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保定强夯地基时效性研究  2018-05-17

  1.时效的定义与问题的提出
  世间一切事物至少有一个共同点——随时间而变化,土也不例外。实际上,所有粗、细颗粒的土都有触变现象,仅仅是程度不同而已。当强夯后土的结构被破坏时,使土暂时丧生加固内聚力,土体颗粒间距离大大缩小。随着时间的推移,孔隙水压力逐渐消散,土粒间的化学胶结作用、再结晶作用以及化学键晶体的逐渐形成,加固内聚力逐渐产生并增加,土的抗剪强度和模量都有一定的提高,土体强度逐渐增长。
  这种触变强度的恢复称为土的时间效应,简称时效。强夯作用下的多次冲击动荷载还会加速土体的时效,图1为某一土体强夯后第17天、31天和118天的十字板抗剪强度值。
  在砂性土层中强夯,一般情况下不需要添加粗粒状的置换层。随着强夯结束,地基土的强度和变形等指标变化也已基本完成。对粘性土为主的地基,大多数情况下需要添加粗粒状的垫层,如钢渣、碎石、山皮石等。因此,强夯形成了双层地基,上层为由粗粒料与粘性土混合而成的硬壳层,下层为已经发生变化的粘性土。
  大量的工程实践表明,以粘性土为主的地基上部常形成硬壳层,地基土的强度增长具有明显的“滞后”现象。探讨这种硬壳层的时效性可以进一步了解强夯加固地基的性状,准确地评估强夯加固效果。“时效”是评价强夯加固效果的一个重要因素,虽然在不同土类中,时效程度不尽相同,但这种效应经常是如此之大,以至于我们不能不考虑。考虑承载力,特别是压缩性的时效作用,对节约工程造价具有重要意义。强夯地基的时效在很多工程中均有所发现,但由于研究很少,目前还没有用于工程实践。只有掌握强夯地基的时效规律,才能为强夯的优化设计及检测时间的确定等提供科学依据,对强夯后的地基性状(承载力和变形等)进行客观的评价。
  2.强夯后地基土强度增长过程
  强夯加固地基有两种理论:动力压密和动力固结。动力压密适用于砾石、粗粒杂填土、砂土等,动力固结适用于粘性土。根据L.Menard的动力固结理论,粘性土在强夯时,可分为四大阶段:
  (1)饱和土的压缩:饱和土中总存在一些微小气泡,其体积占整个体积的1%~3%,最多可达4%。施行强夯时,气体体积压缩,孔隙水压力增大(产生超孔隙水压力)。随后气体有所膨胀,孔隙水排出,孔隙水压力减少,固相体积始终不变。这样每夯击一遍,液相体积就有所减少,气相体积也有所减少(每夯一遍减少40%,夯五遍之后,气体体积仅是原来气体体积的8%左右)。在冲击力作用下,含有空气的孔隙水不能立即消散而具有滞后现象,气体的体积也不能立即膨胀。土颗粒周围的吸着水,由于振动或温度上升而变作自由水。其结果使土颗粒之间的内聚力削弱,土的强度降低。
  (2)土体液化:土体沉降与夯击能成正比,当夯击能达到一定程度时,即当气体的体积百分比接近于零时,土具有不可压缩性,此界限值称为饱和能。饱和能的大小与土的种类有关,一般为500~2000kN.m/m2。由于冲击力的反复作用,孔隙水压力上升,地基土产生局部液化;夯击能达到饱和能时,土体产生液化或触变,此时吸着水变成了自由水,土的强度下降到最小值。一旦达到饱和能量的瞬间,就不能再多夯,否则土体固结条件遭到破坏,孔隙水反而不易排出,土体强度降低后将难以恢复。
