地基均匀性表征及其在强夯加固地基均匀性评价中的应用

地基均匀性表征及其在强夯加固地基均匀性评价中的应用邓永锋;郑晓培;江舜武;刘华山;李沛
【摘要】传统地基均匀性采用不均匀系数评价,但该方法不能反映场地参数的具体分布特征.针对该不足,在传统方法基础上,经过多次比对,提出了不均匀系数和变异系数相结合的综合评价方法.并结合连云港赣榆港区一期强夯地基处理工程,开展多种现场原位试验,明确所提出新方法在地基均匀性评价中的应用效果和可靠性.结果表明:所提出的方法不仅可以综合评价地基均匀性,还可以从平面和深度范围对地基进行系统评价.%The uniformity of the traditional foundation was evaluated by the uneven coefficient,but the method cannot reflect the specific distribution characteristics of the site parameters.According to this weakness,the comprehensive evaluation method combining the uneven coefficient and the variation coefficient was put forward on the basis of the traditional bined with the dynamic compaction foundation treatment project at the first stage of Ganyu port area in Lianyungang,a series of in-situ testes were carried out to discuss the performance and reliability of the proposed method in the foundation uniformity evaluation.The results show that the proposed method can not only synthetically evaluate the uniformity of the foundation,but also can systematically evaluate the foundation from the plane and the depth range.【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2018(037)002
【总页数】6页(P60-65)
【关键词】岩土工程;地基均匀性;评价方法;不均匀系数;变异系数
【作者】邓永锋;郑晓培;江舜武;刘华山;李沛
【作者单位】东南大学交通学院,江苏南京,210096;东南大学交通学院,江苏南
京,210096;江苏新苏港投资发展有限公司,江苏连云港,222042;金东方港口投资有
限公司,江苏连云港,222100;东南大学交通学院,江苏南京,210096
【正文语种】中文
【中图分类】TU472;O319.56
在岩土工程实践中，造成结构失效或产生病害的主要原因之一就是地基不均匀问题[1-2](排除上部荷载不均匀引起的不均匀沉降)。

为此，地基均匀性评价具有重要意义。

目前，大多数工程都是直接以不均匀系数β进行地基均匀性的评价。

实践证明：该方法具有一定实用性，但不均匀系数β考虑的只是地基不均匀性的极端情况，忽略了数据系列分布的特征。

因此如果要对地基均匀程度进行更深入评价，则还需借助其他方法。

一些学者在考虑到该方法的不足后，也提出了各自改良的评价方法。

有学者从试验出发进行改良，谢剑峰等[3]从地基承载力和沉降两方面对分层回填杂填土地基强
夯法处理加固效果进行了评价；郑少河等[4]基于现场试验，对高真空击密法处理
吹填饱和粉土地基的含水率、静力触探结果和地基承载力等进行了效果检测，并认为该处理方法能提高吹填土地基的整体力学性能；吴立春等[5]结合静力触探试验、标准贯入试验和载荷试验结果对不同强夯能量下吹填软土地基加固效果进行了评价；董倩等[6]结合现场实际工况，采用综合检测评价，对比分析和综合互补，对强夯
后的地基进行加固评价；此外，还有学者利用数值模拟的方法对地基均匀性进行分
析，田水等[7]利用数值模拟方法，对相同能级下不同夯击方式的效果进行了评价；郑红娟等[8]利用数值模拟确定了饱和地基土强夯的施工参数方法，为加固效果的
评价提供了依据；周行春[9]利用八节点等参有限元法分析了由于软土地基不均匀
沉降引起的路面结构附加应力，并在此基础上进一步提出了软土地基不均匀沉降指标限值。

