真空降水强夯法施工组织设计

真空降水强夯法施工组织设计强夯（动力固结）法具有经济易行、造价低廉、施工工期短、加固效果显著、适用土类广等众多优点，在世界各地的地基处理工程中得到了广泛应用[1-2]。然而，工程实践中发现应用强夯法处理地基时常常出现以下问题：(1)场地地下水位过高，易造成地表严重液化、夯坑积水等问题，影响加固质量和安全生产。(2)对于粘性土或夹淤质层砂土，由于强夯扰动破坏了土体结构，导致土体渗透性降低，超静孔隙水压力难以消散，会出现“橡皮土”现象，难以实现真正的土体加固。真空降水强夯法就是在这种背景下研究开发的地基处理新工法，该法结合强夯法和真空井点降水的技术优点，有效地解决了上述强夯施工中的地下水问题。本文结合某吹填土地基处理工程，介绍该法的加固机理及加固效果，并对其关键技术进行了分析探讨。1真空降水强夯法加固机理及特点1.1真空降水强夯法加固机理软粘土孔隙比大、含水量高、渗透性差、强度低，在强夯动力作用下，孔隙水压力瞬间升高；由于土体渗透性差，短时间内难以消散[3]，此时若继续夯击，必然出现“橡皮土”现象。真空降水强夯法区别于强夯法及其他动力排水固结法的显著特点是：通过设置真空井点降水系统实现主动排水[4]，快速消散超静孔隙水压力，避免强夯施工中的“地表液化”和“橡皮土”问题。同时，该法将真空降水和强夯穿插进行，使土体在重锤夯击、真空吸力及自身重力等动静力共同作用下短时间实现快速固结，促使饱和软粘土产生预变形和预沉降，土体强度得到显著提高。1.2真空降水强夯法主要优点(1)通过夯前降水，突破了规范[5]中直接强夯应保证地下水位低于夯坑底2米的规定，扩大了强夯的应用范围。(2)通过井点降水解决了软粘性土中土体渗透性差的问题，保证夯击引起的超静孔隙水压力能够及时消散，避免“橡皮土”的出现。(3)与传统动力排水固结法相比，该工法通过真空井点井点降水实现主动排水[4]，使超静孔隙水压力消散更快，从而显著节省工期。(4)处理后场地土体的天然地基承载力得到显著提高，并能有效消除负摩阻力和砂土液化，具体分析见本文的第四部分。1.3真空降水强夯法施工工艺流程真空降水强夯法主要适用于高饱和土及排水不畅的软粘土，故真空排水先于强夯进行。施工前根据场地条件及处理目标确定降水和强夯的施工参数，其典型施工工艺流程如图1所示。图1典型施工工艺流程示意图2工程概况2.1概述某大型冶金建筑拟建造于吹填土形成的陆域场地，该工程单体建（构）筑物荷载大，对地基承载力要求高，对地基沉降十分敏感。因此需要对场地进行地基加固，提高地基土的强度，控制场地的不均匀沉降和沉降速率，以保证工程的安全及正常运行。2.2场地条件 场地表层为新近吹填砂土，呈不均匀性、含水量高、孔隙率大、承载力差等特点，当地震烈度达到7度时，还会发生地震液化现象。同时地下水与海水相通，水位变化受涨落潮控制，给施工带来很多影响。场地土自上而下依次为：第①层吹填土：浅灰色，主要由粉、细砂组成，含贝壳碎片，饱和，由于吹填时间短，呈松散状态，密实度不均，属欠固结土。厚度4.4m～7.5m。第②层粉质粘土：灰黑色，含有机质及贝壳，有腥臭味，具层理，夹粉土薄层。局部地段为淤泥质粉质粘土，呈流塑状态，属高压缩性土，层厚：0.2m～7.6m。此层为有机质土，该层局部有粉土透镜体。第③层细砂：灰-灰黑色，长石、石英质，含多量贝壳，混粘性土，具层理，有粘性土、粉砂夹层，饱和，呈松散-稍密状态，层厚1.3m～8.0m。该层7度地震作用下中等液化。第④层细砂：灰-灰黑色，长石、石英质，含多量贝壳，混粘性土，具层理，有粘性土、粉砂夹层，该层局部分布有粉土透镜体。饱和，中密，厚度：2.7m～9.0m，此层可作为一般建筑桩端持力层。下部土层工程力学性质相对较好，且不在加固范围内，故本文不再赘述。2.3试验方案选择某典型区域作为试验区，将区内划分为四个子区，分别采用不同的能量级别和施工工艺，以分析各工况条件下的加固效果，为后续大面积处理提供依据。各区域试验参数分别为：A区采用“两降两夯”工艺，能级1500kN·m；B、C、D区采用“三降三夯”工艺，能级分别为2000、3000、4000kN·m；3真空降水强夯法关键技术分析3.1真空排水关键技术降水井点采用高压射水法成孔，成孔后埋设竖向及水平封闭管道，并连接真空泵实现排水。该法具有施工工艺简单、降水效果好、设备可以重复利用等优点。降水系统如图2所示。图2降水系统布置图（1）真空降水工艺流程准备工作→铺放总管→埋设支管→支管总管连接→真空泵安装→调试→抽水→水位观测→拆除→强夯。（2）降水系统布置井点的平面布置及深度根据场地条件确定。