浅谈湿陷性黄土地基处理方案之强夯法

1. 引言

地基作为接受传来荷载的土层, 它的好坏直接影响整个建筑物的安危, 必须牢固、稳定而可靠。在较复杂的湿陷性黄土条件下, 如何选择合理的地基处理方案, 减少地基处理费用, 确保建筑物的安全是十分重要的。

根据《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004及以往的工程经验, 目前我国使用较多的地基处理方法有垫层法、强夯法、挤密桩复合地基、桩基础等。其中, 强夯法于上世纪70年代引入我国, 经过三十多年的发展, 已在工业与民用建筑等多种场地的地基处理中得到了广泛应用。本文将结合工程实例, 揭示强夯法处理湿陷性黄土地基的显著效果。

2. 湿陷性黄土特点及湿陷性变形

2.1 湿陷性黄土特点

湿陷性黄土在我国分布的面积很广, 大致占黄土总面积的一半以上。湿陷性黄土压缩性较低、强度较高, 一旦遇水浸湿后, 土体结构发生迅速破坏, 强度显著降低, 并产生明显的附加下沉。

2.2 湿陷变形的主要判定指标

湿陷性变形是指建筑物的荷载不改变, 湿陷性黄土在土体自重压力之下, 或者土的自重与土附加压力的共同作用之下, 遇水浸湿时产生了大量且急剧的附加下沉, 通常为局部和突然发生的, 且很不均匀, 尤其是受水浸湿初期, 一昼夜内可产生150~250mm的湿陷量。这种变形量大、发生速度快而又不均匀的变形, 对建筑物产生严重的危害。因此, 对于湿陷性黄土地区的建筑物, 不论其地基承载力能否达到容许承载力, 都应当进行地基处理, 提高承载力, 消除湿陷性。

按现行《湿陷性黄土地区建筑规范》, 黄土的湿陷性, 按湿陷系数δm来进行判定。该系数大小可以反映出黄土对水的敏感程度, 越大则表示土受水浸湿后的湿陷量越大, 对建筑物危害也越大, 相反则越小。

湿陷系数δm在工程中的主要用途: (1) 判别黄土是否具有湿陷性; (2) 鉴别黄土湿陷性的强弱程度; (3) 预估湿陷性黄土地基的湿陷量。按现行规范的规定, 以0.015为判定的界限值, 小于0.015定为非湿陷性黄土;大于或等于0.015则为湿陷性黄土。判定湿陷性强弱:0.015≤δm≤0.03, 判定为轻微湿陷性;0.03<δm≤0.07, 判定为中等湿陷性;δm>0.07, 判定为强烈湿陷性。

3. 强夯法的加固机理及优缺点

3.1 强夯的加固机理

强夯法又称动力固结法, 由法国工程师梅那在1969年首创的一种地基加固方法。此方法的实质, 是将大吨位重锤起吊到一定高度后使其自由下落, 在极短的时间内对地基土体施以强大的冲击能量, 再经过反复冲击, 以及产生的冲击波反复夯压地基土, 使土体受到瞬间的加荷、卸荷以及剪切的反复作用, 压缩原有土体的大孔隙结构, 使土周围产生很多裂隙, 孔隙水由此排出, 土体原有的形式被破坏, 重新固结后变为新的较为稳定的形式, 从而提高地基土的承载力和稳定性。

当前, 我国用强夯法处理湿陷性黄土已取得较成功的经验, 单层最大夯击能量已超过8000 KN.m, 处理深度可达12米, 经多层强夯处理后深度可达24~54米。强夯法的加固机理及方法进一步体现了处理湿陷性黄土的特征, 在提高承载力的同时, 消除黄土湿陷性。

3.2 强夯技术的优缺点

经过几十年的应用与发展, 强夯法已适用于加固各类地基土, 随着施工方法的改进和排水条件的改善, 具有适用范围广、加固效果显著、施工设备简单、施工方便、工期短、节省材料、经济易行等优点。

尽管强夯法在建设工程中被广泛使用, 但也有缺点需要引起足够的注意: (1) 施工中震动较大, 不适用于离建筑物或构筑物比较近的区域, 以50米以外为宜。 (2) 对土方的含水量比较敏感, 若含水量高, 则易造成橡皮土。 (3) 施工过程中, 要掌握好机具稳定性, 应避免重锤直接接触砖块、混凝土块等硬物, 以免出现伤亡事故。

4. 工程实例

4.1 工程地质条件

场区属填方区, 原地面标高811.1m~817.8m。勘察最大深度20m, 表层分布有素填土, 其下为第四纪坡洪积地层, 主要为粉土、角砾、粉质粘土。拟建建筑物基础埋深2米, 基础坐落在素填土上, 该层土土质不均匀, 力学性质较差, 地基属不均匀地基。

