“轻夯多遍”法在上海临港堆山造景中的运用_崔梓萍.pdf

岩土工程地基基础：“轻夯多遍”法在上海临港堆山造景中的运用收稿日期：作者简介：崔梓萍（），男，高级工程师，注册规划师，注册一级建造师（公路、民航），注册咨询工程师（投资），注册监理工程师，从事项目管理工作崔梓萍（上海临港新城建设工程管理有限公司，上海）摘 要：堆山造景是国内现代化城市建设中很重要的一部分，其关键环节在于如何有效控制地基沉降和边坡稳定。基于上海临港地区高含水的粉质黏土基础上，利用周边基坑开挖弃土进行堆山造景，使用平锤和小直径的柱锤相结合的强夯工艺，在低能级下“轻夯多遍”，逐渐增大夯击能，进行地基和山体处理，通过工后监测和过程模拟可以发现，小直径柱锤在高含水粉质黏土处理中，表层压实度可以达到 以上，压实作用深度在 左右，采用一次性堆高 经过轻夯压实后，边坡能长期保持稳定。关键词：高含水；轻夯多遍；堆山造景；柱锤中图分类号：文献标识码：文章编号：（）概述堆山造景技术在国内已经得到广泛的应用，常利用建筑废料、工程废弃土方填筑地基，并在上面布景绿化，国内比较有名的项目有北京奥林匹克公园（堆高 ）、天津南翠屏公园（）、江苏无锡金匮公园（）、上海辰山植物园（）等。上海临港新片区现状地形平缓，规划有较多的新建大型绿地，城市开发过程中，随着地下空间、河道水系、公用管网等的建设，产生大量待消纳土方，通过在大型绿地里营造丰富多彩地形同时消纳土方，是符合绿色低碳的多赢途径。由于回填土体量较大，大面积堆山会破坏原有基地的平衡状态，为了控制地基沉降和保证山体稳定性，应根据不同的地基形态特点选择压实工艺，常见的回填土压实工艺有碾压法和强夯法。碾压法分层填筑较薄、分层数量多、作用深度小，对土质要求也高，而强夯法一次可回填较厚土层，适用于堆山造景工程。强夯法是法国梅那技术公司首创的一种针对软弱地基的处理方法，传统的强夯法，夯击能超过 ，适用于碎石土、砂性土、湿陷性黄土和含水率不高的杂填土地基的加固，但是针对含水量高的土，特别是淤泥质黏土和饱和软黏土，过高能级的强夯会使超静孔隙水压力无法迅速消散，从而引起“橡皮土”，而且容易造成软黏土结构破坏，郑颖人提出使用低能级强夯法，先轻夯，后重夯，逐级加能的方法，使超静孔隙水压力 内消散，有效地避免了“橡皮土”现象的发生。上海临港新片区位于东南沿海，的土地是围海造地而成，周围水系发达，地下水位高，堆山使用的周围工程弃土天然含水量也高，传统的强夯法极易对地基土造成破坏或者压实度不足，本次工艺选用平锤和小直径柱锤相结合的“轻夯多遍”法，一方面夯锤可以顺利起锤，同时也保证了夯实作用深度，满足设计要求。轻夯多遍法运用工程实例 项目简介项目位于中国（上海）自由贸易试验区临港新片区，用地北至杞青路，南至花柏路，西至沪城环路，东至环湖西三路，根据“地形营造”规划，对楔形地块进行微地形堆筑和现有地形优化，建成公益性林地，同时对现有林地进行功能提升。本次施工共涉及 个地块，总面积 ，本文以五号地块为研究对象，面积 ，设计最高点，边坡坡率最大为（见图）。10.00 m河道地块五6.00 m7.00 m8.00 m8.00 m8.00 m8.00 m图 1绿丽港地块五设计图 场地工程地质条件对拟建场地进行地勘探测，结果显示，在 深度范围内的地基土属第四纪全新世（）及晚更新世（）沉积层，主要由粉质黏土、淤泥质黏土和粉砂组成。拟建场地地层分布主要特点见表。从表 可以看出，在加固深度范围内，土质以黏质粉土和砂质粉土为主，天然含水率（质量分数）在 左右，渗透性差，大面积的堆土会造成地基的不第 卷 第 期 年 月 山西建筑 均匀沉降，因而在堆土前需要对原始地面进行夯实处理，增加下层的承载力。