分層強(qiáng)夯法在沙漠松散地基處理中的應(yīng)用
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李慶偉，黨昱敬，陳龍華
（中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）
[摘要]以土庫曼斯坦沙漠地區(qū)某地基處理工程為例，詳細(xì)論述采用分層強(qiáng)夯法處理深厚松散砂土地基的設(shè)計(jì)、施工和過程質(zhì)量控制方法。地基檢測結(jié)果表明，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
[關(guān)鍵詞]地基；沙漠地區(qū)；分層強(qiáng)夯；檢測；質(zhì)量控制
[中圖分類號(hào)] TU472.3+l [文章編號(hào)]1002-8498(2016)07-0085-04
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速持續(xù)發(fā)展，我國對(duì)石油、天然氣等資源的需求越來越大。中亞地區(qū)因富含豐富的油氣資源受到中國企業(yè)的青睞，相應(yīng)的建設(shè)工程在中亞地區(qū)日益增多。該地區(qū)絕大部分位于沙漠缺水地帶，其中土庫曼斯坦80%以上的國土均處于沙漠中。沙漠土質(zhì)松散、強(qiáng)度低、壓縮性高、顆粒細(xì)且尚未完成自身固結(jié)，作為建設(shè)用地不做處理無法滿足基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。因此，在該區(qū)域投資開發(fā)建設(shè)，首要任務(wù)就是對(duì)松散砂土地基進(jìn)行加固處理，在經(jīng)加固處理后使地基承載力、變形及均勻性等都能滿足工程建設(shè)要求后，方可進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工，以確�；A(chǔ)設(shè)施和工業(yè)與民用建筑工程的正常使用。
分層強(qiáng)夯法是在傳統(tǒng)強(qiáng)夯法的基礎(chǔ)上采用分層填土、分層強(qiáng)夯的處理方式，加大了地基處理深度，提高了強(qiáng)夯的處理效果，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文結(jié)合土庫曼斯坦南約洛坦氣田建設(shè)項(xiàng)目地基處理工程實(shí)例，闡述分層強(qiáng)夯法在沙漠地區(qū)深厚松散地基處理中的成功應(yīng)用，所總結(jié)的分層強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工藝及過程質(zhì)量控制方法，可為我國西部大開發(fā)和涉外類似工程項(xiàng)目提供借鑒。
1工程概況
土庫曼斯坦南約洛坦氣田商品氣產(chǎn)能建設(shè)工程項(xiàng)目位于土庫曼斯坦馬雷州南約洛坦地區(qū)，主要地形為固定壟崗沙地，局部地形為丘狀沙地。廠址占地面積808171m2，擬建工程場地位于沙漠腹地，沙丘起伏較大，高差達(dá)15~30m。按照廠區(qū)整體規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，場地經(jīng)平整后達(dá)到室外地面設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，需要回填土深度< 5m區(qū)域約占廠區(qū)面積的35%，回填土深度5~7m區(qū)域約占廠區(qū)面積的15%，回填土深度7~15m區(qū)域約占廠區(qū)面積的10%。因此，本工程地基處理包括現(xiàn)有地面下的松散地基和回填土地基處理。
2工程地質(zhì)條件
2.1地形地貌
擬建工程位于第四紀(jì)平緩的沙漠平原蘇爾丹別科斯，海拔280. 000~ 306. 000m，地質(zhì)構(gòu)造屬海西期后臺(tái)坪的前科佩特達(dá)格坳陷。區(qū)域地貌單元為波狀沙丘地貌。波狀沙丘地貌地形起伏，以固定~半固定型沙丘為主，多呈梁窩狀沙丘與灘地相間，局部地帶為新月形活動(dòng)沙丘。沙丘表面植被覆蓋率5%~45%，表層多有鹽漬土結(jié)皮，流動(dòng)性小。
2.2地層巖性情況
