淤泥质粘土层地基的强夯试验研究

第25卷　第11期
2003年11月
武　汉　理　工　大　学　学　报
JOURNAL OF W UHAN UN I VERSI T Y OF TECHNOLOG Y
V o l .25　N o.11　N ov .2003
淤泥质粘土层地基的强夯试验研究
胡修文1,张　唯2,王　坚3
(1.中国地质大学工程学院,武汉430074;2.长江航务工程质量监督中心站,武汉430070;
3.南京龙潭集装箱有限公司,南京210058)
摘　要:　根据某港区工程陆域不同区域的工程地质条件,进行了不同的强夯试验,对夯坑周围地表变形、土体水平位移以及孔压的增长和消散进行观测,并采用载荷试验、静力触探和土工室内试验对强夯加固效果进行了检验。

研究表明,采用强夯法加固以吹填砂为覆盖层的饱和软土地基是可行的,有效加固深度可达到6～8m 。

由于吹填砂层和淤泥质粘土层中的粉细砂薄层有利于孔隙水压力的消散,强夯法处理该类地基时,可以不设置竖向排水体。

关键词:　吹填砂;　淤泥质粘土;　地基;　强夯中图分类号:　TU 472.31
文献标识码:　A
文章编号:167124431(2003)1120060204
收稿日期:2003205226.
作者简介:胡修文(19682),男,博士生,讲师.E 2m ail :goodhxw @yahoo .com .cn
南京某港区集装箱堆场工程,天然地基承载力为70～100kPa ,要求地基承载力为150～180kPa 。

为满足设计高程要求,回填1.5～3.3m 的吹填砂。

强夯法适用于大面积场地作业,具有设备简单、施工方便、节约材料、施工费用低等优点[1],但对于饱和软土,教科书或工程规范、手册[1,2]中都明确规定应慎用。

而工程实践和有关研究[3]表明,强夯法加固饱和软粘土地基,只要方法适合,也可以达到预期的加固效果。

经方案比较研究,决定采用强夯加固处理。

但加固效果如何,采用何种设计参数和施工工艺,尚需进行试验研究。

1　工程地质条件
工程分为集装箱堆场区(A 区)以及维修和机修场地(B 区),场地天然地基的物理力学性质指标见表1和表2,各土层均呈饱和状态,淤泥质粉质粘土层下部夹较多粉细砂薄层,局部呈千层饼状。

吹填细砂和淤泥质粉质粘土层各区各不相同,A 区和B 区吹填细砂厚度分别为2.7～3.3m 和1.5～1.8m ,淤泥质粉质粘土厚度分别为3.0～3.5m 和5.0～5.5m 。

吹填砂中粒径大于0.1mm 的砂粒占99%,颗粒较均匀,级配不良,易产生液化。

粉质粘土和淤泥质粉质粘土层含水量高、压缩性大,是拟建场地天然地基下卧软弱层和主要压缩层,而粉细砂层及其以下土层含水量低、压缩性小,是良好的持力层。

表1　A 区天然地基土物理力学性质指标
层号土层名称
土层厚度
m
含水量 %
容重
(kN ・m -3)孔隙比
塑性指数压缩系数 M Pa -1
压缩指数压缩模量 M Pa 静力触探 M Pa ①粉质粘土1.5～2.331.519.00.87716.00.410.2734.31.07②淤泥质粉质粘土3.0～3.5
39.218.21.08414.20.580.3063.40.68③
粉细砂>25.0
28.9
18.7
0.85
-
0.26
-
8.2
6.80
表2　B 区天然地基土物理力学性质指标
层号
土层名称
土层厚度
m
含水量 %
容重
(kN ・m -3)孔隙比
塑性指数压缩系数 M Pa -1
压缩指数压缩模量 M Pa 静力触探 M Pa ①粉质粘土1.5～2.331.519.00.87716.00.410.2734.31.07②淤泥质粉质粘土5.0～5.539.218.21.08414.20.580.3063.40.68③粉质粘土夹粉细砂1.5～4.640.417.81.14313.20.51-3.91.69④1粉细砂5.0～1028.918.70.85-0.26-8.26.80④2粉细砂夹粉质粘土5.0～6.0
29.0
18.9
0.829
-
0.31
-
5.7
4.58
2　强夯试验方案
A 区设2个试验块,A 1回填0.5m 厚的碎石土作为起夯面,分别以1600kN ・m 和2000kN ・m 的单
击能进行单点夯击能试验;A 2直接以吹填砂作为起夯面,单击能为1800kN ・m 。

B 区设3个试验块,均以0.5m 厚的回填碎石土为起夯面,单点夯击能均为2000kN ・m 。

A 区和B 区试验块均采用二遍点夯一遍满夯的施工工艺,满夯能量均为1500kN ・m 。

试验块夯点呈正方形布置,每遍点夯间距为6m ×6m ,夯坑间距为3m ×3m 。

为研究夯坑周围地面变形、土体水平位移以及孔隙水压力的变化和消散规律,沿夯坑径向布置L 形变形观测桩,埋设深20m 的测斜孔,以及在离夯坑中心不同水平位置和不同深度处埋设孔隙水压力探头。

