基于孔压监测的强夯置换和砂井-强夯处理饱和软土地基试验研究

刘红军， 吴 腾， 马 江， 王 虎

(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室； 2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；3.青岛时代建筑设计有限公司， 山东 青岛 266500)



技术报告

基于孔压监测的强夯置换和砂井-强夯处理饱和软土地基试验研究

刘红军1,2， 吴 腾2， 马 江3， 王 虎2

(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室； 2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；3.青岛时代建筑设计有限公司， 山东 青岛 266500)

在青岛某饱和软土场区采用强夯置换和砂井-强夯2种不同方案进行试夯试验。在试验区距夯点不同距离、不同深度的土层中埋设孔隙水压力计，通过观测，分析试夯过程中超孔隙水压力的变化规律，得出以下结论：2000～2500kN·m夯击能作用下，点夯试验最佳夯击数为强夯置换14击、砂井强夯16击，且2种方案强夯有效加固深度均可达6m；强夯置换区块距离夯点越近，超孔隙水压力累积幅值越大，而砂井-强夯区块这一趋势则不明显；砂井-强夯区块较强夯置换区快地基具有更好的均匀性，但其夯后超孔隙水压力消散速度比后者慢；孔压监测是确定强夯参数，了解加固深度，评价加固效果的有效手段。

超孔隙水压力；砂井；强夯；强夯置换

1969年法国工程师L.Menard提出使用强夯法[1]加固地基以来，随着实践和研究的发展，该技术取得不断完善。1978年，中国引进该技术并在工程实践中予以研究，许多学者在强夯机理[2]、模型计算[3-4]等方面做了大量工作，同时也对强夯法的工艺做出一定改进和补充，例如1986年烟台大学文8楼地基处理率先使用了不断填碎石-夯击的强夯置换技术；朱文凯、赵建国对设置砂井与强夯法联合法加固软黏土地基机制的初探[5]。研究表明，强夯置换法尤其适用于淤泥质地基和软土地基，而砂井-强夯则在地下水位埋深较浅、地基土含水率较高时效果突出，但目前对同一饱和软土地基采用以上两种处理方式的对比试验还鲜有研究。本文依托青岛某化工场区地基处理实例，通过对试验区超孔隙水压力的观测和分析，为强夯施工方案的选择提供依据。

工程拟建化工原料储罐，根据勘察报告，场地地层以饱和粉砂粉土为主，综合分析决定在试验区采用强夯置换和砂井-强夯两种地基处理方式，并进行孔隙水压力监测。根据太沙基有效应力原理：

μ=σ-σ′

(1)

其中：μ为孔隙水压力；σ为总应力；σ′为有效应力，总应力不变时有效应力和孔隙水压力可以相互转化。当土体受到外力挤压时，土中原有水压力也会上升，上升的这部分压力就是超孔隙水压力，简称超孔压。地基内部超孔压在强夯作用下会迅速增长并随着强夯结束而消散，其消散过程与土体压缩排水应力转移以及土体强度的增大同时发生。所以对超孔压的监测是控制软基施工进度的基本依据, 亦是了解加固深度、评价加固效果的有效手段[6-7]。

1 场地工程地质条件

工程场地原为养虾池、盐池，场区以粉砂和粉土为主，地下水形态类型为第四系孔隙潜水，勘察期间为青岛地区的丰水期，地下水稳定水位埋深在2.0m左右，根据勘察报告，场区地层在勘察深度范围内可分为6层，各土层性质及力学指标见表1。

2 试验方案

试夯方案设计了两块试验区，基本情况如下：I区：布置在场地西南侧，面积20m×25m=500m2。将场地整平至标高3.0m，夯点按正方形布置，夯点间距5m，采用2000～2500kN·m的单击夯击能，锤重19T，夯锤直径1.5m；夯点间预先施工排水砂井，井径300～350mm，井间距5.0m，井深6m。