表 原场地地勘资料表土层名称层厚 静探 值（水）液限 孔隙比 饱和度 土层描述粉质黏土夹黏质粉土 粉质黏土夹黏质粉土，局部以黏质粉土为主，土质不均 黏质粉土 局部夹薄层黏性土及粉砂，土质不均 砂质粉土 局部夹薄层黏性土及粉砂，土质不均淤泥质黏土 局部夹淤泥质粉质黏土，土质尚均匀粉质黏土 局部夹黏土，偶夹薄层粉砂，土质尚均匀粉质黏土 含氧化铁斑点及铁锰质结核粉质黏土夹黏质粉土 局部层底粉性较重，土质不均含黏性土粉砂 含云母，颗粒成分以石英、长石为主粉砂未钻穿 含云母，颗粒成分以石英、长石为主 施工方案夯击参数选择）地基处理：为了消除大面积堆载造成的地基不均匀沉降变形，提高地基承载力，减少工后维护费用，需要对原始地基进行满夯一次（次由 遍组成），采用直径 的平锤，锤重 ，夯击能 。）山体加固：将填土一次堆高至设计高程，使用直径为 的柱锤，锤重，由于柱锤底面积比平锤小，单点夯击面积小，夯击强度较平锤大 倍 倍，夯击能范围控制在 以内。）堆填土性质：堆填土主要来自于周围建筑场地的基坑开挖土和建筑垃圾，天然含水率在（质量分数）之间，通过击实试验，得到填土的压实最大干密度为 ，最佳含水率（质量分数）。夯点布置要求夯点布置为 正方形布置，夯点直径 （若采用同心夯击方法，中间柱形锤为直径 ），间距为 ，第 遍 第 遍夯点布置图如图 所示，夯点间错位夯实，通过 遍处理覆盖所有待夯面。424242（a）第一遍夯点布置图（b）第二遍夯点布置图244224442（c）第三遍夯点布置图单位：m图 2夯点布置及间距图22444（d）第四遍夯点布置图夯击能量调整由于堆填土是附近工程弃土，土质松散，含水量高，使用小直径柱锤夯击时，很容易使锤陷入太深，造成起锤困难，所以要调整夯击能，先使用 的能量轻夯一遍，使表层土体形成稍硬的承重层，再以 的增量逐渐将夯击能量增至 ，在每级夯击能下夯击一遍，至最高能级 下进行满夯收尾，这样在表层土体不破坏的情况下，可以作用到更深层的土体，起到更好的加固效果。轻夯法施工过程控制与监测 压实效果检测由于粉质黏土在轻夯加固后会有时间效应，标准贯入试验选择在夯击处理结束后的 进行，静载荷试验选择在夯击处理结束后的 进行。在山体堆筑过程中，土体应达到密实度要求，若设计未规定，标准则应达到 以上，由于此地区土层含水率较高，在施工前必须将施工场地范围内的积水排除干净。取夯后原始地坪表面土层和堆高场地面层以下，的土层进行环刀实验，压实度值见表。表 地表下 以内压实度检测数据层顶标高湿密度（水）干密度压实度原始地坪 堆高 堆高 堆高 堆高 地基处理使用平锤夯击，夯击能为 ，压实度达到。山体加固，使用夯击能 的柱锤，反复多次夯击，逐级加能，较小的夯击能可以将浅层的土先排水固结，表面逐渐形成“硬壳层”，并在后期可以承受较大的夯击能量，使能量向下传递。从环刀取样试验可以看到，面层以下 范围内含水率（质量分数）在 左右，远低于原回填土 左右的含水率，表层土体压实度在 以上，说明在夯击过程中，水 第 卷 第 期 年 月 崔梓萍：“轻夯多遍”法在上海临港堆山造景中的运用分逐渐排出，形成表面“硬壳层”，在后续增大夯击能以后，表层土体未液化也未破坏，“硬壳层”大约为 。标准贯入试验堆高至 后，在强夯前的原状土上选取 个点，在强夯后的场地上选取 个有代表性的点，进行标准贯入试验，试验击数统计结果如表 所示。表 夯击前后标准贯入击数统计表夯前深度 击数夯后点 深度 击数夯后点 深度 击数 本工程山体加固地设计最高点为 ，从标贯结果可以看出，在 以上范围内，强夯后土层的压实度比强夯前得到明显的提高，以下为处理过后的原始地坪，压实度没有显著变化，说明在含水量较高的粉质黏土堆高场地，使用小能量的柱锤，可以满足现有堆高场地的强夯要求，其有效加固深度达到 以上。对于强夯加固深度，国内外进行过长期的探讨，通过大量的现场工程实践，有效加固深度主要由夯击能的大小、夯击次数、夯锤面积、夯点布局和土层性质等决定，法国工程师梅纳提出了有效加固深度的经验公式，比较著名的有 计算法，经过修正后公式为：，计算法公式简单，但精度较低，本文主要使用 计算法，即 ，其中，为有效加固深度；为夯锤重量；为夯锤落距；为锤底直径；为折减系数，一般取 （，为重力加速度；为土骨架的动阻力），该方法考虑了夯锤面积的影响，更加符合工程实际。