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分类归档 强夯

福建湿陷性黄土地区高填方压实场地20000kN.m超高能级强夯工程

福建江西浙江等湿陷性地区20000kN.m超高能级强夯工程

0 引言

高能级强夯法可以一次性处理深厚地基土,能够有效地改善回填土和原地基的压缩性,消除湿陷性,减少填土分层,减少土方交叉作业的影响。国内高强夯地基处理能级由12000kN.m发展到18000kN.m并得到了广泛的应用,15000kN.m能级强夯试验于2005年10月在大连某原油罐区首次实施,16000kN.m能级强夯试验于2005年12月在大连取得成功,2008年5月国内首次18000kN.m能级强夯试验在珠海高栏岛取得成功。至此,近8年的时间里,强夯的施工能级再无提高。此外,国内各地基处理规范对强夯均做出了相关规定,目前各规范对强夯规定的最高能级为18000kN.m,其中:《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)最高能级为12000kN.m,《钢制储罐地基处理技术规范》(GB/T50756-2012)最高能级为18000kN.m,《复合地基技术规范》(GB/T50783-2012)强夯置换最高能级为18000kN.m。

在西北黄土丘陵地区由于地形条件限制,城市发展空间较小,城市发展基本沿河谷地带布局,属于线性城市。西北某典型的线型城市,建设用地极为紧缺,城市半径每增加1公里,增加建设用地仅不足700亩。由此导致的交通、空间资源、城市功能设施矛盾极为突出。因此充分利用荒山荒地,“上山建城”,横向发展,形成科学的城市肌理,几乎是西北山区城市发展的唯一选择。在“上山建城”中势必存在削峁建塬、填沟造地等大挖大填工程。在建设过程中,也必然会存在十几米甚至上百米高的填筑体。传统意义上的高填方场地由于填筑体过厚,需经一段很长的静置稳定时间后方可投入使用,大幅增加了造地的时间和经济成本。运用20000kN.m以上超高能级强夯处理经分层碾压或分层强夯后的填筑体,使回填土分阶段再压缩,大幅减少场地的工后沉降,缩短填筑体压缩稳定时间,缩短填土地基交地使用时间。因此针对西北某高填方工程,对20000kN.m超高能级施工开展相关试验工作,很有必要。同时可为类似场地的地基处理提供依据。

1 场地概况

本次试验场地位于西北某填沟造地工程。试验场地填筑体填料为黄土梁峁挖方料。试验场地大小为50m*50m。由于原始地貌不同,试验区回填厚度自西向东从14.46m至22.16m逐渐递增。试验前场地经分层回填,填筑体压实度为0.93左右。回填方式为:试验场地地面标高以下0至3.62m采用分层碾压回填,地面标高以下3.62m至11.38m采用分层强夯夯实,夯击能级为3000kN.m,地面标高以下11.38m至原地表采用分层碾压回填。回填后填筑体经压实度检测,满足压实度不小于0.93的要求。试验场地平面如图1所示,强夯试验场地剖面如图2所示。

试验施工时间:2016年5月18日,20000kN.m超高能级强夯地基处理试验正式施工,至2016年5月25日900㎡试验区全部施工完成,试夯工期共计8天。

2 强夯试验方案设计

20000kN.m能级试验设计参数共分五遍进行。

第一遍20000kN.m能级平锤强夯,夯点间距为12.0m,收锤标准按最后两击平均夯沉量不大于30cm且击数不少于18击控制,施工完成后及时将夯坑填平;

第二遍20000kN.m能级平锤强夯,夯点间距为12.0m,夯点位于第一遍4个相邻夯点中心,收锤标准按最后两击平均夯沉量不大于30cm且击数不少于16击控制,施工完成后及时将夯坑填平;

第三遍15000kN.m能级平锤强夯,夯点位于第一遍或二遍相邻两个夯点中间,收锤标准按最后两击平均夯沉量不大于20cm且击数不少于15击控制;

第四遍为一、二、三遍夯点的原点加固夯,夯击能3000kN.m,夯点位置与一、二遍夯点重合,收锤标准按最后两击平均夯沉量不大于10cm且击数不少于9击控制;