  (3)渗透性增大:由于夯击点周围产生裂缝以及土体接近液化或处于液化状态,以及细粒土的薄膜水有一部分变成自由水,故出现了良好的排水通道。当夯击能增大到饱和能时,土的透水性增大,孔隙水压力上升到与竖向应力相等,夯击停止后,孔隙水迅速逸出,孔隙水压力迅速消散,土体迅速固结。如果仍使用夯击前土的渗透系数,就无法解释孔隙水压力何以能如此迅速消散。所以L.Menard认为,在很大的夯击能作用下,土中出现很大的应力和冲击波,致使地基内部出现裂隙形成树枝状排水网络。
  (4)触变的恢复:从试验及施工中可知,在夯击进行中土的抗剪强度明显降低,当土体液化或接近液化时,抗剪强度为零或最小,吸附水变成自由水。当孔隙水压力消散,土的抗剪强度和变形模量大幅度增长,土体颗粒间的接触更加紧密,新的吸附水层逐渐固定,这是由于自由水重新被土颗粒所吸附而变成了吸附水的缘故。触变性与土质种类有很大关系,有的土恢复较快,有些则恢复得非常缓慢。
  3.强夯地基时效性的实测研究
  有大量的工程实例证明上述L.Menard的动力固结理论四大基本特点与实际基本吻合,强夯结束后,地基土的强度仍有增加。一般情况下,工期安排紧凑,地基处理施工结束后的竣工验收往往很快进行,随之上部结构施工便付诸实施。由于工程工期、测试手段、资金等方面的限制和对强夯时效的认识不足,强夯后的场地一直处于自然暴露状态(不受干扰)的场地很少,所以强夯后地基土强度增长时效性的实测资料并不多。而竣工验收时的地基强度、变形等并不是强夯的最终效果。认识到粘性土地基强夯的时效性,可以对强夯加固后地基特性有充分的认识。
  West报道了英国一个强夯的工程实例,该工程使用120kN夯锤,场地表层为0~1.6m的填土,下伏褐色砂性粉质粘土(埋深1.6~3.2m,含水量20%,液限30%,塑限17%),3.2m以下为粉质泥灰土。现场在强夯前、强夯后15天、150天和5年分别进行了旁压试验,所得旁压极限压力和旁压模量与深度的关系绘于图2。可以看出对砂性粉质粘土,旁压模量在强夯后150天时比强夯后15天时增加了50%,5年后的旁压模量是强夯后15天时旁压模量的200%,增加了一倍。
  S.Hansbo实测了强夯后软粘土中不同深度处沉降量与时间的关系。该场地表层有2m厚的碎石填土,下部为软塑状粘性土,强夯使用140kN的夯锤,落距25m。作者分别在强夯后的33天、67天、180天、309天和580天测量了地面下3~12m处粘土的沉降量,详见图3。可以看出在上部荷载作用下,其主要变形发生在7m以上,强夯后19个月实测沉降量是第一个月的5.5倍。
  Schmertmann对美国佛罗里达州东北部港市杰克逊维尔某强夯处理的细砂(局部夹粉土)场地进行了静力触探试验。强夯(夯锤重290kN,落距32m)后静探值相对增长与时间的关系曲线见图4。对2击点位,在60天后的静探值大约比强夯后立即进行静探试验所得静探值高1.35倍,4击点位大约高1.8倍,6击点位大约高2.4倍。现场观测孔隙水压力在几个小时内即消散完毕。
  图4 2~8m范围内静探值相对增加的时效(Schmertmann)
  R.G.Lukas对美国伊利诺斯州芝加哥市的某强夯处理的粘质粉土场地进行了旁压试验。该场地表层为1.2m的矿渣和建筑垃圾填土,下有1.5m的天然沉积的粘质粉土,其液限为20%,塑性指数为7,95%的土粒通过了200号标准筛。地下水位位于粘质粉土层顶。强夯处理在1979年进行,夯锤55kN,落距12m,强夯中发现地面有“橡皮土”现象,地下水位比静止水位升高1.2m。强夯完成后随即浇注建筑物基础,尽管没有上部结构荷载的作用,基础在30天内沉降了12mm。在强夯前和强夯后的不同时段(15天、50天、70天、14年)进行的旁压试验结果如图5。