根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告提供的建設(shè)用地地層構(gòu)成和特點(diǎn)，描述如下：①第四系上更新統(tǒng)~全新統(tǒng)( Q3-4)粉、細(xì)砂以風(fēng)砂沉積為主，礦物成分為石英、長石、云母等，松散~稍密為主，局部含少量黏性土，表層多有鹽漬土膠結(jié)層。②第四系全新統(tǒng)(Q4)粉、細(xì)砂含黏性土 為沖洪積地層，主要分布在穆爾加布河河谷及兩岸，礦物成分為石英、長石、云母等，松散~稍密為主，干燥~很濕，分布于穆爾加布河及卡拉庫姆河河谷及兩岸。③第三系上新統(tǒng)( N2)粉、細(xì)砂含黏性土礦物成分為石英、長石、云母等，干燥為主。
2.3地下水情況
區(qū)內(nèi)地下水主要為沙漠灘地孔隙潛水及河谷沖積層潛水，波狀沙丘區(qū)地下水位埋藏較深，開挖深度內(nèi)無地下水分布。
3 分層強(qiáng)夯法地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)與施工工藝
3.1 地基處理方案
工程實(shí)踐中對(duì)于沙漠地區(qū)深厚松散砂土地基的密實(shí)處理通常采用振沖擠密碎石樁法、水墜法、強(qiáng)夯法進(jìn)行加固處理。由于本工程建設(shè)地點(diǎn)位于卡拉庫姆大沙漠腹地，交通運(yùn)輸條件差，且購買建筑材料需要長途跋涉。振沖擠密碎石樁處理方法需要大量的碎石和施工用水，必然造成造價(jià)高和工期長的不利局面；水墜法的原理是分層鋪設(shè)砂土，浸水至其飽和，再用碾壓機(jī)反復(fù)碾壓或人工夯實(shí)，從而提高砂土密實(shí)度，達(dá)到工程需要的承載力和變形要求，具有施工工藝簡單、就地取材的優(yōu)點(diǎn)，但因土庫曼斯坦地區(qū)極度缺水使該方法難以實(shí)現(xiàn)。由于建設(shè)用地周邊無其他居住建筑和工業(yè)設(shè)施，不需考慮噪聲和振動(dòng)影響，且強(qiáng)夯法也無需任何建筑材料和施工用水，因此本工程地基處理最終選用強(qiáng)夯法。
如前所述，本工程自然地面現(xiàn)狀起伏較大，且絕大部分自然地面現(xiàn)狀標(biāo)高低于廠區(qū)規(guī)劃室外地面標(biāo)高，最大填方處深度達(dá)到15m，同時(shí)現(xiàn)有地面下也有1~ 2m厚的松散砂土地基，距現(xiàn)有地面1~2m以下土層為中密細(xì)砂層，因此整個(gè)廠區(qū)回填地基處理深度呈現(xiàn)厚度不一的階梯狀。根據(jù)以往將大面積采石坑、魚塘及燒磚棄土坑等進(jìn)行回填處理作為建設(shè)用地的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于本工程回填底面不在同一標(biāo)高的地基處理，采用將回填底面挖成斜坡搭接，按先深后淺的順序進(jìn)行分層回填、分層強(qiáng)夯施工。由于采用與現(xiàn)狀起伏處相近土質(zhì)進(jìn)行分層回填、分層強(qiáng)夯施工，在搭接處易被夯實(shí)的同時(shí)，也能保障處理后整個(gè)地基的密實(shí)性和均勻性。
3.2 地基處理設(shè)計(jì)要求
根據(jù)設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)專業(yè)提供的豎向和平面設(shè)計(jì)圖紙及說明，對(duì)地基處理要求如下。
1)強(qiáng)夯處理后地基承載力特征值f a k≥180kPa，地基壓縮模量Es≥13MPa，強(qiáng)夯有效加固深度要求達(dá)到中密細(xì)砂層頂面。
2)當(dāng)主裝置區(qū)和單體建筑地基部分為挖方區(qū)、部分為深填方區(qū)時(shí)，為保證地基持力層的均勻性，在采用分層強(qiáng)夯施工填方區(qū)最上層強(qiáng)夯時(shí)，需對(duì)主裝置區(qū)和單體建筑整個(gè)占地區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)夯。
3.3強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)
由于本工程屬于涉外項(xiàng)目，且強(qiáng)夯設(shè)備需從國內(nèi)調(diào)配，因此本工程根據(jù)勘察報(bào)告提供的地質(zhì)土層構(gòu)成情況和上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基加固處理要求，同時(shí)參考規(guī)范中提供的不同夯擊能在加固與本工程地質(zhì)土層構(gòu)成相似土質(zhì)的預(yù)估有效加固深度，并結(jié)合以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選用夯擊能為2 000～4 000kN．m中小夯擊能強(qiáng)夯設(shè)備進(jìn)行分層強(qiáng)夯施工。采用中小夯擊能強(qiáng)夯設(shè)備既適用于分層強(qiáng)夯施工，又能節(jié)省從國內(nèi)調(diào)配設(shè)備運(yùn)輸成本，施工安全和質(zhì)量也易于保證。
