动静结合排水固结法在广东科学中心工程中的施工试验.pdf

第2 期 2 0 o 6 年2 月 广东土 木与 建筑 GUANGDON G ARCHI T E C TUR E CI VI L ENGI N EER I NG N 0 ． 2 F E B 2 0 0 6 动静结合排水固结法在广东科学中心工程中的施工试验 林群夫 黄步安 ( 广 东科 学 中心筹 建 办公 室 广 州 5 1 0 0 0 6 ) 摘要 ： 对某大型工程软弱地基采 用动静 结合排 水固结法加 固方案． 并设 多个试验 区分别采用不 同的施 工工艺 进行处理 ． 对 比其效果从而获得最优 的施 工参数 ， 关 键 词 ： 动 静 结合 排 水 法 ；软 弱 地 基 ；加 固 随着我 国经济 的发展 ， 越来越多的建筑物建造 在土质松软 的不 良地基上 ． 如不对地基进行加 固处 理则很难满足上部建筑物对变形的控制要求 ． 保证 其稳定性和抗震性能 ， 因此软 土地基加固成为岩土 工程界的一个重要研究课题。地基处理的 目的在于 改善地基土的工程性质 。 如提高强度 、 改善变形模量 和提高抗液化性 能等． 主要处理方法包括注入化学 材料在土中形成固化体 ． 在土中设置砂和碎石桩体 ． 在土中设置加筋材料 。 采用高能量强夯 ． 采用砂井预 压等。地基处理 的方法很多 ． 每种方法都有其不同 的加固原理和适用条件 ． 在实际工程中必须根据地 基土 的特点进行选用。 1工程概 况 广东科学中心是广东省政府投入巨资兴建的大 型公益性科普教育基地 ． 位于规划建设中的广州大 学城小谷围岛西部弯嘴头围． 占地面积达 4 5 ． 3 9万 m ， 总建筑面积 l 2 ． 1 6万 m ， 由科学中心主楼 、 学术交 流 中心和科技塔等 3 个部分组成。 该地块三面环水 、 环境优美 、 地铁通达 、 交通便 捷 、 高校聚集 、 文化氛 围浓厚 ， 其地貌属珠江三角洲 冲积平原 ． 第四系覆盖层主要为人工填土、 冲积淤泥、 粉质粘土、 砂土以及残积而成的粉质粘土， 厚 8 - 2 0 m， 下伏基岩为白垩系 内陆湖相碎屑沉积岩 ，岩性主要 为泥质粉砂岩 。 属高压缩性土。场地普遍分布有第 四纪海陆相沉积的软土。 由淤泥 、 淤泥质土、 粘性土 、 粉土及砂土组成 。 厚约 1 0 ～ 1 5 m， 因此必须对地基进 行加 固处 理 。 经过对该工程软弱地基处理方案进行论证 ， 我 们认为动静结合排水 固结法软基处理方案较合理先 进和可行 。 且施工工期短和造价低 。 既可加快软弱地 2 8 基 的排水固结 ， 提高地基承载力 ， 又可有效消除或减 轻地基土液化现象， 因此建议进行适 当规模的试验 ． 取得 数 据和经 验后 再进 行 全面施 工 。 根据有关专家的意见， 考虑本工程规模较大 ． 故 选取具有代表性 的拟建停车场 内面积 1 6 0 0 m 的一 块场地作为施工试验区 。 进行动静结合排水固结法 试验， 经地基处理和试验后可直接用作工程场地 ． 满 足使用功能要求。 2施工试 验 区地质 条 件 为了对动静结合排水 固结法处理软弱地基的效 果进行试验和监测 ． 以评价其适用性 ． 我们决定采用 该法进行工艺性试验 ． 提出最优的施工工艺参数 。 为 本场地地基处理设计和施工提供依据 ， 指导后续工 程的地基处理施工 ． 其最优施工工艺参数应 当通过 孔隙水压力监测 、 分层沉降监测 、 处理前后效果检验 等来获得。 根据钻探资料 。 本工程地质 土层 由上至下分别 为： ①耕植土层( Q ) ： 耕土呈黄灰色， 由粘性土和植 物根系组成 。 广泛分布 ， 厚 O ． 5 ～ 1 ． 0 m； 素填土呈灰黄 色 。 