II区：布置在场地中部，面积30m×30m=900m2，将场地整平至标高3.0m，夯点按按正方形布置，夯点间距5m，采用2000～2500kN·m的单击夯击能，锤重19T，夯锤直径1.5m，采用强夯置换法，夯填料采用碎石、建筑垃圾等硬质材料。

为了对方案的选择做出依据，观测2个夯点之间范围内土体超孔压变化情况。设置测点位于距夯锤边缘1、2m处一条直线上，如图1所示。

表1 试验区各土层性质及力学指标

图1 测点布置平面图Fig.1 Plane figure of the measuring point

为了充分观测强夯加固范围内各土层的超孔压变化情况，孔隙水压力计的布设深度选取有代表性的2、4和6m，其剖面图如图2所示。

图2 测点布置剖面图Fig.2 Cross-section of the measuring point

孔隙水压力计为KYJ型振弦式，精度0.1kPa。在埋设前24h将孔隙水压力计在水中浸泡排气，在透水石上包裹两层纱布以防泥浆堵塞。将孔隙水压力计放入钻孔中达到预定深度，通过数据线连接到地面以进行实时监测。在孔隙水压力计附近上下0.5m内加入中砂以保持渗透性，2个探头之间加入0.5m厚的黏土球以隔绝探头之间的水力联系，防止孔隙水压力沿着钻孔方向渗透。

本次试夯孔压监测共埋设孔隙水压力计4组，其中强夯置换区块两组分别为ZH1、ZH2，砂井-强夯区块2组分别为SJ1、SJ2，每组3个孔隙水压力计，共计埋设孔隙水压力计12个。

3 试验结果分析

3.1 超孔压随夯击数的变化规律

图3～8列出了试验区不同深度和距离的测点超孔压随夯击次数的变化曲线,分析曲线特点可以得出以下规律：

图3 夯点1 ZH1超孔压随夯击数变化规律Fig.3 Curves of relationship between excess pore waterpressure and compacting number (ZH1, No. 1 tamping point)

(1)从图3～8可以看出，超孔压随着夯击次数的增加而逐渐增大，其中前5击迅速上升。置换区块ZH1、ZH2在第10击后上升趋势逐渐趋于平缓；砂井区块SJ1、SJ2第10击后开始出现缓慢下降。表明超孔压升高主要发生在单点夯击前期沉降量较大阶段，单点夯击后期超孔压上升已经开始趋于缓慢，砂井区块甚至已经出现消散。

(2)从图3、4、6可以看出，置换区块ZH1、ZH2中2和4m处超孔压上升幅值与变化趋势均较为一致，并且明显高于6m处超孔压幅值，表明6m处土层具有较大的渗透性，2和4m处渗透性相对较差，这与勘察报告中6m处松散粉砂、2～4m处粉土的地质条件较为一致。

图4 夯点1 ZH2 超孔压随夯击数变化规律Fig.4 Curves of relationship between excesspore water pressure and compactingnumber (ZH2, No. 1 tamping point)

图5 夯点2 ZH1 超孔压随夯击数变化规律Fig.5 Curves of relationship between excess pore waterpressure and compacting number (ZH1, No. 2 tamping point)

图6 夯点2 ZH2 超孔压随夯击数变化规律Fig.6 Curves of relationship between excesspore water pressure and compactingnumber (ZH2, No. 2 tamping point)

图7 SJ1超孔压随夯击数变化规律

图8 SJ2超孔压随夯击数变化规律

(3)从图3、4可以看出，与夯点的距离对于超孔压累积幅值具有较为明显的影响。距离夯点越近，超孔压累积幅值越大：距离夯锤边缘1m的ZH1最大超孔压接近20kPa，而距离夯锤边缘2m的ZH2处最大超孔压仅有10kPa左右。(4)从图3～6可以看出，经历了对夯点1的夯击，超孔压上升并消散之后，在夯点2处夯击时，超孔压累积幅值已经有所下降，并且不再超过第一次夯击时的累积幅值，考虑到监测点距夯点2为4～5m，与5m夯点距较接近，说明夯点距的设置是较为合适的。

