CN104727294B - 高水位地基强夯施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及土木工程地基处理技术领域，具体是一种高水位地基强夯施工方法。它是通过控制地下水位，保证在夯击过程中夯锤不与地下水位面撞击，从而提高强夯加固地基的有效夯击能来实现的。本发明解决了下述问题：1）高水位地基在夯击过程中，夯坑及周围积水，夯坑周围一定范围内的地面开始下沉，造成起锤困难、设备下陷的问题；2）因砂土液化而发生涌砂灌满砂坑，致使施工无法继续，达不到设计要求的夯击标准的问题；3）由于地下水位浅，场地松软，致使强夯设备无法施工的问题。

Description

高水位地基强夯施工方法
技术领域
本发明涉及土木工程地基处理技术领域，具体是一种高水位地基强夯施工方法。
背景技术
高水位地基，指地下水位不低于地表下4m的地基，如填海地基、河漫滩地基或者平原、盆地中心及洼地、沼泽等高水位区的地基。
高水位地基由于地基土为固相与液相二元结构，故其强夯的加固机理与地下水位以上地基有很大的不同，在施工过程中所出现的问题也很复杂，主要表现为：
1、在夯击过程中，夯坑及周围积水，夯坑周围一定范围内的地面开始下沉，造成起锤困难、设备下陷等情况。
2、因砂土液化而发生涌砂灌满砂坑，致使施工无法继续，达不到设计要求的夯击标准。
3、由于地下水位浅，场地松软，致使强夯设备无法施工。
发明内容
本发明提供一种高水位地基强夯施工方法，它是通过控制地下水位，保证在夯击过程中夯锤不与地下水位面撞击，从而提高强夯加固地基的有效夯击能来实现的。
本发明采取以下技术方案：一种高水位地基强夯施工方法，具体步骤如下：
1）根据场地地下水位深度、设计要求的地基处理深度（强夯有效加固深度）和设计指标（地基承载力、压缩模量等物理力学指标）、场地土层性质确定强夯能级。强夯能级的确定参考《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）、《强夯地基处理技术规程》（CECS279:2010）。
2）根据强夯能级、土层的工程性质评估夯坑的最大深度，确定地下水位的控制深度，强夯的夯坑深度与强夯能级有关，能级越高，夯坑深度越大。
3）根据地下水位的控制深度，确定地下水位控制方法，地下水位控制方法包括垫层法和降水法。
4）确定强夯施工方案和施工参数，通过试夯来确定具体工艺参数。
5）进行降水和强夯总体施工。降水与强夯的施工参数可参照常规方法，当地层为软土地基时，采用低能级、少击数、多遍夯、先轻后重的原则进行施工。宜采用2-4遍进行夯击。单击夯击能从400KN.m逐渐增大到2000KN.m以上，具体工艺参数应通过试夯来确定。
步骤2中地下水位的控制深度确定方法，按以下方法确定：
夯坑深度：
强夯能级（KN.m） 夯坑深度（m）
2000-3000 1-2
4000-6000 2-3.5
6000-8000 3.5-4.5
当地基土为砂土、砾石、碎石土时，取小值；当地基土为细颗粒土时，取大值。
地下水位控制深度：
对于杂填土、碎石土、中粗砂地基，地下水控制深度要大于预估的最大夯坑深度0.5m；对于粉细砂一类的地基，地下水控制深度=夯坑深度+毛细水上升高度；当地基土为透水性差的粘性土地基，地下水位控制深度应接近于强夯处理深度。
步骤３中的地下水位控制方法，包括垫层法和降水法。
①铺设垫层法
当地下水位控制深度调整幅度一般不大于1.5米，不会因增加垫层的厚度而影响到地基处理深度或影响到场地标高的控制。施工现场有可供使用的适宜的垫层材料，不因材料的购买、运输而大幅增加地基处理费用。
②降水法
当地下水位控制深度调整幅度大于1.5米，或铺设垫层不经济时，可采用降水法。
采用垫层法时，铺设垫层的厚度等于地下水位深度调整幅度。根据场地土方资源条件，确定垫层材料的成份、粒径、级配等控制标准。垫层材料可采用级配良好的块石、碎石、砂粒砾石、矿渣、建筑垃圾等硬粗粒材料，最大粒径不宜大于300㎜；垫层的铺设采用堆填法，根据垫层的厚度分一至二层回填压实，压实度不小于0.90。
