软弱地基土不同能级强夯孔隙水压力现场试验
曹力桥. 软弱地基土不同能级强夯孔隙水压力现场试验[J]. 建筑结构，2020，50（2）：138-143.
Cao Liqiao. Field test of pore water pressure during different energy-level dynamic compactions on soft foundation[J]. Building Structure，2020,50（2）：138-143.
0概述
随着我国能源需求的进一步加大，越来越多的沿海地区兴建了炼厂，且规模朝着大型或巨型方向发展。而在滨海地带、冲积平原等软土发育区域，下卧土层为高含水量、高压缩性、低强度的土层，具有明显的固结过程，不但使地基产生显著沉降，同时也决定了油罐地基沉降是一个复杂、长期过程:随着软土地基固结过程的发展、油罐长期沉降的持续增加，差异沉降相应增加，导致结构的横向、纵向内力分布规律连续发生改变，当结构内力超过强度极限时，将导致结构产生纵、横向裂缝，从而影响油罐的正常使用及安全运营。因此，必须对大型炼厂地基中软弱土层进行先行处理。强夯法作为常用的地基加固处理方法，在各种工程中取得了良好的处理效果和经济效益，该方法也常用于炼厂地基处理中。孔隙水压力是强夯研究的重要内容，近年来，部分学者对其进行了广泛研究，主要有:王铁宏等
综上所述，目前对强夯孔隙水压力的研究主要侧重单一能级，对于不同能级的对比试验几乎没有。本文针对大型石化工程软弱地基，开展了不同能级强夯超孔隙水压力的现场试验，并分析强夯过程中超孔隙水压力的变化规律。
1 工程背景
1.1 工程概况
中委广东石化2 000万t/年重油加工工程(一期工程设计年加工原油能力2 000万t及相关配套的石化装置)是由中石油和委内瑞拉联合投资建设的国内最大一次性投产的石化工程，工程占地面积约60万m2，投资额500亿元人民币左右，建设周期4年以上。场地存在软弱土层，软弱土层的处理是本工程建设的关键，基础及地基处理费用多达20亿元人民币，工期需要1年以上。
1.2 场区地质条件
场区地貌单元属于榕江三角洲平原，地形较为开阔平坦。场区地基土组成主要有:第四系人工填土层、第四系全新统的风-水堆积层、沼泽相沉积层、海陆相交互沉积层、第四系上更新统的海陆相交互沉积层、冲、洪积层、残积层和燕山期花岗岩。揭露岩层分别为全、强及中风化层，局部存在有微风化层。10.0～20.0m厚的第四系风-水堆积粉细砂层及0.5～21.0m厚的淤泥质黏性土在场地上部广泛有分布，其中细砂层级配不良，状态以松散为主，局部稍密，该层属中等液化土层;粉细砂层级配不良，稍密-中密，饱和，该层属轻微-中等液化土层，局部严重液化;淤泥质黏性土状态为软塑-可塑，具有有机质含量大、抗剪强度低、孔隙比及压缩性高、流变性强及灵敏度高等特点。
2 现场试验
2.1 单点试夯试验
分别采用15 000,12 000,8 000,5 000kN·m共4个能级进行了单点试夯，并在夯击过程中监测了超孔隙水压力变化情况，不同能级孔隙水压力计埋设情况列于表1中。
表1 不同能级单点试夯孔隙水压力计埋设情况
2.2 群夯试验方案
强夯孔隙水压力群夯试验共设置4个试验区，各试验区的面积分别为:15 000kN·m能级试验区(A区)和12 000kN·m能级试验区(B区)面积均为50m×50m;8 000kN·m能级试验区(C区)面积为40m×40m;5 000kN·m能级试验区(D区)面积为30m×30m。15 000kN·m能级和12 000kN·m能级夯击采用直径2.5m重46.6t的圆形夯锤，8 000kN·m能级和5 000kN·m能级夯击采用直径2.5m重42.6t的圆形夯锤。4个能级的强夯方案及孔隙水压力测试布置情况如图1所示，各试验区土层分布见图2和表2。
图1 群夯试验区孔隙水压力测点布置图/m
图2 各试验区土层土层分布情况
表2 各试验区土层物理力学参数
