强夯法己经在工业与民用建筑、仓库、油罐、公路和铁路地基、飞机场跑道以及码头和海底软弱地基加固等工程中得到广泛应用。而对于码头工程, 多采用临近砂源进行吹填施工, 砂土地基 (尤其是中粗砂) 具有良好的致密性能, 极低的压缩性能, 工后沉降小, 在码头工程的后方堆场施工中应用较多。填充材料的优越性加上施工工艺的先进性使得强夯砂土地基非常适用于工后沉降严苛的地基换填及吹填, 随着砂土地基强夯法的普遍使用, 砂土地基强夯之后的地基加固效果评价以及强夯地基验收标准显得尤为重要。

某集装箱码头工程主要内容包括新建4个集装箱码头泊位、相应防波堤工程、后方陆域形成、地基处理、港池航道疏浚、护岸施工以及其他码头附属设施安装。按照设计要求, 后方陆域形成回填材料采用细颗粒含量不超过15%的中粗砂和不均匀系数C_u>4。回填砂密度和浮容重分别假设为19kN/m³和8.87kN/ m³。地基处理后回填材料密实度需满足下列要求:高于平均海平面时最小相对密实度≥70%;低于平均海平面时最小相对密实度≥60%。使用荷载:堆场均载60kN/m²;堆场面层荷载23kN/m²。

根据设计文件, 平均海平面为1.020m。地基处理后, 承载力需满足下列要求:CPT单孔合格率≥90%;PLT检测试验E_v2≥80MPa;加州承载比检测试验CBR≥10%;最大残余沉降 (包含二次沉降和蠕变等) 在交工后按设计数量、位置和时间进行监测, 要求交工后1年沉降≤50mm。此沉降包含1.0m 面层永久荷载作用及以后面层施工时的可变荷载作用。根据投标文件提供的地质勘查报告, 回填区域内的地质土层分布如下:①松散的灰色黏土质细砂;②密实的黏土质砂质砾石和鹅卵石;③全风化至强风化片麻岩;④强风化至中风化片麻岩。

后方陆域回填从岸侧往海侧方向不断加厚, 最厚的回填区域约为11m。根据回填厚度及不同夯击能的影响深度, 按照式 (1) 设计夯击能:

$D=\alpha \sqrt{W{\rm H}}(1)$

式中:D为强夯影响深度;α为经验系数, 通常取0.5～0.8;W为夯锤重 (t) ;H为夯锤落距 (m) 。

设计暂定回填厚度在6～7m以内的范围采用夯击能为3 000kN·m 的点夯+1 000kN·m 普夯;而回填厚度7～11m的采用夯击能为4 000kN·m的点夯+1 000kN·m 普夯的施工方法, 最终夯击能根据试验确定。根据现场试夯反馈结果及提高工效考虑, 现场强夯区能级全部调整为4 000kN·m。普夯夯击过程中, 夯点重叠部分不少1/4 的夯锤直径。夯点平面布置如图1所示。

地基强夯处理全面实施前, 先选取2块50m×50m 区域作为强夯试验区 (3 000kN·m 和4 000kN·m各选1个区域, 通过试验可以获得强夯所需的各项参数, 用于后续大面积的地基强夯处理施工, 具体要求如下。

1) 每次夯击时, 35t (20+15 组合) 、30t (20+10 组合) 或10t 的夯锤分别从设计高度自由下落, 准确地锤击在标识好的夯点位置, 根据不同夯击能, 确定夯锤落距。

2) 试验区夯击能为3 000kN·m 的夯点按梅花形布置, 每遍夯点间距为4.25m, 设计试验时每个夯点需要夯12 击, 分2遍夯击;夯击能为4 000kN·m 的夯点按正方形布置, 每遍夯点间距为6m, 设计试验时每个夯点需要夯12 击, 分2遍夯击。

3) 夯击能为3 000kN·m 和4 000kN·m 的夯点。按照设计标准, 直到夯击能为4 000kN·m 的最后2 击平均夯沉量少于100mm, 夯击能为3 000kN·m 的最后2 击平均夯沉量少于50mm 时, 还需要同时满足夯坑周围地面不发生过大的隆起和不因夯坑过深发生提锤困难, 才可以停止夯击施工。

