某地基处理工程强夯试验段施工及湿溶陷性粉土强夯效果分析

孔庆华，范志伟

（北京城建集团有限责任公司，北京 100088）

1 工程概况

本项目位于南亚某国某市东北方向26 km、马克兰沿海公路北侧1.5 km 处。项目占地面积约18 km2，主要包括飞行区和航站区及附属设施等。飞行区：建设指标4F，主要包括一条跑道（长3 658 m、宽45 m，两侧各设15 m 宽道肩）、一条垂直滑行道、一块停机坪（长245 m、宽159 m）及服务车道、巡场路、场道排水、场区围界等工程；航站区工程：主要包括1.4 万m2的航站楼、航管楼、塔台、消防及应急救援站、机务场务特种车库、机场综合办公楼、主清真寺、生活供水站、消防供水站、污水处理站、垃圾转运站、中心变电站、灯光变电站、132 kV 变电站、制冷站、单身住宅、管理人员家庭住宅、社区学校、社区卫生院、社区清真寺及海水淡化厂等。

2 试验段强夯施工概况

试验区面积20 m×20 m，夯击能级为5 000 kN·m 点夯，点夯2 遍；第一遍点夯结束后，将夯坑填平。满足时间间歇后，进行第二遍点夯，并且每个夯点最后两击平均夯沉量不大于100 mm。第二遍点夯结束后，将夯坑填平、场地推平。满足时间间歇后，采用单击夯击能2 000 kN·m 进行满夯拍平。满夯拍平时，锤印之间搭接1/3 锤径，每印痕连夯3 击。满夯结束后，将场地推平、碾压，使地基土密实、平整。强夯试验段的夯点示意图如图1 所示。

图1 试验段夯点示意图

试验段试夯施工前，采用工程地质钻机钻孔和漫灌相结合的方式将地基土增湿，增湿后7 m 深度范围内的粉土含水率平均值约11.1%（8.5%～17.8%），其中因天然状态粉质黏土②层含水率为26.8%～28.2%，第二遍点夯后进行晾晒。

3 测试工作方法

本试验段的夯前、夯后地基土工程性质测试工作方法为钻探取样、标准贯入试验和室内土工试验。

3.1 钻探、取样

1）本次钻探在非饱和土深度范围内及饱和粉土1 m 深度范围内的土层采用冲击钻进法（干钻），采取分段进尺、逐次缩减、最后清孔（3 钻1 m）的钻进程序，每段进尺按小于40 cm钻进。饱和粉土1 m 深度以下的岩土层采用套管护壁，清水循环回转钻进，孔径108 mm。

2）冲击钻进清孔采用专用的薄壁打筒进行。

3）现场使用薄壁T50 内置环刀取土器的击入法进行非饱和土取样。该取土器所采取土试样可用于评价湿（溶）陷性。饱和土试样采用内衬式薄壁取土器进行采取，风化黏土岩试样直接在钻取的岩芯中取样。

3.2 标准贯入试验

标准贯入试验采用对开式贯入器自动脱钩自由落锤法，锤击速率小于30 击/min。

标准贯入试验钻孔先钻至试验标高以上15 cm 处（成孔工艺与钻探相同），清除孔底残土后再进行试验。

标准贯入试验从地表1.0 m 开始进行试验，10 m 以内试验间距按1.0 m 进行。将贯入器打入土中15 cm 后，开始记录，将30 cm 分3 段记录锤击数即每打入10 cm 的锤击数，累计打入30 cm 的锤击数为标准贯入锤击数N；贯入时如50 次锤击未达到30 cm 的贯入深度，终止试验并记录其贯入深度。

3.3 室内土工试验

室内土工试验主要内容包括：物理指标试验、压缩试验、湿（溶）陷性试验和击实试验等。

击实试验采用3 层重型击实法，其中粉土采用每层击数42 击，粉质黏土采用每层击数94 击；含水率试验采用烘干法，密度试验采用环刀法。

3.4 平板静载荷试验

本次平板静载荷试验加荷方式采用慢速维持荷载法，加载反力为压重平台反力装置。试验承压板为厚50 mm 圆形钢板，承压板面积2.0 m2（直径1 600 mm）。

试验方法如下。

1）加荷方式采用慢速维持荷载法；

2）加荷采用分级等量进行，加载等级为8 级，每级加载增量为40 kPa，最大加载320 kPa；

3）测读沉降时间间隔：每级荷载加荷后隔10 min、10 min、10 min、15 min、15 min 各测读承压板的沉降量，以后每隔30 min 测读一次；