(5)从图7、8中可以看出，砂井区块SJ1、SJ2在6m处超孔压累积幅值最小，4m最大，其原因同(2)分析。而2m处幅值处于中间，相比置换区块有所下降，体现了砂井向上排水的作用，2m处渗透路径短，孔压消散快。这与夯击过程中观察到的砂井冒水现象较为一致。

(6)与夯点的距离对砂井区块SJ1、SJ2的影响不是很明显，最大孔压幅值均在15kPa左右，表明砂井复合地基各向异性减小，具有较好的均匀性。

(7)在试夯过程中，埋置于ZH1的6m处孔压计在第20击、埋置于SJ1的4、6m处孔压计在第25击时损坏无法继续读数，反映了强夯影响深度已达到6m。由于强夯挤压作用导致的填料置换作用已经达到夯点之外1m范围之内。

3.2 超孔压消散规律

超孔压随时间变化规律如图9～12所示。分析曲线特点可以得出超孔压随时间变化规律如下：

(1)不同深度处超孔压都能够较快消散，从图9、10可以看出，ZH1、ZH2在夯点1夯击完成后15h内超孔压消散幅度均已超过90%。表明试验区块场地土层具有较好的渗透性，动力固结作用较快。

图9 ZH1超孔压随时间变化规律Fig.9 Relationships between excess porewater pressure and time(ZH1)

图10 ZH2超孔压随时间变化规律Fig.10 Relationships between excesspore water pressure and time(ZH2)

图11 SJ1超孔压随时间变化规律Fig.11 Relationships between excess porewater pressure and time(SJ1)

图12 SJ2超孔压随时间变化规律Fig.12 Relationships between excess porewater pressure and time(SJ2)

(2)从图9～12可以看出不同深度处超孔压消散速度以6m为最快，4m次之，2m最慢，分析认为是由于在砂井施工中泥浆池及冲孔泥浆对于上部土层扰动较大造成的。ZH1、ZH2曲线中出现稍小于0的负值，可能是由于置换作用造成的挤压使孔压计周边土体向上隆起，孔压计位置上升造成的。

(3)从图11、12可以看出，砂井区块SJ1、SJ2在4和6m处超孔压消散较快，2m相对较慢，但经过24h也已消散90% 以上。超孔压消散过程中有轻微的波动，可能是由于地下水位轻微变动造成。

4 讨论

4.1 最佳夯击数

试验区单击夯沉量随夯击次数变化曲线如图13所示，置换区块在第二次填料夯击后墩底能够穿透软弱土层，第16击和第17击的单击沉降量分别为40和50mm；砂井区块第14击和15击的单击沉降量分别为50，40mm。根据规范[8]，在2000～2500kN·m的单击夯击能下最后两击的平均夯沉量不宜大于100mm，故可以将最佳夯击数确定为强夯置换区块16击、砂井区块14击。

图13 单击沉降量随夯击次数变化曲线Fig.13 Relationships between each settlement and compacting number

由于粉土在夯击时容易发生液化，故不能简单的以最后两击夯沉量的平均值作为止夯标准[9]。根据超孔压增加规律，置换区块在第10击后超孔压增加趋于平缓，15击之后增加量几乎为零；砂井区块要使超孔压增加趋于平缓需要10～15击，在16击后甚至出现消散，说明两个区块的最佳夯击数均在15击左右，这与通过夯沉量确定的最佳锤击数较为一致，证明根据超孔压变化规律来辅助确定最佳夯击数是可行的。

4.2 夯点距

点夯的夯点距通常可取锤径的2.5～3.5倍[9]。试验区夯锤直径1.5m，则夯点距宜为3.75～5.25m。若夯点紧接，应力叠加(见图14(b))，效率降低，所以从经济角度出发应按图14(a)布置，夯点距取5m。

ZH2、SJ2与所在区块夯点1的夯锤中心距离均为2.75m，可近似视为在2夯点中心，既2夯点在此处产生的超孔压相同。ZH2与SJ2在6m处产生的最大超孔压均可达到5kPa，足以说明夯点距设置为5m可以保证加固效果，且更加经济合理。