不同能级群夯试验中超孔隙水压力测点距试验区中心距离如表3所示，15 000kN·m能级下KY1测点距试验中心距离大于KY3测点，KY2测点最小，其他3个能级均为KY3测点最近，KY2测点其次，KY1测点最远。群夯试验中孔隙水压力计埋设情况列于表4中。
3 单点试夯结果分析
3.1 超孔隙水压力与能级、时间关系
4个能级下单点试夯典型位置处超孔隙水压力时程曲线如图3所示。计算结果表明:
表3群夯试验中超孔隙水压力测点距试验区中心距离/m
表4 不同能级群夯孔隙水压力计埋设情况
(1)对于5.0m深度超孔隙水压力，15 000kN·m和12 000kN·m能级超孔隙水压力相差不大，均在50kPa范围内变化，8 000kN·m能级超孔隙水压力则在40kPa范围内变化;2个高能级的17.0m深度、2个低能级的15,14.5m深度超孔隙水压力测值相差不大。
(2)砂层内由强夯诱发的超孔隙水压力在夯击后消散速度非常快:15 000kN·m和12 000kN·m能级超孔隙水压力消散90%时需要的时间约为40min，而8 000kN·m和5 000kN·m能级超孔隙水压力需要约30min消散90%。
3.2 超孔隙水压力深度分布
典型测点各能级最大超孔隙水压力随深度分布见图4。15 000kN·m和12 000kN·m能级下，10.5m深度最大超孔隙水压力测值最大，5m深度的测值次之，17.0m深度的测值最小，呈“>”形分布;8 000kN·m能级超孔隙水压力随深度分布特征与上述2个能级基本类似，该能级下最大超孔隙水压力在10.5m深度，但10.5m深度最大超孔隙水压力测值与5m深度最大超孔隙水压力测值相差不大;5 000kN·m能级超孔隙水压力以近似直线形式，随深度增大逐渐减小，至14.5m深度时，最大超孔隙水压力测试很小。由于测点数量有限，15 000kN·m和12 000 kN·m能级在10.5m深度测值未必是距夯点中心3m水平距离下超孔隙水压力最大值，但可据此判定，上述2个能级有效加固深度至少为10.5m。
图3 不同能级典型位置超孔隙水压力时程曲线
以上分析是以测试时间范围内最大超孔隙水压力为研究对象的，实际上，同一时间的超孔隙水压力随深度分布形态基本与上述分析结果一致。
图4 最大超孔隙水压力与深度关系
3.3 超孔隙水压力随水平距离的变化规律
图5为5m和10.5m深度不同能级最大超孔隙水压力与距夯点中心水平距离的关系曲线。从图中可以看出:最大超孔隙水压力随着距夯点中心水平距离的增大而降低，15 000kN·m和12 000kN·m能级10.5m深度最大超孔隙水压力在距夯点中心水平距离4m范围以内随水平距离增加变化幅度较小，超过4m时，最大超孔隙水压力随水平距离增加明显减小;除5 000kN·m能级水平影响距离略小(约为5～6m)外，其他能级水平影响距离为7～8m。
图5 最大超孔隙水压力与距夯点中心水平距离的关系
4 群夯试验结果分析
4.1 群夯超孔隙水压力随时间的变化规律
不同能级强夯试验区KY1测点不同深度超孔隙水压力时程变化曲线如图6所示(限于篇幅，4个能级强夯试验区KY2,KY3测点不同深度超孔隙水压力时程变化曲线未予列出)。
由图6可以发现:1)单遍夯击完成后，一般需要20h超孔隙水压力增大至峰值，随后超孔隙水压力进入消散过程。2)15 000kN·m能级第一遍夯击后经过20h左右超孔隙水压力消散80%左右，超孔隙水压力值小于10kPa。第二遍夯击需经过30h超孔隙水压力消散80%左右，超孔隙水压力值基本小于5kPa。第三遍夯击后超孔隙水压力消散时间则更长，经过30h超孔隙水压力消散基本在60%～65%之间，其值在10kPa左右。3)对于12 000,8 000和5 000kN·m能级，每遍夯击后超孔隙水压力消散80%所需时间差别不大，均为40h左右。12 000,8 000和5 000kN·m能级能级每遍夯击后超孔隙水压力消散时间大于15 000kN·m能级的原因是因为这3个能级试验区粉细砂层下主要是粉质黏土，超孔隙水压力消散时间比15 000kN·m能级试验区粉细砂层下依然存在的砂层所需时间要长。4)在三遍夯击过程中，深层超孔隙水压力小于浅层的超孔隙水压力，且超孔隙水压力消散时间也相对较短，这种情况在第一遍夯击中影响作用明显强于在后两遍夯击中。这是因为浅层超孔隙水压力消散过程受临近区夯击影响比深层的要大，超孔隙水压力消散过程被一定程度延长。
