高能在湿陷性黄土地研究

前言

强夯法作为一种新兴的地基处理技术，以其施工速度快、成本低、适应面广和工艺简单等突出特点，在处理湿陷性黄土地基方面得到了广泛应用，并取得了良好效果［1～4］。其可以破坏湿陷性黄土的孔隙结构，全部或部分消除地基的湿陷性，改善黄土的物理力学指标，提高地基强度与承载力。鄂东气田渭北地区煤层气10亿立方米/年处理厂工程地基为湿陷等级Ⅲ～Ⅳ级的大面积湿陷性黄土，利用8000kN•m高能级强夯对地基进行了处理，通过多种原位和室内试验对加固效果及相关参数进行了研究，证明强夯施工取得了理想的处理效果。

1场地地质情况

鄂东气田渭北地区煤层气10亿立方米/年处理厂拟建场地位于陕西省韩城市境内。按照地貌单元成因，场地属山麓堆积，丘陵地貌，地形起伏不大，地面表层多为疏松的黄土。根据工程地质详细勘察报告，场地土层均为第四系覆盖层，地层自上而下依次为:①第四系耕土(Qml4):黄褐色，可塑—硬塑的粉质粘土，厚度为0.50～0.40m。②黑炉土(Qel4):黄褐色粉质粘土，坚硬状态，块状结构，厚度约0.40m。③马兰黄土(Qeol3):褐黄色粉质粘土，坚硬状态，土质均匀，厚度9.60～4.20m。④古壤土(Qel3):棕褐色粉质粘土，坚硬状态，厚度3.40～1.70m。⑤马兰黄土(Qeol3):褐黄色粉质粘土，坚硬状态，揭露厚度7.20～6.10m。⑥古壤土(Qel3):棕红色粉质粘土，硬塑—坚硬状态，最大揭露厚度2.50m。各土层的物理力学指标建议值见表1。根据室内土工试验结果，按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)判定:场地自重湿陷量Δzs为255～596mm，均大于70mm，该场地为自重湿陷性黄土场地。地表下10m范围内，黄土湿陷性系数为0.028～0.067。场地总湿陷量Δs为379～1045mm，按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)判定:地基湿陷等级为Ⅲ～Ⅳ级，即为湿陷性严重—很严重。

2施工设计要求

强夯处理夯击能采用2遍8000kN•m、1遍6000kN•m点夯及2000kN•m满夯，具体设计参数见表2，强夯施工夯点布置见图1。设计要求强夯处理深度9m范围内的各层土，地基承载力特征值不小于150kPa，压缩模量不小于10MPa，黄土湿陷系数δs＜0.015，即消除其湿陷性。

3地基处理检测结果

为综合评价强夯施工效果能否达到设计要求，本工程采用探井、标贯、瑞利波、静载试验和室内土工试验等多种检测手段进行综合测试。

3.1瑞利波波速测试瑞利波是一种常见的界面弹性波，是沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波。瑞利波的波速与频率无关，只与介质的弹性常数有关，为不同特性岩土层的勘察和分辨提供了便利条件［5］。本工程使用的仪器为SWS-1G型(24通道)地震面波仪，检波器频率4Hz，检波器12道接收，道间距1m，采样率1ms，室内数据处理使用CSP5.0、RWS和FKSWSA地震和瑞利波等处理软件，震源为24磅大锤人工锤击地面。场地强夯前后，瑞利波平均波速随深度变化曲线如图2所示。分析可知，浅表土层波速得到了显著提高，深度7m以内土层波速提高15%～48%，9m深处土层波速仍有提高。通过波速对比曲线可看出，强夯地基处理有效土层深度在9.5m左右。

3.2标准贯入试验对强夯前后各土层开展了现场标贯试验，标贯击数对比见表3。试验发现，强夯后③马兰黄土和④古壤土工程特性均得到明显提高，强夯后标贯击3.3黄土湿陷性试验根据设计检测要求及有关规范，布置开挖探井，人工下井刻取原状土样。探井深度为15m，取样深度自夯后地面以下1m开始，每1m取1组样，共布置探井12口，采取180个土样，土样等级为Ⅰ级，并完成室内土工试验。强夯前后，黄土湿陷性对比结果见图3。分析可知，地表下10m范围内土层湿陷性系数大幅降低，其湿陷系数均小于0.015，土层的湿陷性得到有效消除。从黄土湿陷性消除判定本工程强夯的有效加固深度约为10m。

3.4室内土工试验对采取的原装土样，进行了室内土工试验。强夯前后，土工参数对比分析情况见表4。强夯前后土层干密度和孔隙比随深度变化的情况见图4和图5。分析可知，强夯后各土层物理力学指标均有改善，其中第③层马兰黄土孔隙比大幅度减小，干密度大幅度提高;第④层古壤土孔隙比明显减小，干密度明显增大;第⑤层马兰黄土孔隙比有所减小，干密度有所增大。

3.5地基土的压缩模量根据土工试验统计结果结合本工程实际，综合得出强夯处理后各土层的压缩模量，第③层黄土Es=10.4MPa，提高74%;第④层古壤土，Es=10.2MPa，提高75%;第⑤层黄土，Es=8.0MPa，提高29%。

3.6静力载荷试验在强夯处理后的场地内，随机选取了6处开展静力载荷试验，试验采用慢速维持荷载法，承压板直径为1.0m，面积为0.785m2，试验最大加载量为300kPa，分八级加荷，每级加荷增量为37.5kPa，逐级稳定后再加下一级，沉降观测时间间隔、稳定标准及终止试验条件均按规范规定执行。静载试验参数见表5，试验p-s曲线见图6。由静载试验p-s曲线可以看出，曲线呈缓变型，总沉降量介于11.42～14.03mm之间，未达到极限状态。按《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)规定，取s/d=0.010，即s为10.00mm所对应的压力为地基承载力特征值fak，但其值不应大于最大加载压力的一半，最终确定各个载荷试验点承载力的特征值均为150kPa，极差为零，满足设计要求。高能级强夯能够有效破坏黄土孔隙结构，消除了地表下约10m范围内土层的湿陷性，改善地基黄土的物理力学指标，提高地基的强度与承载力，同时强夯施工具有不耗材、造价低、工期短的优点。(2)现场瑞利波波速测试、标准贯入试验和室内土工试验，均表明强夯后土层显著密实，地基土孔隙比、干密度、压缩模量、土层波速等工程特性得到明显改善。(3)现场静载试验表明，地基承载力特征值较强夯前提高50%左右，各试验点均达150kPa，各土层压缩模量均大于10MPa，满足设计要求。(4)根据各项检测试验结果综合分析判断，该场地8000kN•m能级强夯有效加固深度可达9.5m左右，处理湿陷性黄土效果显著。(5)经过强夯处理后的黄土，浅层地基土承载力显著提高，由静载试验可知，地基承载力仍有很大安全储备，其不再是关键问题，主要问题是消除黄土湿陷性的有效加固深度和消除效果。