强夯技术在红粘土基础加固工程中的应用

1、收稿日期:2005-07-28作者简介:曹庆明,男,云南省水利水电勘测设计研究院副总工程师,高级工程师。文章编号:1001-4179(200509-0050-02强夯技术在红粘土基础加固工程中的应用曹庆明(云南省水利水电勘测设计研究院,云南昆明650021摘要:在综合分析和归纳目前国内外强夯技术应用和强夯方法的基础上,通过实验研究强夯对加固地基的作用机理进行探讨,提出了强夯加固软弱地基的一些新观点。并在此基础上,结合正在施工的坝塘水库的工程实践,分析探讨了强夯设计的方法,提出了强夯施工过程中各参数的选择方法,并将该强夯设计方法用于水库库底红粘土地基处理工程实践,得出一些有益的结论。供红粘土研究

2、及类似工程设计、施工时参考。关 键 词:强夯;红粘土;基础加固;应用研究中图分类号:TU472.3+1 文献标识码:A1 概述坝塘水利枢纽位于云南省昆明市东川区,是一个跨流域引水的综合性水利枢纽工程。工程任务为灌溉、工业用水及城市供水。总库容1841万m 3,为在建的中型水利工程。水库库盆位于喀斯特地貌的天然溶蚀洼地中,溶蚀洼地为不规则圆形,直径约1000m,四周边坡一般25 35 ,表层为红粘土层,厚318m,渗透系数K =1.1 2.7 10-3cm/s,下伏灰岩透水性较强(已发现溶洞。而地下水埋深在百米以上,难以找到相对隔水层,库盆周围低邻谷高差达400m 以上,为一悬托库盆,属构造侵蚀

3、中低山地形。经勘探,库区出露二迭系茅口组灰岩,存在溶洞渗漏、裂隙型渗漏、断层渗漏、溶隙管道型渗漏,且渗漏严重,库盆无法用垂直防渗处理,而采用水平防渗处理措施即土工膜防渗方案。而库盆基础为红粘土,结构疏松,压缩系数a 0.10.2=1.09MPa -1、a 0.20.3=0.62MPa -1,属中!高压缩性土,面积为22.3万m 2。经初步计算设计水压力作用下每米的沉陷量约510cm,最大处的沉陷量达数米,土工膜明显无法抵抗该变形。经取原状样和扰动样进行击实试验,土样在天然含水量状态下,经击实后,土的干密度由天然状态的(平均1.18g/cm 3,增大到1.43g/cm 3;压缩模量由天然状态的(

4、平均2.69MPa,增加到5.81MPa 。说明尽管该层土饱和度较高,但结构松散,易于压实,因而在铺土工膜之前,对基础进行强夯处理,在地基表层形成一个数米厚的硬壳#,提高地基承载力、减少沉陷,防止拉坏土工膜,从而达到水平防渗处理的目的。2 强夯法加固设计强夯法虽然已在工程中得到广泛应用,但有关强夯机理的研究至今尚未取得满意的结果,目前还没有一套成熟的设计计算方法。其主要设计参数包括有效加固深度、单位夯击能、夯击次数、夯击遍数、间隔时间、夯击点布置和处理范围等。结合坝塘水库工程实际分别阐述如下:(1有效加固深度既是反映地基处理效果的重要参数,又是选择处理方案的重要依据,目前尚无适用的计算公式。在

5、缺少试验资料或经验时通常按有效加固深度表预估(见表1。结合本工程应力应变要求初选有效加固深度5.06.0m 。表1 强夯法的有效加固深度(m单击夯击能/(kN m有效加固深度/m10.010.59.09.5(2单位夯击能是指施工场地单位面积上所施加的夯击能。根据地基土类别、结构类型、荷载大小和要求处理的深度等综合考虑,并通过现场试夯确定,本工程为对比分析,实验阶段初选单位夯击能10003000kN m 。(3夯击次数以夯坑的压缩量最大、夯坑周围隆起量最小为确定原则。除了按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定外,还应满足下列条件:%最后两击的平均夯沉量不大于50mm,单击夯击时小于100m

