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大连新港南海罐区碎石填海地基15000kN•m强夯处理工程

dcworld发表于2018-09-19 13:35  来源:加入收藏  270次      

年廷凯1  李鸿江2

 (1大连理工大学土木工程学院 116024;2中化岩土工程股份有限公司 北京 102600)

作者简介1年廷凯(1971.12 ),男,大连理工大学教授、博士生导师,长期致力于岩土工程灾变机理与减灾技术方面的应用基础研究,在海岸/海洋岩土工程与减灾技术、特殊岩土力学与沿海软基病害处置技术方面取得了一些创新性成果E-mailtknian@163.com

 

  要:针对某沿海下卧软弱夹层的碎石回填土地基,在国内首次开展了15000 kN·m高能级强夯的现场试验。通过单点夯试验,各夯点与夯坑周围地面沉降观测及强夯前后地基动力触探测试结果的对比分析,揭示了下卧软弱夹层的碎石回填地基上15000 kN·m高能级强夯的作用机制,得出该条件下强夯的有效加固深度为11.5 m,主夯点间距宜为12.5 m,夯击数宜为18~22击的有关结论,其结果可供类似工程参考。

关键词:高能级强夯;15000 kN·m;下卧软弱夹层;动力触探测试;有效加固深度

一、项目概况

近年来,一些沿海地区通过填海造地建设原油库区、炼厂、堆场、码头的项目越来越多,而强夯法处理地基的工艺因其成本低、施工快而被广泛采用。随着沿海软土地区回填碎石地基厚度的加大,强夯的夯击能也逐渐加大,但由于高位地下水的消能作用,相同夯击能下沿海地区的强夯要比陆域强夯的处理效果有所降低。大连新港南海原油罐区罐基础强夯工程就是一个在海域软土层上回填碎石而形成的地基项目,该工程位于大连新港鲇鱼湾西侧,要建设6台十万m3储备原油罐及排洪沟和系统管网等一些其他相应配套设施。场地平均回填厚度8m左右,最大深度约14m。前期曾进行过8000kN·m能级强夯试验,但效果不理想,后经多方论证决定通过加大夯击能来达到设计要求,最终采用15000kN·m能级,当时尚属国内首创,试验工作于20051022日开始进行,试验成功后在该工程中采用,自此拉开了超高能级强夯的历史帷幕。

二、地质概况

工程场地处于陆域低山丘陵与海域水下岸坡之间,且已通过人工回填方式形成陆域,回填料为素填土,含较多碎块石,最大粒径在40 cm以上,个别达1.0 m左右。地下水位受海潮影响,在地面以下3.05.0 m间波动。场地土层情况见表2-1

2-1  场地土层分布情况表

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三、地基处理设计要求及施工参数

设计要求:六个油罐基础均采用强夯法处理,强夯区域以罐中心为圆心,直径为100m。设计要求强夯加固处理后各层土的指标分别满足下列要求:

素填土:地基承载力特征值fak≥300kPa,压缩模量Es≥20MPa

粉细砂:地基承载力特征值fak≥170kPa,压缩模量Es≥12.2MPa

粉质黏土:地基承载力特征值fak≥250kPa,压缩模量Es≥8.7MPa

施工参数:强夯共分5遍进行,第12遍为点夯,夯击能为15000kN·m,夯点间距10m,正方形布点。单点夯击数20击,每点收锤标准最后2击平均夯沉量小于25cm。第3遍点夯,夯击能8000kN·m,在第12遍主夯点之间,成梅花型布点。单点夯击数20击,每点收锤标准最后2击平均夯沉量小于20cm。第45遍为满夯,夯击能3000kN·m,最后2击平均夯沉量小于6cm。夯印彼此搭接1/3锤径。

四、强夯试验

在大面积施工前,在42号罐选择一个有代表性区域作为15000 kN·m强夯试验区。试验区施工设备采用中化岩土公司最新研制的CGE-1800B型强夯机,该机型是采用自动遥控装置系统,安全可靠;夯锤选用直径2.5 m,重量达450 kN的铸钢锤,底面静压力约为90 kPa

