能级强夯在港口工程地基处理中的应用

【摘要】强夯法施工技术是个复杂的工程。本文从强夯法的概述、强夯振动的衰减规律及强夯法施工工艺与方法进行了分析。

【关键词】能级；强夯；港口工程

中图分类号： O434 文献标识码： A

一、前言

随着港口工程的不断发展，能级强夯施工技术的重要性不言而喻。我国在此方面上虽然有所完善，但依然存在一些问题和不足需要改进。在科技占主导地位的新时期，加强对能级强夯在港口工程地基处理中的应用分析，对确保港口工程的发展有着重要的意义。

二、强夯法的概述

强夯法是法国梅那德技术公司首创的一种地基加固方法，亦称为动力固结法，迄今已为国内外广泛采用。强夯法加固地基具有设备简单、原理直观、施工方便、经济高效、适用范围广、节省材料、工期短等优点。它以较低的成本就能较大幅度地提高地基土的强度和抗液化能力并降低其压缩性。因此，在其适用范围内，动力固结是一种首选的地基处理方法。但它也存在不容忽视的缺点：施工中产生的强烈振动对附近的工作、生产、生活环境以及临近建筑物带来许多不利影响。了解和掌握不同施工和场地条件下强夯振动的影响范围及其衰减规律，是使强夯法能得以更好地用于地基处理的基础。

三、强夯振动的衰减规律

强夯是一种冲击式点源振动，即在落锤夯击的瞬间将产生很大的冲击力(即振源)，首先会使锤底附近的土体颗粒产生振动，继而牵扯临近土体颗粒随之振动，并依次向外传播波动，能量逐渐向外扩散。描述振动的参数主要有3个，即振幅(强度)、频谱和持续时间，称为振动三要素。强夯振动衰减研究主要关注的是地面振动的强度，亦即振动三要素中与之相关的量是振幅。振幅是指质点振动加速度、速度、位移三者之一的峰值、最大值或某种意义上的有效值。强夯地面振动的振幅随夯击观测点距离(夯检距)的增大而减少。表1详细地讨论了质点位移与距离的几何衰减规律。表l表明，振幅A随着振源距离r的增大而迅速递减。图l为某场地实测的地面振幅与距离的关系曲线。由图可知：(1)离夯点越近，振幅越大。在夯点附近振动最强烈，但随着距离增大，振幅很快衰减；(2)振幅随着夯击次数的增大而增大，但其增量逐渐减少，表明夯击次数增大后土的密实度提高：(3)竖向振动和水平振动变化差别不大。

四、强夯法施工工艺与方法

1、作业条件

(1）场地已整平,机械设备进出场道路已修好。表面松散土层已经预压。雨期施工周边已挖好排水沟,防止场地表面积水。

(2）现场积水已排除,满足机械行走作业。

2、工艺流程

强夯施工的目的和原则是合理利用场地的地质条件、岩土工程特性,做到因地制宜、因时制宜；应用新技术、新设备、新材料、新工艺,做到技术先进,确保质量、安全可靠,施工快速、经济合理。通过强夯提高地基承载力,减少地基压缩变形量,满足设计要求。其施工工艺流程如图2所示。

3、操作方法

（1）强夯工艺要点

1）清理并平整施工场地。

2）标识第一遍强夯点位置,并测量原地面高程。

3）起重机就位,使夯锤中心对准夯点位置。

4）测量夯前锤顶标高。

5）将夯锤起吊到预定高度,夯锤脱落自由下落后放下吊钩,测量锤顶标高；若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时,应及时将坑底整平。

6）重复步骤5）,按设计要求的夯击次数及控制标准,完成一个夯点的夯击(如图1)。

7）换夯点,重复3）～6）,完成第一遍全部夯点的夯击。

8）用推土机将夯坑填平,并测量场地高度。

9）在规定的间隔时间后,按以上步骤逐次完成强夯夯击遍数,最后用低能量满夯,将表层松土夯实,并测量夯后场地标高。

（2）施工操作要点

1）强夯施工场地应平整并能承受夯击机械荷载,施工前必须清除所有障碍物及地下管线。

2）强夯机械必须符合夯锤起吊重量和提升高度要求,并设置安全装置,防止夯击时起重机臂杆在突然卸重时发生后倾和减少臂杆的振动。安全装置一般采用在臂杆的顶部用两根钢丝绳锚系到起重机前方的推土机上。不进行强夯施工时,推土机可作平整场地用。

3）强夯施工,必须严格按照试验确定的技术参数进行控制。夯击深度应用水准仪测量控制。

4）每夯击一遍后,应测量场地平均下沉量,然后用土将夯坑平,方可进行下一遍夯实,施工平均下沉量必须符合设计要求。

5）强夯时,首先应检验夯锤是否处于中心,若有偏心时,应采取在锤边焊钢板或增减混凝土等办法使其平衡,防止夯坑倾斜。

6）夯击时,落锤应保持平稳,夯位正确。如错位或坑底倾斜度过大,应及时用砂土将坑整平,予以补夯后方可进行下一道工序。

五、实例分析

1、工程及地质概况

该工程由4座100000m3原油储罐和配套附属设施构成，场地表层土为厚度不等的人工填土，主要成份为中粗砂及残积土，回填时未经碾压，处于松散状态，强度较低，不能满足荷载要求，其下还分布数层厚度不等的原状土层，包括淤泥质土和粘性土，强度同样不能满足设计要求。经过多种方案的经济性与工期比较，决定采用强夯法对地基进行加固处理，采取7000kN・m能级强夯，总处理面积约30000m2，要求夯后地基承载力特征值达到250kPa。