6、m;&夯坑周围地面不应发生过大的隆起;不因夯坑过深而发生起锤困难。(4夯击遍数根据地基土的性质确定,一般情况下,可采用23遍,最后再以低能量满夯1遍。由于本工程为渗透性强的红粘土地基,因而夯击遍数要求少些,初选2遍,最后再以低能量满夯1遍。(5间隔时间是指两遍夯击之间留有的间隔时间,将有利于土中超静孔隙水压力的消失。间隔时间取决于土中超静孔隙第36卷第9期人 民 长 江Vol.36,No.92005年9月Yangtze River Sep.,2005水压力的消失时间。由于本工程为红粘性土地基,初选间隔时间为4周。(6夯击点布置是否合理与夯实效果和施工费用有直接关系。夯击点位置一般根据建

7、筑结构类型,采用等边三角形、等腰三角形或正方形布置。本工程为大面积加固地基,采用连续夯击,第1遍夯击点间距选取4.0m、行距3.5m,以后各遍夯击点间距与第1遍相同。(7处理范围是指由于基础的应力扩散作用,本工程由于库底四周与其他防渗工程连接,处理范围为大面积库盆区。3 强夯参数选择据统计资料,强夯主要适用于湿陷性黄土、软土、填土、可液化砂土等土体的加固,提高基础的承载能力,满足建筑物对基础的要求。目前国内多应用于公路、大楼的基础处理工程中,水利工程中少量应用于土坝基础,而大面积应用于水库库底基础加固,坝塘工程是首次。据有关统计资料,应用的夯击能在10005000kNm,最大加固面积达50万m

8、2,多应用于粉沙土、湿陷性黄土、软土、填土、可液化砂土等。软土、填土、可液化砂土夯后承载力提高大,应用于湿陷性黄土夯后承载力提高不明显。本工程为库底大面积强夯处理,库底表层为洪残积土,一般层厚520m,最厚46m,其液限在51.661.3之间,属红粘土,土的天然含水量、孔隙比、饱和度、液限、塑限高。力学强度高、压缩性低,与湿陷性黄土有相似之处。夯前承载力150190kPa,而水库蓄水后最大水压力264.9kPa,相应设计要求地基承载力达265kPa。明显不能满足要求。由于土工膜有一定的适应变形能力,设计提出:地基承载力大于265kPa,同时要求设计压力作用下基础压缩变形小于3cm的要求。工程选

9、用平锤,锤重180kN,锤底直径2.40m、面积4.52m2,落距5.616.7m,对应夯击能为10003000kNm。选两块具有代表性的实验区(即(夯区、夯区进行强夯实验。实验参数见表2、表3。表2 水库底强夯后设计干密度、孔隙比地层范围地面以下/m 干容重r d/(gcm-3孔隙比e地层范围地面以下/m干容重r d/(gc m-3孔隙比e02 1.40 1.0546 1.35 1.10 24 1.40 1.08表3 夯点击数和平均夯沉量c m夯点击数夯击遍数注:第1遍夯击夯沉量205.3c m,第2遍夯击夯沉量177.6cm。本工程经强夯实验后夯沉量关系曲线图1,夯击次数为8 10次。4

10、强夯效果分析强夯效果常用的检测手段有静力触探、标准贯入试验、 十字板剪切试验、载荷试验及取样进行室内试验。本工程对强夯后的实验区采用载荷试验,测试范围18m,同时进行标准贯入试验及取样室内试验进行对比分析。测试结果见表4、表5。依据强夯实验结果提出大面积夯后施工控制标准如下:土工实验04m,干密度大于1.40k g/cm3,孔隙比小于1.05,标贯击数大于11。图1 夯沉关系曲线表4 夯前、夯后孔隙比、干密度对比项目检测时间取样深度/m夯前勘察 1.43 1.33 1.40 1.38 1.40 1.38 1.34 1.35夯后第1次检测(1周 1.43 1.41 1.40 1.38 1.36

11、1.36 1.34夯后第2次检测(3周 1.46 1.49 1.44 1.42 1.37 1.36 1.37 1.36夯后第3次检测(8周 1.43 1.48 1.43 1.43 1.37 1.37 1.39 1.36孔隙比表5 夯前、夯后标准贯入试验击数、载荷试验值对比测点深度/m(夯区(夯击能1000k Nm(夯区(夯击能2000kNm夯区夯前勘察标贯击数/击夯后检测标贯击数/击夯后检测标贯击数/击对应规范承载力/kPa载荷试验特征值/kPa夯前勘察标贯击数/击夯后检测标贯击数/击对应规范承载力/k Pa载荷试验特征值/k Pa 0.5111816400280(沉降量1.62cm1015370280(沉降量2.15cm6.5789235782135 结 语本工程库盆基础经强夯加固后,取得了以下效果:(106m深度内地基土的强夯处