第五遍为2000kN.m能级满夯,每点夯2击,要求夯印1/3搭接。满夯结束后整平场地。

夯点布置图如图3所示,试验区域现场情况如图4所示。

3 强夯试验分析

强夯试验进行了单点夯试验、群夯试验,为更加有效的评价强夯试验地基处理效果,本次检测采取了几种检测手段:夯前夯后钻孔取土土工试验、浅层平板载荷试验、重型圆锥动力触探试验。

3.1 单点夯试验

为了监测夯坑周围隆起情况,本次试验针对第一、二遍主夯点和第三遍插点夯进行了单点夯试验,在夯坑周围设立隆起观测点:以夯点中心向外3m、4m、5m、6m、7m相互垂直的方向各设5个监测点,两组观测点示意图如图5所示。

以第一遍20000kN.m能级单点夯的隆起观测情况为例,夯点位于试验区的中心,从各观测点隆起数据来看,靠近夯点的三个观测点隆起较为明显,隆起量均小于30cm, 4号和5号观测点距离夯点中心6m和7m,其隆起量均小于5cm,说明20000kN.m能级强夯的夯击侧向影响范围在6.0m左右,由此可见夯点间距设计比较合理。第一、二、三遍点隆起观测情况如图6~图8所示。

3.2 群夯试验

(1)第一遍20000kN.m能级夯点共9个,夯击数平均为18击,末两击平均夯沉量均控制在了30cm之内。夯坑平均深度5.09m, A1B5、A1B3、A1B1夯点一侧夯坑深度相对较浅,造成坑浅的原因是该排夯点靠近山体,底部回填厚度约为15米,其他各排回填厚度均在20米以上。夯沉量与击数关系见图9。

(2)第二遍20000kN.m能级夯点共4个,夯击数为16击,末两击平均夯沉量均控制在了30cm之内。夯坑平均深度4.52m,夯坑深度差异较小。夯沉量与击数关系见图10。

3)第三遍15000kN.m能级夯点共12个,夯击数为15击,末两击平均夯沉量均控制在了20cm之内。夯坑平均深度3.44m,夯坑深度差异较小,夯沉量与击数关系见图11。

4)第四遍3000kN.m能级夯点共25个,夯击数为9击,末两击平均夯沉量均控制在了10cm之内。夯坑平均深度1.06m,夯坑深度差异较小,夯沉量与击数关系见图12。

4)第四遍3000kN.m能级夯点共25个,夯击数为9击,末两击平均夯沉量均控制在了10cm之内。夯坑平均深度1.06m,夯坑深度差异较小,夯沉量与击数关系见图12。

如图13所示,在强夯施工前,经干密度试验,其干密度平均值为1.69g/ cm³,压实度为0.93。强夯施工后,夯间干密度平均值为1.77g/ cm³,夯点干密度平均值为1.82g/ cm³,经高能级强夯处理后,夯后干密度较夯前增加近0.1 g/cm³,压实度提高至0.97以上,强夯处理效果明显。

3.4 浅层平板载荷试验分析

本试验区域夯后共进行浅层平板静载荷试验3处(编号为P1~P3,三点均位于夯后夯间,压板采用方形刚性承压板。试验预估荷载1000kPa,前6级分级荷载为100kPa每级,加至600kPa后,分级荷载调整为80kPa每级,最终加至1000kPa或达到《建筑地基检测技术规范》(JGJ130-2015)中规定的其他终止条件的荷载。载荷试验的p-s曲线见图14。

由图14可知,各试验点静载检测结果基本相似,特别是加载量在0~400kPa之间三个试验点的p-s曲线基本重合,说明地基处理后较均匀。加载到1000kPa时,沉降量均小于70mm。p-s曲线没有陡降段,基本属于缓边型,且未见明显比例界限,因此取s/b=0.01(即沉降量为10mm)所对应的压力为各试验点的地基承载力特征值:

P1:fak1=334kPa;P2:fak2=348kPa;P3:fak3=352kPa;

经计算,3处试验点静载荷试验点承载力特征值的极差不超过平均值的30%,根据规范取其平均值为强夯处理后的地基承载力特征值,即fak=345kPa。

3.5 重型动力触探试验分析

对试验区域在强夯施工前后各进行了3孔连续动力触探试验(强夯处理前3孔编号为HQ01~HQ03,强夯处理后3孔编号为HH01~HH03,强夯处理后的试验孔位于夯间),各孔夯前、夯后平均动探锤击数对比见图15。

