强夯法广泛应用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基的处理, 然而对于采用高能级强夯置换法处理饱和软土地基的情况不多, 工程上类似的强夯施工经验也较少, 相关规范标准中对此均持谨慎态度。根据多年强夯施工经验和相关施工工艺的研究, 此类工程可以利用孔隙水压力监测手段分析超孔隙水压力变化规律来控制施工^[1,2,3]。本文以此次港口油罐区基础地基处理为例, 通过现场单点夯试验、群夯试验及孔隙水压力监测等手段分析确定基于强夯置换墩体形成与超孔隙水压力变化相关性规律的停夯标准进而确定施工参数指导施工、分析评估基于强夯置换墩体成型深度的强夯置换地基处理影响深度。

拟建场地位于葫芦岛港, 场区范围内表层为新近回填碎石填土和吹填土组成, 结构松散;下部为淤泥质粉质黏土, 层厚较大。根据勘察资料, 场区工程地质条件如下。

主要由碎石、土等组成, 结构松散。碎石含量一般为40%~70%, 局部为30%~40%, 粒径一般为50~200mm, 饱和, 松散, 层厚约2.4m, 层底标高约为-2.400m, 为新近回填土, 尚未完成自重固结。

主要由淤泥质粉质黏土、粉质黏土经吹填而成, 因扰动, 土体结构已被破坏, 呈软塑状态, 呈灰黑色~灰褐色。层厚约7.2m, 层底标高约为-9.600m, 为新近回填土, 尚未完成自重固结。

灰色~灰黑色, 无光泽, 无摇振反应, 软塑, 含贝壳, 有腥味。层厚约2.9m, 层底标高约为-12.500m, 土层物理力学指标:密度为1.85g/cm³, 含水率为24.81%, 相对密度为2.70, 孔隙比为0.82, 饱和度为81.5%, 压缩模量为4.31MPa。

黄褐色、灰褐色, 含少量中粗砂及碎石, 约占3%, 韧性中等, 干强度中等, 无摇振反应, 可塑状态, 层厚约4.2m, 层底标高约为-16.700m。土层物理力学指标:密度为1.88g/cm³, 含水率为21.30%, 相对密度为2.70, 孔隙比为0.74, 饱和度为77.1%, 压缩模量为5.72MPa。

黄褐色、灰褐色, 韧性中等, 干强度中等, 无摇振反应, 硬塑~可塑状态。层厚约5.1m, 层底标高约为-21.800m, 土层物理力学指标:密度为1.86g/cm³, 含水率为20.51%, 相对密度为2.72, 孔隙比为0.76, 饱和度为73.0%, 压缩模量为6.14MPa。

结合勘察资料, 为使场地土地基承载力和沉降量满足设计要求, 必须对场区进行地基处理。

根据地基处理方案要求, 采用强夯置换法进行地基处理, 处理前在场区内划分试验区进行强夯试验研究以评价强夯置换施工效果和确定强夯施工参数。

本工程采用12 000k N·m能级进行强夯置换, 试验区大小为20m×20m, 强夯置换墩体材料采用级配良好的块石、碎石、弱风化的花岗岩块石等坚硬粗颗粒材料, 粒径>30cm的颗粒含量不超过全重的30%, 含泥 (土) 量不宜超过全重的5%;施工工艺为3遍点夯、1遍普夯, 对应第1遍点夯间距初定为7.0m, 第2遍点夯位置为第1遍4个夯点中间位置, 第3遍点夯位置为前2遍夯点中间位置, 最终夯点形成正方形布置、间距为3.5m的强夯置换墩体。最后普夯1遍, 普夯夯击能为2 000k N·m, 详细试验施工参数如表1所示。

根据地基处理方案要求, 点夯施工每点夯击数≥25击。本次夯锤重36t, 直径为1.1m。

根据试验方案, 单点夯试验采用12 000k N·m夯击能并且使用柱锤, 试夯击数为25击, 孔隙水压力监测孔布置在夯点附近, 考虑到强夯置换墩体的形成, 监测孔布置在距夯点中心水平距离为3.5m (夯点间距) 处, 孔压传感器埋设深度分别为7.5, 10, 12.5, 15m。将观测数据统计整理后, 绘制了超孔隙水压力与击数和累计夯沉量与夯击击数关系曲线, 如图1, 2所示。

在图1曲线中若根据以往强夯与超孔隙水压力相关性经验分析^[4]:随夯击数增加, 超孔隙水压力不断增大, 10击后, 7.5m和10.0m深度的超孔隙水压力的增量收敛, 可以认为土体接受的夯击能量已经趋于饱和, 达到停夯标准。然而结合图2分析发现, 夯击击数达到10击后累计夯沉量并不收敛, 并且发现图1中夯击击数20击后超孔隙水压力显著下降, 由此看来用传统的停夯标准来确定施工参数并不适用本工程。

结合强夯地基处理经验^[5,6,7]以及图1曲线进一步分析发现, 在强夯置换过程中要形成置换墩体。强夯击数达到20击后超孔隙水压力的消散可认为是此时置换墩体已基本成型, 并且墩体半径接近3.5m, 即接近孔隙水压力监测孔与夯点中心的水平距离, 由于墩体由碎石组成, 可以起到排水通道作用, 使得监测孔超孔隙水压力明显消散。综上分析:

1) 强夯置换夯击击数的确定要以置换墩体的成型为基准, 在图1中7.5m和10m深度超孔隙水压力从夯击击数达到10击时开始收敛, 达到20击时开始消散, 可认为10击前是强夯扩孔阶段, 10~20击是置换墩体成型阶段, 20击时墩体基本成型, 因此可认定停夯击数为20击。故本工程的停夯标准采用超孔隙水压力增量收敛后首次出现明显消散所对应的夯击数。