鉴于上述传统地基均匀性评价方法的不足，笔者在该评价方法基础上，充分考虑了数据分布特征，提出了利用不均匀系数和变异系数相结合的方法来评价地基均匀性。

并结合连云港赣榆港区一期吹填工程，通过分析各种原位试验结果，研究了强夯前后吹填土地基的均匀性变化，对比分析了均匀性评价方法的可靠性和可行性。

1 双指标地基均匀性评价方法
综合传统单一的“地基不均匀性系数”(表1)评价指标不足，笔者提出了地基不均
匀系数和场地参数变异系数双指标的地基均匀性评价方法。

表1 地基土不均匀系数Table 1 Uneven coefficient of foundation soil地基土
压缩模量当量平均值Es/MPa地基土不均匀系数β≤41.37.51.5151.8>152.5
注：该地基土压缩模量由现场原位试验(静力触探试验和动探试验)得到。

1) 通过计算地基不均匀系数β对地基的均匀性进行定量评价。

(1)
式中：smax为该场地某一静探孔所代表的地基土在压缩层深度内最大的压缩模量当量值；smin为该场地另一静探孔所代表的地基土在压缩层深度内最小的压缩模
量当量值。

该压缩模量值可利用地基土强度指标[10-11](锥尖阻力、平均贯入数等)来进行换算，当smax/smin>β时，可判定为不均匀地基。

2) 根据地基土强度指标(锥尖阻力、平均贯入数)换算成地基压缩模量，然后分别从
平面范围和深度范围比较该指标的离散程度(变异系数)，并据此分析地基土不均匀性在空间的分布情况。

变异系数能反映一个数据集的离散程度，变异系数越小，则说明集合内个体间的差异性越小。

2 赣榆港区场地特性
2.1 场地概况
赣榆港区在连云港区北侧海州湾内，该一期工程采用吹填造地形成陆域。

经吹填后的场地土层变化剧烈，其吹填方式、吹填原土层、吹泥口位置和水力分选等导致了场地不均匀；场地中砂层以松散状态为主，黏土层以软塑为主，黏土层含砂量较大。

2.2 夯前场地特性
鉴于吹填场地复杂性，笔者先对夯前场地进行场地均匀性评价。

在现场有代表性的场地上选取1个试验区(56 m×28 m)进行静力触探、动力触探试验。

其孔位布置
见图1。

由于工程现场0～2 m深度范围内都填筑着碎石土，在静力触探和动力触探试验前都是先将这部分碎石土挖除，重新用填土填平后再进行试验，因此笔者只对2～10 m深度内土体的锥尖阻力和平均贯入数进行分析。

图1 试验孔位布置(单位：m)Fig. 1 Position arrangement of test holes
2.2.1 静力触探
为直观地呈现出地基在水平范围和深度范围的特性，将静力触探试验结果经换算成地基压缩模量[6]，如表2。

由表2变异系数可知：在场地平面范围内，随着深度增加，变异系数呈现出增大
趋势，说明不均匀性在增加；在深度范围内，CH1和CH3明显大于其他孔位，说明该孔与其他孔位有明显不同。

计算可得：该场地地基的压缩模量当量平均值
s≈7.5 MPa，地基不均匀系数约为1.59，大于1.50，可判断该吹填土地基为不均匀地基。

表2 夯前地基压缩模量分析统计(静力触探)Table 2 Compression modulus
before dynamic compaction孔号深度/MPa2～4m4～6m6～8m8～10m变异系数
/%CH16.16.19.59.121.0CH26.69.29.68.213.8CH38.67.611.614.124.4CH47.88.
77.49.59.7CH58.28.18.06.310.4CH65.35.87.37.815.3CH76.96.98.49.614.3CH8 7.57.15.47.512.9CH96.06.58.68.014.9变异系数/%14.714.919.623.5—
2.2.2 动力触探
对该试验区域进行动力触探试验，为直观地呈现出地基在水平范围和深度范围特征，将动力触探试验结果换算成地基压缩模量[10]，结果如表3。