由图15,在18m~20m范围内强夯加固效果明显,夯前平均锤击数13.8击,夯后平均锤击数21.5击,击数增加55.8%,在处理深度范围内,地基土整体密实度有了较大提高,强夯整体效果明显。

3.6 夯前、夯后场地沉降量对比分析

试夯区夯前场地平均标高1043.36m,夯后场地标高是1042.61m,场地强夯后整体沉降为75cm。场地各遍夯沉量如图16所示,场地各遍强夯后总体夯沉量分别为22cm,9cm,12cm,21cm,15cm。场地第一遍20000kN.m能级夯点个数为9个,而第二遍20000kN.m能级夯点个数为4个,因此第二遍强夯后场地总体沉降量相对较小。从相对于平均18m厚的填筑体来看,总体压缩量75cm,填筑体每米厚度平均压缩近4cm,压缩量显著。可见,分层压实(夯实)填筑场地经超高能级强夯分阶段再压缩后,场地工后沉降量大幅减少。不同夯击遍数下场地沉降量曲线如图16所示。

4 结论

本文在压实(或夯实)的填土地基上进行了国内首次20000kN.m超高能级强夯试验研究,对试验进行了详尽的分析研究。获得了20000kN.m能级强夯处理压实(或夯实)填土地基的处理效果,形成了分层压实(或夯实)填土地基分阶段整体再压缩的处理理念,同时将国内强夯向更高能级推进,为地基处理规范的修编积累了数据。

(1)本次20000kN.m超高能级试验尚属国内首次,提出了在大厚度分层压实(或夯实)填土地基上进行超高能级再处理理念,该理念可大幅缩小填土地基的工后沉降,缩短填土地基交地使用时间,提高土地使用价值,便于投资回收和进行后期建设。

(2)从试验性施工来看,经20000kN.m超高能级强夯地基处理后,整个场地的沉降变化较大,夯前场地标高为1043.36m,夯后场地标高降为1042.61m,场地强夯后整体沉降75cm。超厚(18m以上)分层压实(夯实)填筑场地经超高能级强夯分阶段再压缩,降低了高填方场地的工后沉降。

(3)根据夯后的检测分析,20000kN.m能级在大厚度压实(或夯实)黄土填土地基的处理深度超过18m,处理后地基承载力可达345kPa。

(4)在检测方法上,除了常规的动力触探试验和静载荷试验,还增加了干密度对比试验并辅以场地沉降对比分析,可供大厚度填土地基和湿陷性黄土地基处理参考。

 

地基处理施工资料——“强夯法”

地基处理施工资料——“强夯法”

一、强夯法的起源

强夯法的基本思想源于古代的夯实地基法,万里长城、唐长安大明宫等主要建筑基础均为夯筑,在近代,南斯拉夫、丹麦、苏联等国都试验过较重的锤,从较大的高度落下,以期达到在更大的深度内获得良好的加固效果。特别是罗马尼亚,从20世纪六十年代开始,应用夯锤重5t~7t,落距5m~9m,加固深度可以达到2m~4m的重级落锤夯实法。这也可以认为是强夯法的起源。

二、强夯法的兴起与发展现状

强夯法,是1969年首先由L.Menard在法国发展起来的。该法首次应用于法国戛纳(Cannes)附近纳普尔(Napoule)海滨采石场废土石围海造成的场地上,在该场地上建造20幢8层公寓建筑。该场地表层4m~8m为采石场弃土,以下为15m~20m含高压缩性淤泥夹层的砂质粉土,再下为泥炭岩。若采用桩基,则桩承担的新填土引起的负摩擦力将占桩基承载力的60%~70%,十分不经济。后用堆载预压,堆土5m,在约100kPa压力下,历时3个月,沉降平均仅下沉20cm承载力仅提高30%,加固效果不明显。后由法国工程师L.Menard提出用锤重80kn,落距10m,每击冲击能800kn⋅m,总能量1200kn⋅m/m2夯击一遍,地面沉降达50cm,连以前的预压总沉降70cm,经旁压仪检验,夯实土平均性能改善200%。8层建筑采用基底压力300kPa,竣工后沉降仅1.3cm,取得良好效果,此后该法推广应用于饱和粗颗粒土的压密。

