大面积浅层软弱地基加固技术研究

３２８　　　　ｔ哩ｔ理里遥述卫丝创大面积浅层软弱渗也基加固技术研究　　　　　　　　　　周健贾敏才黄茂松吴晓峰（同济大学地下建筑与工程系，上海，２０００９２）摘要　　本文结合上海市某集装箱堆场工程的地基加固实践，时两种大面积浅层软弱地基处理方法即无填料振冲法加固饱和疏松粉细砂地塞和强夯一降水联合法加固下卧扰动软拈土地基的有效性和有关施工工艺参数等问题进行了介绍为今后无镇料振冲法和强夯降水联合法在类似地墓中的推广应用提供了一些成功经验一、引言　　　　　　　　自改革开放以来，我国沿海地区经济发展很快，带动了沿海地区工程建设的迅速发展，码头、机场、道路等基础设施建设规模日益扩大．从而使沿海地区陆域和土地资源不足的状况变得更加突出。为了有效解决这一问题，在滩地上采用吹填砂或淤泥的方式形成陆域就成为沿海地区土地开发的重要手段和发展趋势在滩地上吹填的砂或淤泥通常吹填完成时间较短，含水量高，工程性质较差，一般不经处理很难满足工程建设对地基的要求，因此必须对其进行加固。迄今为止，虽然软土地基浅层加固方法已有多种，如换填法、预压法、强夯法、振冲法和碾压法等等，但是由于吹填工程多为码头、机场和道路等加固面积大、工期紧、对不均匀沉降要求高的工程项目，而且不同的地基处理方法具有各自的加固机理和适用范围，不同处理方法在加固费用和施工工期方面也存在较大差别，因此在选择具体的加固方案时，必须根据土质条件、设计要求、对周围环境的影响、材料供应、施工条件以及技术经济指标等因素进行综合考虑，以便充分发挥各种地基处理的优势，在确保加固质量前提下尽可能缩短工期和降低成本。根据上述原则，本文结合上海市某集装箱工程浅层吹填土地基的加固实践，对两种大面积浅层软弱地基加固技术即无填料振冲法加固饱和粉细砂地基和强夯一降水联合法加固扰动软土地基进行一些研究和探索，以期充分发挥两者在造价、工期、施工等方面的优势，进一步拓宽这两种方法的应用范围。为将来我国沿海地区广为分布的软土地基和吹填土地基的加固问题提供新的处理途径。二、工程地质概况及加固方案选择　　　　　　　　上海市某集装箱堆场工程是上海市重点建设项目，其陆域总面积约８０余万ｍ｝，为长江新老大堤之间的潮滩地带经人工吹填细砂或软粘土后形成。该区地形、地质情况比较复杂，大１９）明‘垦望握里丝星丝亘主虹）担王圣：３２９为了有效地进行地基加固，陆域被分成Ａ，　Ｂ两个区域。其中Ａ区靠近长江老大堤，上部吹填细砂层约２ｍ左右，吹填细砂层下因近期人工吹填造地和当地渔民挖塘等活动形成一遍布该区的饱和、流塑态扰动软土层，该层扰动软土厚度分布不均且工程性质很差。Ｂ区靠近长江新大堤。上部吹填砂层厚约４－５．　５ｍ，该区无扰动软土层存在。加固前上部吹填细砂呈饱和、疏松状态。场区地下水位在砂面下０．　５ｍ左右。根据工程地质初勘及详勘报告，在吹填细砂或扰动软粘土层下勘察深度内揭露的土层自上而下为：①层：粉砂混粉质粘土。　　　　②层：淤泥质粉质粘土夹粉砂　　　　③层：粉砂，局部夹粉质粘土　　　　①层：饱和软粘土层。　　　　根据场区的上述地层分布情况，如果进行探层处理，不但造价高、历时久，无法满足　　　　建设工期要求，而且处理后仍无法根本解决深层软土的次固结沉降问题，另外由于集装箱堆场箱角荷载所引起的均布荷载不大，若经浅层处理形成一均匀硬壳层后，荷载经过扩散对下卧土层影响较小且均匀，不会影响堆场的正常使用，即使年久累计沉降过大，也可通过翻修来解决，因此本次加固对象主要是上部４ｍ左右的新近吹填粉细砂层和扰动软土层结合该工程的上述地质条件和加固面积广、工期紧、不均匀沉降要求高以及Ｂ区紧靠　　　　长江新大堤的具体情况，在反复对比分析了振冲法、强夯法、注浆法、碎石桩法和振动碾压法等方法的基础上，结合上海港口建设的具体实践并参考类似的工程经验，最后在现场试验的荃础上通过改进和革新传统振冲法的施工工艺参数以及将低能量强夯和井点技术结合起来，决定采用强夯降水联合法加固Ａ区的吹填细砂和下卧扰动软土，采用无填料振冲法加固Ｂ区的吹填细砂。