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海相淤泥质土地基强夯与部分置换处理方法研究

2015-07-13 256 0

1、前言
　　青岛滨海地带有大量的海相淤泥及淤泥质土，该类土含水量高、孔隙比大、压缩性高，属不良地基，须经处理才能做为建（构）筑物地基。强夯置换法是处理该类软弱地基的有效方法，处理后的地基属复合地基范畴，其承载力和抗变形性能均较好。
　　但普通强夯置换法具有以下不足：⑴单点夯击次数过多（一般15～20击），填料过多，功效较慢，造价过高；⑵强夯置换须置换至硬土层，淤泥挤出过多，夯坑周边隆起过大、夯面上抬较大。由于施工工艺的局限性[1]，其置换深度又有一定的局限性，一般不宜超过7m；同时对于除厚层饱和粉土外的软土强夯置换墩应穿过软土层，达到硬土层，且不考虑强夯置换夯击能对置换墩周边及置换墩下的土体的动力固结效应。
　　若淤泥层厚度相对较大，建筑物对地基变形、承载力要求较高。采用强夯+部分置换处理方法，可突破了文献[1]对置换深度的限制（置换墩不需穿过软土层达到硬土层），同时可考虑强夯置换夯击能的动力固结效应，无论从工程造价和工期考虑都较普通强夯置换方法具有较大优势。建安分公司依托承建的唐岛湾游艇会地基处理项目，基于普通强夯置换本身工艺置换深度的有限性，对强夯+部分置换处理方法进行了研究。该方法通过试夯、监测、检测及计算分析验证了该方法的科学性和适用性，并在唐岛湾游艇会一期、二期地基处理中得到了推广应用。同时该方法于2010年8月5日通过山东省海岸工程协会鉴定，该方法达到国内同类技术先进水平。
　　2、本课题研究的内容
　　①研究方案
　　a方案确定
　　采用低能量（200t.m）点夯夯击能置换处理厚度大于5m的海相淤泥质软土，一遍点夯单点累计夯沉量不小于5m，二遍点夯不小于4m，有效强夯置换深度3 ～4m，未置换软土厚1.5m～2m。夯后控制夯面不上抬。选用柱形锤施工，锤径1.5m，高1.8m，锤重20t，锤底静压强113kpa。点夯2遍，单点夯击5～6击，夯点间距4.2m，梅花形布点；满夯1遍，满夯夯击能100t.m，单点夯击2～3击，锤印搭接1/4。
　　b研究方法、手段
　　⑴选用地质条件差的楼座1区进行试夯，夯击过程中统计夯坑直径、夯填料率等参数。
　　⑵夯后3周后进行检测，检测项目为开挖、夯前夯后重型动力触探和静载试验。
　　⑶利用夯后检测数据根据文献[2]进行地基承载力、变形计算，同时利用Plaxis有限元软件进行变形计算对比分析。
　　②方法原理
　　在软土层上铺设一定厚度石渣垫层，强夯过程中对夯坑填料，强夯置换后有效形成“板柱形”碎石结构体与土体的复合地基，一定程度上减少了基础与下卧软土层的距离，可减少基础设计造价。同时考虑强夯置换能量对置换墩周边软土的动力固结效应，提高置换墩周边土体的强度参数。该方法原理如下：
　　当夯锤提升到一定高度自由落下夯击地面时，会产生一种冲击波，这种由冲击引起的振动在土壤中以波的形式向地下传播。这种振动波[3～5]，可分为体波和面波两大类，体波包括压缩波和剪切波，面波有瑞利波和乐夫波等。在夯击过程中首先到达的是压缩波，它使土体受压或受拉，能使孔隙水压力骤增，地基土的抗剪强度降低。紧随其后的是剪切波，它会导致土体结构遭到破坏，形成夯坑，并对周围土体进行挤压。此外，还有瑞利波，使夯点附近地面隆起。强夯理论认为，压缩波大部分通过液相运动，使孔隙水压力增大，同时使土颗粒错位，土体骨架解体，而随后到的剪切波使土颗粒处于更密实的状态。瑞利波其竖向分量起到松动土的作用，但其水平分量可使土得到密实。
