年廷凱1  李鴻江2

 (1大連理工大學土木工程學院 116024；2中化巖土工程股份有限公司 北京 102600)

作者簡介：1、年廷凱(1971.12 )，男，大連理工大學教授、博士生導師，長期致力于巖土工程災變機理與減災技術方面的應用基礎研究，在海岸/海洋巖土工程與減災技術、特殊巖土力學與沿海軟基病害處置技術方面取得了一些創(chuàng)新性成果。E-mail：tknian@163.com；

摘  要：針對某沿海下臥軟弱夾層的碎石回填土地基，在國內開展了15000kN·m高能級強夯的現場試驗。通過單點夯試驗，各夯點與夯坑周圍地面沉降觀測及強夯前后地基動力觸探測試結果的對比分析，揭示了下臥軟弱夾層的碎石回填地基上15000kN·m高能級強夯的作用機制，得出該條件下強夯的有效加固深度為11.5 m，主夯點間距宜為12.5m，夯擊數宜為18～22擊的有關結論，其結果可供類似工程參考。

關鍵詞：高能級強夯；15000kN·m；下臥軟弱夾層；動力觸探測試；有效加固深度

一、項目概況

近年來，一些沿海地區(qū)通過填海造地建設原油庫區(qū)、煉廠、堆場、碼頭的項目越來越多，而強夯法處理地基的工藝因其成本低、施工快而被廣泛采用。隨著沿海軟土地區(qū)回填碎石地基厚度的加大，強夯的夯擊能也逐漸加大，但由于高位地下水的消能作用，相同夯擊能下沿海地區(qū)的強夯要比陸域強夯的處理效果有所降低。大連新港南海原油罐區(qū)罐基礎強夯工程就是一個在海域軟土層上回填碎石而形成的地基項目，該工程位于大連新港鲇魚灣西側，要建設6臺十萬m3儲備原油罐及排洪溝和系統(tǒng)管網等一些其他相應配套設施。場地平均回填厚度8m左右，最大深度約14m。前期曾進行過8000kN·m能級強夯試驗，但效果不理想，后經多方論證決定通過加大夯擊能來達到設計要求，最終采用15000kN·m能級，當時尚屬國內首創(chuàng)，試驗工作于2005年10月22日開始進行，試驗成功后在該工程中采用，自此拉開了超高能級強夯的歷史帷幕。

二、地質概況

工程場地處于陸域低山丘陵與海域水下岸坡之間，且已通過人工回填方式形成陸域，回填料為素填土，含較多碎塊石，最大粒徑在40 cm以上，個別達1.0 m左右。地下水位受海潮影響，在地面以下3.0～5.0 m間波動。場地土層情況見表2-1。

表2-1  場地土層分布情況表

三、地基處理設計要求及施工參數

設計要求：六個油罐基礎均采用強夯法處理，強夯區(qū)域以罐中心為圓心，直徑為100m。設計要求強夯加固處理后各層土的指標分別滿足下列要求：

素填土：地基承載力特征值fak≥300kPa，壓縮模量Es≥20MPa。

粉細砂：地基承載力特征值fak≥170kPa，壓縮模量Es≥12.2MPa。

粉質黏土：地基承載力特征值fak≥250kPa，壓縮模量Es≥8.7MPa。

施工參數：強夯共分5遍進行，第1、2遍為點夯，夯擊能為15000kN·m，夯點間距10m，正方形布點。單點夯擊數20擊，每點收錘標準最后2擊平均夯沉量小于25cm。第3遍點夯，夯擊能8000kN·m，在第1、2遍主夯點之間，成梅花型布點。單點夯擊數20擊，每點收錘標準最后2擊平均夯沉量小于20cm。第4、5遍為滿夯，夯擊能3000kN·m，最后2擊平均夯沉量小于6cm。夯印彼此搭接1/3錘徑。

四、強夯試驗

在大面積施工前，在42號罐選擇一個有代表性區(qū)域作為15000kN·m強夯試驗區(qū)。試驗區(qū)施工設備采用中化巖土公司研制的CGE-1800B型強夯機，該機型是采用自動遙控裝置系統(tǒng)，安全可靠；夯錘選用直徑2.5 m，重量達450kN的鑄鋼錘，底面靜壓力約為90 kPa；

