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强夯部分静载排水固结法处理地基新技术  2018-04-09

  摘要:为解决淤泥质土对地基的不良影响,提出强夯部分静载排水固结法处理地基的新技术。给出强夯部分静载排水固结法的加固机理和施工原理,研究设计方法并给出施工工艺流程,探讨施工要点及在施工过程中的注意事项。对西安市灞河临河次干道路地基进行处理,检验结果表明,地基的各项指标达到了工程要求,使软弱土不良地基得到了良好的处理,取得了预期的效果。提出的强夯部分静载排水固结法新技术可为软黏土地基处理提供参考。
  关键词: 地基处理;软黏土;施工工艺;应用实例
  0 引 言
  近些年来,静力排水固结法和强夯法处理地基的施工工艺已经发展相当完善[1-2]。但单独的强夯法加固软黏土地基不能够及时减少和降低孔隙水压力的增长,容易形成橡皮土,但静力排水固结法施工流程繁琐,施工工期长,于是在静力排水固结法的基础上提出强夯部分静载排水固结法(TPSDCM)处理软黏土地基的新技术,利用强夯部分静载排水固结法处理软黏性土地基可以做到成本低、工序简单、施工工期短、质量良好。强夯部分静载排水固结法适用的地基土质范围为有一定含水量或含水量较大的软黏性土。
  本文研究了强夯部分静载排水固结法的加固机理和施工原理,根据研究结果探讨了施工设计方法及工艺流程[3-5]。并对西安市浐灞灞河临河次干道路地基进行处理[6],地基的各项指标达到了工程要求,使软弱土不良地基得到了良好的处理[7-8],取得了预期的效果,做到了工期短、速度快、加固效果好的特点。
  1  加固机理及施工原理
  1.1 加固机理
  强夯部分静载排水固结法需要设置水平和竖向排水体系,土体在部分静载,夯锤的动力荷载和其持续的残余后效力的作用下,重复产生孔隙水压力的升降,孔隙水被排水体系不断排出,土的抗剪强度持续提高,孔隙比逐渐降低,结果沉降量大幅度降低,地基土层变成超固结土,从而达到了软基加固的目的。
  针对强夯部分静载排水固结法的固结特点,假设地基夯击压缩区为一个椭球体从而对强夯时的地基应力场进行数值模拟,分析排水固结的具体过程,夯击作用模式见图1。
  图1  夯击作用模式图
  首遍夯击时,设土层夯击球截面积为Mi,土压为σ0i,则夯击球土体的极限承载力为R=Miσ0i。夯击产生的能量部分消散在土层表面向周围辐射;部分消散在夯锤产生的气垫作用和土体之间的磨擦过程中;剩余部分从夯击坑底部往深处传播,产生瞬间冲击S1。夯击工作完成之后,在软弱土层上仍然有残余应力S2。随着夯击次数不断增多,S2持续增大,影响深度持续增大,土骨架受到挤压,然而由于软黏性土的渗透性较低,孔隙水很难在短时间排出,故形成较高的孔隙水压力。
  若S1+S2>R,夯击球土体遭到破坏,单次沉降量骤然增大。若击数再增加,软粘土结构将产生严重剪切破坏,软土由侧向挤出,土体表层结构被破坏,地表出现隆起。S2将大幅度降低,承载力和渗透性随之下降,严重时软土被夯成橡皮土导致工程失败。
  若S1+S2<R或着S1+S2≈R,夯击完成后软黏土在高强度的残余后效力和高速排水体系的协同作用下快速排水和固结。影响区土体趋密实,各土层动强度提高到Ri,加固深度增加Z。
  第二遍夯击时,由于土体已经固结,夯击球增大,各土层夯击球截面积增大到Mi ′,则夯击球的极限承载力增加为R′=ΣMii′。夯击瞬间冲击力增大到S1′(土体趋密实,夯锤冲击作用时间减少),并激发超静孔隙水压力。随夯击能或击数增加,夯击球内的残余后效力S1′持续增大。若采取有效措施控制夯击能和击数,使S1′+S2′<R′或S1+S2接近R,夯后土体排水固结速度加快,各土层承载力值提高到Ri′,其固结深度增加到Z′。
  之后各边按照上述的施工原理点夯加固土体,最终满夯的方法夯实表层土体。待一定时间后,软黏土成为超固结土,地基的各项指标达到设计标准。
  1.2 施工原理:
  首先挖置盲沟,在盲沟交汇处设置集水井,接着在土表铺设规定厚度的砂垫层,然后通过竖向排水体系来改善地基土层的排水条件。通过强夯部分静载排水固结法达到软土地基加固的目的。
  1.3 强夯部分静载排水固结法的特点