图14 强夯效果示意图

4.3 加固深度

强夯置换施工结束后，在夯点1中心位置通过钻孔检验挤入碎石深度，钻孔取芯检验情况如图15所示，碎石挤入深度可以达4.4m，且根据表2所示原位测试结果，下部地层强度得到较大提高，加固深度可以达到6m以上。

图15 钻孔取芯情况

有效加固深度h通常按Menard公式计算，即:

(2)

式中：α为有效加固深度系数，与土的力学参数有关；MH为夯击能，其中M为夯锤质量，H为夯锤起吊高度。由通过大量工程实践所得到的饱和粉土α=0.4[10]可以算出试验区有效加固深度为5.66～6.32m，而通过超孔压变化规律获得的影响深度可达6m，再结合钻孔取芯情况，说明超孔压监测是了解加固深度、评价加固效果的有效手段。

表2 原位测试试验成果表Table 2 Result table of in-situ tests

5 结论

根据对2种强夯法处理饱和软土地基的超孔隙水压力变化规律的对比分析，可以得出以下结论：

(1)试验区在2000～2500kN·m夯击能的作用下，强夯置换和砂井-强夯的最佳夯击数分别为14，16击。

(2)置换区块距离夯点越近超孔压累积幅值越大，而砂井区块这一趋势则不明显，说明砂井强夯地基具有更好的均匀性；不同深度、与夯锤中心不同距离的孔压监测结果表明，两种地基处理方式点夯间距5m能够达到加固效果，且更加经济。

(3)夯击完成后置换区块超孔压消散速度比砂井区块更快，但总体来说2种试夯方案超孔压均能较快消散，说明工程场地土层渗透性较好，动力固结作用能较快完成。

(4)该地区在2000～2500kN·m夯击能作用下，两种方案在6m处引起的超孔压均可达5～6kPa，且6m处部分孔压计出现了损坏，说明2种方案的影响深度均能达到6m。

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[10] 刘景政， 杨素春， 钟冬波. 地基处理与实例分析[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 1998.

责任编辑 庞 旻

An Experimental Study on Saturated Soft Ground Improvement with
Dynamic Compaction Replacement and Dcm Combined with Sand-Drain Based on Monitoring of Pore Water Pressure

LIU Hong-Jun1,2，WU Teng2，MA Jiang3，WANG Hu2

(1.The Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology， Ministry of Education， Ocean University of China， Qingdao 266100， China； 2. College of Environmental Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China； 3.Qingdao Times Architectural Design Co.Ltd.， Qingdao 266500， China)

Dynamic compaction replacement and DCM(dynamic compaction method) combined with sand-drain were adopted to treat a saturated soft ground in Qingdao area. Pore water pressure gauges were embedded at different distances and depths in the experimental area. By analyzing the variation of excess pore water pressure，some conclusions were drawn as follows. When the study area was compacted under tamping enery level ranging from 2000 kN·m to 2500 kN·m，the best tamping number was 14 blows for dynamic compaction replacement and 16 blows for DCM combined with sand-drain during point compaction，the effective impacting depth was more than 6m. In the area of dynamic compaction replacement，the nearer to the tramping point，the higher the excess pore water pressure would accumulate，but this tendency was not significant in the other area. DCM combined with sand-drain can offer better uniformity than dynamic compaction replacement to the ground. In the area of dynamic compaction replacement，excess pore water pressure dissipated more quickly than the other area. Experimental results proved it an effective means to determine the parameters of dynamic compaction，judge the depth of reinforcement and evaluate the reinforcement effect by monitoring pore water pressure.

excess pore water pressure；sand-drain；dynamic compaction；dynamic compaction replacement

2013-08-28；

2013-12-15

刘红军(1966-)，男，教授，博导，主要从事环境岩土工程的教学科研工作。E-mail:hongjun@ouc.edu.cn

TU 443

A

1672-5174(2015)02-109-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20130290