采用降水法时，①当地基土为软土地基时，宜采用真空井点、喷射井点、电渗井点等轻型井点降水。
②当地基土为砂砾石层，渗透性较好时，可采用管井井点降水。
③每个施工单元应分设场地降水、封堵降水两套井点系统，在场地降水井点系统停止降水后，封堵降水井点系统仍保持降水。
④降水井点系统，轻型井点间距宜为1-2m，正方形布点；封堵井点系统，轻型井点间距宜为1-2m，布置1-2排，沿施工单位边界布置。
① 管井井点根据地基土的渗透系数大小，取10-20m。
步骤5中具体施工方案如下：将场地按10000㎡-20000㎡划分施工单元，每个施工单元按降水→第一遍夯→降水→第二遍夯→降水→第三遍夯的施工程序安排，流水施工。
本发明的机理如下：
对连续弹性体而言，质点在连续介质内振动，其振动能可以传递给周围介质，引起周围介质的振动，振动在介质内的传播过程中形成波。波在介质内的传播分为纵波和横波，波的传播形式是纵波还是横波是由介质所确定的：如液体和气体介质除液体表面可以传播瑞利波外，不能在内部传播横波。液体及气体受压缩时，有弹性恢复作用，剪切时无弹性恢复作用，所以在液体和气体中，只能传播纵波。在固体中，纵波和横向波可以同时存在。
从介质的谐振周期T分析，介质的谐振周期和刚度有关，对液体介质，其刚度K值远大于土体介质，所以重锤夯击时，引起土相介质和液相介质的振动频率也不同，所以不同的介质在夯击中引起不同的反应。
地基是半无限弹性体。强夯处理地基时，由高势能夯锤自由落下，和地基土碰撞产生巨大的冲击波，这部分冲击能，一部分以声波的形式向外传播，一部分由夯锤和地基土摩擦而形成热传播，其余大部分冲击能以体波的形式由振源点向地基深层及周围传播，能量释放于可加固的地基中，使土体得到不同程度的压密和加固。冲击波对地基产生压缩和侧向挤压，产生纵波，纵波的质点振动方向和传播方向相同，所以也称为压缩波（P波），它对地基有压密作用。冲击波对地基产生的剪切变形，在地基中产生横波，即剪切波（S波），横波的振动方向和传播方向垂直，对地基产生松动作用。
横波在介质表面极化为与传播方向垂直的竖向振动（SV波）和水平切向振动（SH）波。在介质表面SV波和径向振动波合成为瑞利波，SH波和径向振动波合成为乐夫波，瑞利波和乐夫波合称为面波。对地基产生有害影响的主是瑞利波。
由于地下水的存在，地基是固液两相的半无限大弹性体，由于液体的刚度很大，所以强夯时，如果夯锤和水面直接撞击，冲击波将在水面形成能量很大的面波，从而耗损掉大部分夯击能，对水位以上地基形成很大的破坏，直接用于加固地基的有效夯击能大大减少。
从高水位地基强夯能量的传播机理分析出高水位地基强夯的关键技术是地下水位控制。保证在夯击过程中夯锤不与地下水位面撞击，即地下水位应低于夯坑最大深度。
与地下水位控制有关的因素，地下水位与强夯能级的关系：强夯能级越大，夯坑深度越深，地下水位也应越深。
地下水位与地基土性质的关系，1）对于透水性差的粘性土地基，降水有利于强夯效果的提高，则地下水位控制深度应接近于强夯处理深度。2）对于粉细砂一类的地基，由于干砂在没有上覆压力的情况下很难压实，同时粉细砂在有毛细水存在的情况下又易于压实，因此对粉细砂一类的地基，水位控制深度应为夯坑深度+毛细水上升高度。3）对于杂填土、碎石土、中粗砂地基，地下水控制深度要大于预估的最大夯坑深度0.5m；
与现有技术相比，本发明将地下水位控制低于夯击碰撞面，强夯能量的传播条件得到有利的改善，夯击能在水中的传播有压缩波而没有剪切波，使加固地基的有效夯击能增加。当夯锤与地下水位面撞击时，夯击能的70%转化为剪切波（有害波），当夯锤与地基表面接触时，只有30%的夯击能转化为剪切波，70%转化为压缩波，即为有效夯击能。
因此本发明解决了下述问题：
1）高水位地基在夯击过程中，夯坑及周围积水，夯坑周围一定范围内的地面开始下沉，造成起锤困难、设备下陷的问题；
2）因砂土液化而发生涌砂灌满砂坑，致使施工无法继续，达不到设计要求的夯击标准的问题；
3）由于地下水位浅，场地松软，致使强夯设备无法施工的问题。
具体实施方式
一种高水位地基强夯施工方法，具体步骤如下：
