强夯法处理吹填海砂地基现场试验研究

吴民晖，刘海旺

（1.民航机场规划设计研究总院有限公司，北京 100011；2.机场工程安全与长期性能交通运输行业野外科学观测研究基地，北京100011；3.福建兆翔机场建设有限公司，福建 厦门 361000）

0 引 言

强夯法是20世纪60年代末由法国Menard技术公司首先创造的，我国于1978年9月引进这项技术后，很快推广到全国很多地方，并且都取得了良好的技术经济效果[1-2]。经过几十年的发展，国内的专家学者开展研究，取得了大量的研究成果。例如水伟厚[3]在通过高能级强夯试验和阅读大量文献的基础上，总结了强夯有效加固深度经验公式（即“梅纳公式”）中的修正系数α的取值情况，见表1所示。

表1 有效加固深度经验公式修正系数α的取值Table 1 Correction coefficient α in empirical formula of effective reinforcement depth

孙田磊等[4]对某10 000 kN·m的高能级强夯试验区进行试验，通过对深层土体水平位移监测后发现，强夯施工完成后的土体，其最大水平位移出现在地表处，地下却没有明显变化。宋朝阳等[5]运用高密度电阻率法以及运用数值模拟和预埋土压力盒的方法研究回填地基后发现，可以利用夯实后地基电阻率的变化来判断地基的夯实效果，并计算出有效加固深度。张兴元等[6]自行设计了室内模拟试验装置，对低能级到高能级的不同强夯试验组进行了室内试验。实验结果表明，低能级强夯和高能级强夯试验之间存在着动应力衰减速度的差别，并且这个衰减速度还跟击数相关。安春秀等[7]在某碎石土回填强夯工程项目中，利用瑞雷波试验（RWT）、动力触探试验（DPT）和静力载荷试验（PLT），把瑞利波试验和动力触探试验的试验结果用来验证静力载荷试验的试验结果。韩云山等[8]针对黄土地基开展了强夯模型试验，提出利用夯沉比判定夯击效能和最佳夯击次数。贾敏才等[9]开展了强夯模型试验，研究了强夯加固砂性土机制。

大量研究表明强夯法在我国取得大量成果并广泛应用[10-12]。但受强夯处理土体类型、地下水位等因素影响，强夯工程理论研究仍落后于实践，目前强夯法尚未形成十分完善的理论体系，对强夯加固机理尚不清晰，强夯法应用于吹填海砂地基的情况较为少见。因此本文基于吹填海砂地基开展不同能级的强夯试验，并通过多种检测手段验证其处理效果。

1 工程概况

吹填海砂地基强夯试验区位于东南沿海某陆域形成吹填场地，场地毗邻东海，抗震设防烈度为7度，场地基本地震动加速度反应谱特征周期值Tg为0.45 s，基本地震动峰值加速度值为0.15 g，所属设计地震分组为第三组。吹填海砂层厚度11～12 m，根据吹填砂砂源地调查研究报告，其主要物理力学性质如表2所示。

表2 海砂物理力学性质汇总表Table 2 Physical and mechanical properties of sea sand

2 强夯试验方案

强夯试验根据能级不同，共分为3个试验区（分别为 2 000 kN·m、3 000 kN·m 和 4 000 kN·m），每个试验区面积均为2 000 m2。强夯设计参数见表3，试验示意图见图1～2。

图1 强夯夯点平面示意图Fig.1 Schematic diagram of dynamic compaction points

表3 强夯设计参数Table 3 Design parameters of dynamic compaction

强夯收敛采用双标准控制：单点击数和最后两击夯沉量均不小于设计要求。具体要求为单点击数≥8击要求，最后两击平均夯沉量≤50 mm。

图2 强夯试验I-I剖面示意图Fig.2 I-I section of dynamic compaction

为便于对比不同能级强夯处理效果及影响深度，在不同试验区强夯处理前后全深度进行标准贯入试验、重型动力触探试验和波速测试点检测。强夯处理后，在吹填海砂地基顶面进行载荷试验。

3 强夯加固效果

吹填海砂地基采用强夯能级为2 000、3 000和4 000 kN·m进行处理，点夯两遍、夯后推平，满夯（能级为1 000 kN·m）补强一遍。现就检测和测量所取得成果叙述如下。

3.1 强夯夯沉量

强夯施工过程中分别进行了原地面高程、第一遍点夯后高程、第二遍点夯后高程和满夯补强后高程测量。不同强夯能级处理后平均夯沉量如表4所示。

表4 平均沉降量汇总表Table 4 Summary of average settlement

表4中夯沉量结果表明：2 000 kN·m能级强夯后，平均沉降量为489.73 mm；3 000 kN·m能级强夯后，平均沉降量为492.13 mm；4 000 kN·m能级强夯后，平均沉降量为495.66 mm。说明强夯能级2 000～4 000 kN·m时，吹填海砂地基均发生了明显的沉降，但是不同强夯能级处理沉降量差异较小。

3.2 标准贯入试验结果

不同强夯能级处理前后标贯试验曲线（统计值）对比如图3～5所示。

图3 2 000 kN·m强夯处理前后标贯曲线Fig.3 Standard penetration curves before and after dynamic compaction (2 000 kN·m)

图4 3 000 kN·m强夯处理前后标贯曲线Fig.4 Standard penetration curves before and after dynamic compaction (3 000 kN·m)

图5 4 000 kN·m强夯处理前后标贯曲线Fig.5 Standard penetration curves before and after dynamic compaction (4 000 kN·m)