　　在地基土中，尤其在饱和的淤泥质土地基中，用边夯边填的方式形成了密实的碎石墩，它的强度要比原地基土高得多。由这样一些在垂直方向上有一定深度、在平面上有一定置换率，众多的碎石墩组成“板柱形”碎石结构，“板柱形”碎石结构在地基基础协同作用中起着承担荷载、协调变形的作用。
　　在强夯置换后形成置换的地基土中，自上而下出现三个区域，如图1所示。Ⅰ区为墩柱置换区，这个区域由散体墩与土体共同组成复合地基，由于散体材料墩的直径一般比较大，置换率较高，因此它能大幅度提高地基承载力，这是强夯置换的主要加固区域。Ⅱ区为强夯压密区，由于强夯作用，上部土体被挤压入该区域形成冠形挤压区。该区域内土体孔隙被压缩，密度提高，成为置换墩下的稍密实层，这一区域内的土体主要是压密。Ⅲ区内的土体受强夯振密的影响，随着时间的推移，孔隙水压力消散，土体强度将随时间推移有所提高。该区域土体强度增长与普通强夯相似，由于部分散体材料的挤入和散体材料形成的排水通道加速了土体的排水固结，同时强夯置换以置换为主，能量传递以向下为主，所以其加固效果比普通强夯效果要差，这一区域的加固深度可用一般强夯加固理论来估算。综上所述，强夯置换的加固原理=碎石墩+强夯+特大直径排水井。
　　图1强夯置换加固土体分区图
　　③工艺流程
　　回填平整至标高→标出夯点位置并测量场地高程→起重机就位，调整脱钩高度使夯击能为设计夯击能→测量夯前锤顶高程→强夯、填料并记录数据，到达设计夯沉量或停锤标准→推平夯坑，测量场地标高→间歇、重复上述步骤第二遍点夯→满夯
　　④操作要点
　　a大面积强夯置换施工之前，要选择典型地段进行试夯，调整强夯参数。试夯时要进行必要项目的监测如竖向、水平向孔隙水压力监测等。
b强夯置换锤底静压强一般为100～200kpa，本方法考虑强夯夯击能的动力固结效应，锤底静压强宜取小值，使夯击能量部分向径向辐射。同时考虑两遍夯点间间歇期，一般不小于2周。
　　c夯击过程中填料次数宜尽量减少，填料次数多，松散的填料将过多的消耗夯击能。填料控制标准为锤身没入一半以上，同时不发生提锤困难。
　　d填料时应尽量均匀，填料不均匀会使夯击过程中锤身倾斜，导致置换墩倾斜不规则，影响地基处理效果。
　　e注意地下水的影响，夯击过程中和间歇期可能会有大量孔隙水排出，施工过程中要及时将水排干，以免影响处理效果。
　　f强夯过程中局部点可能有淤泥挤出，应立即清除并将淤泥范围内补填石渣。
　　g收锤标准，原则上可参考地基处理规范要求，但本方法为强夯+部分置换，应以单点累计夯沉量和夯坑周边不出现较大隆起为主控。
　　3、施工效果
　　①工程概况
　　唐岛湾游艇会项目位于青岛市黄岛经济技术开发区南部，东侧靠近规划中的石雀滩小区，南临唐岛湾，西侧为唐岛湾公园，北侧为滨海大道。多层区楼座3～4层，基底附加应力标准组合值100kpa，基底附加应力准永久组合值95kpa。一期强夯面积约11000m2，二期处理面积约8500m2。
　　②场区地质条件
　　地貌：场区地貌属滨海浅滩，后经人工回填改造。
　　地基处理涉及土层按地质年代由新到老、按青岛市标准地层层序自上而下分述如下[6]：
　　第○1 层（淤泥质）素填土
　　平均分布厚度1m，层顶平均标高3.5m，灰褐～褐色，稍湿，松散～稍密，以回填淤泥质粘性土、淤泥、砂性土为主，混有腐烂植物根系、碎石、碎砖等建筑垃圾。
　　第○6 层淤泥质粉质粘土
　　分布厚度5～6.9m，平均6m，层顶平均标高2.5m，灰黑色～灰色，流塑～软塑，韧性较差，颗粒均匀，手感细腻，该层自上至下含砂量逐渐升高，底部约可达35%，含有机质、贝壳碎屑及腐烂植物体。有腥臭味，强度低，具有高压缩性。该层地基承载力特征值fak=60kPa，压缩模量Es1-2=2.7MPa；粘聚力标准值Ck=3.29kPa，内摩擦角标准值Φk=4.88度。
　　第○16上层黑云母花岗岩强风化上亚带