本工程中井点间距４m×４m，采用深、浅降水管相间布置方案，深管长6m，浅管长3m。距施工小区3m处布置一排外围封管，外围封管管长6m，井点管间距2m。外围封管在强夯施工期间连续进行降水，以控制地下水位回升。对于吹填砂土场地，若井口密封效果不好，可以采用粘土或淤泥质土封堵井口，以提高降水效率。（3）超静孔隙水压变化分析降水的效果是真空降水强夯法成败的关键，同时孔隙水压消散的时间也决定了两遍夯击的时间间隔。因此，在施工中应该对降水效果及孔隙水压消散情况进行动态监测，图２显示的是现场实测的超静孔隙水压变化曲线。 图3　超静孔压消散曲线由图2可以得到以下两点结论：（a）夯击时超静孔隙水压力瞬间增大，最大超过50kPa；浅层孔的超静孔隙水压力大于深层的超静孔隙水压力；因此，真空降水重点解决的是浅层超静水压消散问题，在吹填砂土进行降水时不必将井点设置的过深。若砂层下有软粘土夹层，需根据场地条件慎重确定井点深度，一般需要穿过软粘土层。（b）真空降水作用下，超静孔隙水压力消散明显，且浅层超静孔隙水压力的消散快于深层，一般1～２天左右超静孔隙水压力可消散90%左右。因此，降水的时间达到48～72小时可以满足要求。值得注意的是，确定降水时间参数还应参考地下水位监测结果。对于地下水与海水或湖水相连接的场地，地下水位应该满足施工条件的规定才能进行夯击。3.2动力固结关键技术（1）能级搭配对于软粘土，大能量夯击容易破坏土的结构，产生橡皮土；对于高饱和吹填土，大能量夯击表层容易出现液化现象；因此，在施工中采用了“由轻到重、少击多遍”的施工工艺[6]。其基本原理是以小能量将浅层率先加固，在表层形成“硬壳层”[3]；有了该“硬壳层”就可以逐渐加大能级，加固深层土体。各能级施工参数见表1。表1各试验小区夯击参数试验小区夯区面积/m2第一遍夯第二遍夯第三遍夯夯点布置m单击夯能kN·m击数夯点布置m单击夯能kN·m击数夯点布置m单击夯能kN·m击数A30×304.0×4.010004～54.0×4.015006～10B50×504.0×4.010004～54.0×4.015006～84.0×4.020008～10C30×304.0×4.010004～54.0×4.020006～84.0×4.030008～10D30×305.0×5.010004～55.0×5.025006～85.0×5.040008～10（2）收锤标准高饱和填土及软粘土对夯击产生的冲击效应十分敏感。施工中应该控制夯击次数，避免破坏土体结构。结合试验场地条件及强夯实践经验提出以下控制标准：（a）夯击时夯坑周围出现明显隆起，则要适当降低夯击能量或适当调整夯击击数。（b）夯击时相邻夯坑内出现土体隆起现象，则要停止强夯或适当降低夯击能量。（c）后一击夯沉量明显大于前一击夯沉量，或有侧向隆起时，停止夯击。（d）最后两击平均夯沉量小于50mm。4加固效果分析[7]为了检验处理的效果，分别在工前和工后在场地进行载荷试验、静力触探、标准贯入等现场测试，并在施工期间对场地标高、孔隙水压、地下水位进行了动态观测。试验显示，真空降水强夯法不仅克服了不利场地条件限制，同时也取得了显著的加固效果。 （1）工后地面沉降达到333～602mm，这是由于土体结构趋于密实而产生的。工后产生的明显沉降说明经处理后有效消除了土体对桩基的负摩阻力。（2）载荷试验显示，工后场地天然地基承载力提高120～300%，提高幅度与能级增加趋势一致。（3）标准贯入试验和静力触探试验结果表明，试验区砂土液化层经处理后液化完全消除，土层均匀性明显改善，在地基浅层形成均匀的相对硬层，有效消除不均匀沉降。各能级加固效果汇总见表2。图2各能级加固效果分析能级(kN·m)加固范围(m)工后沉降(mm)fak(kPa)夯前夯后15004～53337516520005～74727521030007～96027525540009～1147075305注：由于吹填土很不均匀，3000kN·m及4000kN·m能级的工后沉降出现异常。5结语（1）真空降水强夯法是将真空降水和动力固结两种工艺有机结合而成的一种复合型新工法。该工法能快速有效地改善排水条件，工期短，处理效果显著。（2）真空降水强夯法主要适合于软粘土及高饱和土，应用时需要根据场地的不同合理选择施工参数。对于软粘土，应采取有效措施避免出现“橡皮土”现象；对于高饱和土应特别注意表层土体液化及夯坑积水问题。（3）真空降水强夯法可以有效处理软粘土及高饱和土地基，扩大了强夯的应用范围；与一般的动力排水固结法相比，该法显著节省工期，具有十分广阔的应用前景。