强夯法加固技术与试验

9.4.2　强夯法加固技术与试验

1）概况

徐州是江苏主要地震危险区之一，区内广泛分布废黄河泛滥沉积物，一般以粉土、粉细砂为主，埋藏浅，地下水位高，天然承载力低，在地震作用下易产生液化现象，苏北国道主干线连徐高速公路沿线广泛分布可液化地基，必须进行液化地基处理。为此，在连徐高速公路（徐州段）选择了典型液化地基进行了试验研究，分别进行了不同场地、不同施工参数的单点夯和试夯区试验，夯锤采用底面积5m²的圆形锤，锤重20.2t。试验场地工程地质剖面见图9.8，土层基本工程性质见表9.7。经过评判，液化土层主要分布在0～7m，液化势为中等—严重液化。试验内容见表9.8和表9.9所示。

图9.8　连徐高速公路试验区工程地质剖面图

表9.7　主要土层的物理力学性质指标

表9.8　单点夯试验内容及施工参数一览表

2）单点夯试验成果

6个单点夯试验的主要成果见表9.10。

表9.10　单点夯试验主要成果一览表

注：①最大隆起高度指离夯坑中心4m处（E7标）和2m处（E5标）；

②孔压消散时间指超孔隙水压力消散到90%所要的时间。

进一步分析得到下列主要结论：

（1）试验区最佳夯击能为8 000kN·m左右，当铺设垫层时可达9 000～10 000kN·m；

（2）有效加固深度随夯击能的增加而增加，梅纳公式加固深度修正系数为0.5～0.54；

（3）夯后孔隙水压力消散较快，一般3小时以内即可消散到90%；

（4）强夯时平面有效影响范围随夯击能增大而略有增大，估计时可取为3D；

（5）强夯时土体侧向位移与累计夯沉量之间具有较好的相关特性，在最佳夯击次数之前基本呈线性关系，侧向位移约为累计夯沉量的10%。

3）试夯区试验结果

试夯区试验时对夯沉量、孔隙水压力变化等进行了监测，强夯试验前后分别进行了标准贯入试验（SPT）、静力触探试验（CPT）以及取样室内物理力学指标试验。夯后测试成果表明，强夯后的物理力学指标得到了明显改善，静力触探比贯入阻力、标准贯入击数、瑞利波波速大大提高，消除了液化，提高了地基承载力。进一步分析得到下列结论。

（1）夯沉量变化：单击夯击能愈大，其夯沉量也愈大，随夯击次数的增加，有垫层时的累计夯沉量小于无垫层的，副夯时的夯沉量大于主夯时的平均夯沉量。

（2）孔隙水压力积累与消散：随夯击次数增加，孔隙水压力不断积累，且在首击时产生的孔隙水压力最大，浅部大于深部的，在最佳夯击次数之后孔隙水压力趋于稳定。

副夯时产生的孔隙水压力较小，这主要是内夯后土体渗透性增强所致。

无论是主夯、副夯还是满夯，夯后24h孔压均可消散90%以上，个别地段表层为黏性土层时，72h内可消散90%，因此，遍夯间歇时间定为72h。

（3）最佳夯击次数与单点夯试验结果一致，即最佳夯击能为8 000kN·m。

（4）夯后土层物理力学性质变化参见表9.7。含水量有所降低；天然重度（容重）略有增加；孔隙比明显减小，土层得到密实；土的抗剪强度提高，但主要是内摩擦角增大。这说明经强夯后土的物理力学性质得到了明显改善。

（5）夯后土层液化势：夯后各试验区土层标准贯入试验和静力触探试验测试结果表明夯后土层标准贯入击数比夯前有了较大提高（如图9.11和图9.12所示）。液化势评定结果为不液化，即强夯均消除了液化。

（6）有效加固深度：

试夯区与单点夯结果基本一致，采用Menard经验公式

加固深度修正系数可取为0.53。

4）影响强夯法处理效果的因素

根据本次试验研究，影响强夯法处理液化地基效果的因素有下列几点：

（1）强夯参数

强夯参数包括夯击能、夯击次数，间歇时间、夯点距、夯击遍数等，另外锤的形状和大小也有一定影响。试验表明，夯点布置形式对加固效果无明显影响。

（2）土质条件

一般来说，强夯法对非饱和的松散地基处理效果较好，对饱和软土处理效果较差，研究过程中发现：当表层存在黏性土且地下水位接近地表时，此时强夯效果较差，必须采用一定措施才能取得良好的效果。

（3）垫层设置

强夯施工中垫层设置主要有下列四个作用：

①在地表软弱地段设置垫层支撑强夯设备，保证机械设备正常施工；

②增大夯坑底面与地下水之间的距离，避免夯坑底与侧面翻浆，保证正常施工与夯击效果；

③在地表形成应力扩散层，便于夯击能向深层传递；

④增加排水通道，有利于排水或上部孔隙水压力的消散。

本次试验表明，本区垫层的作用除了支撑强夯设备，保证强夯施工顺利进行外，还对提高表层地基强度，对改善上部加固效果有一作用。因此，在地表软弱地段设置50～70cm垫层是必要的。

（4）排水条件

排水条件是影响强夯加固效果的主要因素之一，施工过程中，有时出现地表泛浆、橡皮土，这往往与排水不畅有关。

由于高速公路的特殊性，常用的排水方法如塑料板、排水沟等方法均难大面积推广，因此，调整施工工艺和施工参数，利用高速公路线形的特点，使地下水主要进行水平排泄；在施工工艺上应从中央到边缘或半幅施工，辅以垫层；在施工参数上遵循“低能多击”的原则，试验段及后续大面积施工的实践证明，这种方法是有效的。

（5）龄期

强夯后地基强度增长与龄期有一定关系，但试验表明，对于以砂性、粉性土这类排水条件好、孔隙水压力消散快的土层来说，强夯后，当孔隙水压力消散完毕（或95%以上）时，地基强度已经形成。试验结果表明，该过程仅需几天时间，此后强度增长不明显。

5）强夯振动影响与建筑物安全距离

为研究强夯振动的影响范围，确定对建筑物的安全距离，在单点夯时，使用ES－1225地震仪，TZBS100速度传感器进行监测。不同夯击能时，实测地面振动加速度随距离的衰减的关系见图9.9。

图9.9　单点夯击时地面振动加速度随距离衰减关系图

当振动加速度降至0.1g时，对建筑物几乎没有危害，将此距离定为安全距离，则不同夯击能时的安全距离可以据单击夯击能大小wh来估计安全距离，S＝m，对于本地区土层，m可取1.1～1.2；