港口堆场复杂场地地基强夯和插板强夯加固效果对比试验研究

盛利，袁方龙

（1.天津津港建设有限公司，天津 300456；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通运输行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

0 引言

软土地基加固[1-2]是港口码头建设的重点和难点，其对于地基沉降的要求标准十分严格，尤其是对于一些老旧堆场码头改造工程，由于受场地之前加固工艺和用途的影响，场地表层经过多次堆填、修整后产生不同厚度的杂填土硬壳层，地质条件极为复杂，区域土层的不均匀性和特殊性比较明显，且地下水位较高，若地基处理[3]措施不当，在长时间高强度堆压下极易诱发地基产生不均匀沉降，严重时将影响码头和堆场的正常使用和运营。

强夯法[4-5]是解决地基沉降最直接有效的方法，具有适用范围广、加固效果显著、经济环保等优点，目前强夯法在加固表层存在大块混凝土和联锁块等硬壳层的饱和软黏土地基的应用较少，且插打排水板对强夯加固效果[6-8]的影响规律尚不清楚，进行深入研究对于指导大面积复杂场地地基强夯加固设计和施工具有重要意义。

本文以天津港某集装箱码头工程为依托，对强夯法和插板强夯法的加固效果及规律性进行试验研究，并将试验结果进行对比分析，以对后期的强夯设计和大面积施工提供有效的参考和借鉴。

1 工程地质概况

天津港某集装箱码头地块总面积约76万m2，历史成陆原因复杂，自南向北作为煤炭、矿石散货临时堆场使用至今，道路及堆场布置自由、零散。地质勘察报告揭露土层自上而下为：

①1杂填土：层厚为2.0～7.0 m，杂色，松散，主要由砖块、大块混凝土、碎石、粉煤灰渣及废土组成，表层局部为连锁块；①2混凝土块：厚度一般为0.30～0.70 m，以大块混凝土为主，呈杂色、青灰色，钻探时局部岩芯呈短柱状或碎块状，敲击声脆，最大柱长20～30 cm，局部含钢筋，疑似混凝土建筑垃圾；①3碱渣质杂填土：层厚为1.2～2.0 m，灰白色，膏状，部分呈渣状，夹少量石子；②1黏土：层厚为2.0～6.0 m，灰色，呈流塑—软塑状态，有层理，含贝壳，属高压缩性土。土质不均，夹淤泥、淤泥质黏土、粉土、粉质黏土透镜体；②2淤泥质黏土：层厚为1.0～5.0 m，呈灰色，流塑—软塑状态，有层理，含贝壳，属高压缩性土；③1黏土：层厚为2.0～6.5 m，灰色，流塑—软塑状态，有层理，含贝壳，属高压缩性土。

场区静止水位埋深+2.8 m。

2 试验区设计

2.1 排水板布设

选取土层分布均匀且具有代表性的场地作为试验区，试验区分为强夯区和插板强夯区，两试验区相邻分布，面积均为15 m×15 m，地面标高为+5.0 m，表层存在2.0～3.0 m厚的硬壳层（杂填土、混凝土块等），下卧土体以饱和黏土为主。

插板强夯区排水板打设前开挖清除表层2 m厚的硬壳层，排水板呈7行7列正方形布置，间距0.8 m，板底标高为-5.0 m，板头外露2.0 m，排水板打设完成后，将开挖土体回填至原地面标高，回填过程中保持排水板板头直立。

2.2 监测检测点布置

在强夯区和插板强夯区中心各埋设1组孔隙水压力监测点（每组4个孔压传感器，各传感器埋深高程为：+1.0 m、-1.0 m、-3.0 m、-5.0 m）；夯击前后在两试验区夯点位置分别进行了原状取土和十字板剪切试验，试验区平面设计图见图1。