由粉质粘土及少量碎石或砂土组成 ， 主要分布在 田埂、 涌( 塘) 边等地； ②海陆相沉积( Q ) 、 冲洪积层 ( Q ) ： 由淤泥 、 淤 泥质土 、 粘土 、 粉质粘土 、 粉土 以 及砂土组成 ． 呈片状或带状分布于区内， 其 中淤泥 、 淤泥质土呈灰～ 深灰色 ， 流塑～ 软塑 ， 含粉细砂 ， 层厚 2 ．0 3 ．0 m。 区内广泛分布； ③粘土 、 粉质粘土： 呈灰 黄 、 黄 红 色 ， 含 少 量 粉 细 砂 ， 软 塑 ～ 可 塑 ， 层 厚 2 ． 5 ～ 6 ．0 m。 呈片状或条带状分布区内； ④粉土： 灰黄色， 稍 密 ， 含多量 中、 细砂 ， 层厚约 1 ． 5 m， 呈透镜体状分布 ； ⑤细、 中砂： 以细砂为主， 局部为粗砂， 灰～ 灰白～ 灰黄 色 ， 饱和 ， 松散 ， 稍密， 颗粒较均匀， 层厚 0 ． 8 ～ 7 ． 8 m， 区 维普资讯 2 o 0 6 年2 月 第2 期 林群 夫等： 动静 结合排 水固结法 在广东 科学中 心工程中 的施 工试验 F E B 2 O O 6 N o ． 2 内广泛分布； ⑥残积层( Q ) ： 由泥质粉砂岩风化而 成 ， 含粉质粘土和粘土， 呈褐红色 。 按其稠度可分为 可塑 、 硬塑 和 坚 硬 层 ， 层 面埋 深 8 ． 3 1 5 ． 9 m。 层 厚 0 9 ． 0 m， 广泛分布 ； ⑦基岩 ： 为白垩系下统 白鹤洞组泥 质粉砂岩( K b ) ， 埋藏较深 ， 褐红 褐色。 按风化程度 划分如下： ⑦一 1 为全风化岩。 岩芯呈坚硬土状． 层面 埋深 1 4 ．0 ~ 2 0 ．9 m； ⑦一 2为强风化岩， 岩芯呈坚硬土、 碎屑或半岩半土状， 层面埋深 1 3 ． 8 2 4 ．9 m； ⑦一 3为 中风化岩， 泥质、 泥钙质胶结。 裂隙发育 。 岩芯呈短柱 或碎块状， 层面埋深 1 3 ．4 — 3 6 ．0 m； ⑦一 4为微风化岩， 岩 芯完 整 ， 呈 柱或短 柱 状 。 钙 质胶 结 。 地下水类型属第四系覆盖层孔隙性潜水为主 ． 下覆基岩属软质岩类 ， 基岩裂隙水水量不大 ． 区内地 下水位埋深较浅 。 一般在 0 ． 5 m内。 3动静结合排水固结法软基处理原理 动静结合排水固结法是在软弱地基中设置一套 适应软粘土动力 固结加 固的有效排水系统 ， 采用适 应软粘土地基的“ 先轻后重 、 逐级加能 、 少击多遍 、 逐 层加固” 的夯击方式 。 确立 以不破坏土体宏观结构为 原则的收锤标准 。 形成能有效抑制孔压上升 ． 加速孔 压消散 ， 增强强夯效果 。 降低能耗的一整套动力 固结 法新工艺。 在砂 垫层 ( 或 吹填砂 层 ) 上往 下插设 塑 料排水 板 穿透淤泥 、 淤泥质土 、 粘性土至中细砂层 ． 然后 以严 格控制的强夯动力产生附加应力并作用到软土 中． 产生相应的超孔隙水压力 ： 借助插设 的塑料排水板 所形成 的排水通道作为传递工具 ． 将强夯产生的附 加应力传至排水通道底部 。 从而使排水板所达到深 度范 围内的软土都受到强夯 的影响 。 同时动载压缩 波传到地表临空面时反射则成为拉伸波再 传人土中。 软土 由于抗拉 强度较低 ， 较易产 生拉伸微裂纹 ．在很高的孔隙压力梯度作 用下 ．软土中的拉伸微裂纹贯通成排水通 道 。与排水板构成横竖交叉 的网状排水系 统 。使软土中高压孔隙水经网状排水系统 很快排到地表夯坑或排水砂层 中．立即排 出或流散 。随着土 中孔隙压力消散 ， 软土含 水量和孔隙比明显降低 。软土 固结后变成 较密实的可塑状土． 强度大幅增长 ． 压缩性 大为降低 ； 因强夯 时附加动应力较高 。 往往 比后续使用荷载高 2 3级． 