强夯技术在湿陷性黄土地基处理中的应用研究

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chengyihan
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  【摘要】。 湿陷性黄土又称为大孔土,其特性是指黄土在一定压力作用下,受水浸湿后,土的结构迅速破坏,发生显著的湿陷变形,强度也随之迅速降低。作为湿陷性土的典型代表——黄土,在全世界的分布比较广泛的,据某些学者估计,黄土的覆盖面积在整个欧洲约占10%,亚洲约占30%;我国黄土分布面积达60万平方公里,其中有湿陷性的约为43万平方公里。主要分布在黄河中游的甘肃、陕西、晋、宁、河南、青海等省区,新疆部份地区也有,其物质主要来源于沙漠与戈壁,黄土的湿陷性一般会导致地基承载力不足,不能满足建筑设计的承载要求,还会给已有建筑物、构筑物带来不均匀沉降等问题,对建筑物的安全正常使用造成很大的威胁。因此,在湿陷性黄土地区建筑的设计中,如何处理好地基的湿陷性非常必要。
  【关键字】强夯技术,湿陷性黄土,地基处理,应用分析
  中图分类号:TU4 文献标识码:A 文章编号:
  一.前言
  强夯法加固湿陷性黄土地基是国内应用最早的一种经济高效、节能环保的地基处理力一法.在国内数白项工程中得到广泛的应用.并取得良好效果。针对西北地区常见的湿陷性黄土.地方标准DBJ24-9-90《强夯法处理湿陷性黄土地基规程》中对强夯地基处理力一法有详细的规定。强夯法对于消除黄土湿陷性.提高其地基承载力和压缩模量均有较好的效果。经高能级强夯处理后的黄土地基可作为住宅、车间、厂房、油灌、机械设备基础等建(构)筑物的地基。在笔者经历过处理湿陷性黄土地基重大工程中,2008年喀什市老城区改造工程20万m2湿陷性黄土地基.是喀什地区率先采用8 000 kN.m高能级的强夯工程项日.加固深度达到11. 5 m,基本消除了黄土的湿陷性。随着西部大开发的逐步深入.大量基础设施的建设对湿陷性黄土地基处理的要求也越来越高。
  二.工程概况
  2008年喀什市老城区改造工程主要包括学校、医院、住宅、社区等建(构)筑物.占地而积约20万m2。该工程场地位于吐曼河冲积平原湿陷性黄土地区.需处理地基而积约12万m2.处理厚度约10 m。
  该场地地层为第四系冲、洪积瓢性土、砂土及卵石。场地经回填碾压整平.地而标高为1049. 42 到1046. 96 m。土层自上而下可分为:
  1.素填土:主要为褐黄色粉质瓢土.含少量砖块及瓦片。经过碾压.土质不均.厚度1. 7 到3. 5 m·可塑一硬塑。
  2.黄土状粉质瓢土:黄褐色.为新近堆积黄土.具湿陷性.厚度为0.6 到3. 7 m.可塑一硬塑。该层土质较差.强度低。
  3.黄土状粉质瓢土:褐色.局部具湿陷性.层厚为0.4到2.8m.硬塑。土质较好。
  4.黄土状粉质瓢土:褐黄色.具湿陷性.层厚8. 0到10. 9 m.可塑一硬塑。
  5.粉质瓢土:浅棕色.厚度为3. 60到6. 90 m, 可塑一硬塑。
  该场地内湿陷性土层厚12 m左右.湿陷等级为一级(轻微)一二级(中等)非自重湿陷.总体趋势由南向北湿陷程度渐轻.且北部地层不具自重湿陷性。
  三.影响黄土湿陷性的因素
  1.粒间的组成对湿陷性的影响
  试验说明,粘粒含量越少,湿陷性越强。粘粒在黄土的结构中主要起胶结作用,尤其是<0.002 mm 的细粘粒,它所起的胶结作用更加明显。粘粒含量少时,黄土骨架的胶结形式主要是薄膜式,所以这种胶结强度较低,容易破坏,从而湿陷性强;粘粒含量高时,黄土骨架的胶结形式多为镶嵌式,故这种胶结强度高,不容易破坏,从而湿陷性弱。一般来说,黄土中的粘粒含量超过30%时,湿陷性就会基本消失。
  2.可溶盐含量对湿陷性的影响
  可溶盐包括易溶盐、中溶盐和难溶盐 3 种。由于可溶盐在固态时对土粒起胶结作用,但是溶解后即呈离子状态时就会与土粒表面吸附的阳离子发生置换,所以影响到黄土的湿陷性。一般认为易溶盐(NaCl,KCl,Na2SO3,)含量高时黄土的湿陷性强;中溶盐(CaSO4)含量多时湿陷性也越大;难溶盐(CaCO3)在黄土中既起骨架的作用又起胶结的作用,即难溶盐的含量越多,湿陷性就越弱。
  3.含水率对湿陷性的影响
  天然含水率比较低的黄土湿陷性较强,而天然含水率高的黄土湿陷性就比较弱。所以,当天然含水率>25%时,或者处于地下水位以下时,黄土就没有湿陷性了。
  4.干重度对湿陷性的影响。黄土的干重度越小,孔隙比就越大,湿陷系数也就越大。一般认为当干重度>15 kN/m3时,黄土的湿陷性基本上就没了。
  四.地基处理方案
  强夯法处理地基设备简易、原理简单、适用面广、节省材料、造价较低、加固效果明显,施工周期短,是一种节能环保经济的地基处理方法,对于消除黄土湿陷性,提高其地基承载力和压缩模量均有较好的效果。针对本项目以及目前国内强夯技术的发展,对较深层的湿陷性黄土宜采用强夯法进行处理。此外,场地内还有大量的土洞处理回填区域,深度约4m至6m,土质很不均匀,采用强夯法处理可使其均匀程度与其他区域基本一致。经过论证,确定对该场地采用高能级强夯法处理。
  1.方案设计
  强夯能级的选择以消除黄土湿陷性为主,同时提高地基承载力,使用的能级及有效加固深度取决于预期消除湿陷的深度。设计要求处理后的地基承载力标准值fk≥200kPa,部分区域fk≥250kPa。根据设计要求,对本场地一般区域采用6000kN·m能级强夯,对重大构筑物地基采用8000kN·m能级强夯。个别构筑物的基础承受荷载较大,要求地基具有足够的承载力和抵抗变形的能力;因此,在个别地基的夯坑内填入一定厚度的砂石料再夯实,以提高地基表层承载力,减少地基不均匀沉降。
  2.现场施工参数
  本工程强夯均采用4遍成夯工艺,其中两遍主夯,一遍辅助夯和主夯点 加固,一遍满夯。8000kN·m夯区第一、二遍主夯能级均为8000kN·m,主夯点间距为8m×8m,间隔跳打,击数不少于12击;第三遍辅助夯能级为3000kN·m,夯点间距4m×4m,击数不少于8击;第四遍满夯能级为2000kN·m,主要加固表层土,击数为2击,要求锤印彼此搭接1/3。6000kN·m夯区成夯工艺除两遍主夯点能级改为6000kN·m以外,其他参数与8000kN·m强夯区参数相同。
  五.强夯效果检测及监测
  1.有效加固深度
  