图3～5中标贯试验结果表明：当强夯能级为2 000 kN·m时，强夯前原地基全深度标贯击数当量值为15.83击，强夯后吹填海砂全深度标贯击数当达到32.5击，相对于处理前增长105%；当强夯能级为3 000 kN·m时，强夯前原地基全深度标贯击数当量值为16.8击，强夯后吹填海砂全深度标贯击数当达到25.9击，相对于处理前增长53%；当强夯能级为4 000 kN·m时，强夯前原地基全深度标贯击数当量值为14.2击，强夯后吹填海砂全深度标贯击数当达到32.03击，相对于处理前增长122%。说明强夯能级2 000～4 000 kN·m时，强夯能有效提高吹填海砂地基密实度且强夯能级越大时效果越好。

3.3 重型动力触探结果

不同强夯能级处理前后重型动力触探检测曲线（统计值）对比如图6～8所示。

图6～8中重探试验结果表明：受重型动力触探检测手段限制，强夯处理后无法开展吹填海砂地基全深度检测，强夯能级为2 000～4 000 kN·m时，检测深度分别为5.8 m、3.4 m和8.3 m。当强夯能级为2 000 kN·m时，强夯前原地基全深度重探击数当量值为5.8击，强夯后5.8 m深度范围重探击数当量值为16.6击，相对于处理前增长186%；当强夯能级为3 000 kN·m时，强夯前原地基全深度重探击数当量值为7.91击，强夯后3.4 m深度范围重探击数当量值为17.3击，相对于处理前增长117%；当强夯能级为4 000 kN·m时，强夯前原地基全深度重探击数当量值为6.49击，强夯后8.3 m深度范围重探击数当量值为 18.75击，相对于处理前增长189%，说明强夯能有效提高吹填海砂地基密实度。

图6 2 000 kN·m强夯处理前后重探试验曲线Fig.6 Heavy dynamic penetration curves before and after dynamic compaction (2 000 kN·m)

图7 3 000 kN·m强夯处理前后重探试验曲线Fig.7 Heavy dynamic penetration curves before and after dynamic compaction (3 000 kN·m)

图8 4 000 kN·m强夯处理前后重探试验曲线Fig.8 Heavy dynamic penetration curves before and after dynamic compaction (4 000 kN·m)

3.4 波速结果

强夯处理前后波速值对比如表5所示。

表5 吹填地基强夯处理前后波速值对比表Fig.5 Comparison of wave velocity before and after dynamic compaction of hydraulic filling foundation

表5中波速测试结果表明：吹填海砂原地基波速为190～209 m/s，平均值为198 m/s。2 000 kN·m能级强夯后，吹填海砂地基波速平均值为246 m/s，相对于处理前增长27%；3 000 kN·m能级强夯后，吹填海砂地基波速平均值为242 m/s，相对于处理前增长27%；4 000 kN·m能级强夯后，吹填海砂地基波速平均值为244 m/s，相对于处理前增长17%。说明强夯能有效提高吹填海砂地基密实度，且强夯能级2 000～4 000 kN·m时，不同能级对吹填海砂地基影响较小。

3.5 平板载荷试验结果

不同强夯能级处理后载荷试验p-s曲线如图9～11所示。

图9 2 000 kN·m强夯处理后载荷试验曲线Fig.9 p-s curve after dynamic compaction (2 000 kN·m)

图9～11中载荷试验结果表明：强夯能级2 000～4 000 kN·m时，在最大荷载（315 kPa）作用下，p-s曲线呈现相似的变化规律，即p-s曲线平缓无明显陡降段，s-lgt曲线呈平行规则排列。根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），参加统计的试验点结果，当满足其极差不超过平均值的30%时，取其平均值为该地层的地基承载力特征值，因此各试验点地基承载力特征值fak≥150 kPa。

图10 3 000 kN·m强夯处理后载荷试验曲线Fig.10 p-s curve after dynamic compaction (3 000 kN·m)

图11 4 000 kN·m强夯处理后载荷试验p-s曲线Fig.11 p-s curve after dynamic compaction (4 000 kN·m)

4 结 论

根据以上强夯效果评价（夯沉量、标准贯入试验、重型动力触探试验、波速测试和承载力检测）、场地适用性及施工便利性，本文对强夯处理吹填海砂地基的研究得到主要结论如下：

（1）有效加固深度：根据有效加固深度经验公式，当能级2 000～4 000 kN·m时，有效加固深度约5～7 m。本文试验检测结果表明，吹填海砂地基有效加固深度可达到9～11 m，与经验值存在较大的偏差。针对吹填砂地基，强夯对吹填海砂地基的影响分为两个部分：a）冲击压缩影响，即为吹填砂表面在夯锤作用下发生塑性变形，冲击应力在土体内传播和扩散引起颗粒相对移动和颗粒间介质的排出最终夯锤趋于稳定；b）振动液化自密实影响，即位于地下水位（本场地地下水位为原地面以下6 m）以下的吹填海砂在强夯振冲影响下发生局部液化，土体颗粒重新排列密实。

（2）强夯能级影响：强夯能级为2 000～4 000 kN·m时，平均夯沉量、标准贯入试验击数、重型动力触探击数整体上呈现随着强夯能级增加而增大的变化趋势，但是不同强夯能级差别较小。

（3）检测方法比选：标准贯入试验、重型动力触探试验和波速测试均具有检测速度快、经济性高的特点。强夯处理后，由于地基密实度增加，重型动力触探试验不能进行全深度检测（最大检测深度约8.3 m），不能满足吹填砂全深度检测的要求。承载力检测可准确反映原地基强度，但是，承载力检测效率低、费用高且针对吹填砂地基强夯处理后很难加载至极限荷载。因此，建议后续强夯地基检测采用标准贯入试验和波速测试验检方法。