此外, 每次夯击时, 对应的夯击能必须符合设计要求。

施工工序如下:现场准备→夯点布置→第1遍点夯 (3 000kN·m 或4 000kN·m) →推土机整平→第2遍点夯→推土机整平→1 000kN·m 满夯→CPT 检测→符合要求可开展正式施工 (若不符合, 分析原因, 重新设计试验数据后进行试验) 。按照本项目夯实要求, 投入30t 和35t 组合夯锤的强夯机分别进行3 000kN·m 和4 000kN·m 的点夯施工, 采用带10t 夯锤的强夯机进行1 000kN·m的普夯施工。夯锤锤底静接地压力值在25～80kPa, 并对称布置相应的通气孔。

CPT检测试验检测频率为每个区 (50m×50m) 检测1个点, PLT检测试验为每个区检测2个点, CBR检测试验为4个区检测1个点, 地基沉降试验总共进行2个点, 目前已经在I12区域进行, 选择H11, H12, I11, I12 4个区进行综合分析。

按照经验公式计算最低需要的锥尖阻力, 进而与CPT检测试验获得的实际锥尖阻力进行比较, 当实际锥尖阻力大于计算锥尖阻力时, 判断该深度加固效果满足设计要求, 一般而言, 静力触探需要探到泥面标高以下深度, 试验中每0.02m深度采集1个数据, 当该孔90%测点满足设计要求时, 判断该区域加固效果满足设计要求。根据现场H11, H12, I11, I12区域检测结果, 绘制锥尖阻力-实际有效应力曲线, 如图2所示。从曲线中可以看出, H11除底部小范围深度不满足要求, 大部分实际锥尖阻力大于计算锥尖阻力;H12中所有的测点实际锥尖阻力大于计算锥尖阻力, 满足设计要求;I11中靠近底部有2个深度位置存在薄弱夹层, 但范围较小, 总体上能满足设计要求;I12所有的测点实际锥尖阻力大于计算锥尖阻力, 满足设计要求。

4个区的检测情况如表1所示, 检测过程中, 最大锥尖阻力为60.08MPa, 探深均大于吹填厚度, 满足探深要求, 单孔合格率均在90%以上, 满足验收标准。

凯里泽在20世纪通过对砂土做的大量实验提出了临界深度这一概念:即在静力触探贯入初期, 锥尖阻力随着深度的增加而增大, 当深度达到某一值时, 锥尖阻力将趋近于一常数, 这时的深度即为临界深度。将4个区的锥尖阻力绘制成锥尖阻力-深度曲线 (见图3) , 可以看到, 锥尖阻力最大值集中在2～6m深度位置, 可以判断该位置强夯加固效果最为明显, 临界深度为2～6m。整体上锥尖阻力沿着深度方向呈现抛物线分布, 0～2m深度位置在强夯作用下接收到的夯击能最大, 但由于围压较小, 夯击能无法转化为压实功, 而是随着挤压位移释放掉, 在夯坑形成后, 要重新填铺填充料, 随夯随填, 表面难以形成致密层;在同一夯点上, 6m深度以下锥尖阻力随深度的增加而减小, 与夯击能在传递过程中的能量损失和孔隙中水、气排出路径增长密切相关。

二次变形模量主要通过E_v2静态模量检测仪AX01a进行检测, 也称为PLT试验, 其载荷板直径为300mm。检测过程主要记录载荷板中心沉降和板底应力, 按照德国规范, 板底应力第1循环为:0.01MPa→0.08MPa→0.16MPa→0.25MPa→0.33MPa→0.42MPa→0.50MPa→0.25MPa→0.13MPa→0.01MPa;第2循环为0.01MPa→0.08MPa→0.16MPa→0.25MPa→0.33MPa→0.42MPa, 为保证荷载板与地基紧密接触, 并不需要卸载到0再进行加载。软件自带计算程序可以获得荷载板试验的E_v1, E_v2以及二者的比值, 具体加载过程及检测结果如表2所示。从表2可知, 第1循环最大位移介于1.37～5.38mm, 第2循环最大位移介于1.40～5.59mm, 虽然第2循环只加载到0.42MPa, 但第2循环最大位移均比第1循环最大位移大。

