某沉箱码头后方强夯试验研究

高志义，高潮

（中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点试验室，天津市港口岩土工程技术重点试验室，天津 300222）

0 引言

某沉箱码头的基槽开挖至标高-18 m，边坡为1：2，坡底以下为黄褐色或黄绿色残积土，其下为全风化花岗闪长岩。长20 m、宽15 m、高18.5 m的沉箱座落在-16 m至-18 m的抛石基床上。沉箱后方开挖后，-5 m以上回填含黏粒较多的风化砂，-5 m以下回填中粗砂。

码头后方原设计地基加固方案为：距沉箱后壁15.0 m范围内为振冲法加固回填砂；距沉箱后壁15.0～43.5 m范围内采用强夯加固法，其中15～23.5 m、23.5～43.5 m两范围内的夯击能分别为 1 000～1 500 kN·m、2 500 kN·m；43.5 m以外采用打设塑料排水板堆载预压法加固地基。

为提高强夯加固效果，降低造价，缩短工期，欲通过强夯试验区，探索将强夯区扩大至距沉箱后壁12.5 m处的可行性，以及提高夯击能的可能性；对因此而引起的对码头结构内力的影响，以及对码头整体稳定性的影响进行判断，以指导大面积强夯施工。

1 机理分析

强夯法是将重锤 （一般100～400 kN）从高处 （6～40 m）自由落下产生的冲击波使地基密实的加固方法。

夯锤自由落下的过程，也是势能转化为动能的过程，随着夯锤下落，势能越来越小，动能越来越大。夯锤夯击地面时，除极少部分动能转化为声波、热能外，绝大部分动能使土体产生自由振动，并产生一个波场（见图1）。波场包含体波和面波，其中体波包括压缩波（P波）和剪切波（S波），它们沿着半球波阵面径向向地基中传播；面波为瑞利波（R波），沿1个圆柱波阵面径向向地基中传播。压缩波的质点运动属于平行于波阵面的一种推拉运动，它大部分通过液相运动，使孔隙水压力增大，同时使土颗粒错位，土骨架解体；随后的剪切波使土颗粒更密实。剪切波的质点运动属于和波阵面正交的横向位移，而瑞利波的质点运动则是由水平和竖向两个分量所组成的。竖向分量起到松动土的作用，剪切波和瑞利波的水平分量使土颗粒间受剪，使土体得到密实。

图1 重锤夯击在弹性半空间地基中产生的波场

根据Miller计算，压缩波占总能量的7%，剪切波占26%，瑞利波占67%[1]。因瑞利波占总能量的2/3，而且它的衰减速度随距离增加比体波慢得多，所以瑞利波更具有重要意义。这也是采用减震沟的意义所在，同时也是形成夯击点附近地表隆起的原因。上述这些波通过地基后，土颗粒将趋于新的、更加稳定的最终状态，从而使地基土得到加固。

强夯加固地基的3方面机理：1）加密作用，指空气或气体排出；2）固结作用，指水或气体的排出；3）预压变形作用，指各种颗粒成分在结构上的重新排列。

2 监测仪器布置及试验过程

如图2所示，沿码头横向距沉箱后壁10.0 m至37.5 m，以及沿码头纵向长20 m的范围内为试验区，总面积550 m2。后轨道梁纵向穿过试验区，见图3。试验期间已回填至+4.5 m。强夯采用上海W-1001型吊机，夯锤为4个带孔的圆台形铸铁锤，底面直径2.0 m，高0.7 m，锤质量16.5 t，落距15.2 m，单点夯击能2 500 kN·m。

采用3遍夯击，第1遍夯击5 m×5 m正方形角点，第2遍夯击正方形中心点，第3遍为低能量满夯，每点两击。第1、第2遍的单点夯击击数均为10击左右，个别可达11～12击，并满足最后两击的平均夯沉量≯5 cm的设计要求。