  
  强夯的有效加固深度从起夯面算起,有效加固深度的判定以处理后满足设计 所 需 的 深 度 为 标准。
  (一)由干密度判断有效加固深度。图1为装置北区(装置区以A=1927.0为界分南北两区)夯前、夯后干密度与标高关系图。由图1可知,在标高135.0m以上,干密度提高幅度较大,比夯前增大10%~18%;在标高135.0m以下,土的干密度与夯前互有大小,说明此深度以下土体虽受强夯冲击能影响,结构受到扰动,但不足以达到加密效果。通过对夯前、夯后土的干密度对比分析判定装置北区的强夯加固深度为15m。
  (二)由湿陷性判断有效加固深度。从夯前、夯后土的湿陷性试验结果对比分析可知,夯后地基土的濕陷性系数明显减小,且均小于0.01,如图2所示。说明强夯后原黄土层的湿陷性已消除,就消除湿陷性而言,强夯的加固深度为13m。
  
  
  (三)由标贯击数判断有效加固深度。本场地共进行了53个孔的标准贯入试验,击数在5~27击之间,平均值为11.3击。图3为典型孔夯前、夯后的标贯击数N-标高H散点图。由图可知,在标高140.0m以上,击数N不高,且具有一定的离散性。这是因为本场地土层基本为粉质黏土,且从停夯到检测仅间隔一周左右,夯后超孔隙水压力尚未完全消散;另外黄土是一种具有结构性强度的土,强夯破坏了它的原状结构,土的强度恢复和增长需要一定时间。由图3可知,标高140.0m以上,标贯击数有一定程度的增高,由标贯击数判定强夯有效加固深度为10m。
  