按照规范, 加载曲线符合公式:

$s=a{}_0+a{}_1\cdot \sigma {}_0+a{}_2\cdot \sigma {}_0^2(1)$

式中:σ₀为荷载板板底应力 (MN/m²) ;a₀, a₁, a₂为影响系数, 单位分别为mm, mm/MPa, mm/MPa²。

通过最小二乘法可得到公式

$E{}_{\text{v}\text{i}}=1.5\cdot r\cdot \frac{1}{a{}_1+a{}_2\cdot \sigma {}_{1\max }}(2)$

式中:E_vi为第i循环对应的变形模量 (MPa) ;r为荷载板半径 (mm) ;a₁, a₂为影响系数, (mm/MPa, mm/MPa²) ;σ_1max为第1循环板底最大应力。

根据表2及式 (1) 做出位移-应力曲线如图4所示, 从图中可知, 第1循环加载卸载后残余变形相对较大, 此时的E_v1并不能真正体现土体的弹性形变。由于土是弹塑性体, 通过试验可发现, 一次加载后再卸载, 土体存在残余变形。二次加载时, 土体的部分塑性变形已经消除, 获得的二次加载荷载沉降曲线更能表现出土体的弹性变形能力。理论上, 如果反复加卸载循环, 则土体的塑性慢慢消除, 最后得到的荷载沉降曲线几乎接近于直线, 就可反映出来土体的弹性性能。但通过试验发现, 若循环进行加卸载试验耗时长, 对施工进度影响较大, 而二次加载曲线与后几次加载曲线的形状差别较小, 通常利用二次加载曲线来反映土体自身的弹性性能。因此, 验收标准采取了E_v2进行评价, 根据图4及式 (2) , 分别计算E_v1, E_v2, 计算结果如表3所示。由表3可知, 所有的检测点均满足E_v2≥80MPa, 同时$\frac{E{}_{\text{v}2}}{E{}_{\text{v}1}}$介于1.85～4.15, 说明土体压缩性较小, 塑性变形基本完成。

CBR是加州承载比 (California bearing ratio) 的简称, 主要用于评价地基局部剪切强度, 但评价方式并不是按一般现场载荷试验p-s曲线中比例界限荷载p_cr和p_u来确定地基承载力, 而是通过抗腐蚀金属圆柱体贯入装置 (底端采用硬化钢材质, 且尺寸为直径49.65±0.1mm, 公称截面积1 935mm²) , 贯入位移0.0～7.5mm, 每0.25mm记录一次压力环读数, 试验完成后, 通过查询压力环标定表得到2.5mm及5.0mm贯入位移对应的压力环读数相应的荷载, 荷载与标准碎石曲线下相同位移的荷载之比即为加州承载比, 本次试验结果为16.8%, 高于验收标准10%。

将荷载转化成贯入装置底部的应力, 得到贯入深度-应力曲线, 如图5所示。从曲线上看, 整个过程经历了3个阶段。

1) 压密阶段 在这一阶段, 贯入深度-应力曲线接近于直线, 土中各点的剪应力均小于土的抗剪强度, 土体处于弹性平衡状态。在这一阶段, 荷载板的沉降主要是由于土的压密变形引起的, 对应的贯入深度约为0.0～2.5mm, 此时2.5mm对应的应力即相当于比例界限荷载p_cr, 本次试验中约为1.15MPa。

2) 剪切阶段 在这一阶段曲线已不再保持线性关系, 沉降的增长率随荷载的增大而增加。在这个阶段, 地基土中局部范围内首先在贯入杆边缘处的剪应力达到土的抗剪强度, 土体发生剪切破坏, 这些区域也称塑性区。随着荷载的继续增加, 土中塑性区的范围也逐步扩大, 直到土中形成连续的滑动面。因此, 剪切阶段也是地基中塑性区的发生与发展阶段, 对应的贯入深度约为2.5～5.0mm, 此时5.0mm对应的应力即相当于极限荷载p_u, 本次试验中约为1.38MPa。