采用载荷试验、静力触探试验和现场取样室内土工试验检验强夯加固效果,均在满夯结束15d 后进行,以便夯后地基土强度得到一定程度的恢复。

为便于埋设监测仪器和不影响试验块的强夯施工,单点夯击能试验点选择在试验块第一遍夯的对角点上。

另外,在试验区开挖2～3m 深的排水沟,以保证夯击过程中吹填砂中的地下水顺利排出。

3　试验成果分析
3.1　不同强夯工艺对夯击能的影响
从A 区有效夯击率曲线(见图1)和单点夯击次数与夯沉量关系曲线(见图2)可以看出:以吹填砂为起
夯面的A 2-1,总有效夯击率为90%左右,从第3击起地面开始隆起,每击有效夯击率随夯击数急剧降低,第6击有效夯击率降为56%,而以碎石土为起夯面的A 1-1和A 1-2,总有效夯击率都为100%左右;单击夯击能为1800kN ・m 的A 2-1,第5击总夯击能已趋于饱和,总夯沉量为1.53m ,而单击夯击能为2000kN ・m 的A 1-2,第9击时,总夯击能才趋于饱和,总夯沉量达1.81m 。

以碎石土作为起夯面的A 1试验块,单击夯击能
为2000kN ・m 的A 1-2,其总有效夯击率高于单击夯击能为1600kN ・m 的A 1-1,并且A 1-1从第7击起地面出现隆起,有效夯击率开始下降,而A 1-2在10击内无隆起现象,每击有效夯击率均为100%左右;A 1-1第7击时,每击夯沉量急剧减小,总夯击能趋于饱和,总夯沉量为1.50m ,而A 1-2第9击时,每击夯沉量才减小明显,总夯击能趋于饱和,总夯沉量达1.81m。

图1　A
区夯击数与有效夯击数的关系图2　A 区夯沉量与夯击数的关系
显然,对于A 区来说,以吹填砂为起夯面,其有效夯击率低、夯沉量小、夯击能利用率低;而以碎石土作为起夯面,有效夯击率高,夯沉量大,能量利用率高,并且单击能越大,有效夯击率越高,夯沉量越大,2000kN ・m 为最佳单点夯击能,最佳夯击数为8击。

B 1试验块的B 1-1试夯点在第一遍夯的角点上,B 1-2试夯点在试验块的中心部位。

B 1-1由于填筑的碎石土
比较疏松、地下水位较高、排水不畅、出现流沙等现象导致沉降量偏大,第5击时,每击夯沉量急剧减小。

而B 1-2填筑的碎石土经车辆多次碾压后形成了很好的硬壳层,因而其沉降量较小,第7击时,每击夯沉量急剧
减小。

从B 1有效夯击率曲线(见图3)可见,试夯点B 1-1和B 1-2的总有效夯击率均大于90%;B 1-1第5击每击有效夯击率降为68%,此时,地面有隆起,第6击、第7击夯坑出现流砂现象,为无效夯击,而B 1-2第9击时
1
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地面开始出现隆起现象,每击有效夯击率降为37.5%,降幅显著,8击为最佳夯击数。

显然,以碎石土为起夯面时,与A 区相比,B 区的有效夯击率低。

图3　B 区夯击数与有效夯击率的关系
图4　B 区夯击次数与孔压的典型关系曲线
(注:s 2测点距夯坑的水平距离　h 2测点的埋置深度)
3.2　地基土水平位移
土体水平位移测试数据表明,在不同夯击能量作用下,A 区和B 1-1区土体发生显著水平位移的深度范围均在地表下0～8m 之间,并随深度增加而减小;该区土体的位移值随夯击数而增加,而8m 以下土体的水平位移很小。

B 2-1区土体最大水平位移发生在地表下4～8m 之间的淤泥质粘土层上部,原因是地表50c m 厚的密实碎石土层限制了测斜管的水平位移。

3.3　地基土孔隙水压力变化与消散规律
工程两遍夯的间隔时间,取决于粉质粘土层和淤泥质粘土层中由夯击能引起的超孔隙水压力的消散时间,因此将孔隙水压力计埋设在粉质粘土层和淤泥质粘土层中。

单点夯击数与孔压的变化关系曲线(见图4)表明,孔压变化最大的区域为3～7m 深处,即淤泥质粘土层中,并且其最大值在5m 处,A 区和B 区分别接近40kPa 和50kPa ;在最佳夯击次数内,孔压一般随夯击数的增加而增大;在淤泥质粘土层中,超孔隙水压力随着深度的增加而减小;同一遍夯坑间距为6m 时,对临近夯击点孔隙水压力的影响较小。

A 区和
B 区典型的超孔隙水压力消散曲线图5和图6表明,离夯坑近的区域,由于夯击时形成的裂隙增加了排水通道,孔压消散快;A 区超孔隙水压力在12h 内消散80%～94%,在2～3d 内消散完毕,而B 区超孔隙水压力在24h 内消散78%～84%,在5～8d 内消散完。