1）根据场地地下水位深度、设计要求的地基处理深度（强夯有效加固深度）和设计指标（地基承载力、压缩模量等物理力学指标）、场地土层性质确定强夯能级。强夯能级的确定参考《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）、《强夯地基处理技术规程》（CECS279:2010）。
2）根据强夯能级、土层的工程性质评估夯坑的最大深度，确定地下水位的控制深度。强夯的夯坑深度与强夯能级有关，能级越高，夯坑深度越大，一般可按以下方法确定：
强夯能级（KN.m） 夯坑深度（m）
2000-3000 1-2
4000-6000 2-3.5
6000-8000 3.5-4.5
当地基土为砂土、砾石、碎石土时，取小值；当地基土为细颗粒土时，取大值。
地下水位控制深度：
对于杂填土、碎石土、中粗砂地基，地下水控制深度要大于预估的最大夯坑深度0.5m。
对于粉细砂一类的地基，地下水控制深度=夯坑深度+毛细水上升高度。
当地基土为透水性差的粘性土地基，地下水位控制深度应接近于强夯处理深度。
3）根据地下水位的控制深度，确定地下水位控制方法。
①铺设垫层法
当地下水位控制深度调整幅度一般不大于1.5米，不会因增加垫层的厚度而影响到地基处理深度或影响到场地标高的控制。施工现场有可供使用的适宜的垫层材料，不因材料的购买、运输而大幅增加地基处理费用。
②降水法
当地下水位控制深度调整幅度大于1.5米，或铺设垫层不经济时，可采用降水法。
采用垫层法时，铺设垫层的厚度等于地下水位深度调整幅度。根据场地土方资源条件，确定垫层材料的成份、粒径、级配等控制标准。垫层材料可采用级配良好的块石、碎石、砂粒砾石、矿渣、建筑垃圾等硬粗粒材料，最大粒径不宜大于300㎜；垫层的铺设采用堆填法，根据垫层的厚度分一至二层回填压实，压实度不小于0.90。
采用降水法时，
①当地基土为软土地基时，宜采用真空井点、喷射井点、电渗井点降水等轻型井点降水。
②当地基土为砂砾石层，渗透性较好时，可采用管井井点降水。
③每个施工单元应分设场地降水、封堵降水两套井点系统，在场地降水井点系统停止降水后，封堵降水井点系统仍保持降水。
④降水井点系统，轻型井点间距宜为1-2m，正方形布点；封堵井点系统，轻型井点间距宜为1-2m，布置1-2排，沿施工单位边界布置。
② 管井井点根据地基土的渗透系数大小，取10-20m。
4）确定强夯施工方案和施工参数
降水加强夯的施工参数可参照常规方法，当地为软土地基时，采用低能级、少击数、多遍夯、先轻后重的原则进行施工。宜采用2-4遍进行夯击。单击夯击能从400KN.m逐渐增大到2000KN.m以上，具体工艺参数应通过试夯来确定。
5）降水和强夯总体施工程序
为了使降水与强夯施工有序进行，可将场地按10000-20000㎡划分一个施工单元，每个单元按降水→第一遍夯→降水→第二遍夯→降水→第三遍夯的施工程序安排，流水施工。每个施工单元分别设置封堵降水和场地降水两套降排水系统，在场地降水停止以后，封堵降水系统仍保持降水。
总体施工方案施工组织设计如下：
I．井点降水方案的编制与参数设计
II．每个施工单元周围应设封堵降水井点，避免施工区以外高水位地下水流入已降水的施工区。
III．每个施工单元应分别设置两套降、排水系统，在场地降水停止后，封堵系统仍保持降水。
IV．编制强夯施工方案，确定施工参数、工艺流程。
V．将降水和强夯施工方案组合，编制统一的施工程序。
VI．制定降水井点施工方法，井管质量及控制标准。
VII．制定强夯施工方法及质量及控制标准。
VIII．总体方案实施。
IX．加固效果检测。
工程实例
1 中委合资广东石化2000万吨/年重油加工工程
中委合资广东石化2000万吨/年重油加工工程位于广东省揭阳市惠来县，设计规模为原油加工能力2000万吨/年。整个场区约560万m2，主要采用3000kN.m、5000kN.m强夯能级处理。
2 土层分布
强夯处理深度范围内从上到下分为六个工程地质土层。
层细砂（Q4 ml）：褐黄色~灰黄色，松散稍密，稍湿~湿，主要矿物成分为石英、长石，砂质纯，颗粒级配不良，该层场地均有分布，厚度为0.1~2.5m，平均0.82m。