监测仪器平面和断面布置如图2和图3所示。4月30日至5月1日进行强夯试验区第1遍强夯，夯击顺序按图2中第1至第8夯点进行；待孔隙水压力消散趋于稳定时，5月5日进行第2遍强夯，夯击顺序为图2第1′至第6′夯点；5月9日又补夯了1″、2″、3″3个夯点。待孔隙水消散一周后，5月15、16、17日进行3个孔的标准贯入试验。

图2 强夯试验区夯点及观测仪器布置平面图（单位：m）

图3 强夯试验区观测仪器布置断面图（单位：m）

3 监测结果及其分析

3.1 孔隙水压力监测结果及其分析

3.1.1 沿深度的变化

孔压沿深度在某时刻监测结果见图4，从图4可以看出：

1）一般最大孔压增量发生在中间部位，即-5.5 m上下的第3个测头附近。这是由于体波从波源沿着1个半球波阵面径向向地基传播形成的。

2）当孔压的测孔距振源近时，土体上部一般会形成1个次最大孔压增量。如图4（a），上部的K1-1、K2-1和图4（b）的K2-1成为次最大孔压增量。这主要是由于面波沿着1个圆柱波阵面沿表层向外传播所致；而图4（c）的K3组旁为1个减震沟与振源相隔，将面波大大减弱，所以表层的K3-1、K3-2孔压增量为最小，打破上述规律。

图4 孔隙水压力监测结果

3）当测孔距振源越远时，最大孔压峰值增量的位置越偏下。如图4（c）中K3，所以K3最大孔压峰值增量发生在中部和中下部K3-3和K3-4处。这是体波沿半球阵面向地基传播，越远传播越往下所致。

3.1.2 每遍夯击时孔隙水压力变化时程线

每个夯点在10多锤的夯击下，其孔压的时程线如图5，从图5中可以看出：

1）在数秒到1、2 min内孔压迅速形成峰值，又在数秒到2、3 min内迅速消散，但消散过程要慢于形成过程。

2）如前所述，因埋设仪器引起的超静孔压还未消散完毕，在夯击过程中这部分超静孔压仍在继续消散，致使孔压最低值的连线，呈逐渐下移的趋势。

图5 5'夯点K1-1传感器孔隙水压力时间过程线

3.2 最佳夯击能的确定

理论上讲，在一定的夯击能作用下，且在要求加固深度处的地基中，所产生超静孔隙水压力Δu达到土体的自重应力时，这时的夯击能称为最佳夯击能。在黏土中因此时土体才可产生竖向裂隙或初始液化，孔压消散慢，随夯击能增大，孔压亦相应叠加，可根据孔压的叠加值来确定最佳夯击能；而砂土中，孔压增长与消散仅为几分钟，孔压增量不能随夯击能的增加而叠加。绘出孔压增量峰值与夯击次数（夯击能）的关系曲线（如图6所示），可确定出最佳夯击能：当孔压增量随夯击次数增加而逐渐趋于恒定时，可以认为该种砂土所接受的能量已达到饱和状态，此时能量即为最佳夯击能，即2 500 kN·m×10=25 000 kN·m。

图6 同夯点不同深度最大孔压增量与夯击数关系

超过最佳夯击能，夯坑虽可加深，但主要为侧向挤出或隆起，锤底以下土体已无挤密，也不能提高有效加固深度。

3.3 土压力监测结果及分析

为消除潮位影响，全部换算为设计水位4.32 m时的土压力监测值。从监测结果看出：

1）土压力测点距夯点较近时，引起测点较浅处的土压力增量较大；反之，引起较深处的土压力增量较大。这是由于最大波能沿夯点向地基的斜下方向传播所致。

2）土压力增量沿深度分布呈中间大、上下端小，且夯点近时最大值偏上，反之偏下。这也是最大波能沿斜下方向传播所致。

3）强夯期间土压力变化时程线的形态，与图5相仿。

4）土压力实测最大值与设计允许值的比较：以实测最大土压力进行最不利组合得到图7。从图7看出，沿深度实测最大土压力平均值约为设计允许值的72.8%。从而判断出，单点夯击能提高到2 500 kN·m，且强夯区向码头后壁前移后，不会引起沉箱结构的损坏。