  该方法压密必须经过排水固结的过程,在固结过程中,静载为主要因素、动载为辅助因素。静载为内部因素,动载为外部因素,没有静载存在,动载稍纵即逝,不能产生长效渗透固结过程,而强夯压密效果也必须在堆载压力下逐渐发挥完成,因此关键问题在于如何迅速增加粘土中的孔隙水压力,产生下一过程的渗透固结,只有这样才能充分利用动力夯击的能量将其转化为超静孔压力,两者相互配合,达到良好的效果。
  强夯加固对象应包括堆载土体和下卧淤泥层。事实上,软粘性淤泥当中,一般情况下并没有天然排水通道,只有在强夯时,超孔水压力超过颗粒间的侧向压力,土颗粒之间才会出现缝隙,产生排水通道,土层的渗透系数急剧上升,孔隙水能够顺利的排出,孔隙水压力降低到小于颗粒间的侧向压力时,缝隙就会自动封闭。故强夯部分静载排水固结法要求事先加强淤泥的自排水能力,保证在静、动荷载作用下产生的孔隙水压力能迅速消散,这是强夯部分静载排水固结法与一般强夯法的区别。
  2设计方法
  2.1 水平排水体系
  (1)砂垫层
  砂垫层厚度大于60cm~100cm,一般采用中粗砂,平均含泥量<5%,最大含泥量<8%。
  (2)盲沟
  盲沟宽度为0.5m,其底面最浅的地方需要比砂垫层最底面低30cm,盲沟底面须以1%的坡度往集水井方向加深;盲沟的渗透材料用级配均匀的碎石,粒径3~ 5 cm。
  (3)集水井
  盲沟纵向每隔要求的距离设置1口集水井,施工过程中需要对集水井进行维护。集水井每间隔一定横向距离设置加强箍的钢筋滤水笼和纵向受力钢筋,塑料砂网和外包铁纱网,滤水笼外填充一些碎石作为过滤材料。各井位滤水钢筋笼长度根据盲沟深度和填土厚度确定,周围盲沟需要比集水井地面要浅。
  2.2 竖向排水体系
  竖向排水体系是塑料排水板,塑料排水板施工主要是保证排水板深度,该深度主要视土体状况而定,塑料插板间距按1.50m×1.50m正方形布置,进入淤泥底面以下不少于0.6m。但是若淤泥底面有砂层,不能把插板打入砂层。
  插板施工技术指标:① 排水板设置点须按行排编号进行插入并记录数据,布点偏差应小于45mm;② 插板竖直偏差不超过插板长度的1.5%;③ 入孔插板必须完好无损;④ 插板不能有回带现象,若有回带,则在附近120mm内补插;⑤ 插板施工过程中,插板机需要有长度记录的装置,记录每根插板的孔深和长度。
  2.3 夯击工艺参数确定
  强夯部分静载排水固结法将静力和动力荷载与快速排水体系有机地结合,加速各种软弱土层排水固结,排出的孔隙水通过塑料排水板上升到砂垫层,经过盲沟汇集到集水井中,将集水井中的水用水泵排出。强夯部分静载排水固结法是在软弱地基上覆盖一定厚度的砂垫层上夯击来完成地基的固结排水,所以砂垫层的厚度十分重要,可以通过现场试验确定。因为软粘土渗透系数较小,承载力较低,在强大的冲击力的作用下,孔隙水不能够及时排出,土层中的能量很快达到饱和,但体积不能压缩,夯击能也不能太大,不能出现埋锤的情况。因此必须要根据现场监测情况进行信息化施工,根据实际来调整工艺参数。夯击原则分述如下:
  (1)信息化施工
  依据施工过程中的插板的插入深度和插入反力,每次夯击的夯击沉降量及其相对沉降量,每遍夯击过后的高程指标,动力触探的自检,与施工地段的地质条件和工艺参数,需要的时候对工艺参数加以调整。
  (2)夯击原则
  夯点的布置和夯击遍数:第一遍和第二遍要点夯,设置6m间距的正方形夯点, 两遍的夯点布置应该错开布置来保证夯击的均匀性,夯击能控制在600~1500 kN·m,3~5击, 试夯确定方法;第三和第四遍用点夯,布置6m间距正方形夯点,夯击能量1500~2200kN·m,2~8击, 试夯确定;第五遍为普夯,以0.80倍夯锤进行搭夯,夯击能量400~800kN·m。
  (3)夯击间隔时间
  以超静孔压完全或基本消散为控制标准,超静孔压基本消散时间预计为12d左右。
  (4)收锤标准
  点夯的夯击数量需要根据孔压和现场土体的变形情况进行确定,夯击过程中要求最后两击平均夯击沉降量不超过10cm,但是在初始两遍的时候的平均夯击沉降量应该更大。其总的原则为:要求土体在夯击的过程中药不断密实,但是不能够发生整体的破坏甚至周边隆起。
  3 施工工艺过程
  根据上述的设计方法可以认为强夯部分静载排水固结法的施工工艺流程如下:
  场地平整→铺砂垫层并挖设盲沟和集水井→插设塑料排水板和预埋孔隙水压传感器并架设沉降标→填土并将其平整→进行一二三四遍点夯→过程指标检测→进行一二遍普夯→夯击区域推平并碾压→工后检测。