1、强夯施工工艺流程

场地平整测量放线1遍主夯点场地平整测量放线2遍主夯点场地平整测量放线3遍加固夯场地平整测量4遍满夯场地平整测量单体验收。

2、强夯试验方案

试验区为20 m×20 m的正方形,按设计要求的布点方式如图2-1所示。一遍点(15000 kN·m9个,二遍点(15000 kN·m)四个,三遍点(8000 kN·m12个。为了验证夯击数和夯点间距,施工过程中对A5B5A4B4A4B1(位置见图2-1)三点进行了单点夯试验。试验方法是分别在夯锤上和夯坑周围地面相互垂直方向埋设观测标识,在夯击过程中利用仪器测量每击的夯沉量和地面水平方向、垂直方向的位移,当夯击数达到设计夯沉量控制指标后,或地面出现异常隆起时,停止夯击。绘制夯击数和夯沉量以及夯击数与夯坑周边沉降、隆起量关系曲线(如图2-2、图2-3abc所示),计算有效夯实系数,确定最佳夯击数和夯点间距。

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2-1  15000 kN·m试验区夯点布置及监测与检测点布置

 

3、单点夯监测及结果分析

15000kN∙m能级夯点A5B5A4B48000kN∙m能级夯点A4B1各夯点的夯沉量与夯击数关系曲线如图2-2所示。

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2-2  A5B5A4B4A4B1各夯点夯沉量与击数关系曲线

 

从图2-2可以看出,夯沉量是第一击最大,而后随着夯击数的增加而减小,并逐渐趋于定值。其中两条15 000 kN·m夯击能曲线(A5B5A4B4)上分别出现了2个尖点(突变点),为强夯过程中两次填料所致;填料后夯击仍然是第1击夯沉量最大,而后逐渐减小并趋于定值,且第1次填料的夯沉量大于第2次填料夯沉量,由此说明二次填料后夯沉量在减小,夯坑底部逐渐趋于密实。对比分析3条单击夯沉量曲线可见,总体上第115 000 kN·m夯击点(A5B5)每击夯沉量大于第215 000 kN·m夯击点(A4B4),二者均大于第38 000 kN·m夯击点(A4B1),这从3条地面总夯沉量曲线上也能明显反映出。分析地面总夯沉量曲线,15 000 kN·m能级主夯的总夯沉量在4.04.87 m之间,而8000kN∙m夯击能总夯沉量在3.25 m

点夯进行中每夯一击实测地面总夯沉量,同时对夯坑周边进行地面凹陷与隆起的监测,具体结果如图2-3所示。


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监测结果表明:

115 000 kN·m单点(A5B5)在夯击过程中周边地面表现为沉降,靠近夯锤的2个观测点下沉较为显著,远离夯锤各点下沉逐渐减小,到远处观测点下沉已不明显;综合分析表明,15 000 kN·m单点夯侧向影响范围应在6.25 m左右。由此可见,10 m×10 m的主夯点间距设计还是比较合理的。夯击过程中填料2次,累计加料厚度约1.19 m,填料与坍料以下沉为主,侧向挤土作用较弱,最终夯坑深度为4.87 m,夯坑范围超过2倍夯锤直径,达到6.2 m。此点夯击至18击时已达到连续2击的平均夯沉量不大于20 cm的要求,为安全起见,将夯击数增至20击,最后2击平均夯沉量为18.5 cm

215 000 kN·m单点(A4B4)在夯击过程中周边地面表现为隆起,靠近夯锤的两个观测点隆起显著,远离夯锤各点隆起不明显。第12击隆起量显著,以后各击变化不明显;至第10击隆起量明显回落,表现为整体沉降,但夯坑远处监测点隆起量有所增加。分析原因为:由于受第1遍夯击作用影响,2遍夯坑下方土体(5 m以下)较上部密实,起初夯击时侧向挤土膨胀造成地表鼓起;当10击挤密周围土体后转而夯击回填碎石向下挤土,同时带动周围素填土下移,表现为整体沉降;多次向下挤土使得素填土进入软黏土层或夯击能影响到该层,导致软黏土侧移、上鼓,致使远处监测点表现为隆起。夯击过程中填料2次,加料厚度为0.82 m,形成夯坑深度为4 m,实测夯坑直径为5.2 m。此点第17击因故障停夯,后补充夯至20击,最后2击平均夯沉量已在15 cm之内。综合两遍15 000 kN·m单点夯的监测结果认为,15 000 kN·m夯击过程中每个夯点填料2次,最佳夯击数为1822击。