在大面積正式施工前，首先在施工現(xiàn)場采用夯擊能為2 000～4 000kN -m的強(qiáng)夯設(shè)備對(duì)具有代表性的場地進(jìn)行試夯，以確定強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)和大面積正式施工工藝參數(shù)。為使試夯工藝參數(shù)具有針對(duì)性和便于大面積正式強(qiáng)夯施工管理，結(jié)合建設(shè)用地地表起伏相較于結(jié)構(gòu)豎向設(shè)計(jì)標(biāo)高要求，經(jīng)過對(duì)自然地面所測標(biāo)高網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)分析，將分層強(qiáng)夯區(qū)域分為4大處理類型，并分別通過試夯確定出不同回填厚度的分層數(shù)量、強(qiáng)夯能級(jí)、夯擊數(shù)、夯擊間距等施工工藝參數(shù)，如表1所示。表1中處理深度為達(dá)到結(jié)構(gòu)豎向設(shè)計(jì)標(biāo)高要求時(shí)的回填土厚度和現(xiàn)狀地面下1~2m厚松散砂土之和，主、插夯點(diǎn)平面如圖1所示。
3.4 分層強(qiáng)夯施工過程控制
相較于場地基本平整的原有沉積土（或一次性大面積回填土）軟弱地基的強(qiáng)夯施工，分層強(qiáng)夯施工時(shí)要求回填施工與強(qiáng)夯施工必須密切配合。根據(jù)實(shí)際處理區(qū)域相對(duì)應(yīng)于表1的處理類型，按先深后淺的順序進(jìn)行分層回填、分層強(qiáng)夯施工，分層強(qiáng)夯施工嚴(yán)格執(zhí)行表1中強(qiáng)夯設(shè)計(jì)及施工工藝參數(shù)要求。在每一處理類型第1層強(qiáng)夯施工前，做好回填底面搭接斜坡的同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)狀地面下松散砂土實(shí)際深度確定第1次回填土厚度，回填施工嚴(yán)禁出現(xiàn)超標(biāo)高回填的情況。考慮到強(qiáng)夯加固處理和土的自重固結(jié)雙重作用，分層回填厚度可自下而上
依次減少。針對(duì)本工程4大處理類型區(qū)域?qū)嵤┓謱訌?qiáng)夯施工的工藝參數(shù)和過程控制方法進(jìn)行歸總?cè)缦隆?
1)對(duì)于回填土深度≤5.0m的1類處理區(qū)域，均采用2 000kN .m夯擊能進(jìn)行1遍點(diǎn)夯和插夯，最后用推土機(jī)將場地推平，采用1000kN .m夯擊能滿夯1遍。
2)對(duì)于回填土深度5.0~7. 0m的Ⅱ類處理區(qū)域，均采用4 000kN．m夯擊能進(jìn)行1遍點(diǎn)夯和插夯，最后用推土機(jī)將場地推平，采用1 000kN.m夯擊能滿夯1遍。
3)對(duì)于回填土深度7.0~ 10. 0m的Ⅲ類處理區(qū)域，分2次回填2次強(qiáng)夯。第1次回填土至標(biāo)高300. 000m處，均采用3 000kN .m夯擊能進(jìn)行1遍點(diǎn)夯和插夯；檢驗(yàn)合格后再回填土方至設(shè)計(jì)場平標(biāo)高304. 000m處，然后均采用3 000kN .m夯擊能進(jìn)行1遍點(diǎn)夯和插夯；最后用推土機(jī)將場地推平，再采用
1000kN .m夯擊能滿夯1遍。
4)對(duì)于回填土深度10.0~15. 0m的Ⅳ類處理區(qū)域，分3次回填、3次強(qiáng)夯。第1次回填土至標(biāo)高295. 000m處，均采用3 000kN.m夯擊能進(jìn)行1遍點(diǎn)夯和插夯；檢驗(yàn)合格后第2次回填土方至標(biāo)高300. 000m處，均采用3 000kN .m夯擊能進(jìn)行1遍點(diǎn)夯和插夯；第3次回填土方至設(shè)計(jì)場平標(biāo)高304. 000m后，均采用3 000kN .m夯擊能進(jìn)行1遍點(diǎn)夯和插夯；最后用推土機(jī)將場地推平，采用1 000kN .m夯擊能滿夯1遍。
4 地基處理效果檢測分析