场地湿陷性评价:根据勘察土工试验资料分析, 场地地基湿陷等级为Ⅱ级 (中等) 。

地下水:可不考虑场地内地下水的不利影响。

土的腐蚀性:场地内土层对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。

地震效应:场地类别为Ⅱ类, 抗震设防烈度为7度 (第一组) , 设计基本地震加速度值为0.15g, 特征周期为0.35s, 场地不会产生地震液化。

4.2 地基处理方案分析及建议

场地整平标高按820.0m考虑, 拟建建筑物基础埋深2米, 基础坐落在素填土上, 且下部分布具有湿陷性的粉土, 建议进行强夯处理, 要求消除或部分消除地基土的湿陷性, 同时增强地基承载力。

4.3 设计要求

要求处理后的地基承载力特征值fak不小于160KPa, 压缩模量特征值Es不小于10MPa, 强夯处理范围应大于基础范围, 每边超出基础外边线不小于10米, 强夯处理深度为4米。在此范围内消除地基土的湿陷性。

4.3 强夯方案设计及加固效果

4.3.1 强夯方案设计

施工前, 先对场地进行试夯, 经检测合格后, 根据试夯区的施工参数进行大范围施工。强夯施工参数的确定依据场地的地质条件, 主要参数有:单点夯击能、夯击遍数、夯击间隔时间、夯点布置及夯距等。

(1) 夯锤:采用锤重33T, 落距18.20m。布置四个排气孔, 气孔直径250mm。

(2) 夯击次数:按试夯时记录的夯击次数以及夯沉量关系曲线确定, 同时满足以下要求:1) 采用单击夯击能量为6000KN.m, 最后两击的平均夯沉量不大于100mm, 满足规范要求;2) 保证夯坑周围地面不会发生过大的隆起;3) 不因夯坑过深而发生提锤困难。

(3) 夯击遍数:根据地基土性质, 及以往类似工程的施工经验, 采用点夯2遍, 然后再以低能量满夯1遍, 满夯时可采用轻锤, 或者低落距多次夯击的方法, 锤印搭接1/4。

(4) 两遍点夯之间的间歇:本次施工地层渗透性较好, 夯击时孔隙压力消散快, 可连续夯击。

(5) 夯击点的布置:可根据基底平面形状, 正方形布置。第一遍夯击点间距可取夯锤直径的2.5~3.5倍, 本次为3倍, 间距为7.5米, 第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间, 满足规范要求。

(6) 强夯处理范围:大于建筑物基础范围, 每边超出基础外外缘的宽度宜为基底以下设计处理深度的1/2~2/3, 并且不宜小于3米, 本次设计为10米, 满足规范要求。

4.3.2 加固效果

经建设单位委托, 由具有检测资质的单位对场地进行地基检测:检测面积4740m2, 静荷载试验12处, 满足强夯后地基承载力要求;标准贯入10处, 测定土样的压缩系数;探井试验3处, 测定土样的湿陷系数。

经对试验数据分析得到结论: (1) 地基承载力特征值已达到160 KPa; (2) 土样的压缩模量能满足设计要求不小于10MPa; (2) 地基土的湿陷性已消除。

5. 结论及建议

不同地区, 应根据不同地质条件和不同的结构物, 综合考虑工艺环境、工期等诸多影响因素, 最终选择一个最适合的地基处理方法, 经过优化设计后, 确保处理后的地基满足承载力和变形的要求。

强夯法处理湿陷性黄土地基技术的加固效果显著, 施工中应当注意以下几点:

(1) 对土方的含水量比较敏感, 当原地面含水量较大时, 夯击前在该段落铺垫10~20cm的碎石。

(2) 为保证地基土的均匀性, 不得同时出现两种不同程度的处理地基, 要强夯都要统一强夯到位。

(3) 对于连片开发的建筑群, 应统一施工, 不宜使用几种方法穿插进行, 相互影响比较大。

(4) 强夯不宜在冬季施工, 由于土体的冻结程度不同, 会直接影响到施工工艺。

(5) 施工过程中震动较大, 不适宜用于离建构筑物较近的区域。

摘要：我国湿陷性黄土分布范围很广, 在较复杂的湿陷性黄土条件下, 强夯法处理湿陷性黄土地基技术具有施工简便、速度快、效果好等优点, 在建设中大量运用并取得巨大的成就。本文通过工程实例进行验证, 对于相近地质条件下的地基处理工程具有借鉴意义。

关键词：地基处理,湿陷性,湿陷系数,强夯法

参考文献

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[2] GB50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2004

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[4] 颜波, 林沛元等.强夯地基处理夯沉量及夯击能量耗散分析[J].北京:岩土工程学报, 2011