4）沉降相对稳定标准：当连续2 h 内，每小时的下沉量小于0.1 mm 时，则可认为已趋于稳定，加下一级荷载，每级荷载的维持时间不应少于2 h；

5）卸荷时，分为4 级，每级荷载维持1 h，按第10 min、30 min、60 min 测读承压板沉降量；卸载至零后，测读承压板残余沉降量，维持时间3 h，测读时间为第10 min、30 min、60 min、120 min、180 min。

4 已完工程量和时间

4.1 夯前完成工作量

1）钻孔5 个，孔深10.30～29.80 m，合计进尺88.70 m；对比探坑1 个，深度6.00 m；

2）取不扰动土（含全风化）试样47 组（其中探坑6 组），扰动土试样23 件，强～中风化黏土岩试样11 件，击实土试样3组；

3）现场完成标准贯入试验45 次；

4）室内完成常规土工试验47 件，压缩试验47 件，湿（溶）陷试验47 件，自重湿（溶）陷试验28 件，湿（溶）陷起始压力试验28 件，自由膨胀率试验11 件，50 kPa 膨胀率试验11 件，收缩系数试验3 件，颗粒分析试验4 件，重型击实试验3 组。

4.2 夯后成果试验完成工作量

1）钻孔5 个，孔深8.00～8.30 m，合计进尺40.90 m；

2）取不扰动土试样17 组，扰动样21 件；

3）现场完成标准贯入试验24 次，夯后平板静载荷试验3 个点；

4）室内完成常规土工试验17 件，压缩试验17 件，湿（溶）陷系数17 件，自重湿（溶）陷系数17 件，湿（溶）陷起始压力17件，自由膨胀率2 件，50 kPa 膨胀率2 件。

5 强夯前试验段地基岩土物理力学性质

5.1 地基岩土物理力学性质测试

5.1.1 室内物理力学指标试验

通过土工试验，各层土（岩）的主要工程性质评价如下：

①层粉土为非饱和土，非自重湿（溶）陷性，局部具湿（溶）陷性，中等压缩性土为主；

②层粉质黏土为非饱和土，中等压缩性土，膨胀潜势弱，具膨胀性；

③层粉土为非饱和土，低压缩性土为主，不具湿（溶）陷性和胀缩性；

④层粉土为饱和土，中等压缩性土，不具湿（溶）陷性和胀缩性；

⑤层粉质黏土为饱和土，干重度较高，中等压缩性为主，局部膨胀潜势弱；

⑥层全风化黏土岩，饱和，干重度高，低压缩性为主，膨胀潜势弱。

5.1.2 重型击实试验

试验段的最优含水量和最大干密度试验结果如下。

①粉土：取土深度1.0 m，最优含水量13.5%，最大干密度1.8 g/cm2。

②粉质黏土：取土深度2.0m，最优含水量13.8%，最大干密度1.94 g/cm2。

③粉土：取土深度3.5 m，最优含水量11.6%，最大干密度1.86 g/cm2。

5.1.3 标准贯入试验

实测标准贯入试验锤击数分层结果如下。

①粉土：标贯实测锤击数最大值9 击，最小值6 击，平均值8 击。

②粉质黏土：标贯实测锤击数最大值11 击，最小值6 击，平均值8 击。

③粉土：标贯实测锤击数最大值19 击，最小值10 击，平均值15 击。

④粉土：标贯实测锤击数最大值13 击，最小值4 击，平均值11 击。

④1细沙：标贯实测锤击数最大值24 击，最小值16 击，平均值19 击。

⑤粉质黏土：标贯实测锤击数最大值20 击，最小值18击，平均值19 击。

⑥黏土岩：标贯实测锤击数最大值82 击，最小值74 击，平均值78 击。

5.2 湿（溶）陷土评价

5.2.1 场地湿陷类型

试验土样的自重湿陷系数均小于0.015，本试验区属非自重湿陷性场地。

5.2.2 地基湿陷等级

根据试验结果，①层粉土局部具湿陷性，②层粉质黏土具湿陷性，试验段湿陷量的计算值为33～69 mm，地基湿陷计算等级属Ⅰ级（轻微），本试验段的地基湿陷等级可按Ⅱ级（中等）设防[1，2]。