  图5 强夯后粘质粉土的时效 (After Lukas)
  试验结果显示,在强夯后15天时填土层的旁压模量大幅增加,而粘质粉土层的旁压模量比强夯前有所降低。50天后,粘质粉土层的旁压模量值比强夯前增长了25%,正是这段时间发生了基础沉降。强夯后70天,测试结果基本上是50天测试结果的两倍。监测显示在强夯后35天地下水位回落到静止水位,孔隙水压力的消散导致了70天测试强度的大幅增长。1993年作者在1979年测试点位附近再次进行了旁压试验,结果发现,在表层填土中强夯后14年的旁压模量值与强夯后15天的相差无几,而粘质粉土层14年后的旁压模量值几乎是强夯后50天测试值的3倍。因此,强夯后粘质粉土层的模量值得到了大幅提高。
  芝加哥某城市废弃物填埋场,40年后高有机物已经降解,地基已成为粉土、砂、玻璃、碎砖(局部夹粘土块和木屑)的杂填土,在1987年进行了主夯为2520kN.m(140kN×18m)的强夯处理,强夯后地面平均下降了0.75~1.0m。强夯前后检测的标贯值见图6,可以看出,标贯值有了显著增加,加固效果很好。1995年在该场地中一块没有被开发的区域再次进行了标贯试验,结果也示于图6。很明显,与强夯后立即进行的检测结果相比,竣工8年后的标贯值几乎没有增加。分析其原因,可能是标贯值受到场地极不规则和极不均匀的填土影响。
  图6 填埋场强夯后标贯值(Lukas)
  Dise,K.报道了美国西部两个用强夯消除液化的工程实例。怀俄明州的场地是从上到下由碎石、砂、粉土等组成的极不均匀的填土,强夯施工(夯锤290kN,落距33m)于1986年秋季完成,随后即对加固后的场地进行了许多钻孔的标贯试验。大约4~6个月后在场地的相同地层、原钻孔附近又进行了标贯试验,结果发现有8个钻孔的标贯值有大幅增加,3个钻孔有所增加,没有增加的有5个钻孔。此外,有34个细粒土钻孔,强夯后的标贯值小于期望的20击。4~6个月后的检测发现只有10个钻孔的标贯击数小于20击,检测还发现时效对无塑性土比高塑性土的效果更为显著。犹他州的场地为冲积土,吹填的河道下部为细粒土,上部为粗粒土。强夯采用夯锤320kN,落距33m,剪切波速测量(CSW)在强夯后即进行(1992年),并于两年(1994)后又进行了一次,测试结果见图7。夯前平均的剪切波速在190m/s左右,夯后平均在460m/s,2年后场地的剪切波速平均增长了45m/s左右,增长幅度达15%。其中1号场地从1992年到1994年的平均剪切波速增长了76ft/s,2号场地增长了151ft/s,3号场地增长了263ft/s。同时可以看出较粗颗粒土的时效幅度要大于较细颗粒土。
  图7 剪切波速测试结果 (Dise,K. )
  Mitchell报道了一个砂土场地上的时效例子,如图8所示,在强夯后17天和31天所测试的静探阻力增长与深度的关系图。在超孔隙水压力消散之后土体强度即开始增长,作者的计算表明孔压在夯后几分钟之内便消散完毕。作者解释砂土随时间的强度增长的一个原因是砂粒在接触点上的再次胶结,这种时效造成的强度增长可以达到初始静探阻力值的两倍。
  图8 强夯前后砂土的时效 (Mitchell)