  利用先进并实用的排水方法对孔压进行快速的消散,例如可以设置50cm的中粗型砂垫层,设置盲沟和集水井组成合理的水平排水体系,插设塑料排水板作为竖向排水体系,这样就完成了立体网状排水体系,如此大幅度的增加了软弱黏土层的排水通道。通过实验显示,此种工艺有利于快速消散孔隙水压力,并将土层快速固结。
  强夯之前需要铺设要求厚度的垫层去避免对淤泥层进行反复的揉搓防止橡皮土的出现。
  采用合理的强夯技术去实现既能提高加固深度又能使土体结构不产生严重的破坏。
  如果软黏土层厚度在3~5m而且上面垫层厚度小于1.5m时,应该进行少击多遍由轻到重慢慢加载的施技术,这样既可以增强强夯效应,避开橡皮土的出现,又可以提高加固的深度。
  当软黏土层厚度约5m,而且上面的垫层厚度也较厚,应该合理的加大单击夯击能量并合理的增加单击数量,这样才能更加有效的加固埋深较深和较厚的软黏土层,一般合理的强夯的夯击能量是2000kN·m击数为7~8击5遍,点夯1遍,满夯我们要求夯点距离6~ 7m。
  当遇到填土层薄厚不均匀的情况,要依据土体强夯产生的效果,比如,坑周土体隆起情况和夯坑沉降量变化情况,及时的调整夯击击数和单次夯击能量的大小。
  4  强夯部分静载排水固结法施工要点及注意事项
  为了保证软土层不发生大范围的扰动,应该进行先轻夯后重夯,击数少遍数多的施工流程,根据分级填土的级次增加。第一级土体的总夯击能量取决于淤泥土性质和填土厚度,不能过大,最后一级土体的总夯击能量则主要取决其加固软土的厚度和软土固结度的状况,要保证能够有效压密深部淤泥。
  堆置静载的静置时长和夯击间歇时间须通过试夯和施工中的全程监控进行及时调控,以孔压消散程度来确定。TPSDCM工法要求施工前要加强淤泥的主动排水能力在静动,荷载作用下形成的孔隙水压力要快速消散,这是强夯部分静载排水固结法与一般强夯法的区别。堆载完毕后,要求静置一段时间,使渗透固结进行多半后方能施夯,以完全发挥动力固结作用。夯击单击能一定要与影响深度匹配,分级堆载强夯时,夯能应逐渐增加。TPSDCM有效程度取决于动载传递路径和传播深度,一般要求锤形为扁平圆锤。
  5  工程应用实例
  5.1工程背景
  拟建道路为西安市次干道路之一,位于浐灞灞河临河道路。路段的原始地貌为临河潮间带,后经人工改造为人工湖,湖坝为2.6~3.2m,湖底标高为0.72~-0.30m。上部土层是新形成的灰色淤泥,厚度处于4.5~7.0m,平均孔隙比是2.031,平均含水量是73.0%,是高压缩性高含水量土体;下部是冲洪积粘土层,能够作为较好的持力层,再下面是残积粉质粘土,为较稳定的土层。
  该路段地基处理主要技术要求为:① 经过处理之后的剩余下沉量不超过20cm,横纵范围内100m的沉降差不超过8cm;② 地基承载力不超过120kPa。
  5.2效果检验
  按照上述施工工艺过程,对该路段进行处理,得到了预期的效果。用综合手段进行检验,软基处理施工过程中各个观测点的沉降量处于501~832mm,达到设计的期望值,时间和沉降量的关系曲线趋于平缓;地基土的密实度得到很大提高,孔隙水压力减小了约20%,土层各个位置的承载力均大于140kPa,达到了要求的各项技术指标。
  6 结论
  (1)本文具体介绍了强夯部分静载排水固结法的施工原理和施工工艺流程,并通过工程实例说明了这种新技术的施工特点及其优势,强夯部分堆载排水固结法可以做到加固效果好、施工工期短、施工速度快的优点。
  (2)探讨强夯部分静载排水固结法的工艺流程,得到该技术适用于一些用传统的强夯法和静载排水固结法施工难度大或者难以实现并且对施工工期要求较快的工程。
  (3)采用强夯部分静载排水固结法对浐灞灞河临河道路地基进行处理,处理后各观测点的沉降量处于501~832mm,达到设计期望值,土层各个位置的承载力均大于140kPa,满足要求的各项技术指标。故强夯部分静载排水固结法可以对软弱不良地基进行良好的处理。
  参考文献
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  作者:侍雪雷,丁思远,贾慧
  (长安大学建筑工程学院)

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