　　平均分布厚度2m，层顶平均标高-3.5m，褐黄～褐色，粗粒结构，块状构造。主要矿物成份长石、石英、黑云母；长石大部分高岭土化，矿物间连接微弱，裂隙面上见褐铁矿渲染，矿物蚀变强烈，结构大部被破坏，手搓呈砂土状。地基承载力特征值fak=350kPa，变形模量 E0=25MPa。岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整性指数Kv<0.15，岩体极破碎，岩体基本质量等级Ⅴ级。
　　③检测结果
　　a有效置换深度○1 层（淤泥质）素填土平均分布厚度1m，层顶平均标高3.5m，灰褐～褐色，稍湿，松散～稍密，以回填淤泥质粘性土、淤泥、砂性土为主，混有腐烂植物根系、碎石、碎砖等建筑垃圾。
　　第○6 层淤泥质粉质粘土
　　分布厚度5～6.9m，平均6m，层顶平均标高2.5m，灰黑色～灰色，流塑～软塑，韧性较差，颗粒均匀，手感细腻，该层自上至下含砂量逐渐升高，底部约可达35%，含有机质、贝壳碎屑及腐烂植物体。有腥臭味，强度低，具有高压缩性。该层地基承载力特征值fak=60kPa，压缩模量Es1-2=2.7MPa；粘聚力标准值3.29kPa，内摩擦角标准值Φk=4.88度。
　　第○16上层黑云母花岗岩强风化上亚带平均分布厚度2m，层顶平均标高-3.5m，褐黄～褐色，粗粒结构，块状构造。主要矿物成份长石、石英、黑云母；长石大部分高岭土化，矿物间连接微弱，裂隙面上见褐铁矿渲染，矿物蚀变强烈，结构大部被破坏，手搓呈砂土状。地基承载力特征值fak=350kPa，变形模量 E0=25MPa。岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整性指数Kv<0.15，岩体极破碎，岩体基本质量等级Ⅴ级。
　　③检测结果
　　a有效置换深度夯后通过开挖测量2个夯点， 1#点为一遍夯点，单点累计夯沉量5.5m，置换墩高度2.8m；
　　2#点为二遍夯点，单点累计夯沉量4.2m，置换墩高度2.5m。置换墩为倒三为角形[7]，置换墩上部1m范围为碎石，随深度增加其中混入一定量的淤泥质土，且随深度增加混入量逐渐增加。图2为1#夯点开挖图片。
　　图2 1#夯点置换墩开挖图片
　　b重型动力触探
　　为对比分析，夯前、夯后对场区进行了重型动力触探，对比结果如表2所示[8]。
　　表2 地基夯前、夯后重型动力触探统计结果
　　从上表可以看出，置换墩周围土体即Ⅱ区土体夯后重探击数平均提高0.5击，承载力特征值提高10kpa，变形模量提高0.1Mpa；置换墩底土体即Ⅲ区土体夯后重探击数平均提高2.5 击，承载力特征值提高40kpa，变形模量提高0.2Mpa。
　　c静载试验
　　现给出典型点的静载试验结果，ZH1为置换墩典型载荷试验结果，ZH2为置换墩间典型载荷试验结果。结果如表3、4和图3、4所示。
　　表3 置换墩典型点ZH1静载试验成果表
　　图3 置换墩典型点ZH1静载试验P-S曲线图
　　表4 置换墩间典型点ZH2静载试验成果表
图4 置换墩间典型点ZH2静载试验P-S曲线
　　根据载荷试验结果，按照文献【1】取极限荷载的一半作为设计值，置换墩承载力特征值290kpa，夯点间承载力特征值180kpa，置换墩变形模量41MPa，夯点间变形模量35 Mpa。
　　④承载力、变形计算
　　a复合地基承载力验算
　　置换率m=0.125，桩间土承载力为70kpa，复合地基的承载力标准值为97.5kpa，考虑基础宽、深修正后承载力为118kpa>100kpa，满足要求。
　　下卧软弱层承载力验算：对于复合地基，置换墩取实际长度的一半即1.3m，软弱下卧层厚度为2.15m。基底附加荷载为100kPa，硬壳层E1=10MPa，软弱下卧层地基承载力取?