  
  从夯击前后各种指标的对比分析可见,自起夯面到地下一定深度,即标高135.0m以上,加密效果较好,其指标表现为压缩性、孔隙比明显减小,干密度、承载力明显提高,强夯有效加固深度范围为11~14m。由于强夯处理效果受许多因素如施工参数、施工工艺、地层结构等的影响,因此加固深度是有变化的,不同能级的加固深度及修正系数见表1。
  表1 不同能级强夯的加固深度及修正系数
  
  
  2.表层地基土的承载力为确定地基承载力,本场地共选取8个试验点进行平板载荷试验,从承载力结果来看,8个试验点中有5个试验点的结果达到设计要求,有3个试验点的结果偏低。根据当时实际情况分析,出现这种情况的主要原因是这3个试验点处的地基土含水量偏大,而其干容重与其他5个点处地基土的干容重基本一致,从而导致试验结果偏低。
  本场地夯后土的承载力标准值达到200kPa,比夯前提高17.6%~10%;加石料表层的承载力达到250kPa,如图4所示。
  
  
  3.夯后不同时期检测结果的比较
  强夯结束半年后,考虑到随着时间的推移,地基强度有一定的恢复和增长,因而进行补充钻孔,在构-17-5、构-18-2范围布置3个技术孔,进行钻孔、取土样及标贯试验。
  检测表明.标高1044. 0 m以上.1号、2号孔检测结果略优于原检测结果.而3号孔的检测结果较原检测结果略差。由3号孔的检测结果可知.与原检测结果相比.干密度降低2%.孔隙比增加2%.压缩系数增加9%.承载力降低2.900}500.标贯击数减少21. 5 0 o。其原囚一是该地层处于表层.受雨水影响较大;一是随时间的推移.土中孔隙水压力的消散.受夯压的土体有轩微的反弹影响。
  在1044. 0}-1040. 5 m地层范围内.检测结果比原检测结果稍好.干密度增加4.9%.孔隙比降低7. 900.承载力提高6. 700.标贯击数增加42. 7000这说明在强夯影响的中部地层.随时间的推移.土体结构强度略有提高。
  在1040. 0}-1035. 0 m地层范围内.检测结果比原检测结果略差或基本相同。这说明.该地层埋藏较深.受强夯影响较小.地基土强度无明显变化。
  4.基坑开挖情况分析
  夯后基坑验槽情况表明.本场地经强夯后表层存在不均匀性.部分土层含水量较高.为此提出如下意见:1)除小型设备基础基坑可进行观察验槽外.其余基础的基坑均应进行钎探验槽;2)该场地地层大部分为粉质瓢土.验槽钎探击数不小于28击或击数20-27击、干容重不小于1. 70g/cm3、含水量小于20%为满足设计要求;否则为不满足设计要求.应进行处理。
  基坑钎探验槽结果可基本反映出夯后地基土的均匀状况。从整体来看.从北向南大部分场地土层较密实.分布较均匀.钎探击数较高.81%以上的钎探结果符合设计要求。局部区域基底土层分布不均匀.含水量较高.出现软弱土层.钎探击数较低.基坑须采用2:8灰土进行处理。
  5.构筑物沉降监测
  对个别建(构)筑物进行沉降观测.能很好的检验地基土的压缩性.同时也能真实的反映地基的实际变形情况。地基规范和塔基础设计规范中规定:1)当构筑物高度H≤100 m时.容许沉降量为100 mm ;经过二年的沉降观测,地基沉降情况良好。
  六.结束语
  强夯法在处理湿陷性黄上地基工程中,已经得到广泛应用,该方法具有处理效果好、造价低、工期短等特点。文中计算了强夯治理湿陷性黄土有效加固深度、加固后地基承载力的影响,结果表明,通过强夯的方法可以消除地基湿陷性的影响。
  参考文献:
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  [5]强夯法在处理湿陷性黄土地基中的应用研究郑翔西安建筑科技大学2007-03-01硕士
  [6]湿陷性黄土地基处理方案优选的研究马海骋西安建筑科技大学2011-05-01硕士
  [7]濕陷性黄土地基处理技术在张石高速公路应用研究张嘉辉天津大学2008-08-01硕士
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