三、强夯一降水联合法　　　　１．弧夯一降水法加固方案及施工工艺采用强夯法加固淤泥和淤泥质土等饱和软粘土地基，　　　　能否取得成功的关键是如何迅速、有效地消除强夯引起的超静孔压和提高软粘土的固结度。目前强夯施工中多采用塑料排水板或砂井等辅助措施来加速排水和消散孔压，但是这些方式均为被动排水，排水班率较慢，历时较长，而且很难有效解决地基的工后沉降问题，因此加固效果受到影响。由于井点降水为主动抽取软粘土中的孔隙水，不但排水速率很快，可以迅速消散超静孔压和排出孔隙水，而且还可以有效避免塑料排水板和砂井等排水体工后继续排水引起的工后沉降等问题．因此可以考虑将强夯和井点降水技术结合起来并采用“由轻到重，少击多遍帐的夯击工艺来加固淤泥等饱和软粘土，以越免强夯过程中出现“橡皮土’，和有效提高加固效果。根据现场试验结果和综合分析，最后决定对本工程Ａ区的吹填细砂和下卧扰动软土采用强夯－降水联合法进行加固根据现场试验结果，在大面积强夯一降水加固施工时，采用２５ｔ履带式吊车，夯锤为圆　　　　形，锤底直径２．　５ｍ，重１　Ｏｔ，采用自动脱钩装置。试验区夯击落锤高度８．０－１３．５ｍ、每击能量８００＾－１３５０ｋＮ　＂ｍ。相邻两遍夯击间的间隙时间为７天。具体夯击参数见表１　根据本工程的具体情况，大面积施工时的收锤标准为：①夯坑周围出现明显隆起和侧　　　　３３０地彗丝丝丝主卫且１Ｌ夯点布里（梅花形〕第１迫３．５．Ｘ４．　０．夯击次戮第１迫１单点夯击能（ｋＮ・．）第１追８００第２退３．５．Ｘ４．０．第２谊２第２遏１３５０向位移（ｉ２ｃｍ）：②后一击夯沉量明显大于前一击夯沉量；③当单遍夯击的夯坑深度不小于０．　８ｍ时。　　　　由于试验区地下水位较高，为了提高夯击效果，试验前首先采用井点降水技术对试验场区进行降水。设计降水深度为３．　Ｏｍ，并点间距４．　Ｏｍ，排距８．　Ｏｍ。当地下水位降到３．　Ｏｍ时开始第一遍夯击，夯击时沿横管方向边拔井点管边强夯。在每遗夯击结束并推平后立即重新插设井点管连续抽水２４ｈ，以加速孔隙水的排出和超静孔压的消散，迅速恢复软土结构和提高软土强度。　　　　２加固效果及评价根据上述夯击工艺和参数，采用强夯一　　　　降水联合法对该集装箱堆场工程Ａ区４０余万ｍｚ场地浅层４ｍ左右的吹填粉细砂和扰动软粘土进行了加固。从整个加固过程的沉降观测结果看，第一遍夯坑深度一般在１５－　２５ｃｍ之间，第二遍两击夯坑深度在４５　－　５５ｃｍ之间．二遍夯击后的场地平均沉降约２５ｃｍ，强夯引起的地面沉降明显。根据施工过程中埋设的孔压观测显示，虽然夯击产生的超静孔压可达６０ｋＰａ以上，但在并点降水的作用下消散很快，一般在每遥夯击后１天左右即可消散８５％以上．整个夯击过程没有出现“橡皮土”现象，这说明降水效果明显。　　　　为了检验强夯一降水联合法对下卧扰动软枯土的加固效果，在强夯施工结束２０天后在各施工小区选择代表性点进行了静力触探试验检测，其典型测试结果见图１，　２和表２。根据这些静力触探试验结果可知，上部吹填粉细砂层的静力触探比贯人阻力平均值由加固前的３．　１１ＭＰ。增大到加固后的５．　４６ＭＰａ，下卧扰动软粘土层的静力触探比贯人阻力平均值由加固前的０．　９８ＭＰａ增大到加固后的１．　８２ＭＰａ，加固后整个场区上部４ｍ左右土层的均比贾人阻力Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ＭＰａ）比贯人阻力Ａ（ＭＰａ）１　　　２　　　３　　　４　　　５　　　６　　　７　　　８　　　９１　　　　２　　　３　　　４　５　　　　６　　　　７　　　８　　　９衍夕ｉ．－’二乡“，，万－，１户厂嗯｝群，￣ｎＪＪ口再‘，、‘１．