2023年强夯法处理湿陷黄土坝基中的些问题.doc

强夯法处理湿陷黄土坝基中的一些问题 赵廷式 康利平 〔山西省万家寨引黄工程管理局 太原 030012 〕 ：分析湿陷性黄土地基筑坝的技术特点，提出强夯有效加固深度宜分别用湿陷性消除深度与密实度有效增加深度两个指标界定。夯后密实度与地基土层原始含水量密切相关，随深度递减，且密实度有效增加深度小于湿陷性消除深度。设计应根据坝体稳定、变形及渗流控制要求，提出地基强夯设计参数，并通过现场试验验证其合理性，相应调整坝体结构设计。 关键词：湿陷性黄土；强夯法；设计参数；坝体结构设计 中图分类号：TV223 文献标识码：B 1、强夯在湿陷性黄土地基筑坝的使用情况 强力夯实法简称强夯法，又称动力固结法。该法通过重锤从高处落下，给地基以强大的冲击和振动，使土体加密、固结，在颗粒结构上的重新排列，以增加地基的密实性，提高承载能力和结构强度。强夯法普遍适用于各类松软地基，对于消除黄土湿陷性有明显效果。该法于上世纪60年代末在法国首先使用，70年代，在我国工业与民用建筑、港口、交通等部门得到普遍推广。山西为湿陷黄土地区，从上世纪80年代末开始，在电力、化工行业成功运用强夯法处理黄土地基。 在水利工程中，强夯法在水闸、泵站等地面建筑中，得到运用，并已列入标准，其中水闸设计标准进行了较为详细的表达。用强夯法处理湿陷性黄土坝基，那么起步较晚。如在90年代引黄北干线进行大梁水库根底处理设计时，专家们还认为“强夯、挤密桩法虽在工业民用建筑根底处理方面已取得成功经验，但在土坝坝基方面国内尚无先例，需要研究〞，放弃了强夯法。碾压式土坝设计标准〔SL274—2023〕肯定“湿陷性黄土坝基宜采用挖除、翻压、强夯等方法消除其湿陷性。〞，可以根据具体情况通过试验选用。我省横泉水库、河南西段村水库、引黄南干线呼延调节库以及电厂渣坝等也使用了强夯法处理湿陷性黄土坝基。 水工建筑物采用强夯处理湿陷性黄土地基，目前尚无配套标准。水闸、泵站等地面刚性建筑可参用工业民用建筑物相关标准，如建筑地基处理技术标准〔JGJ79—2023〕等。土坝荷载强度大，又具有一定的适应变形的能力，与工业与民用建筑物有明显区别，不能完全套用工业民用建筑等行业的有关标准。以下就湿陷黄土地基筑坝中遇到的一些问题进行讨论。 2、有效加固深度及其界定 由起夯面计算的影响深度按梅那公式计算，该公式认为影响深度与强夯的单击能有关，假定地基受到单击能Mh后，在深度H的范围内受到影响。但公式对影响深度并未提出界定指标，无法具体应用。后在梅那公式中引入了修正系数k，改称有效加固深度，并开始对其进行界定。 H=k√Mh/10 〔1〕 式中 k— 有效加固深度的折减系数，不同地基类型取不同数值，湿陷性黄土取0.34～0.5； M— 锤重，kN； h— 落距，m。 由于加固深度影响因素很多，从而使k值带有较大的不确定性。〔JGJ 79—2023〕提出：有效加固深度应根据现场试夯或当地经验确定，在缺少试验资料或经验时，可按表1预估〔湿陷性黄土〕。 表1 湿陷黄土地基有效加固深度表 单击夯击能 kN·m 1000 2023 3000 4000 5000 6000 9000 有效加固深度m 4-5.0 5.0-6.0 6.0-7.0 7.0-8.0 8.0-8.5 8.5-9.0 9.0-9.5 表列有效加固深度对应的修正系数k=0.3～0.5，与式2-1中使用的0.34～0.5根本吻合。大量采用强夯法加固黄土地基的施工实践说明，从消除湿陷性单一目标出发，表1数值根本符合实际，可作为预估值使用。 标准〔JG79-2023〕并未对上表所列的有效加固深度进行明确定义，提出具体界定指标。