图7 实测最大土压力值与设计允许值的比较

3.4 深层水平位移监测结果及分析

篇幅所限，各处深层水平位移曲线省略，其各处的深层水平位移曲线特征值如表1，由表看出：

1）C3距强夯试验区最近，水平位移最大，且最大值处位置最高；反之，最远的C1，水平位移最小，其最大值处位置最低。这是由于最大波能沿斜下方向地基中传播引起的。

表1 深层水平位移监测曲线征值

2）C1、C3间距仅为6 m，则最大位移已衰减95.5%，说明波能随距离的传播，其衰减是非常快的。

3）沉箱后壁旁挖了深3 m、底标高为+1.45 m的减震沟，C4处在沉箱与减震沟之间。在减震沟高程内C4最大水平位移61.48 mm是挖减震沟引起的，并非强夯引起。

4）C4在+1.45 m以下未发生水平位移。证明单点夯击能提高到2 500 kN·m，且强夯区向码头前移后，码头不会发生倾斜、滑动和转动，即码头整体稳定是没有问题的。

3.5 码头位移、沉降观测结果及分析

试验期间，专人一直观测码头的位移和沉降，始终未发现有位移、沉降出现。码头上的位移、沉降点监测结果再次说明，单点夯击能提高到2 500 kN·m，且强夯区向码头后壁前移后，对码头整体稳定性毫无影响。

3.6 标准贯入试验结果及分析

强夯试验结束1周后做了3个标贯试验。各孔标贯试验结果见表2，其标贯曲线省略。按规范规定[2]，地下水位以下的中粗砂，应在标贯试验的基础上增加5击，从表2看出：

1）位于夯坑中心的SP1，影响深度约6 m，N63.5=30～42击，所以N值最大。

2）位于4个相邻夯点间的SP2、SP3，影响深度约7.5 m，比SP1影响深，这是因为4夯点最大波能均沿斜下方传播叠加的结果。

3）SP2的N为 19～28击，SP3的N为 12～20击，均低于SP1，因两者均在4夯点间之故。SP3在-5 m以下为原地基，故表2中未增加5击，-11.0 m已为风化土，所以N值较大。

表2 标准贯入击数N63.5检测结果

4 结论

1）强夯试验区是将强夯设计加固区沿码头横向向前扩大至距沉箱后壁12.5 m处，并将全部强夯试验区的单点夯击能改为2 500 kN·m。从监测的各种数据均说明：码头整体稳定性满足要求，并且沉箱内力未超过设计允许值，也不会引起沉箱结构损坏，而且也突破了强夯区应距建筑物15 m的限制。

2）从码头胸墙上的位移和沉降观测点监测，以及沉箱后壁旁与减震沟之间的深层沉降C4监测结果，均未发现表层和深层位移或沉降，这说明沉箱码头未出现倾斜、滑移和转动等各种失稳现象。试验证明，码头整体是稳定的。

3）试验期间实测最大土压力值为设计允许土压力值的72.8%，说明强夯引起沉箱结构的内力，并无超过设计允许内力值。从而判断：单点夯击能提高到2 500 kN·m，且强夯区向码头后壁前移后，不会引起结构的破坏或裂缝等不利后果。

4）由实测孔压值推算最佳总夯击能为25 000 kN·m；强夯引起孔压增量峰值一般在几分钟可消散，说明消散是较快的；沿深度孔压、土压增量的最大值一般出现在中部。若测点距夯点近，则最大值偏上，否则逐渐下移。在沉箱后壁处一般出现在-5 m上下。

5）试验区旁C3与C1间距为6 m，其位移最大值分别为119.85 mm和5.34 mm，即在6 m范围内可衰减95.5%。这说明，在此处强夯波能传播的衰减速度是非常快的；由于减震沟的存在，致使沉箱后壁处土体上部K3-1和K3-2的孔隙水压力一般偏小，这说明减震沟的作用是明显的。建议大面积施工时，靠近沉箱后壁处应设置减震沟。

[1]《地基处理手册》编写委员会.地基处理手册[M].北京：交通出版社，1989：217-218.

[2]JTJ240-97，港口工程地质勘察规范[S].