１卜ｌｌｅｓｅｓ卜一一一才产亡）侧彩前后后后谈了：．（已）跳能夯夯夯夯区区区区５自戈）公一祖卜，，前后后后夯夯夯夯区试区区０甘Ｑ１口Ｌ诊内亡Ｒ　　　　　５６　　１　‘口７０八　　　　『，　　　｝一　图　　－－－．－－ｎ．Ｊ，强夯加固前后典型静力触探曲线图ｎ‘月哈９０－６２　强夯加固前后典型静力触探曲线图，大亘抢丝遇翌通亘望二基＇ｐ国＃ｓ主＋７鱼　　　　３３１匀性较好，各参数均达到或超过设计指标值，强夯降水联合法加固吹填粉细砂和饱和扰动软粘土地基取得了成功．加固达到了预期的效果。０￣２．０　　表２强夯一降水联合法软基加固效果分析静力触探比贯人阻力Ｐ愁２．　０－４．　０ｈＭＰｎＭＩＦ．．）爆噢产ｈ（ｕ　ＭＷ　Ｐ．ｉｆｌ）（：．；｛：．；：；）‘一四、无填料振冲法１　　　　．振冲加固方案和传统施工工艺的改进　　　　根据在试验区进行的现场试验结果，无填料振冲法加密饱和疏松粉细砂地基的影响范围在３．　Ｏｍ以上，其有效影响范围距桩心在１．　５－２．　Ｏｍ左右，因此为保证砂土地基的加固效果和地基的均匀性，在大面积施工时，振冲孔间距取为２．５ｍ，正三角形布置，振冲深度根据原始地面标高为４．　５－６．　０ｍ，用ＺＣＱ－３０型振冲器施工。由于吹填砂土颗粒均匀，级配较差，其典型的颗粒级配曲线见图３，位于一般公认的适　　　　用于振冲挤密的颗粒级配曲线范围之外。因此，为了克服传统振冲工艺易在粉细砂中造成宽广流态区和大量细颗粒随水流失而影响加固效果的缺陷，试验时采取了如下工艺措施：１０　　　　５　　　　　　　２　　　　１．０　０．５　　　　　０．２　　　０．　１　　０．０５　　　　０．０２　０．０１　　０．００５　赢认蒸ＩＴ鬓夔ｉＦ－ＹＭＰ　火振󰀀ｈｉｓ暴黝Ｉ藻鬓ｌ１鬓０｝Ｉ１Ｉ｛喂馨卜令群撇婴么ｉ＆健Ｒ篡｝薰彝添兼玄夕ｉ｛　　　　（１）选择适当的振冲水压和水量。由于试验区吹填粉细砂呈饱和疏松状态，砂层在振动荷载作用下易发生液化且其贯人阻力较小，因此振冲时宜进行干振或将水压和水量减至最小（以防止细砂堵塞出水管为宜）。以便有效避免大量细颗粒随水流失（　　　　２）选择适合于粉细砂特性的振动力和振动频率。对于粉细砂，振动力和振动频率过小，振冲影响距离较小，振动力和振动频率过大又会造成宽广的流态区而不是挤密区。因此根据粉细砂的动力特性，振冲时宜采用最大振动力９０ｋ　Ｎ　．振动频率２４Ｈｚ的ＺＣＱ３０　Ｖ振冲器。　　　　（３）控制振冲器下降和卜提速率及上提间距。为避免振冲不充分和漏振、保证施工质量，振冲时振冲器上提间距、速率及下降速率应严格控制。下降速率宜取１－２ｍ／ｍｉｎ．上提速率宜为。．５－ｌｍ／ｍｉｎ，上提间距３０－５０ｃｍ（浓）截求随翎刊９娜翻！帐小‘勺　　　　　　　　　　口八ｂＪ马　　　　　　　　００　　０挤密的ｔ佳顺艳｝一９８１）（　　　　Ｍｉｃｈｅｌｔｌ，　１试爱￥区粉细Ｒ夕顺粒级配范围一　　　　！一｝｛｛｝　　　　　　、、｛１／洲目，喇比名火试ＸＸＸ洲ｋ／八１＼｛一！．！｝｛杯的肠今振冲挤厄＼、＼、，７５）户ｒｎ．１｛（Ｔｈｏｒｂ＼　　　　＼　　　　　　、　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　少夕７，０．００１ｍｍ）图３振冲加固颗粒级配曲线　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３３２地ＩＡ＂ｔ理负土兰基丝采用双机共振工艺，以有效限制振冲流态区的发展和扩大挤密范围，提高振冲加　　　　　　（４）固效果根据粉细砂特性正确确定振冲密实电流和留振时问等施工参数。过长的留振时间　　　　　　（５）不但无益于提高粉细砂的加固效果，而几会使密实电流降低。本次试验中采用的无填料振冲施工参数和传统加填料振冲施工参数川对比情况详见农３表３响无坡料无琪科加填料无填料振冲施工参数和传统加坟料振冲施工参数对比表（／ｋＹｌｔａ＜动各水甩　　（１．　