图1 试验区平面设计图Fig.1 Design plan oftestarea

2.3 试夯设计

现场以“少击多遍，逐步夯实”的原则夯击，夯点位置均选在孔隙水压力监测点的4个角点处，夯点距孔压监测点约1.5 m，两试验区采取相同的夯击参数。

强夯施工具体参数详见表1。

表1 强夯施工参数Table 1 Construction parameters ofdynamic compaction

3 监测（检测）结果分析

3.1 室内土体密度试验

图2给出了夯击前和第3遍夯击结束7 d后，试验区地基土体密度沿深度变化曲线。

图2 土层密度分布曲线Fig.2 Distribution curve of soillayer density

由图2可知，强夯加固后，插板区和无板区土体密度均得到有效增长，最上部土体密度增幅最大，分别提高了15.8%和9.2%，密度增幅沿深度递减，说明地基有效加固深度范围内，夯击能沿土体深度传递呈衰减趋势，传递至标高-3.5 m处，土体密度几乎无增长；夯击后，插板区土体密度明显高于无板区，说明在排水条件下进行强夯，土层更易被夯密，地基的稳定性更易提高。

3.2 孔隙水压力检测

图3给出了夯击过程中及夯击结束后，插板区和无板区地基土体内孔隙水压力变化曲线，由图可知，夯击过程中，孔隙水压力呈陡增趋势，且孔压增幅最大值出现在土层最上部，孔压增幅沿土层深度递减；随着夯击遍数的增加，孔压峰值逐渐减小；每遍夯击结束后，插板区孔压峰值明显低于无板区，且插板区孔隙水压力消散比例平均值达到每遍夯击后峰值的75%的时间为3 d左右，相比于无板区孔隙水压力消散时间（7 d）明显缩短，说明插设排水板能够合理改善下卧黏土层的排水条件，有效加快软土地基的固结速度。

图3 试验区孔隙水压力变化曲线Fig.3 Variation curve ofpore water pressure in test area

3.3 十字板剪切试验

由图4可以看出，夯击结束后，试验区土体的抗剪强度均得到提高，抗剪强度最大增幅出现在最上部土层（标高+2.0 m），且强度增幅沿土层深度呈递减趋势；插板区土体的抗剪强度增长更明显，最大值为36.1 kPa，较无板区土体抗剪强度提高了26.8%，说明插板强夯法更能提高地基土体的力学特性，加固效果更明显。

图4 十字板剪切强度分布曲线Fig.4 Distribution curve ofvane shear strength

3.4 有效加固深度

由图2～图4可知，在强夯法和插板强夯法作用下，软土地基的物理力学特性均得到有效提高，且增长幅值沿土层深度呈递减趋势，在标高-3.5 m（深度8.5 m）左右，地基土体几乎不受强夯作用影响，故可认为该试验场地强夯的有效加固深度为8.5 m，根据强夯加固深度公式[9]可反算出经验系数α值：

式中：α为强夯加固深度经验系数；H为强夯有效加固深度，m；Wh为夯击能，kN·m。

代入有效加固深度，得出α值为0.601，此值可用于计算相似场地强夯有效加固深度。

4 结语

通过对比分析强夯法和插板强夯法加固港口堆场复杂场地地基的效果，得出：

1）强夯法和插板强夯法均能有效提高软土地基的密度，且土体密度增幅沿土层深度减小；在相同的强夯施工参数下，插板区和无板区地基土体密度的最大增长比例分别为15.8%和9.2%，可得出插板强夯法更容易提高地基土体密度。

2）在强夯施工结束后，无板区土体内产生的超孔隙水压力较大，插板区土体的孔隙水压力消散比例平均值达到每遍夯击后峰值的75%的时间为3 d左右，较无板区孔隙水压力消散时间（7 d）明显缩短，说明插设排水板能够合理改善下卧黏土层的排水条件，有效加快软土地基的固结速度。

3）强夯法能有效提高土体的抗剪强度，且强度增幅沿土体深度递减，插板区土体抗剪强度最大值为36.1 kPa，较无板区土体的抗剪强度提高了26.8%，说明插板强夯法更能提高地基土体的力学特性，在地基设计时可考虑将插板作为设计措施。

4）插板区和无板区在2 000 kN·m夯击能作用下的有效加固深度为8.5 m，根据强夯有效加固深度公式，计算出强夯加固深度经验系数为0.601，对于计算相似场地强夯有效加固深度具有参考意义。