  通过对湿陷性黄土场地上的测试发现,在夯后40天和6个月不同时间测试的干密度无明显差异,压缩系数和湿陷性系数在主压实区与时间无关,而深层的次压实区(10m~14m)随时间变化较大(见图9),完全稳定约需6个月时间。西安某湿陷性黄土场地主夯夯击能为1000kN.m,每点夯9击,在夯坑底部1m的承载力特征值和压缩模量随夯后龄期T的增长而增长的规律如图10所示,在T<10天时,fsk和Es急剧增长,T=10~30天,fsk和Es仍有明显增长;T>30天后,fsk和Es值随T的增长趋于缓慢。
  图10 黄土强夯后fak和Es的时间效应
  时效的幅度与深度(或空间效应)有关:不同深度处时效表现的程度不同,表现的指标也不同。据山西化肥厂强夯工程实测结果,在浅部主要加固区,静力触探有明显的时效,但压缩系数、湿陷性系数的时效不明显;相反,在较深处,静力触探的时效不明显,但压缩系数、湿陷性系数的时效相对比较明显,表现为:夯后早期压缩系数较高、湿陷系数较低,较长时间后,压缩系数变低,湿陷性系数增大。
  图11是在深圳盐田港三期试夯工程中,研究夯后复合地基承载力随时间变化的关系曲线。试验区内的地层可分为四层:素填土层(山皮土)、海相沉积层、陆相冲洪积层、残积层和风化岩层。其中素填土层以开山碎石为主,粒径大小不一,混多量的山皮土及少量块石,土质情况复杂,厚度大约在8m~19m之间变化。在夯后1~4周后分别进行检验,并测定地基强度变化。实测发现,在夯后9天、16天、23天和28天的承载力特征值分别为150kPa、180kPa、200kPa和210kPa,与第9天相比分别增长了20%,27%和40%,时效作用非常显著。
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  图11 深圳盐田港三期承载力特征值的时效曲线
  珠海某工程处于海岸沉积地貌单元,场地需要进行加固处理的土层可以分为三层,分别为人工填土层(0~7.4m)、细砂层(7.40~11.5m)和海相沉积的淤泥和淤泥质土层(11.5~17.1m),其下为粉质粘土(17.1~24.1m)、砂质粘性土(24.1~27.3m)和强风化花岗岩层,地层结构比较复杂,存在淤泥或淤泥质软粘土等软弱下卧层,且土层的厚度变化较大(工程具体情况见本书实录36)。图12所示为该场地1号试夯区8000kN.m强夯后60天和150天的标贯试验结果。可以看出,由于时效,细砂层夯后5个月的标贯值超过2个月的标贯值80%,淤泥和淤泥质土层的上部标贯值有所增加,下部(15m以下)有所减少。
  
  4.强夯时效性实测分析
  某机场跑道该场地是以粘性土为主,土质松软,属第四纪上更新世(Q3)以来的长江入海处、河控三角洲环境下的松散堆积物,试夯小区的地质资料如表1所示。
  
  试夯小区的施工过程是:推耕植土→铺80cm宝钢钢渣→第一遍点夯→第二遍点夯→普夯→找平,主夯夯击能为2000kN.m,普夯能量为600kN.m,夯印搭接。
  围绕上述施工过程,在强夯前后分别做了静力触探试验,前后历时近一年。采用了先进的静探设备,可以直接穿过钢渣层,无需预先开孔,从而比较准确地获得了钢渣与土的混合层以及其下卧土层的静探资料。在强夯结束工程验收以后,试夯区场地一直处于自然暴露状态,几乎没有干扰,直至道面工程开工。从主要阶段各土层的静探资料实测的数据中可以看出:
  (1)在强夯过程当中,土体强度变化不大,有些层位甚至比原来强度还低。强夯结束以后固结一定时间,土体强度才能恢复、提高,具有明显的时效性;