1层细砂（Q4 eol+m）：褐黄色，松散，湿~饱和，主要矿物成分为石英、长石，砂质纯，颗粒级配不良，该层本场地均有分布，层厚为1.6~8.4m，平均4.3m。
2层细砂（Qal）褐黄色、白色，松散、饱和，主要矿物成分为石英、长石，砂质纯，颗粒级配不良，该层本场地局部分布，厚度0.3~2.4m平均1.4m。
夹层泥炭质土（Q4 m）：黑~黑灰色，流塑~软塑，含粉细砂及大量未完全分解的植物残渣，无光泽反应，韧性及干强度低。局部为粉质粘土或淤泥质粉质粘土夹砂，该层在本场地局部分布，层厚0.5~2.9m。
3层细砂（Q4 al）: 褐黄色，稍密、饱和，主要矿物成分为石英长石、砂质纯，颗粒级配不良，该层在本场地普遍分布，层厚为0.4~4.4m，平均4.3m，平均2.65m。
4层细砂（Q4 al）: 褐黄色~灰白色，稍密~中密，饱和，主要矿物成分为石英长石、砂质纯，颗粒级配不良，该层在本场地均有分布，最大揭露厚度5~6m。
3 地下水
地下水位埋深0.4~1.8m，平均0.8m左右。
4 设计要求
3000kN.m处理区：加固后的地基承载力特征值fak≥200kPa,压缩模量Es≥20MPa.
5 地基处理方案
点夯3000kN.m，夯点间距6m，正方形布置，分二遍进行，夯点的夯击次数由现场施工确定；收锤标准：最后两击夯沉量平均值≤50mm。
满夯1000kN.m，2遍，夯印相搭1/4锤径，每点2击。
6 未采用降水方案区域强夯情况
6.1 地下水位小于1m深的区域，产生以下现象：
（1）在夯击过程中，夯坑及周围积水，夯坑周围一定范围内的地面开始下沉，造成起锤困难、设备下陷等情况。
（2）因砂土液化而发生涌砂灌满砂坑，致使施工无法继续进行，达不到设计要求夯击控制标准。
（3）由于地下水位浅，场地松软，致使强夯设备无法运输施工。
6.2 在地下水位1.0m以上的区域
此区域3000kN.m能级强夯可以勉强施工。但夯后效果达不到设计要求，夯后检测结果：
（1）层细砂，为松散，稍密状态，平均厚度0.8m，标贯修正锤击数平均值12.5击，静探锥阻平均值5.28MPa。
（2） 1层细砂，夯后为中密~密实细砂，标贯修正击数平均值24.7击，静探锥阻平均值17.14MPa，承载力特征值220 kPa。层平均厚度3.2m。检测深度范围内存在两层软弱层， 2层细砂与夹层泥炭质土。
（3） 2层细砂，主要位于4.1~5.4m深度范围内，松散，标贯修正锤击数平均值7.0击，静探锥阻平均值3.93MPa，承载力特征值为100 kPa。
（4）夹层泥炭质土，主要位于4.2~5.1m，流塑，标贯修正击数平均值5.9击，静探锥阻平均值1.55MPa，承载力特征值为60 kPa。作为软夹层，离设计要求偏差较大。
（5） 3层细砂，标贯修正锤击数平均值12.3击，静探锥阻平均值7.53MPa，承载力特征值为160 kPa。层顶深度为2.8~7.3m。
场地6m以下为 4细砂层，中密~密实，标贯修正锤击数23.4击，静探锥阻平均值14.9MPa，承载力特征值为210 kPa。
6.3 加固效果分析
（1）水位深度小于1.0m区域，强夯基本无法正常施工。
（2）水位深度在1.0~1.8m以上区域
表层层细砂松散层主要位于地下水位较高区域，由于夯坑深度在1.5m左右，故夯锤与地下水位面撞击，造成水位面以上土层被前切波松动，无法加密。
2层细砂虽然为细砂，但由于已位于强夯面4m以下，由于场地水位高，夯击能在水位面耗散较大，传到4m以下，强夯影响已显著衰减。
夹层泥炭质土，本身为有机质软土，不适于强夯加固，因此此土层的加固效果很差。
7 强夯加固方案的调整
根据强夯初期施工的情况，决定对高水位区域采用降水加强夯方案。
该区域地层为细砂，要想取得比较好的加固效果，地下水控制深度应等于夯坑深度+毛细水上升高度；该区域夯坑深度1.5m左右，毛细水上升最大高度为1.5m，因此地下水位深度应控制在3m左右，才能保证施工质量。
该场地地下水位埋深0.4~1.8m，平均0.8m左右，因此地下水平均降深要达到2.2m左右，才能达到施工要求。
7.1降水方案
由于该区域地层为细砂，渗透性较好，因此，降水方案采用了管井井点降水。