1、強夯施工工藝流程

場地平整→測量放線→第1遍主夯點→場地平整→測量放線→第2遍主夯點→場地平整→測量放線→第3遍加固夯→場地平整→測量→第4遍滿夯→場地平整→測量→單體驗收。

2、強夯試驗方案

試驗區(qū)為20 m×20 m的正方形，按設計要求的布點方式如圖2-1所示。一遍點（15000 kN·m）9個，二遍點（15000kN·m）四個，三遍點（8000kN·m）12個。為了驗證夯擊數和夯點間距，施工過程中對A5B5、A4B4和A4B1（位置見圖2-1）三點進行了單點夯試驗。試驗方法是分別在夯錘上和夯坑周圍地面相互垂直方向埋設觀測標識，在夯擊過程中利用儀器測量每擊的夯沉量和地面水平方向、垂直方向的位移，當夯擊數達到設計夯沉量控制指標后，或地面出現異常隆起時，停止夯擊。繪制夯擊數和夯沉量以及夯擊數與夯坑周邊沉降、隆起量關系曲線（如圖2-2、圖2-3a、b、c所示），計算有效夯實系數，確定最佳夯擊數和夯點間距。

圖2-1  15000 kN·m試驗區(qū)夯點布置及監(jiān)測與檢測點布置

3、單點夯監(jiān)測及結果分析

15000kN?m能級夯點A5B5、A4B4與8000kN?m能級夯點A4B1各夯點的夯沉量與夯擊數關系曲線如圖2-2所示。

圖2-2  A5B5、A4B4與A4B1各夯點夯沉量與擊數關系曲線

從圖2-2可以看出，夯沉量是第一擊最大，而后隨著夯擊數的增加而減小，并逐漸趨于定值。其中兩條15000 kN·m夯擊能曲線（A5B5與A4B4）上分別出現了2個尖點（突變點），為強夯過程中兩次填料所致；填料后夯擊仍然是第1擊夯沉量最大，而后逐漸減小并趨于定值，且第1次填料的夯沉量大于第2次填料夯沉量，由此說明二次填料后夯沉量在減小，夯坑底部逐漸趨于密實。對比分析3條單擊夯沉量曲線可見，總體上第1遍15000 kN·m夯擊點(A5B5)每擊夯沉量大于第2遍15000 kN·m夯擊點（A4B4），二者均大于第3遍8000 kN·m夯擊點（A4B1），這從3條地面總夯沉量曲線上也能明顯反映出。分析地面總夯沉量曲線，15000 kN·m能級主夯的總夯沉量在4.0～4.87 m之間，而8000kN?m夯擊能總夯沉量在3.25 m。

點夯進行中每夯一擊實測地面總夯沉量，同時對夯坑周邊進行地面凹陷與隆起的監(jiān)測，具體結果如圖2-3所示。

監(jiān)測結果表明：

第1遍15 000 kN·m單點（A5B5）在夯擊過程中周邊地面表現為沉降，靠近夯錘的2個觀測點下沉較為顯著，遠離夯錘各點下沉逐漸減小，到遠處觀測點下沉已不明顯；綜合分析表明，15 000 kN·m單點夯側向影響范圍應在6.25 m左右。由此可見，10 m×10 m的主夯點間距設計還是比較合理的。夯擊過程中填料2次，累計加料厚度約1.19 m，填料與坍料以下沉為主，側向擠土作用較弱，最終夯坑深度為4.87 m，夯坑范圍超過2倍夯錘直徑，達到6.2 m。此點夯擊至18擊時已達到連續(xù)2擊的平均夯沉量不大于20 cm的要求，為安全起見，將夯擊數增至20擊，最后2擊平均夯沉量為18.5 cm。

第2遍15 000 kN·m單點（A4B4）在夯擊過程中周邊地面表現為隆起，靠近夯錘的兩個觀測點隆起顯著，遠離夯錘各點隆起不明顯。第1、2擊隆起量顯著，以后各擊變化不明顯；至第10擊隆起量明顯回落，表現為整體沉降，但夯坑遠處監(jiān)測點隆起量有所增加。分析原因為：由于受第1遍夯擊作用影響，2遍夯坑下方土體（5 m以下）較上部密實，起初夯擊時側向擠土膨脹造成地表鼓起；當10擊擠密周圍土體后轉而夯擊回填碎石向下擠土，同時帶動周圍素填土下移，表現為整體沉降；多次向下擠土使得素填土進入軟黏土層或夯擊能影響到該層，導致軟黏土側移、上鼓，致使遠處監(jiān)測點表現為隆起。夯擊過程中填料2次，加料厚度為0.82 m，形成夯坑深度為4 m，實測夯坑直徑為5.2 m。此點第17擊因故障停夯，后補充夯至20擊，最后2擊平均夯沉量已在15 cm之內。綜合兩遍15000 kN·m單點夯的監(jiān)測結果認為，15000kN·m夯擊過程中每個夯點填料2次，最佳夯擊數為18～22擊。