冶金部门强夯地基技术规程〔YSJ209-92、JBJ25-92〕明确“有效加固深度系指夯前地面整平标高至夯后能满足设计要求的垂直深度〞，亦未提出具体界定指标，习惯上，均以湿陷性消除深度作为有效加固深度。 然而，工程设计中对于湿陷性黄土地基处理，除要求消除湿陷性之外，还要求同时加固地基，提高地基土的密实度、结构、强度和承载能力，并提出与之对应的干密度、变形模量〔或压缩指数〕，地基承载力等设计指标。据参考文献〔1〕介绍，公式(1)中的k=0.34～0.5所对应的有效加固值H的界定指标为：在该加固范围内湿陷性根本消除；在该范围内承载能力fx≥150kPa，干密度Pd≥1.5g/cm3。但上述界定值并未得到广泛认知，不同工程常常提出各自的设计指标，有些指标在当地条件下不可能到达，众多指标之间也可能不相协调，给工程实施带来困难。 地基处理是工程设计的根底环节，经过处理后的地基必须全面满足设计要求。把强夯的有效加固深度定义为地基经过强夯后，强度、变形等各项指标满足设计要求的垂直深度是适宜的。不同类型的工程，对湿陷黄土地基处理有不同要求。工业与民用建筑，除消除湿陷性之外，要求同时提高地基承载力，采用的设计指标包括：湿陷性指标δs，密实度指标ρd，压缩模量Es〔或压缩系数αv〕，地基承载力fk等。对于土坝，承载力不作为控制指标，其设计要求指标包括：湿陷性指标δs，密实度指标ρd，变形指标压缩模量〔或压缩系数αv〕，强度指标C、Φ值，渗流指标及孔隙水压力指标等，但设计事先不可能对各分项指标都提出具体要求，考虑强度、变形、渗流及孔隙水压力指标均与土的密实程度密切相关，可以用干密度Pd代表。这样，对于湿陷黄土坝基，强夯的有效加固深度可以用湿陷系数δs与干密度Pd二个指标来表示。 湿陷性消除深度与土体密实度有效增加深度并不是同一个值。在强夯后地基黄土原始结构破坏，湿陷性就得以消除，而恢复土体结构，增加土的密实程度那么还受其他因素的影响。因此，一般情况下，湿陷性消除深度比密实度有效增加深度要大。在夯实功能较大时，强夯湿陷性消除深度可达13m以上，而密实度提高在8m以下效果就不甚显著〔夯后Pd增加幅度小于10%〕，表2列出了几座工程的深度比照。 表2强夯后湿陷性消除深度与密实度有效增加深度比照表 工程项目 地基土特征 湿陷性消除深度/m 密实度有效增加深度/m 1 黄土类、粉土、粉质黏土、碎石土 7-9 4-7 2-1 粉土、粉质黏土、碎石土 13 8 2 粉土、粉质黏土、碎石土 11 6.5-7.5 3 素填土、粉土、粉质黏土 7-11 4.1-9.4 4 素填土、黄土状粉质黏土、粉质黏土 13 6-8 可见，用一个指标来反映强夯的有效加固深度是不准确的。 针对这一情况，有的工程在按照湿陷性消除深度确定有效加固深度外，又按密实度显著提高程度再推荐一个反映“综合效果〞的深度；也有工程在以湿陷性消除深度作为有效加固深度的同时又将密实度加固深度划分为“强加密带〞与“加密带〞，将密实度显著增加的深度称作“强加密带〞。 对于修建在湿陷性黄土地基上的土坝，一般都要求消除湿陷性〔在无法全部消除时，将湿陷性控制在一定范围以内〕，以防止蓄水后坝体因湿陷变形而开裂，同时还要求在坝基面以下一定深度范围内加密土体，提高结构强度，以增强坝体抗滑与渗流稳定，减少压缩变形。一项工程的坝高、坝型、坝体断面、筑坝土料抗拉性能不同，对坝基加固的要求也不同，实际上，很难采用单一的有效加固深度。一般情况下，增强坝体稳定要求的地基密实度有效增加深度小于要求湿陷性消除深度。为便于强夯根底设计并与其他行业的划分标准相一致，建议将黄土坝基上湿陷性消除深度定义为有效加固深度，同时引入密实度有效增加深度作为湿陷性黄土地基强夯处理指标。 3、强夯对黄土地基密实度的影响 夯击后地基上可到达的干密度与地层分布、土体结构、夯击功能及工艺参数有关，随深度加大而递减，并与原始含水量密切相关。