井点间距18m，正方形布置，井深6 m，井点布置在夯点间，以减轻降水对强夯施工的影响与干涉。
井孔回转钻成孔，孔径400㎜。井管直径315㎜，井管高出地面300㎜，钻孔深5.7m，水位降深3m，降水时间5-7天。
降水面积按10000㎡一个单元，当场地地下水深度达到3m后，进行第一遍强夯，场地推平后，再进行降水，然后进行第二遍点夯施工。点夯结束后，分别进行两遍满夯施工，施工参数同前。
7.2调整方案后的加固效果
采用地基静载荷试验、静力触探、标准贯入试验，检测效果如下： 7.2.1 六联合强夯中间检测结果
表7.2.1 六联合车间强夯中间检测结果
力学分层 深度（m） 承载力物征值（KPa） 压缩模量Es（MPa）
① 0.8-2 200 20.0
②1 2.0-6.0 250 23.0
②3 6.0-9.0 210 19.0
②2层细砂 6.0-9.0 110 7.0
7.2.2装置区强夯中间检测结果
表7.2.2 装置区检测结果
力学分层 深度（m） 承载力物征值（kPa） 压缩模量Es（MPa）
① 0.8-2.0 200 17.0
②1 0.7-7.0 240 22.0
②3 7.0-8.0 220 20.0
②4 8.0-9.0 180 14.0
②夹软弱层 2.0-6.0 100 6.0
②层细砂 6.0-9.0 120 7.0
7.2.3降水后的强夯效果：
①层的承载力明显提高，由松散提到中密；
③ 层泥炭状土，由60kPa提高到100kPa；
②2层细砂也提高到了120 kPa。

Claims (4)

1.一种高水位地基强夯施工方法，其特征在于：
1）根据场地地下水位深度、设计要求的地基处理深度和设计指标、场地土层性质确定强夯能级；
2）根据强夯能级、土层的工程性质评估夯坑的最大深度，确定地下水位的控制深度，强夯的夯坑深度与强夯能级有关，能级越高，夯坑深度越大；强夯的夯坑深度按以下方法确定：
强夯能级（KN.m） 夯坑深度（m） 2000-3000 1-2 4000-6000 2-3.5 6000-8000 3.5-4.5
当地基土为砂土、砾石、碎石土时，取小值；当地基土为细颗粒土时，取大值；
地下水位的控制深度按以下方法确定：
对于杂填土、碎石土、中粗砂地基，地下水控制深度要大于最大夯坑深度0.5m；
对于粉细砂一类的地基，地下水控制深度为：夯坑深度+毛细水上升高度；
当地基土为透水性差的粘性土地基，地下水位控制深度应接近于强夯处理深度；
3）根据地下水位的控制深度，确定地下水位控制方法，地下水位控制方法包括垫层法和降水法；
4）确定强夯施工方案和施工参数，通过试夯来确定具体工艺参数；
5）进行降水和强夯总体施工。
2.根据权利要求1所述的高水位地基强夯施工方法，其特征在于：步骤3中的地下水位控制方法，包括垫层法和降水法，
当地下水位控制深度调整幅度不大于1.5米，不会因增加垫层的厚度而影响到地基处理深度或影响到场地标高的控制时，采用垫层法；
当地下水位控制深度调整幅度大于1.5米时，采用降水法。
3.根据权利要求2所述的高水位地基强夯施工方法，其特征在于：采用垫层法时，铺设垫层的厚度等于地下水位深度调整幅度，垫层的铺设采用堆填法，分一至二层回填压实，压实度不小于0.90；
采用降水法时，
当地基土为软土地基时，采用轻型井点降水；
地基土为砂砾石层，渗透性较好时，采用管井井点降水；
每个施工单元应分设场地降水、封堵降水两套井点系统，在场地降水井点系统停止降水后，封堵井点系统仍保持降水；
降水井点系统，轻型井点间距为1-2m，正方形布点；封堵井点系统，轻型井点间距为1-2m，布置1-2排，沿施工单元边界布置；
⑤管井井点间距根据地基土的渗透系数大小，取10-20m。
4.根据权利要求3所述的高水位地基强夯施工方法，其特征在于：步骤5具体施工方案如下：将场地按10000㎡-20000㎡划分施工单元，每个施工单元按降水→第一遍夯→降水→第二遍夯→降水→第三遍夯的施工程序安排，流水施工。
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