第3遍8000kN·m單點（A4B1）在夯擊過程中周邊地面仍表現為隆起，靠近夯錘的2個觀測點隆起顯著，遠離夯錘各點隆起不明顯，最遠處觀測點影響極小。其側向影響范圍應在5.25 m左右。夯擊過程中未填料，形成夯坑深度為3.34 m，實測夯坑直徑為5.0 m。此點夯擊至16擊時已達到連續(xù)兩擊的平均夯沉量不大于10 cm的要求，為安全起見，將夯擊數增至18擊，最后2擊平均夯沉量為3 cm。綜合分析認為，8000 kN·m單點夯最佳夯擊數為16～18擊。

4、試驗區(qū)強夯地基測試及加固效果分析

15000kN·m強夯試驗區(qū)夯前布置動力觸探測試孔3個（其中1個孔兼取樣），夯后布置動力觸探孔2個，取樣孔1個，各孔布置及其編號如圖2-1所示?，F將Zk2、Zk3孔夯前與夯后動力觸探測試結果列于表2-1，夯前Zk1孔、夯后Zk4孔（夯后3個月）室內土工試驗結果列于表2-2。其中粉細砂、粉質黏土層采用標準貫入試驗測試。

由表2-1位于夯點的Zk3孔夯前與夯后動力觸探測試結果分析可見，強夯后厚層素填土的地基承載力特征值提高近3倍，粉質黏土提高50%，粉細砂與碎礫石也均有20%以上增幅；位于夯間的Zk2孔其地基承載力也有明顯提高，但幅度稍小。由表2-2夯前Zk1孔與夯后Zk4孔土工試驗結果的對比分析可見，夯后粉質黏土的孔隙比、液性指數、壓縮系數均有明顯改善，其對應300～400 kPa壓力時的壓縮模量提高了86%。素填土的地基承載力特征值為350～450kPa，變形模量為21.3～28MPa；含礫粉細砂地基承載力特征值170～200kPa，變形模量12.2～14.1MPa；黏土的地基承載力特征值為90～100kPa，壓縮模量為2.45～2.72MPa；碎礫石的地基承載力特征值為400kPa，變形模量為26.0MPa。

試驗區(qū)夯前與夯后各層土動力觸探測試結果對比                 表2-1

五、工程施工

通過強夯試驗區(qū)的試驗結果分析，能夠滿足原油罐體的使用要求，大面積施工罐基礎采用15000kN·m能級強夯，罐間及其他區(qū)域采用8000kN·m能級強夯施工。根據本工程量大小和工期要求，共入5臺強夯施工機組，其中3臺為中化巖土公司自行研制的CGE1800B型強夯專用機，最高施工能級可以達到18000kN·m，另2臺為50t履帶式吊車。工程最終如期保質完成，罐組建成試水試驗沉降滿足要求。

六、結論與建議

通過對該項強夯地基工程的施工、監(jiān)測和檢測結果的綜合分析，得出：

（1）對于存在地下水與軟弱層碎石回填地基，若采用梅納修正公式預估高能級強夯的有效加固深度時，建議其修正系數取α =0.29～0.32，但應以現場試驗確定。

（2）對于高能級強夯主夯點夯坑較深，在滿夯施工前對第1、2遍夯點應進行補夯（固夯）處理，根據夯坑深度能級應在3000kN·m能級以上。

（3）為加大強夯深層處理效果，強夯施工過程中應盡量加大夯坑深度，在不得已的情況下（提錘困難，水泥石飛濺）再填料，每次填料厚度應有所控制，不可太厚，以不超過坑深1/3為宜，以確保夯擊能量有效傳遞至坑底以下較大深度。

（4）對于存在地下水與軟弱層的碎石回填地基，夯坑回填料最好選擇強度較高、級配良好，最大粒徑不超過350mm的開山碎石。

（5）施工過程中，發(fā)現表層有含水量較高軟弱粉土、黏土時應及時換填，換填料可用夯坑回填料。