在处理原始地坪时，使用直径为 的平锤，锤重，落距，根据 公式，取 时，。堆高场地处理时，使用柱锤，锤重 ，落距 ，夯击能由小到大逐渐递增，有效加固深度为 ，有效加固深度为 。从计算结果可以看出，使用柱锤，由于底面积小，计算有效加固深度也比平锤深 倍 倍，所以在本工程中，堆填土可以一次堆至设计标高，强夯后也可以保证堆填土的有效加固要求范围。平板载荷试验（堆载法）在试验区域上挖出 埋深的坑，在坑内放置承压板，载荷板尺寸为，利用混凝土试块提高支撑反力，逐级施加荷载，测定地基承载力，判断承载力是否达到设计要求，进一步评价轻夯多遍施工加固工艺的处理效果。总共选取 个点（，）进行了试验，其中点 试验结果如表，图 所示。表 平板载荷试验沉降汇总表序号荷载 历时 本级累计沉降 本级累计 注：试验编号：，承载力设计值：，压板面积：。060120 180 240 3000.002.304.606.909.2011.5013.8016.1018.4020.70Q/kNs/mm0.002.304.606.909.2011.5013.8016.1018.4020.705153060150 360s/mmt/min60 kN90 kN210 kN180 kN240 kN270 kN300 kN150 kN120 kN（a）Q-s 曲线（b）s-lgt 曲线图 3S1 平板载荷试验 Q-s 曲线和 s-lgt 曲线 个点的平板载荷试验，得到的结果均达到设计要求的最大试验荷载，且桩顶沉降速率达到相对稳定标准，个点的承载力特征值不小于 ，极限承载力均达到，故认为轻夯多遍处理后的地基土承载力特征值不小于，满足设计要求的不小于。边坡稳定性讨论一般高堆土存在的不稳定是通过不均匀沉降、局部塌陷或整体滑坡体现，本文采用岩土工程常用计算软件 来分析边坡稳性问题，推荐计算的方法为比较成熟的 极限平衡法，分别计算强夯过后的天然状态和持续降雨后的堆土，来对比安全系数的变化，根据 滑坡防治工程勘察规范，滑坡稳定性评价标准见表。表 滑坡稳定评价标准滑坡稳定系数 滑坡稳定性状态 不稳定 欠稳定 基本稳定 稳定 为了简便计算，本文计算稳定性系数时，持续降雨状态的堆土参数按照饱和状态下取值，模拟过程中岩土参第 卷 第 期 年 月 山西建筑 数整理见表。表 极限平衡计算模型岩土物理力学参数参数岩性天然状态黏聚力内摩擦角（）滑体容重（）持续降雨状态黏聚力内摩擦角（）滑体容重（）山体加固 地基处理 从图 的计算结果可以看出，在当前的高 、放坡率为 的山体加固中，使用轻夯多遍法施工，天然状态下最低安全系数滑移面的安全系数为 ，持续降雨状态下的安全系数为 ，根据滑坡稳定性评价标准，属于稳定状态。图 4堆高 8 m 时天然状态下和持续降雨状态下最危险滑面161284010203040502.582宽度/m高度/m161284010203040501.784宽度/m高度/m为了验证本方法在临港地区施工的适用范围，模拟了相同岩土参数条件下，堆山高度增加到 、坡率为 的情况下的安全系数，从图 可以看出，在天然状况下，最低安全系数滑移面的安全系数降为 ，但是在持续降雨状态下，安全系数已经降低至 ，超过了安全范围。图 5堆高 20 m 天然状态下和持续降雨状态下最危险滑面3530252015105010203040501.209宽度/m高度/m30252015105010203040500.8693.877 000 m,28.693 000 m宽度/m高度/m35实践中有期望能营造更高更稳定的人造山体，本次工程尝试采用小直径柱锤一次性堆高后多遍夯实的方法堆高了 ，通过实践和模拟讨论了夯实效果和边坡稳定状况，对未来使用人工干预的方式，在确保安全的前提下，快速堆高至 甚至更高的人造山体提供了借鉴依据。根据前述，安全有效加固深度计算为 左右，因此在继续堆高的情况下，可以考虑以 为一层，每层边坡率维持在 以下，分层重复使用轻夯多遍法夯实，可避免边坡失稳的情况发生。对因场地限制