38 000 kN·m单点(A4B1)在夯击过程中周边地面仍表现为隆起,靠近夯锤的2个观测点隆起显著,远离夯锤各点隆起不明显,最远处观测点影响极小。其侧向影响范围应在5.25 m左右。夯击过程中未填料,形成夯坑深度为3.34 m,实测夯坑直径为5.0 m。此点夯击至16击时已达到连续两击的平均夯沉量不大于10 cm的要求,为安全起见,将夯击数增至18击,最后2击平均夯沉量为3 cm。综合分析认为,8 000 kN·m单点夯最佳夯击数为1618击。

4、试验区强夯地基测试及加固效果分析

15000 kN·m强夯试验区夯前布置动力触探测试孔3个(其中1个孔兼取样),夯后布置动力触探孔2个,取样孔1个,各孔布置及其编号如图2-1所示。现将Zk2Zk3孔夯前与夯后动力触探测试结果列于表2-1,夯前Zk1孔、夯后Zk4孔(夯后3个月)室内土工试验结果列于表2-2。其中粉细砂、粉质黏土层采用标准贯入试验测试。

由表2-1位于夯点的Zk3孔夯前与夯后动力触探测试结果分析可见,强夯后厚层素填土的地基承载力特征值提高近3倍,粉质黏土提高50%,粉细砂与碎砾石也均有20%以上增幅;位于夯间的Zk2孔其地基承载力也有明显提高,但幅度稍小。由表2-2夯前Zk1孔与夯后Zk4孔土工试验结果的对比分析可见,夯后粉质黏土的孔隙比、液性指数、压缩系数均有明显改善,其对应300400 kPa压力时的压缩模量提高了86%。素填土的地基承载力特征值为350450kPa,变形模量为21.328MPa;含砾粉细砂地基承载力特征值170200kPa,变形模量12.214.1MPa;黏土的地基承载力特征值为90100kPa,压缩模量为2.452.72MPa;碎砾石的地基承载力特征值为400kPa,变形模量为26.0MPa

试验区夯前与夯后各层土动力触探测试结果对比                 2-1

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五、工程施工

通过强夯试验区的试验结果分析,能够满足原油罐体的使用要求,大面积施工罐基础采用15000kN·m能级强夯,罐间及其他区域采用8000kN·m能级强夯施工。根据本工程量大小和工期要求,共入5台强夯施工机组,其中3台为我公司自行研制的CGE1800B型强夯专用机,最高施工能级可以达到18000kN·m,另2台为50t履带式吊车。工程最终如期保质完成,罐组建成试水试验沉降满足要求。

六、结论与建议

通过对该项强夯地基工程的施工、监测和检测结果的综合分析,得出:

1)对于存在地下水与软弱层碎石回填地基,若采用梅纳修正公式预估高能级强夯的有效加固深度时,建议其修正系数取      α =0.290.32,但应以现场试验确定。

2)对于高能级强夯主夯点夯坑较深,在满夯施工前对第12遍夯点应进行补夯(固夯)处理,根据夯坑深度能级应在3000kN·m能级以上。

3)为加大强夯深层处理效果,强夯施工过程中应尽量加大夯坑深度,在不得已的情况下(提锤困难,水泥石飞溅)再填料,每次填料厚度应有所控制,不可太厚,以不超过坑深1/3为宜,以确保夯击能量有效传递至坑底以下较大深度。

4)对于存在地下水与软弱层的碎石回填地基,夯坑回填料最好选择强度较高、级配良好,最大粒径不超过350mm的开山碎石。

5)施工过程中,发现表层有含水量较高软弱粉土、黏土时应及时换填,换填料可用夯坑回填料。



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