  (2)强夯完成以后,不同时段增幅强度不同,0~25天内增幅最大,一般土层在25天内的强度已基本接近最大值。这一点和目前的地基规范要求一致。但是,表层土(垫层材料与土的混合层)在25天内仅仅是其最终强度的一半(以一年后的强度为最终强度)。该混合层一年内强度一直增长,和强夯刚完成时相比,增幅可达10倍。强夯形成的硬壳层有明显的时效性。在上海和广东地区的强夯试验、施工、检测中,尽管没有实测的加固前后强度对比资料,但这种现象是普遍存在的,有共性。
  (3)土质不同,时效性不一样。表层土(垫层材料与土的混合层)“硬化”过程历时较长,时效性明显。淤泥质粉质粘土,随着时间的推移,慢慢地“硬化”。粉质粘土和砂质粉土夹粉质粘土层,在强夯结束3~4周后,其强度已接近其最大值。
  对表层土(垫层材料与土的混合层),表现为强度大幅增加,不断“硬化”,大致有如下几个原因:(1)大块固体垫层材料之间的间隙因强夯压密;(2)粉质粘土充填进去,增加了块体之间的粘着力;(3)粉质粘土、压碎的垫层材料、粗粒垫层材料构成级配良好的混合体;(4)强夯刚完成时,表层土的含水量较高。随着时间的推移,地下水位趋于稳定,含水量降低。粘土本身的强度提高,从而提高了混合层的整体强度,表现为逐渐“硬化”。
  对埋深较浅的淤泥质粉质粘土,只要夹有砂性透水体,随着时间的推移,超孔隙水压力渐渐消散,仍然会发生缓慢的固结,即较慢“硬化”,同时地基沉降。引起固结的作用力应有两个方面:垫层材料的自重应力和强夯所产生的残余应力。对于透水性较好的粉质粘土和砂质粉土,强夯结束后3~4周基本完成了固结。
  5.小结
  研究夯后地基土性状随时间的变化,可以判定强夯后的地基质量,对不合格区域及时补救,工程结束后一次通过验收,并利用强夯间隙,合理安排施工,缩短了总工程周期。据国内外的相关研究,笔者初步总结强夯地基的时效性为:
  (1)从碎石土、砂土到粘性土,强夯后的现场实测(如CPT、SPT、PLT或者瑞雷波测试等)均表明随时间增长土性得到不同程度的提高。在加固1年以后的提高幅度在15%~200%之间,时间较短提高幅度稍低,增加幅度与土类、触变恢复时间、深度(或空间效应)、强夯施工工艺等有关。
  (2)强夯完成以后,不同时段地基土强度增幅不同。0~25天内增幅最大,排水条件良好的粗粒土在25天的强度已基本接近最大值。以一年后的强度为最终强度,表层土(垫层材料与土的混合层)在25天仅仅是其最终强度的一半。
  (3)粘质粉土强夯后15天时粗粒填土层的旁压模量大幅增加,而粘质粉土层的旁压模量比强夯前有所降低。50天后,粘质粉土层的旁压模量值比强夯前增长了25%。在强夯后70天的测试结果基本上是50天测试结果的两倍。表层填土强夯后14年的旁压模量值与强夯后15天的相差无几,而粘质粉土层14年后的旁压模量值几乎是强夯后50天测试值的3倍。
  (4)无塑性土比高塑性土的时效更为显著,即较粗颗粒土的时效幅度要大于较细颗粒土。时效主要与土性、土类别有关,与强夯能级关系不大,而随击数增加而增加。
  (5)同一地层和施工条件下,在相同时间内不同指标将具有不同程度的时效。一般规律是:干容重、孔隙比、含水量等物性指标时效相对较弱,反映强度与变形的室内外测试指标时效相对较强。
  (6)强夯的时效性取决于夯击对象的固结特性。不同的土层,强夯作用的固结特性不同。竣工验收时的一些指标可能并不是强夯效果的最终指标,特别是表层土(垫层材料与土的混合层)随时间强度仍会有较大的提高,有效的固结时间达一年以上。

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