6 试验段强夯效果分析

6.1 夯后地层结构

根据钻探取样、室内试验、原位测试结果综合分析，自上而下分层描述如下。

①粉土：不具湿（溶）陷性。

②粉质黏土：具收缩性，膨胀潜势弱，属中等压缩性土。

③粉土：中密为主，局部自然风干有大量盐分析出。

④粉土：不具湿（溶）陷性，属中等压缩性土。

6.2 夯后成果试验

6.2.1 室内物理力学试验

夯后地基土物理力学试验结果见表1。

表1 试验段夯后地基土主要物理指标分层统计表

6.2.2 标准贯入试验

实测标准贯入试验锤击数分层统计结果如下。

②粉质黏土：标贯实测锤击数平均值17 击；③粉土：标贯实测锤击数平均值21 击；④粉土：标贯实测锤击数平均值5 击。

6.2.3 平板静载荷试验

通过对平板静载荷试验成果分析：试验点在最终荷载320 kPa 时承压板沉降量s 为11.93～20.53 mm，未达到破坏状态。试验点在160 kPa 压力时对应的沉降量4.82～9.08 mm，其“s/d”为0.0030～0.0057，均小于0.010（d=1600 mm，d 为承压板直径），故试验点地基承载力特征值均不小于160 kPa，即强夯后试验段地基承载力特征值不小于160 kPa，达到设计所要求的地基处理效果目标。

6.3 试验段强夯夯实层下界

试验段夯实厚度平均值为7.50 m，夯实层下界标高平均值为7.10 m。

6.4 试验段强夯处理厚度

强夯处理厚度整区平均值为8.52 m，中部区域处理厚度平均值为8.53 m。

6.5 夯后与天然状态成果试验对比

6.5.1 室内成果试验对比

通过对夯实层下界范围内地基土天然状态和强夯后的试验成果对比，分析如下。

1）浸水后，①层粉土和③层粉土含水率和饱和度明显增大；②层粉质黏土因天然含水量较大，增加幅度不明显；试验段晾晒后②层粉质黏土含水率和饱和度明显降低。

2）经地基土含水率改造，强夯影响深度（处理厚度）范围内土的干密度增大，湿（溶）陷系数和压缩系数比天然状态减小；其中对①层粉土、②层粉质黏土的改善效果相对显著，而对③层粉土的改善效果相对弱。从土性指标来看，②层粉质黏土对强夯能量往其下土层传递具有一定阻碍作用。

3）试验段夯实厚度范围内的地基土湿（溶）陷性消除，达到设计的地基处理效果目标。

6.5.2 标准贯入试验成果试验对比

通过对夯实层下界范围内地基土实测标准贯入试验锤击数随标高变化对比分析，夯实层下界范围内实测标准贯入试验锤击数皆大于天然状态。

夯后实测标准贯试验锤击数②层粉质黏土为16～18 击、平均值17 击；③层粉土为16～27 击、平均值21 击[3，4]。

7 结论及展望

1）地基处理前的试验段可按非自重湿陷性场地考虑，考虑到试验段后续土方填筑及其所填土料局部具有湿（溶）陷性和地下水位未来可能下降等因素，试验段的地基湿陷等级可按Ⅱ级（中等）设防。

2）钻孔增湿和漫灌相结合的方式适宜本场地粉土的含水率改造。

3）试验段夯实厚度范围内的地基土湿（溶）陷性消除，达到设计的地基处理效果目标。Ⅲ级湿（溶）陷区地基处理有效深度7m 范围内土层的湿陷系数应小于0.015。

4）试验段强夯后地基承载力特征值不小于160 kPa，承载力达到设计所要求的地基处理效果目标。

为后续工程强夯顺利实施，得出以下建议：（1）根据试验段岩土性质、地基土的重型击实试验和夯后成果试验结果，选择合适的增湿或减湿措施对强夯效果至关重要；（2）本场地②层粉质黏土具一定的胀缩性，后续施工过程中需控制其含水率；（3）因本区②层粉质黏土具有一定的胀缩性，且分布于浅部，故在同类型场地强夯施工过程中一定需要在其上部保留一定厚度的粉土，可减少夯后②层粉质黏土的胀缩性，节约其作为后续浅基础直接持力层时的二次处理造价。