用动力排水固结 工法加 固后 ， 浅层地基土成为超 固结土 。 即使深层土 有一些差异沉降， 由于地表下一定深度内已成为硬 壳层， 能调整地基差异沉降。 从而使表层仅呈现小量 的较均匀沉降， 而不会出现 明显的不均匀沉降。动 静结合排水 固结工法的主要特点如下 ： ( 1 )传统强夯法是一种大能量和能量积 聚的动 力固结法 ， 采用重锤多击 。 适用 于砂性土加 固： 而动 力排水 固结法则严格控制强夯动力和夯击能 。 使软 粘土中产生的超孔隙水压力不过快上升 。 以确保软 土不变成“ 橡皮土” 。 成功地克服 了传统强夯法仅可 用 于软土 的局 限性 ( 2 )利用塑料排水板所形成 的“ 水柱 ” 将强夯产 生的附加应力快速 向土体深部传递 ． 从 而大大扩展 了强夯的影响深度 。 使动力排水固结法用于加固深 厚 软 土成 为可 能 。 ( 3 )巧妙利用动 载压缩波在层状土中传播与反 射而使软土产生的拉伸微裂纹 。 以及在较高孔压梯 度作用下， 拉伸微裂纹又贯通成水平排水通道 ， 并与 排水 板 构成 横 竖交 叉 的网状 排 水 系 统 ， 从 而 使 软土 中高压孔 隙水经 网状排水 系统很快排 出， 大大加速 了软土 的 固结进 程 ( 4 )受严格控制的强夯动力反复和逐步增强地 作用于软土 。 使土 中超孔 隙水压力维持在较高和必 要的合理水平上。 既不破坏软土结构 ． 又能加速软土 中孔隙水的快速排出。 达到快速 、 稳步加 固软土的目 的。 这是传统强夯法无法实现的。 动力排水 固结法与传统强夯法的对比见表 l 。 4施工监 测 与试验 将 1 6 0 0 m 施工试验 区分成 5个区． 分别采用不 表 1 动力排水固结法与传统强夯法的对 比 对比项 目 动力排水固结法 传统强夯法 机 理 翥 大 能 量 和 能 量 积 聚 的 动 力 固 结 夯击 先轻后重。 少击多遍 重锤多击 u．． 设置竖向排水体与表面土层排水体 ， 同时 通常依靠砂土 排水 使土体中形成微裂缝 自身渗透性 羹 蓑 望 通 过 控 制 夯 击 能 来 增 大 影 响 深 度 附加设施排水板。 地表砂垫层 无 运用 包括低透水性 、结构性强的粘性土、 埋 高透水性 、 无结构性 范围 藏较深的土( > 2 0 m) 、 深层加固 土． 埋深 6 ~ 8 m 2 9 维普资讯 2 o o 6 年2 月 第2 期 广东 土木 与建筑 F E B 2 o o 6 N 0 ． 2 同的动静排水 固结法施工工艺 ， 对比其处理效果 ， 从 而选 出最优 的施 工 工艺 参数 。 4 ． 1 施 工工 艺 强 夯选 用起 吊能 力 5 0 t 的履带 吊机 ． 吊钩为 自动 复位式脱钩器 ， 夯锤重 1 3 1 5 t ， 锤体 为圆形并设有垂 直透气孔 。强夯前先施工塑料排水板 ． 板长 1 2 m． 打 穿淤泥和粘性土层并进人砂层。塑料排水板呈梅花 型 布置 ，间距 1 — 3区 为 1 ． 0 mx 1 ． 0 m． 4区为 1 ． 2 mx 1 ． 2 m， 5区为 1 ．4 m x 1 ． 4 m。 强夯夯点按 5 ． 0 mx 5 ． 0 m方形 布置 ， 隔点夯击 ， 分别采用 3 4遍夯击 ， 单点夯击数 4 ~ 5击， 夯击能依次增大， 分别为 6 0 0 ， 8 0 0 ， 1 2 0 0 ， 1 5 0 0 ， 2 0 0 0 k N m， 满夯 一遍 则夯 击能 为 8 0 0 k N IT I 。 4 ． 2 现场监测项 目与数量 对 1 — 5区各选取 1个断面分别在地 面下 2 ． 4 ． 6 ， 8 ， l 0 ， 1 2 ， 1 5 m处埋设孔隙水压力测头 ，对强夯过 程中的孔隙水压力进行跟踪观测 ，同时各选取 1 个 断面埋设分层沉降仪 、 测斜管进行分层沉降和水平 位移观测。 