4.2 群夯超孔隙水压力沿深度分布
图7为不同能级各遍夯击最大超孔隙水压力沿深度分布曲线。可见，4个能级各个测点最大超孔隙水压力均基本随深度增加而减小，但12 000,8 000,5 000 kN·m能级部分测点中间深度(12 000kN·m能级为10m和8 000,5 000kN·m能级为8m)最大超孔隙水压力大于浅层5.0m的;15 000kN·m能级与其他3个能级略有不同，最大超孔隙水压力严格遵循随深度增加而减小的规律，11m深度最大超孔隙水压力小于浅层5m的;整体来说，4个能级测点距离试验中心越远，其最大超孔隙水压力越小;4个能级17,15,12,10m深度各测点最大超孔隙水压力值均在5kPa范围内，可知，群夯各能级有效加固深度分别大于11,10,8,8m，有效加固深度实测值需要更多的深度测点或采用其他方法的强夯前后超孔隙水压力对比来判定。
图6 不同能级KY1测点不同深度超孔隙水压力时程变化曲线
图7 不同能级各遍夯击中最大超孔隙水压力沿深度分布曲线
除上述普遍规律外，根据图7，还可得到以下规律:1)对于15 000kN·m能级，KY2,KY3测点不同深度最大超孔隙水压力随夯击遍数增加逐渐减小，KY1测点不同深度最大超孔隙水压力随夯击遍数增加逐渐增大;2)对于12 000,8 000kN·m能级，KY1,KY2测点不同深度最大超孔隙水压力随夯击遍数增加逐渐减小，KY3测点第二遍夯击最大超孔隙水压力比第一遍大，第三遍最小;3)5 000kN·m能级3个测点第二遍夯击最大超孔隙水压力均大于第一遍:4)12 000,8 000,5 000kN·m能级最大超孔隙水压力随夯击遍数变化规律同15 000kN·m能级的不同，其主要原因是土层分布差异导致的，15 000kN·m能级试验区砂层中超孔隙水压力消散速度快，第一遍夯击的超孔隙水压力未累积到第二遍夯击中。
5 结论
(1)相同地质条件下，15 000kN·m和12 000kN·m能级单点强夯超孔隙水压力消散90%所需时间约为40min，而8 000kN·m和5 000kN·m能级单点强夯超孔隙水压力需要约30min消散90%。
(2)5 000kN·m能级单点强夯水平影响距离约为5～6m，其他3个能级12 000,8 000,5 000kN·m单点强夯水平影响距离为7～8m。
(3)群夯后，浅层超孔隙水压力基本大于深层超孔隙水压力，超孔隙水压力消散时间也较深层的长，且浅层超孔隙水压力受群夯影响的水平距离较深层的大。故在超孔隙水压力消散过程中，尽量防止存在表层动荷载的干扰振动，避免出现粉土液化现象。
(4)当场地加固深度范围内存在黏性土夹层时，强夯引起的超孔隙水压力消散速度与夹层厚度有关。当黏性土夹层分布连续且厚度大于0.5m时，超孔隙水压力消散速度会明显降低，间歇期(每遍夯击时间间隔)需适当调整。当有效加固深度范围内不存在厚度大于0.5m的黏性土层时，强夯施工可连续夯击。当存在厚度不大于2m的黏性土层时，15 000kN·m能级间歇期建议为3d,12 000,8 000,5 000kN·m能级强夯间歇期建议为2d。
(5)群夯中，根据超孔隙水压力变化情况，15 000,12 000,8 000,5 000kN·m能级有效加固深度分别大于11,10,8,8m，准确的有效加固深度的确定需要加密测点的密度或采用其他测试方法进行强夯前后超孔隙水压力对比分析。
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