2) 图1超孔隙水压力与夯击击数曲线中, 7.5m和10m深度超孔隙水压力增长趋势相差不大并且远高于12.5m和15m深度的超孔隙水压力增量, 说明强夯能量在10m深度后明显衰减, 可认为强夯影响深度约为10m;并且12.5m深度超孔隙水压力在20击后出现增长, 表明置换墩体接受强夯能量而饱和并开始向置换墩体以下传递强夯能量, 引起更深处超孔隙水压力的增长, 再次说明20击时置换墩体已成型;推测墩体深约10m, 可初步认为强夯置换影响深度为10m。故本工程强夯置换影响深度的判定依据参考了超孔隙水压力与夯击击数曲线中不同深度超孔隙水压力增量的大小。

通过对试验区强夯置换全过程孔隙水压力的监测, 整理出超孔隙水压力历时曲线如图3所示。

强夯置换试验区第1遍强夯用时2d, 第2遍强夯用时2d, 第3遍强夯用时3d, 期间每天的0∶00—6∶00停夯;从图1超孔隙水压力历时曲线中可以看出, 第1~2个超孔隙水压力峰值是由第1遍强夯作用引起的, 第3~4个超孔隙水压力峰值是由第2遍强夯作用引起的;第5~7个超孔隙水压力峰值是由第3遍强夯作用引起的。每遍强夯过程中出现波谷的主要原因是夜间停夯6h、超孔隙水压力消散的结果。第1遍强夯结束后超孔隙水压力消散时间为12h, 超孔隙水压力值从27k Pa下降到5.21k Pa;第2遍强夯结束后超孔隙水压力消散时间为12h, 超孔隙水压力值从26.36k Pa下降到0.99k Pa;第3遍强夯结束后超孔隙水压力消散时间为12h, 超孔隙水压力值从26.69k Pa下降到2.67k Pa;超孔隙水压力消散率均在80%以上, 可认为每遍强夯完成后的超孔隙水压力的最小消散周期为12h。

结合单点夯试验分析, 此次超孔隙水压力消散较快的主要原因是强夯置换墩体提供的排水通道加快了孔隙水压力的消散。

强夯置换施工结束后, 为评价强夯置换处理效果、验证施工参数, 采用重型动力触探在选取的有代表性的3个夯点上进行原位测试, 采用标准贯入试验在选取有代表性的墩间位置15m深度范围进行墩间土的原位测试并与夯前对比, 资料整理汇总如表2、表3所示。

由表2可以看出:强夯处理后2.1~8.6m深度范围内重型动力触探平均击数达到15击, 结合以往勘察施工经验参考《工程地质手册》推荐值, 此深度范围为中密碎石层, 可认定为强夯置换墩体的主体部分;8.6~10.0m深度重型动力触探平均击数为7.2~7.7击, 此深度范围为稍密碎石层, 可认定为强夯置换墩体的底部。综上分析, 强夯置换墩体的形状基本为深度约为10.0m, 最大半径所处深度约为8.6m, 强夯置换影响深度约为10.0m, 强夯加固深度约为8.6m。

根据试验方案做单墩竖向抗压荷载试验, 承载板采用直径为1.5m的圆板, 要求地基承载力≥280k Pa, 本次试验总加载量 (560k Pa) 分为8级, 采用快速维持荷载法, 资料整理汇总如表4、图4所示。

本次荷载试验反力系统满足试验要求, 成功加载至最大设计值560k Pa, 基准梁变形微小;试验加载至560k Pa时, 累计沉降量为18.02mm, p~s曲线平缓, 无明显陡降段, 承压板周围土体无明显的侧向挤出及隆起。

综合分析, 从p~s曲线上得出, 当s=0.01b=15mm时对应的承载力特征值约470k Pa≥280k Pa, 满足设计要求, 经计算, 变形模量E₀=33.8MPa。

1) 对于饱和软土地基, 采用高能级强夯置换处理的施工过程中, 不能仅依据传统的强夯控制标准来确定施工参数, 应充分利用场地的工程地质条件结合孔隙水压力的监测来控制施工。根据强夯置换墩体形成与孔隙水压力变化之间的相关性分析, 本工程的停夯标准采用超孔隙水压力增量收敛后首次出现明显消散所对应的夯击数为停夯击数;据此通过试验确定以下施工参数:单点夯击能为12 000k N·m, 夯击3遍, 每遍20击, 正方形布置, 夯点间距7m, 第2遍在第1遍4个夯点中间布点, 第3遍在前2遍夯点中间布点。

2) 强夯置换处理饱和软土地基过程中, 每遍强夯施工结束后的12h内, 超孔隙水压力消散均达到80%以上, 可以进行下一遍强夯, 即每遍强夯的间歇周期为12h。在单点夯试验及群夯试验中超孔隙水压力均出现消散较快的现象, 表明强夯置换墩体的形成加速了场区对应处理深度地基土强夯过程中超孔隙水压力的消散。

3) 强夯置换地基处理方式的地基处理效果评价主要以强夯置换墩体为主体, 即强夯置换墩体的成型深度决定了强夯置换影响深度, 应将孔隙水压力监测和重型动力触探监测2种手段结合起来分析强夯置换墩体形成过程的墩体状态, 以达到确定施工参数和验证地基处理效果的目的。本工程根据夯后重型动力触探监测和强夯过程中超孔隙水压力监测分析, 强夯置换墩体成型较好, 强夯置换影响深度、强夯置换加固深度达到设计要求, 取得了良好的地基处理效果。