根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2012規(guī)定要求，結(jié)合本工程的特點(diǎn)和當(dāng)?shù)貙?shí)際條件，強(qiáng)夯加固處理后的地基檢測包括平板荷載試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫人試驗(yàn)兩項(xiàng)內(nèi)容。由于本工程建筑用地地基處理面積大，根據(jù)規(guī)范規(guī)定要求，分別設(shè)置130個(gè)平板荷載試驗(yàn)點(diǎn)和1 500個(gè)標(biāo)準(zhǔn)貫人試驗(yàn)點(diǎn)。平板荷載試驗(yàn)點(diǎn)位于地基持力層標(biāo)高處，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)深度為地基持力層標(biāo)高至地質(zhì)報(bào)告中原狀土的中密細(xì)砂層頂面。
典型荷載試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，荷載與沉降關(guān)系曲線如圖2所示，由圖2可知，p-s曲線為緩變形，且無明顯突降段，1gt-s曲線也保持線性關(guān)系，因此按相對(duì)變形值確定強(qiáng)夯地基承載力特征值。由圖2可知，s/b=0.01所對(duì)應(yīng)的荷載≥180kPa，因此根據(jù)相關(guān)規(guī)定并結(jié)合p-s曲線分布規(guī)律，綜合分析判斷經(jīng)采用分層強(qiáng)夯法對(duì)沙漠地區(qū)深厚松散地基進(jìn)行加固處理后地基承載力滿足180kPa的設(shè)計(jì)要求。
經(jīng)對(duì)所有標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)的錘擊數(shù)統(tǒng)計(jì)分析表明，處理深度范圍內(nèi)的砂土地基密實(shí)度均在中密以上。圖3所示為一典型標(biāo)準(zhǔn)貫人試驗(yàn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)實(shí)測值與深度關(guān)系。由圖3可知，強(qiáng)夯后比強(qiáng)夯前標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)均有大幅度提高。強(qiáng)夯后標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)是強(qiáng)夯前的1.7~2.5倍，各孔的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)實(shí)測平均值均在30擊以上，分析判斷經(jīng)采用分層強(qiáng)夯法對(duì)沙漠地區(qū)深厚松散地基進(jìn)行加固處理后，砂土的密實(shí)度達(dá)到中密以上。因此，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中砂性土標(biāo)準(zhǔn)貫人試驗(yàn)錘擊數(shù)實(shí)測值（或密實(shí)度狀態(tài)）與壓縮模量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)上述典型荷載試驗(yàn)p-s曲線通過式
（式中相關(guān)符號(hào)意義解釋詳見有關(guān)參考文獻(xiàn)，限于篇幅，本文從略）的理論計(jì)算結(jié)果，綜合分析判斷采用分層強(qiáng)夯法對(duì)沙漠地區(qū)深厚松散地基進(jìn)行加固處理后地基土壓縮模量Es≥13MPa。
分別對(duì)主要受力層深度范圍內(nèi)不同標(biāo)高處的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)實(shí)測值的變異系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其計(jì)算結(jié)果均<0.30，表明采用分層強(qiáng)夯法對(duì)沙漠地區(qū)深厚松散地基加固處理結(jié)果均勻性也滿足要求。
5 結(jié)語
在中亞地區(qū)進(jìn)行的建設(shè)項(xiàng)目，因地制宜地選擇分層強(qiáng)夯法加固處理沙漠地區(qū)深厚松散砂土地基的成功案例，無疑將對(duì)上述地區(qū)的軟弱地基處理起到借鑒作用。特別是在廣袤無垠和缺水的沙漠地區(qū)，其無需建筑材料和施工用水、施工設(shè)備及工藝簡單、施工組織調(diào)度快且施工周期短、造價(jià)低廉、加固處理效果顯著等諸多特點(diǎn)，將會(huì)得到更廣泛的推廣和應(yīng)用。