4 ． 3 原位 试验 项 目与数 量 对 1 5区分别在地基处理前后进行 2孔 静力 触探试验 、 2孔十字板剪切试验和 2孔钻孔取样 、 标 准 贯人试 验 。对原 地基 及 1 、 3 、 4区处理 后地 基 分别 进行载荷试验。 每 每 每 每 每 { { { { { { { { { ( 上接第 3 3页) 5小 结 强夯法是通过重锤的 自由落下作用 ． 在极短的 时间内对地基土体施加一个巨大的冲击能量 ， 使土 体发生一系列 的物理变化 ， 如土体结构 的破坏或液 化 ， 排水 固结压密 、 触变恢复以及用硬骨料置换部分 软弱土体等 ，使一定范围内的地基强度得 到提高。 该法的特点是使用设备简单 、 施工工艺和操作简单 、 施工速度快 、 费用低等 ， 比换土 回填法可节省约 6 0 ％ 的费用． 与碎石桩相比则可节省投资 4 0 ％~ 5 O ％。本工 程采用强夯置换达到了道路基础处理 的设计要求 ， 节约了造价， 是一种经济合理的处理方案。 检测结果表 明， 在各方面指标检测中其结果数 值 ， 这说 明在处理覆盖在含大量大直径块石杂填土 下的软弱土层方面 ． 强夯置换是一种降低造价 的方 3 0 4 _ 4室 内试验项 目与数量 对 1 5区 分 别 在 地基 处 理 前 后 钻 孔 取 样 进 行 室内土样物理力学性能试验。 5结论 在 以上施 工试 验 的基础 上 ， 对 施工 试验 、 监 测 的 数据进行分析研究 ， 进行加 固前后土样的结构对 比 分析 ， 可得 出以下结论 ： 5 ． 1 对测试后的钻孔剖面及标贯击数进行分析． 求 出钻孔中砂土层的液化指数及判定结果 ， 结果表明 强夯后的场地砂土层液化程度得到明显改善 ， 由“ 中 等一 严重” 改变为“ 不液化 轻微” 。 5 ． 2地基经强夯处理后 ， 主要物理力学指标 ( 如压 缩模量、 抗剪强度 、 干容重等 ) 均有较 明显的提高。 5 ． 3 经动力排水 固结法处理后 ． 填土层的 自重 固结 已完成 ， 上部软弱土层的附加固结基本完成。 5 ． 4 采用堆重试验法 ． 将堆重加载至 3 6 0 k N时 ， 总沉 降量为 2 3 ． 6 5 - - 4 0 ． 9 9 mm， 且 曲线平缓 ， s 一 1 曲线 呈平行排列 ， 承载力 特征值基 本可达 1 8 0 k P a ， 满足 本工程的使用要求。 参考文献 [ 1 ]陈善组选编．卢肇钧 院士科技论文选集 [ C] ．北京 ： 中国 建筑 工 业 出版 社 ． 1 9 9 7 s 彳 { 法 ． 但其加 固深度较有限。本工程淤泥层厚度为 2 — 3 m( 上覆土层 2 m厚杂填 土石 ) ， 加固影响深度可达 5 ~ 6 m． 但 如 淤泥层 较 厚就 无法 通 过强 行增 大能 级或 增加夯击次数来达到理想加 固效果。若强行增大能 级或增加夯击次数 ， 不但不能节约造价， 还会降低处 理功 效 ． 因此对 本工 程 的厂 区道路 加 固而 言 ， 增 强地 基稳定性是可行和经济的，但作为加固建筑物的地 基 ． 则应选用更可靠经济的地基处理方案。 参考文献 [ 1 ]J G J 7 9 — 2 0 0 2 建筑地基处理 技术规 范[ S ] [ 2 ]王铁宏．全 国重 大工 程项 目地基处理 工程实录 [ M] ．北 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 1 9 9 8 [ 3 ]叶书麟 ， 叶观 宝．地基处理 [ M] ．北京 ： 中国建 筑工业出 版 社 ． 1 9 9 7 维普资讯