　　2=70kPa，E2=3MPa。按条形基础验算，经深度修正?2=136kPa，下软弱下卧层顶面处的附加应力σz=43kPa，σz+σcz =43+76=119kpa　　b复合地基变形计算按照文献[2]计算，复合地基的变形为5.6mm，复合地基下卧层沉降64.8mm，总沉降量为70.4mm。总变形量不大，基本满足要求。
　　c复合地基有限元分析结果
　　利用Plaxis有限元软件，按最不利情况建模，即相邻置换墩为锥形和柱形，本构模型采用莫尔库伦模型，采用三角形6节点单元，边界条件为底端固定，周边单元水平向约束无位移，单元竖向位移无约束。土体参数按强夯加固后土体参数采用，考虑施工过程荷载工况及使用后工况。通过计算分析，锥形墩最大沉降为103mm，柱形墩为86mm，按砌体结构考虑，局部倾斜（按6m计算）2.83‰，小于3‰的允许值。但是有限元计算整体沉降比规范法计算沉降大32.6mm，约30%，这与有限元模型边界条件假定和考虑后期固结沉降有关。有限元模型
如图5，锥形墩体与柱形墩体最大差异沉降如图6。
　　图5 Plaxis模型
　　图6 锥形墩与柱形墩沉降对比图
　　4、经济效益分析
　　普通强夯置换与强夯+部分置换方法在施工设备上无区别，只是置换深度限制不同。普通强夯置换要求置换柱必须穿透软土层到达相对硬土层，而部分置换不须穿透软土层，即置换柱下有一定厚度软土层。普通强夯置换只考虑置换柱的置换作用而不考虑强夯动力固结对置换柱周边及其下覆软土的加固作用。仅以上各自特点决定了施工中成本的不同，主要如下：
　　①功效分析
　　普通强夯单点夯击次数过多（一般15～20击），功效慢。本方法单点夯击只要5～6击，累计夯沉量达到5m就可满足要求。本方法一般可每天完成25～30个点，普通强夯置换一般20 个点以内，功效提高1/3以上。同时普通强夯置换施工过程中有大量淤泥挤出，处理淤泥也将影响施工的连续性，功效也会大大降低。
　　②经济分析
　　a夯填料
　　本方法单坑填料量约9m3。根据统计结果，一遍点夯，夯坑上口直径平均2.5m，下口碎料塌陷，单坑理论填料量按圆锥计算，考虑夯击压实、墩体挤淤等影响，实际测算压实系数为1.3，单坑实际填料量10.6m3。由于一遍点夯使土体密实，二遍点夯单坑实际填料量8 m3。
　　按普通强夯置换形成柱形置换墩，墩长按6m考虑，单坑理论填料量约30m3.，单从此处可以看出本方法将大大节省填料量。
　　b淤泥挤出处理
　　本方法施工过程中统计180个点，约有10%夯点挤出淤泥。根据经验，普通强夯置换一般每个点均有淤泥挤出。本方法淤泥挤出量非常少。
c地面上台后期处理
　　根据夯前夯后标高测量，本方法施工完成后夯面基本不上抬，满夯后夯面还要下降约 20～30cm。普通强夯置换都有或大或小的夯面上抬。若工程设计标高、施工垫层填料厚度限制，必须考虑夯面上抬影响，其后期开挖处理费用很大，也会影响地基处理效果。
　　d考虑动力固结效应
　　通过夯前夯后重型动力触探对比分析，置换墩周边土体重探击数平均提高0.5 击，置换墩下土体一定范围内土体重探击数提平均高2.5 击。强夯置换过程中夯击能动力固结效应亦很明显，提高了淤泥质软土强度和变形参数，有效减少复合地基的变形。普通强夯置换不考虑动力固结影响，一般两遍夯点之间可不考虑间歇期，进行连续夯击。本方法考虑夯击动力固结对土体强度、变形特性的增长，两遍点夯间歇期按普通强夯间歇期考虑，对后期基础设计可节省造价。
　　5、结论
　　依托唐岛湾游艇会地基处理项目，对强夯+部分置换处理方法进行研究，通过试验区段施工、检测及用夯后检测数据计算分析，结果表明该方法地基承载力变形均能满足要求，较普通强夯置换方法无论在功效、造价方面均具有较大优势，可以在海相淤泥质土软弱地基中推广应用。
　　2010 年8 月5 日山东省海岸工程协会组织中国海洋大学、中交天津港湾设计院有限公司、中建筑港集团有限公司等科研、设计、施工单位专家对该方法进行了评定。专家认为强夯+部分置换软基处理方法突破了建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）对置换深度的限制；同时考虑了建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）中未考虑的强夯置换夯击能的动力固结效应。该方法通过试验研究与工程实践相结合，系统分析研究了海相淤泥质土地基的强夯+部分置换处理施工方法，研究了包括检测、计算、设计、材料、施工等各方面的关键技术，形成了技术先进、操作简便、造价低廉的方法。该方法经济效益和社会效益显著，具有较高的推广价值和广阔的应用前景，达到了国内同类技术先进水平。
　　参考文献
　　[1] JGJ79-2002，建筑地基处理技术规范[S].中国建筑工业出版社，2002.
　　[2] GB50007-2002，建筑地基基础设计规范[S].中国建筑工业出版社，2002.
　　[3]郭见杨.强夯夯锤的冲击力问题（强夯加固机理探讨之一）[J].土工基础，1996，10（2）：35～39.
　　[4]郭见杨.强夯沿土层深度的分配问题（强夯加固机理探讨之二）[J].土工基础，1996，10（3）：24～28.
　　[5]地基处理手册编委会.地基处理手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

房屋建筑工程中地基处理施工技术的探讨

试论高层建筑地基基础概念设计的思考

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