有资料说，“强夯后土层的干密度可达1.6g/cm3～1.95g/cm3，压缩模量可提高2～5倍，承载力可提高0.5～2倍〞，这应该指明其深度范围，否那么很容易产生误解。 日本坂口旭将强夯后的地根本分为4层，第一层为夯坑底以上，为张驰隆胀区，土层干密度由原始地表土的干密度迅速增加；第二层土中应力超过地基上的极限强度，加密效果最为显著；第三层土中应力处于极限强度与屈服值之间，夯实能的影响相对较小，固结效果迅速下降，加密效果不甚明显；第四层土中应力在屈服界限以内，根本没有固结，反映不出强夯效果。砂黄土地基的强夯结果都说明夯后地基土的干密度Pd值具有明显的分层特征和随深度增加递减的规律。 图1所示为4个探井夯后干密度随深度的变化曲线，表3为某工程几个测区强夯前后不同深度干密度Pd比照表〔采用单击夯能4 000～7 000kN·m，15击〕。 表3 强夯前后不同深度干密度Pd比照表 测区 ≤3m 3～6m 6～8m ＞8m 夯前 夯后 夯后/夯前 夯前 夯后 夯后/夯前 夯前 夯后 夯后/夯前 夯前 夯后 夯后/夯前 1 1.29 1.64 1.27 13.2 1.63 1.23 1.34 1.51 1.13 1.49 1.45 0.98 2 1.29 1.58 1.22 1.29 1.50 1.16 3 1.33 1.57 1.18 1.36 1.52 1.12 1.44 1.46 1.01 1.42 1.42 1.0 4 1.41 1.67 1.19 1.37 1.52 1.11 1.38 1.48 1.07 1.49 1.45 0.97 5 1.26 1.65 1.31 1.30 1.55 1.19 1.41 1.45 1.03 1.43 1.43 1.0 表中夯前、夯后干密度：g/cm3 夯后/夯前：夯后、夯前干密度比 由表3看出，经过强夯后，夯底以下表层3m以内，土体干密度可提高20%～30%，均值达1.65g/cm3左右；再下的3～6m，干密度可提高10%～20%，均值达1.55 g /cm3左右；再下的6～8m，干密度可提高0～10%，均值达1.45g/cm3左右。8m以下，有增有减，效果不显著。 影响强夯地基土体加密度的另一个重要因素是地基土的天然含水量。有工程经验说明，强夯法适用的地基土层含水量为9%～25%，其范围以外的效果很差。黄土类粉质黏土，粉土室内击实最优含水量约为15%～17%，在其±2%范围内，密实度可达0.97以上，干密度1.68 g/cm3左右。强夯土处于超固结状态，可低于室内击实最优含水量，但如含水量过低，〔项目1低于最优含水量7%～10%〕也明显影响夯实效果。几项工程强夯影响范围内地基天然含水量与干密度关系如表4。 表4强夯影响范围内地基土天然含水量与夯后干密度比照表 项目 强夯技术参数 天然土含水量W/％ 平均干密度ρs/ (g/cm3) 最小干密度ρs (g/cm3) I 单击夯能4 000～7 000kN•m，15击，间距6m，满夯2 000kN•m 8.17-12 10.2 1.56 1.42 II 单击夯能6 000、8 000kN•m，20击，间距5m，辅夯加固4 000kN•m，满夯2 000 kN•m。 10.7-18.4 13.3 1.75 1.55 1.51(碎石土) III 单击夯能6 000、8 000kN•m，15击，间距6m，满夯2 000kN•m 8.2-21.5 14.2 1.61 1.45 IV 单击夯能6 000、8 000kN•m，10击，辅夯3 000 kN•m，间距6m，满夯2 000kN•m。 16.4-24.2 1.53-1.8 1.53 注 含水量 范围值 平均值 表列项目I与项目II距离很近