表3 夯前地基压缩模量分析统计(动力触探)Table 3 Compression modulus before dynamic compaction孔号深度/MPa2～4m4～6m6～8m8～10m变异系数
/%CH18.29.812.417.730.0CH27.07.912.015.832.8CH36.88.412.410.722.3CH4 7.29.711.010.615.3CH58.510.112.518.731.1CH67.09.512.815.528.9CH76.98.4 12.410.722.0CH87.59.711.012.618.3CH98.39.812.417.830.0CH107.47.812.41 5.832.0变异系数/%8.09.14.920.6—
由表3可得：在平面范围内，8～10 m的变异系数明显大于8 m以上的，这说明了在该深度处的场地整体均匀性较差；在深度范围内，除DH4和DH8，其他孔位变异系数普遍较大，说明这些孔位均匀性均较差。

通过计算可知：该场地地基压缩模量当量平均值s≈10.8 MPa，地基不均匀系数约为1.30，可判断该吹填土地基
为均匀地基。

通过静动力触探试验结果可知：若仅考虑不均匀系数β，那么两者判断的地基均匀性结果不一，这说明仅通过不均匀系数判断地基均匀性是不够充分的，表明传统评价方法的不足。

但从变异系数来看，部分点位数值较大，且大小不均，说明了场地相对不均匀。

3 现场强夯工艺
为提高场地均匀性，采用强夯工艺对地基进行处理。

该场地的强夯施工方案为：4遍主夯，单点夯击能为2 000 kN·m，夯点间距为3.5 m，呈正方形布置；夯击次数为12击，且最后两击夯沉量小于5 cm。

4遍主夯结束后，采用800、600 kN·m夯击能进行两遍的普夯，整平场地。

夯击过程中，如单点夯击次数未达收锤标准(及大于12击且最后两击夯沉量小于5 cm)，当夯锤击穿地面致使夯锤提升困难时，往夯坑内填入碎石，继续进行夯击。

4 夯后地基均匀性评价
根据笔者提出改进的均匀性评价方法，利用静力触探和动力触探对处理后的场地进行测试，并与夯前地基进行对比，分析夯后地基均匀性改善效果，并进行载荷试验。

4.1 静力触探
在夯前场地上的同样的钻孔进行静力触探试验(CH1～CH9)，通过经验公式换算得到对应的压缩模量，如表4。

表4 夯后地基压缩模量分析统计(静力触探)Table 4 Compression modulus after dynamic compaction孔号深度/MPa2～4m4～6m6～8m8～10m变异系数
/%CH19.59.38.09.77.2CH29.911.112.212.79.2CH310.210.510.46.517.6CH49. 69.28.18.96.2CH59.910.49.68.19.3CH69.610.37.78.610.9CH79.29.88.47.88.9C H89.49.08.210.38.2CH99.37.06.66.714.7变异系数/%3.311.717.920.6—
绘制出场地平面范围和深度范围内夯前夯后的压缩模量变异系数图，如图2。

图2 夯前和夯后压缩模量变异系数变化(静力触探)Fig. 2 Variation coefficient variation of compression modulus before and after ramming
由图2可看出：在地基2～10 m深度范围内，土体变异系数均表现为夯后比夯前减小，尤其在地基浅部2～4 m深度范围内，变异系数减小50%以上；对于4 m
以下深部土体，强夯作用对土体差异性改善则相对较小，夯前与夯后比较接近。

结
果表明：平面范围内，夯后土体差异性减小，场地均匀性增大；深度范围内，同一个孔变异系数也表现为夯后较夯前减小，地基均匀性增大。

该地基压缩模量当量平均值s≈9.2 MPa，地基土不均匀系数β≈1.55，参照表1的统计结果，认为该吹填土地基为均匀地基。

4.2 动探试验
笔者对夯后场地进行动力触探试验(DH1～DH10)，并分析动力触探试验结果，如表5。

表5 夯后地基压缩模量分析统计(动力触探)Table 5 Compression modulus after dynamic compaction孔号深度/MPa2～4m4～6m6～8m8～10m变异系数/%CH114.38.69.914.722.5CH210.812.314.916.516.1CH311.49.310.914.616.6 CH410.811.510.88.89.2CH512.114.09.311.514.3CH615.212.811.713.29.5CH7 9.715.314.012.116.5CH813.313.816.514.38.4CH912.816.914.315.810.3CH10 11.216.217.615.415.8变异系数/%13.520.020.9315.8—
场地平面范围和深度范围内夯前夯后的压缩模量变异系数如图3。