－ｍｃｓｕ密实电流（Ａ）　　　　２５－３０留振时间Ｃｓ）　　　　８－１口工提间距（ｃｍ）　　３０－５０３０－　５０Ｌ提速率（ｍ／ｍｉｎ）０．５－１　　　　　　七＿下降速率（ｍ／ｍｉｎ）１－２１－－２书川一６ｕｏ２（！　　　　Ｑ－创飞０ｌ４５－６０１０－６１１１－－５　　　　２．加固效果及评价采用Ｌ述改进后的振冲工艺和施工参数对该集装箱堆场工程Ｂ区近４。万ｍ，场地上　　　　部４．　０＾５．　５ｍ厚的水力吹填粉细砂层进行了无填料振冲加固。根据振冲施工前后进行的地面标高测量结果，振冲结束后整个场区地面平均下沉了。．３４ｍ。振冲引起的地面沉降显著。在振冲施工结束后１５大左右分别进行ｒ静力触探试验和标准贯人试验，其典型测试结果见图４，　５和表４根据这些试验结果可知，由静力触探试验测出的地基承载力平均值由加固前的９８．　１ｋＰ。增大到加固后的ＩＳＯ．　ＩＳｋＰａ，标准贯人击数平均值由加固前的７．９击增大到加固后的１７．　６击，加固后吹填粉细砂层已达到中密状态，其中在部分深度处甚至可达密实状态，加固后粉细砂层的均匀性较好、各参数均达到或超过设计指标值，振冲加固的效果是显著的，不过对深度１．　Ｏｍ以内的土体其加固效果相对较差，这说明振冲加固效果与土体上覆压力有一定的关系该场区大面积粉细砂层无填料振冲加固实践的成功证明，采用双机共振工艺和现场试　　　　比贯人阻力丸（ＭＰａ）５门Ｊ．上乃户，Ｊ＿１＿一标准贯人击数（击〕１０１５　２ｏ　　　　　２５」　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１１一一七Ｊｌｌ」１十干一一Ｌｗｅ一－一振冲加固前－丸　　．、．２０２６区一一３０６２　　　ＬＸ１０８４区ｒ二二‘几了扮一　　　　　　　　　　　　一，一三一４｛／　　　　　一」　　　　　一去－一４０１０　９、一厂・了爷＿，少图、大面积振冲加固前后典型锌探贯人阻力曲线（日）侧转篷一：、厂｛　　　　　　　　ｉ图５大面积振冲加固前后典型标贯击数曲线大－Ａｔｏ法遏Ｖ　９９丝丝丛圃丝鑫旦塞表４深度（ｍｌ３３３无坟料振冲后地甚加圃效果分析（协力触探指标和标贯指标）醉力触探比贯人阻力丸振冲前　　　　ｌ（ＭＰａ）　　　　　　标贯击数Ｎ黑Ｆ（ＭＰａ）铎夔奢（Ｙ＊）｝ｎ（ｄｐ；｝）１叱Ｆ（－Ｉ－　）．％Ａ４．８　　　　　　　　８．１　　　　　　　　．响．，．一，￣一￣．．．．．．．目．．．０－１．０　　１．　０－４．　ｎ）．：：；：：：；；１５２　　　　　　　　１３３　　　　　　　　．．．．．，目．．．．．．．．．．．．．．．－．‘．，‘－验提出的施工参数．列于饱和疏松粉细砂层，采用无填料振冲法完全可以取得理想的加固效果。五、结语　　　　　　　　本文结合上海市某集装箱堆场工程８０余万ｍ，浅层地基加固实践，就强夯降水联合法应用于加固浅层吹填粉细砂和下卧扰动软粘土地基以及无填料振冲法应用于加固浅层饱和吹填粉细砂地基的实例进行了介绍和分析，得出了如下结论：（１）基于饱和软粘土的工程特性和动力固结理论，采用强夯法加固饱和软土地基的关　　　　键是解决好超静孔压消散和孔隙水排出问题。强夯降水联合法处理浅层软土地基就是将强夯和井点降水技术结合起来，采用井点降水来加速夯后超静孔压消散和软土固结。本次实践表明采用该法加固浅层饱和软粘土地基可以取得良好的加固效果，加固后地基浅层土体的工程性质有了明显改善，都达到或超过了设计要求（２）基于饱和疏松粉细砂土的工程特性，通过改进和调整振冲施工工艺及参数，采用　　　　无填料振冲法加固粉细砂地基取得了成功，加固效果明显，加固后粉细砂层可以达到中密甚至密实状态。（３）在饱和粉细砂中进行无填料振冲时，为提高加固效果和施工工效应采用双机共振　　　　工艺，振冲间距宜取２．５ｍ左右。