到1973年底,已有12个国家在150余项地基工程中应用强夯法。1974年英国工程师协会召开深基础会议,Menard本人对强夯法作了详细介绍,并出了专册,该法即很快在欧洲国家推广应用。在我国,从1975年起就在技术

刊物上介绍此法,当时称为重级落锤夯实法。1978年12月,

中国建筑科学研究院建筑情报研究所在《建筑结构》上系统介绍该法,并定名为强力夯实法(强夯法),引起工程界的广泛关注,并迅速在全国推广。

三、强夯法的发展

1.应用范围的发展

最初强夯法主要用于处理碎石土、杂填土、砂类土、非饱和粘性土等,但随着经验的丰富以及施工方法的科学化、现代化,尤其是排水条件的改善,用强夯法处理的土类不断增加,淤泥和淤泥质土、泥炭土、软塑至流塑的一般粘土、饱和砂土、膨胀土、黄土及湿陷性黄土、高填土等地基上都尝试和应用。强夯法处理大块石高填方地基也被建设部列为推广使用技术。

当前应用强夯法处理地基的工程范围极广,已付诸实践的有工业与民用建筑、机场、防洪工程、公路和铁路路基、港口、核电站、石化工程等。甚至对海底、水下的软弱土层也尝试通过特殊工艺进行强夯处理。近几年,随着社会发展,环境问题日益严重,强夯法也用于垃圾和固体废弃物的处理并取得了成功。强夯法的局限是施工时较大的噪声和振动,因而不宜在人口密集的城市内使用。

2.夯击能的发展

在加固能量上,目前最大的为法国Menard公司加固法国尼斯机场工程,该工程为保证沉降符合要求,要求有效加固深度达30m~40m,为此Menard公司在实际施工中用了自重为1,700kn的钢板叠合锤,落距23m,单点夯击能40MJ,加固后回填土强度提高4倍,下部粉土提高约1倍。

我国自引入强夯法以来,在1981年6月,化工部第二化工建设公司及其协作单位在山西潞城建设的山西化肥厂场地首次使用能级为6,250kn⋅m的强夯,用以加固II级自重湿陷性黄土地基。2004年,我国首次采用夯击能10,000kn⋅m对沿海碎石土回填地基进行加固,王铁宏、水伟厚等对该项目的实施进行了全程的施工监测及加固后的效果检验,表明加固效果显著。2007年,年廷凯等对15,000kn⋅m夯击能处理滨海型下卧软弱夹层且存在地下水的碎石回填地基进行了效果测试,其有效加固深度达11.5m。北京时间2016年5月18日8点30分,由中化岩土工程股份有限公司自主开发研制并获得多项国家专利的CGE-1800B型强夯专用机械,在延安打下了20000kN·m超高能级强夯试验的第一锤,这次20000kN·m强夯处理试验是为了评价超高能级强夯处理方案的效果,获得有效加固深度、地基承载力、变形模量、夯沉量、地面整体沉降量、压实度等关键性技术指标,为解决新型城镇化建设中发展空间拓展提供相应的依据。

3.施工机具的发展

强夯施工机具较简单,主要由夯锤、强夯机及脱钩装置组成。强夯法施工和强夯机是紧密联系在一起的,随着强夯技术的发展,强夯机具也同步发展。

夯锤一般有填入式、组合拼装式和现浇整体式,其外形主要有方形、梨形和圆形,方形夯锤由于在连续夯击时对位困难,基本已被淘汰。为减小夯锤底面的真空吸附力,锤中留有孔道,作为上下面的通气孔;为解决土的飞溅问题,有把夯锤作成羊角锤;还有为减小多次夯击时夯锤起吊困难,将夯锤底面做成凹形。