3) 破坏阶段 当荷载超过极限荷载后, 荷载板急剧下沉, 即使不增加荷载, 沉降也不能稳定, 这表明地基进入了破坏阶段。在这一阶段, 由于土中塑性区范围的不断扩展, 最后在土中形成连续滑动面, 土从载荷板四周挤出隆起, 基础急剧下沉或向一侧倾斜, 地基发生整体剪切破坏, 对应的贯入深度约为5.0～7.5mm。

由此可见, CBR检测其实质为对加固地基抗剪强度的检测, 但由于贯入金属圆柱体面积较小, 存在尺寸效应, 检测结果偏大。CBR检测试验操作比现场载荷试验简单, 更适宜大面积的地基处理检测。

通过在处理完成的地基上作用与使用期相同的荷载来模拟使用期的工作状态, 通过基础的沉降量分析其沉降变形特性, 得出基础工作状态下的实际总沉降量。根据后期使用荷载60kPa 及堆场厚1.0m 面层的自重23kPa, 确定加载荷载为不小于83kPa。试验中采用的混凝土块体尺寸为1.0m×1.0m×0.5m, 8块混凝土块依次从下往上整齐堆叠, 实际荷载98kPa, 进行静载试验。混凝土块四边预埋测钉用于试验过程中沉降观测。考虑到现场进度要求, 采用水准仪进行沉降观测。试验结果如图6, 7所示。

由图5可知, 8块混凝土块堆叠时产生的瞬时沉降并不相同, 除第3, 7块加载后沉降急剧增加外, 其他6块混凝土块加载时沉降变化较为平稳, 最终瞬时累积沉降达到了-8.30mm。为更详细了解地基变形特性, 在加载完成后每2h观测1次, 连续观测10h, 第2天早中晚各观测1次, 第3天开始早晚各观测1次, 绘制时间-沉降曲线如图6所示。从图6可知, 虽然每次沉降量均不等, 变化幅度介于-1.18～1.10mm, 沉降已经趋于稳定。历经10d, 累计沉降量从加载完成的-8.3mm增加到-9.73mm, 蠕变沉降为-1.43mm。

所有的指标, 包括q_c, E_v2, CBR等, 看似相互独立, 其实相互联系, q_c可以计算承载力和沉降值, E_v2可以计算沉降值, CBR加载曲线可以计算承载力, 静载试验能直观反映沉降特性。这些指标如果只进行检测后的数值判断, 很难对地基的承载力和预期沉降做出准确估计, 需要将这些指标转化成预期沉降和承载力, 进而对这些指标转化后的结果进行比较分析、建立联系, 不仅有利于大规模的数据统计和回归总结, 而且能更好地对地基效果进行评价。

沉降计算包括两部分, 瞬时沉降和蠕变沉降, 瞬时沉降主要采用分层总和法, 根据现场CPT试验得到的q_c, 再根据相关文献中关于压缩模量E_s的取值以及作用荷载进行沉降计算。计算结果如表4所示。由表4可知, 与静载试验结果相比分层总和法计算结果偏大, 而E_v2计算结果偏小, 但计算结果较为接近, 总体上均满足一年内沉降累计值在50mm以内。

CBR一般都在地基表面30cm深度进行检测, 且承载力未除以安全系数, 为便于比较承载力计算结果, 取CPT检测试验30cm深度位置的锥尖阻力进行计算, 同时安全系数取1.0, 计算结果如表5所示。由表5可知, 4个区平均承载力为1.39MPa, 与CBR试验结果1.38MPa非常接近。

综合以上分析, 按照预先设定的参数进行施工, 强夯砂土地基加固效果良好, 锥尖阻力、二次变形模量、CBR均满足验收标准。

CPT可以计算承载力和沉降值, 二次变形模量可以计算沉降值, CBR加载曲线可以计算承载力, 静载试验能直观反映沉降特性, 可见各验收指标之间并不是相互独立的, 而是可以互相验证, 形成完整的体系。

从试验和计算结果分析, 沉降值和承载力相差不大, 说明各检测指标均能客观反映强夯砂土地基的加固效果, 多指标评价地基加固效果的方法不仅增加了检测结果的可信程度, 也可以最终反映出加固效果的本质, 即沉降值和承载力, 而不是局限在对土体力学参数的判断。