图3 夯前和夯后压缩模量的变异系数(动力触探)Fig. 3 Variation coefficient of compression modulus before and after ramming (by dynamic penetration) 由图3可知：在深度为6 m范围内，变异系数差别较小；深度6 m以下不同测点变异系数差别较大。

在平面范围内，4遍点夯后压缩模量的变异系数均小于夯前，即夯后变异系数的离散程度更小，相同位置地基土体的差异性减小，地基均匀性增大。

另外，夯后地基土压缩模量当量平均值s=12.9 MPa，地基土不均匀系数
β=1.44，可知强夯后地基土为均匀地基。

4.3 载荷试验分析
为评定夯后地基土承载力以及进一步确认夯后吹填土地基均匀性，笔者增加了载荷试验。

根据港区设计要求，吹填场地地基承载力不应小于120～150 kPa，地基极
限荷载不应小于240～300 kPa。

本次载荷试验共做2组，一组(4～6#试验点)在挖除碎石场地上(碎石垫层厚度约为0.2 m)进行；另一组(1～3#试验点)在群夯后的碎石地面(碎石垫层厚度约为1.3 m)上进行。

由于碎石垫层会提高地基承载力和刚度，因而此处只分析4～6#试验点的试验结果。

试验布置点见图4。

图4 载荷试验点位布置(单位：m)Fig. 4 Arrangement of PLT
根据载荷试验结果绘制p-s曲线，并计算承载力特征值、变形模量和压缩模量，如图5。

图5 4～6#试验点p-s曲线Fig. 5 p-s curve of 4～6# test points
表6为载荷试验结果。

由表6可得：地基土压缩模量当量平均值s≈8.4 MPa，而地基不均匀系数仅为1.11，可知该吹填土地基在强夯处理后为均匀地基。

对3种现场原位测试技术都进行夯前后地基均匀性的评价，双指标评价方法不仅表现出可靠性，也表明变异系数的引入能更详尽体现夯后地基均匀性提高效果，更能从平面和深度两个维度上阐述均匀性变化特征，比原来传统单一指标方法更加系统。

需要指出的是，比对静力触探和动探的评价结果，笔者发现静探手段较重型动探更适合于该类地基，因为静力触探数据精度较高。

表6 载荷试验结果Table 6 Results of plate loading test MPa试验点位承载力特征值变形模量压缩模量容许承载力4#5#6#1657.88.77.78.67.07.80.165
5 结论
笔者根据传统地基均匀性评价方法的局限性，提出了从地基不均匀系数与变异系数相结合的双指标综合评价地基均匀性方法；并结合赣榆港区吹填土地基加固的工程实践，明确所提方法的实用性。

主要结论如下：
1) 双指标评价法能从平面和深度两个维度上阐述地基均匀性变化特征，比原来传统单一指标方法更加系统；
2) 对比笔者选用的原位测试法可发现：相对于载荷试验，静力触探和动力触探试
验不仅能从平面范围对场地进行均匀性评价，还能从深度范围内进行评价。

静力触探试验又比动力触探具有更高的精度，为此若实际条件允许，建议将静力触探作为原位测试手段，再结合其他原位测试方法(动力触探、标准贯入等)对场地进行综合测评。

3) 笔者中所提的评价方法可为日后吹填土地基均匀性评价提供了借鉴方法，但其是否可用于其他加固地基均匀性评价还需进一步验证。

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