强夯联合降水法地基处理中孔隙水压力观测应用

    李传凯++李恒等

    

    

    

    摘 要：通过对高真空击密法地基处理过程中地下土的孔隙水压力观测，结合地质情况、施工工艺等，分析强夯联合降水法地基处理过程中的孔隙水压力变化情况，评价地基处理的效果和影响因素，为设计和施工提供理论依据。

    关键词：地基处理 孔隙水压力 影响因素

    随着国家加大水运基础设施建设力度，越来越多的陆域形成需要进行地基处理来满足承载力的要求。高真空击密法地基处理是排水和击密的循环过程，每遍排水后进行一遍击密。为确保施工区域不受外围地下水的影响和施工现场排水通畅，需在施工边线开挖排水沟、并设置封水管。外围封管从开始施工保持到点夯结束。真空管降水根据土层分布情况分层设置深管和浅管，每遍高真空排水，水位需降至2m，然后进行下一步强夯施工，需对土体进行跳排夯击，以提高土体的密实度。

    高真空击密法地基处理的特点

    对饱和土夯前先进行高真空排水，属于主动排水，可有效减小土的饱和度，增加夯击效率，同时减小产生的超孔隙水压力。

    渗透系数较小的软土，在适当夯能的作用下，土中出现的微裂缝可增加土的渗透性能，产生的超孔隙水压力在再一次真空 “压差”的作用下可进一步增加排水效果。为此，提出实施第二、第三遍高真空排水，甚至夯击与排水同时进行的排水工序。多遍高真空击密排水最终以达到降低饱和软土含水量为目标。施工工序如下图所示：

    由施工工序可以看出，在每遍高真空排水、击密过后均需要对加固效果进行信息化检测，其检测项目包含沉降量监测、含水量监测、地下水位监测、真空度监测、静力触探试验等。通常在强夯过程中，会引起土中超静孔隙水压力的增加，《建筑地基处理技术规范》明确了两遍夯击之间的时间间隔取决于土中超孔隙水压力的消散时间，在不确定孔隙水压力消散时间下盲目进行下一遍强夯施工，不仅影响施工工期还影响加固效果。

    工程应用

    为了更好的表征强夯期间和强夯之后土中超孔隙水压力的变化过程，拟对某工程的强夯区（包含C区、D区）第二遍强夯过程进行试验分析。强夯参数为每遍夯点布置为4.5×4m、夯击能量为1800～2200kN·m、击数为4击。

    1、地质概况

    根据区域地质资料、地质调查、地质测绘及钻孔揭露，工程区范围内覆盖层主要为第四系全新统冲积层、更新统冲洪积层与人工堆积层；下伏基岩为古生界志留系中统坟头组地层。各地层岩性从上至下叙述如下：①人工堆积层（Qs）素填土：主要分布于大堤堤身及其两侧压浸平台，堤身填筑土厚度一般7～9m，两侧压浸平台填土厚1～3m，填筑土以粉质粘土为主，少量粉土、粉细砂团块，密实程度不均一。②第四系全新统冲积层（Q4al）工程区第四系全新统冲积层，由上至下大致为粉质粘土、粉土、中细砂、卵石。

    2、孔隙水压力计的布设及观测原则

    孔隙水压力计布设情况如下：①C区布设孔3孔，D区布设2孔，强夯场外3米处布置1孔，孔间距对称分布于试验区。②每孔埋入4个孔隙水压力传感器，压力传感器的深度从地基表面以下10米开始往上埋入，分别为10米处、8米处、6米处、4米处、每处埋入一个孔隙水压力传感器。③孔隙水压力传感器周围采用干净的中粗砂作为透水填料回填，透水填料层高度在0.6米～1.0米之间。上下两个孔隙水压力传感器之间用直径2cm左右的风干粘土球作隔水填料，隔水填料层的高度不小于1米。

    孔隙水压力的观测遵循如下原则：①强夯前采集每个孔隙水压力计初始频率值。②强夯期间重点采集数据，其中强夯时每夯1～2锤采集一次压力计的频率值，直至最后夯完采集到孔隙水压力最大时的频率值。③夯后每天观测采集1～2次孔隙水压力计频率值。直至孔隙水压力消散到趋于稳定时止。

    观测成果

    工程C区于某年1月5日开始进行第二遍强夯（工程D区于1月6日开始进行第二遍强夯），通过强夯前埋入的孔隙水压力计采集到的数据统计如下：

    1、地表下10米处孔隙水压力变化情况

    从两个强夯区地表下10米处5个传感器上采集到的数据可看出，在强夯前后孔隙水压力值的变化杂乱无章且无规律可寻，孔压值变化不大，表明在夯击能量为1800～2200kN·m下，其作用对土的孔隙水压力影响有限，强夯加固效果无法达到地下10米的深度。

    2、地表下其它深度处孔隙水压力变化情况

    从工程C区和D区各个传感器上采集到的信息可以看出，孔隙水压力在强夯过程中逐渐增大，强夯最后一击停止时达到峰值，之后开始下降，孔压值变化图类似于正态分布。

    因为工程C区和D区的地理位置相差在200米以上，工程C区和D区在强夯后的孔隙水压力下降速度存在明显不同，工程C区的下降速率保持在3kPa/天左右，而工程D区的孔隙水压力值在第二天就能下降到峰值的70%，结合工程区域附近钻孔所揭露的地质情况表明，地下土质对孔隙水压力的消散影响很大。

    从工程C区和D区各传感器的孔隙水压力值观测图上可以看出，尽管在强夯过后孔压值的下降速率不同，但都在强夯7天之后趋于稳定，两个区的孔隙水压力值在强夯7天后都能消散到75%及以上。

    3、强夯场外孔隙水压力变化情况

    为了查明强夯场外孔隙水压力变化情况，本次观测在强夯区域之外3米处也布设了孔隙水压力传感器，从采集到的数据分析，无论是地表下4米处还是地下10米处，其孔隙水压力变化均无特定规律可寻且变化量较小，表明强夯只对其施工区域内的孔隙水压力有影响，场外作用有限。

    结论及建议

    通过工程实际，对高真空击密法地基处理过程的孔隙水压力观测可以得出以下结论：①在夯击能量为1800～2200kN·m下，其地基处理效果无法影响到地下10米或者更深。②孔隙水压力在强夯期间达到最大，之后慢慢下降，下降速率与地质状况及土质有关，在强夯过后7天，其孔隙水压力能消散到75%及以上。③高真空击密法地基处理只对其强夯区域内的孔隙水压力有影响，对工程区3米以外作用有限。

    通过孔隙水压力的观测，可以查明强夯期间地下孔隙水压力的变化情况，确定孔隙水压力的消散程度，指导下一步施工，同时通过观测可以进一步揭示地基处理的效果与作用范围，能够为设计和施工提供理论依据。但是，由于地质情况的复杂多变，受传感器的精度、施工工艺的不同等诸多因素的影响，在实际应用过程中仍需逐一考虑。

    参考文献：

    [1]《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）

    [2]《水运工程水工建筑物原型观测技术规范》（JTJ 218-2005）

    （第一作者单位：长江航道规划设计研究院，第二、三、四作者单位：长江航务工程质量监督中心站）