振冲过程中，水压和水量应尽可能小；留振时间宜为８－ｌｏｓ；密实电流可取２５－３０Ａ；上提间距３０－５０ｃｍ；下降和上提速率ｌｍ／ｍｉｎ左右。（４）采用无填料振冲法加固粉细砂地基和采用强夯一降水联合法加固饱和软粘土地基，　　　　不但加固效果显著，可以有效提高地基的均匀性、减小工后沉降和消除不均匀沉降，而且可以就地取材、有效降低工程造价、缩短建设工期和减少施工难度等、因此具有很大的社会和经济效益，是两种很有应用前景的浅层地基加固方法。参考文献Ｂｒｏｗｎ，　Ｒ．　Ｅ．　Ｖｉｂｒｏｆｌｏｔａｔｉｏｎ　Ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏｈｅｓｉｏｎｌｅｓｓ　Ｓｏｉｌｓ　［１］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉ－ｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ．　ＡＳＣＥ．　１９７７．　１０３　（ＧＴ１２）：　１４３７－１４５１地基处理手册编写委员会．地基处理手册．第二版．北京：中国建筑工业出版社，２０００黄茂松，陈云敏，吴世明．振冲碎石桩加固饱和粉砂粉土地基试验研究．岩土工程学报，１９９２．　１４（６）：　６９－７３Ｍｅｎａｒｄ　Ｉ。Ｂｒｏｉｓｅ　Ｙ．　Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　Ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ．　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．１９７５．　２５　（　Ｕ　：　３－１８３３４地基处理技术及其他ＳＭｅｒｒｉｆｉｅｌｄ（、Ｍ，　Ｄａｖｉｅｓ　Ｍ　Ｃ　Ｒ．　Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｌｏｗ－ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｔ　Ｆｉｅｌｄ　Ｔｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｃｅｎ－ｔｒｆｕｇｅ　Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ．　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，　２０００，　５０　（６）；　６７５－６８１６Ｍｉｔｃｈｅｌｌ　Ｊ　Ｋ　Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｒｔ－ｓｏｉｌ　Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ．　Ｐｒｏｃ．　１０ｔｈ　Ｉｎｔ．　Ｃｏｏｌ．　Ｏｎ　Ｓｏｉｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｆｏｕｎｄｓ７Ｌｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　［Ｃ］，　１９８１，　１４：　５０９－５６５Ｓｌｏｃｆｍｂｅ　ｆ３　Ｃ，　Ｈｅｌｌ　Ａ　１．　＆．　Ｂａｅｚ　Ｊ　Ｉ　Ｔｈｅ　Ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｒａｎｕｌａｒ　Ｓｏｉｌｓ　ｕｓｉｎｇ　Ｖｉｂｒｏ　Ｍｅｔｈｏｄｓ．　Ｇｅｏｔｅｃｈ－ｎｉｑｕｅ，　２０００，　５０　（６）：　７１５－７２５８郑颖人，陆新。李学志，冯遗兴．强夯加固软粘土地基的理论与工艺研究．岩土工程学报，２０００．　２２（１）．　１８－２２