强夯机作业性能的好坏和施工能力的高低,直接影响着强夯工程的进度、安全、效益以及强夯工艺的发展。国外强夯机主要有三大类,分别为三角形固定桁架臂架式、三角井字架式和大吨位安装用起重机。1975年,法国梅纳公司为完成法国尼斯机场一条经填海形成的填土厚8m~18m,原海底为松软的粉土,厚50m~80m,要求加固深度达40m,研究开发了起重量为2,000kn,提升高度为25m,自重5,500kn,具有186个轮胎的三角形固定桁架臂强夯机,这是迄今为止世界上最大的强夯施工机械。但由于自重和外形尺寸过大,186个轮胎的均载和转弯协调不易很好实现,加上对施工场地要求过高等原因,使该设备再未应用于其它强夯工程。

目前强夯机现在已呈现二极发展趋势:即高能力,大夯击能量和低能量、小能级;强夯机的多用途发展也将是一种新的趋势。同时以微电子为重要标志的电子化和信息化互动将应用于强夯施工设备上,从而可实现远距离控制,提高施工作业的安全性和防患人为误动作。实现强夯和打桩自动下沉量测量、判定,真正体现强夯的信息化施工能力;节能和环保是工程机械的发展要求和总趋势,因此,新型强夯机以降低发动机排放,提高液压系统效率,减少钢丝绳消耗为目标,使强夯机技术发展方向完全达到低排放,低消耗,高效率作业。

4.复合强夯技术的发展

随着强夯处理地基土范围的扩大,单纯依靠强夯作用难以达到最理想的效果,于是在强夯基础发展起来了强夯置换法,动力排水固结法,强夯+CFG桩,电渗强夯法,爆炸-强夯法,液压高速强夯法,旋转夯锤式强夯,地基夯实动力打桩法等。

强夯置换法:对淤泥类土中强夯时,在形成的夯坑中回填块石、碎石等粗颗粒材料,然后用夯锤夯击,重复此过程连续施工,形成一个墩体,称为强夯置换墩,在粉土中形成的强夯置换墩可按与桩间土形成复合地基考虑。

强夯置换的加固原理相当于强夯(加密)+碎石墩+特大直径排水井

动力排水固结法:是动力固结法和堆载预压法联合加固的方法,适用于对饱和软粘土、淤泥质粘土等高含水量、高孔隙比、低强度的土体加固。其原理是利用强夯冲击产生较高的孔隙水压力并在堆载预压静压力的作用下消散,使预压时间大大缩短,加固效果提高。

强夯+CFG桩法:强夯+CFG桩联合加固即先用小能量强夯进行大面积超宽处理,以消除欠固结土,加速地基土固结过程。然后在建筑物范围内进行CFG桩处理,置换原土体,挤密桩间土,充分发挥CFG桩桩身压缩变形小、承载力高、控制沉降效果好的特点。

SDDC(孔内深层超强夯法): 该工法用机具成孔,成孔方法可采用钻机钻孔或振冲法成孔,成孔后往孔内填料,用特制的橄榄形重力夯锤进行夯击,压实,挤密。此法由于在孔内进行夯实,夯击的效率高,成孔的效果好,该法既可以消除黄土湿陷性,又能提高地基承载力,特别适用于深厚湿陷性黄土的地基处理。

四、展望

(1)由于被加固土体的复杂多样性,以及强夯法加固地基的机理和设计目前没有统一的标准,故规范要求强夯施工前必须现场试验确定施工参数,如何用最简单的试验快速、准确的确定强夯的施工参数(夯击能、有效加固深度、有效加固宽度等)和检验强夯的加固效果具有实际意义,值得进行这方面的研究。

(2)强夯法补强加固路基还应有更广阔的前景,高速公路、高速铁路、机场、油库等对工后沉降要求较高的工程部位均可通过强夯法提高地基的承载力,大大降低或基本消除工后沉降,这为上述工程的尽快投入使用创造了时间经济效益。

(3)强夯冲击波作用下会导致砂土液化,能否利用这一特性对建设在砂土地基上的大型油库、粮仓等建筑物进行纠偏值得进行这方面的探讨。

(4)强夯过程中普遍存在土石飞溅现象,威胁到强夯施工人员及的安全,能否通过在夯锤周边设置一刃口,来减少土石飞溅,确保施工安全,值得实践。同时设置刃口能否使冲击波传播更有利于加固土体,值得进行这方面的研究。