超孔隙水压力消散较快的原因一方面是因为吹填砂透水性好,为淤泥质层中地下水的排出提供了良好的水平通道,另一方面是淤泥质粘土层中的粉细砂薄层也有利于地下水的排出。

A 区超孔隙水压力较B 区消散快,是由于A
区淤泥质粘土层内强夯影响深度小,而B 区淤泥质粘土层内强夯影响深度大。

图5　A 区孔压消散过程曲线图6　B 区孔压消散过程曲线
4　强夯加固效果检验
4.1　载荷试验
采用面积为1.5m ×1.5m 的载荷板进行载荷试验,根据荷载沉降曲线选取0.01b 、0.02b 和0.03b (b 为载荷板宽度)的沉降量对应的荷载作为设计参考的地基承载力。

2
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A 区A 1-1和A 1-2的最大试验荷载分别为设计承载力的2倍和2.44倍,最大沉降量分别为11.17mm
和18.40mm ,前者未达到0.01b ,后者未达到0.02b ,A 2-1的最大试验荷载为设计承载力的2.89倍,最大沉降量为51.80mm ,超过0.03b ,试验过程中均未出现地基急剧破坏现象,加固后的地基承载力都远远超过设计承载力180kPa 的要求。

另外,A 1试验块承载力远大于A 2试验块,原因是前者以碎石土为起夯面,强夯过程中碎石土和吹填砂相互咬合形成了很好的硬壳层,增加了地基的承载力并有利于夯击能的扩散,而以吹填砂为起夯面难以形成有效的硬壳层。

B 区夯后地基承载力远大于设计要求值150kPa ,B 21最大试验荷载为设计值的3.15倍,最大沉降量仅117mm ;B 31最大试验荷载为设计值的2.88倍,最大沉降量69mm 。

4.2　强夯前后地基土性质指标比较
强夯前后室内土工试验表明,在3.2～6.0m 深度内的淤泥质粘土层的物理性质指标得到了明显改善,其中含水量平均降低19.08%,干密度增大10.7%,土体孔隙比减小17.48%,压缩模量增加45.78%,压缩系数降低35.68%。

显然,该土层地基强度得到显著提高。

而6.0m 以下,其物理力学性质改善不明显。

静力触探结果表明,A 区淤泥质粘土层的贯入阻力P s 提高了20%～40%,B 区提高了30%～40%;并且以吹填砂为起夯面的贯入阻力P s 较以碎石土为起夯面的大。

5　结　论
a .强夯法加固以吹填砂为覆盖层的淤泥质粘土层地基是可行的,其有效加固深度可达到6
～8m 。

b .吹填砂层为下卧饱和粘土层提供了良好的水平排水通道,有利于消除超孔隙水压力,同时,淤泥质粘
土层中的粉细砂薄层也能促进超孔隙水压力的消散。

该类地基中的超孔隙水压力能够在12～24h 内消散
80%以上,并在2～8d 内消散完毕。

因此,强夯法加固该类地基时,可以不设置竖向排水体。

c .采用强夯法加固该类地基时,如果吹填砂层厚度大于2.5m ,以回填碎石土层为起夯面,能量利用率
高,并且单击能越大,有效夯击率越高;而以吹填砂作为起夯面,能量利用率低。

参考文献
[1]　叶书麟.地基处理工程实例应用手册[M ].北京:中国建筑工业出版社,1999.[2]　JGJ 79-91,建筑地基处理技术规范[S ].
[3]　郑颖人,陆　新.强夯加固软粘土地基的理论与工艺研究[J ].岩土工程学报,2000,22(1):18～22.
Exper i m en ta l Study on D ynam ic Com paction to I m prove Sa tura ted Sof t Clay
H U X iu 2w en 1
,ZH A N G W ei 2
,W A N G J ian
3
(1.Schoo l of Engineering ,Ch ina U niversity of Geo sciences ,W uhan 430074,Ch ina ;2.Changjiang R iver A dm instrati on of N avigati onal A ffairs of the M inistry of Comm unicati ons ,W uhan 430070,Ch ina ;3.L ongtan Container Co .L td ,N anjing 210058,Ch ina )
Abstract :　A cco rding to engineering geo logy conditi on of the different zones of a harbo r p ro ject ,a series of dynam ic com 2
pacti on test w ere perfo r m ed .Ground defo r m ati on ,ho rizontal disp lacem ent of so il m ass and po re w ater p ressure w ere moni 2to red ,and compacti on effectiveness w as tested .R esearch results show that it is feasible to treat the saturated soft so il cov 2ered w ith hydraulic fill sand by dynam ic conso lidati on m ethod ,w h ich effective i m p rovem ent dep th is six to eigh t m eter ,and the dep th of hydraulic fill sand influences rem arkably on effective ramm ing pow er and functi on of gravel 2so il cush i on .V ertical drainage m easure m ay no t be taken because of p resence of hydraulic fill sand layer and silty sand layer if the i m p rovem ent dep th is low .
Key words :　dynam ic compacti on ;　saturated soft clay ;　foundati on ;　hydraulic fill sand
3
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