10万m3原油储罐等大型原油储罐，属于国家一级建筑物。罐体直径达80m，附加应力影响深度可达数十米，在地表下10m深度范围内，附加应力几乎没有衰减。油罐地基承载力要求高，而且对地基的沉降变形和差异沉降要求十分严格，设计人员在制定地基处理方案时都应十分慎重。本文结合该项目强夯处理工程，对高能级强夯的关键施工技术、检测方法和综合评价进行了阐述。

2、强夯试验与施工

（1）单点夯试验

本工程根据具体情况，在罐基位回填深度最大的区域做强夯试验，面积约400m2。试验施工时，首先进行了单点夯试验，确定夯击后夯坑及周边地面变形，并据此确定施工时的夯击数、夯点间距、填料量等参数。夯前分别在夯锤上和夯印周围地面相互垂直的2个方向等距离设置观测标识，用水准仪测量每夯1击时夯锤和地面标识的位移，计算夯沉量和地面水平位移，直至贯入度达到控制值。绘制夯击数和夯沉量关系曲线，通过分析确定控制击数等有关施工参数。

（2）施工方案

根据设计有效加固深度、主夯夯击能，以及场地工程地质条件拟分4遍进行施工，其中第1遍和第2遍均为主夯，能级7000kN・m，第3遍为夯间加固，夯击能3000kN・m，第4遍为普夯，夯击能为1000kN・m。第1遍主夯点的间距为9m×9m正方形布置；第2遍主夯点的间距亦为9m×9m，正方形布置，第2遍主夯点位于第1遍主夯点的正方形的中心位置；第3遍为加固夯，夯点在已夯完的第1、第2遍夯点之间布置，呈梅花形；第4遍满夯，夯印搭接1／3。夯点的整体布置形式为等边三角形。由于本场地强夯有效范围内为砂石土，孔隙水压力消散很快，因此施工时2遍之间的间歇时间可不予考虑。夯点的布置形式见图3。

（3）主要施工机械的选择

主机选用杭重W200A型50t履带式吊车，臂杆长度27m，配重型门架，可满足7000kN・m能级强夯施工需要，去掉门架、缩短臂杆后即可进行3000kN・m的第3遍夯和1000kN・m能级的普夯。选用40t铸钢锤，底面积7．0m2，底面静压力为57kPa，加固夯和满夯选用17．5t铸钢锤，底面直径2．5m，底面静压力33kPa。

3、强夯加固效果的分析

（1）平板载荷试验

平板载荷试验是一种最为直观的试验，它是在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载，测求地基土的压力与变形特性的原位测试方法。它反映承压板下1．5～2．0倍承压板宽度范围内地基土的强度、变形的综合特性。平板载荷试验可以测求地基土承载力和变形模量。为考察较深土层的情况，宜选用较大尺寸的荷载板(如2m×2m板)，但荷载板过大，试验周期长，难度大，因此，相应还选用一般尺寸的载板(1m×1m板)进行试验。

在现场3个典型点位进行了静载试验，试验压板周围未出现裂隙或变形现象，曲线比较平滑，如图4所示。其中1#试验点承压板为1m×1m板，2#和3#试验点承压板为2m×2m板。从载荷试验结果来看，该回填土地基经高能级强夯加固处理后，承载力有显著提高，提高幅度达3O%～100%。

因荷载板试验仅能反映一定板宽度范围土的性质，欲了解深部土层的性质和大面积强夯的施工效果，还必须通过其它手段进行试验。可以采用瑞雷波测试、剪切波测试、原状样室内试验和动力触探试验等方法检验各层土尤其深部土的力学特性。

（2）瑞雷波测试

本工程采用瞬态激振工作方法，在场区共布置了总长1700m共100个测点的10条瑞雷波测线，现场典型测线剖面的瑞雷波等值线如图5所示。可以看出，局部区域波速较高，这与回填时该区域表层的粒径较大的施工情况相对应；10m深度内平均波速在250m／s左右，场地整体均匀性较好。

（3）剪切波测试

场地深度范围内波速均匀性较好，平均剪切波速207．2m／s，下伏无低速夹层；局部浅层存在不均匀区域，其竖向地层剪切波速小于160．0m／s，分布区域见表2。此结果与瑞雷波测试基本一致，可以看出，强夯后填土层的剪切波速明显增大。

4、结论

（1)填土层强夯处理效果明显，罐区承载力标准值为290kPa，变形模量为255MPa，可满足地基承载力250kPa的设计要求；

（2)回填土地基的承载力提高幅度达3O％～1OO％，填土层下伏原始地层承载力也有相应提高；

（3)场地范围强夯处理水平方向波速均匀性较好，场地大部分区域平均剪切波速大于200．0m／s；

（4)5000kN・m区域强夯有效加固深度最大达到7．5m，影响深度基本达到该能量加固区基岩面，7000kN・m区域强夯有效加固深度最大达9．4m。

六、结束语

综上所述，能级强夯在港口工程地基处理中至关重要。在今后的港口工程地基处理中，我们必须严格强夯法设计方案，保证港口工程的质量。

参考文献

[1]肖勇.低能量强夯法在港口工程软基加固中的应用[J].水运工程,2012(5):35-40.

[2]程祖锋.某港口工程地基处理中的强夯振动效应研究[J].岩土力学，2011(5)：740-744．