浅析强夯地基质量检测中重型动力触探法的应用
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浅析强夯地基质量检测中重型动力触探法的应用 摘要: 随着建设事业的日益发展,需人工处理的地基也将越来越多,强夯法作为经济高效的地基处理方法必将得到越来越广泛的应用,对强夯地基的质量作科学检测也将越来越多,应引起岩土工程人员和工程质检人员的高度重视。动力触探试验作为一种土的原位测试技术,在国内外应用极其广泛。着重阐述重型动力触探技术的方法、基本原理、影响因素及试验要求,并结合实践工程建设, 简谈其在地基检测中的应用。 关键词: 强夯地基; 质量检测;重型动力触探试验；应用 重庆江北机场地处浅丘区，拟建设第二跑道与配套设施，为提高地基土的承载力和强度，在试验段内采用对软弱土层进行换填并作强夯加固处理，为其施工设计提供基础性资料。我检测中心完成了该试验段强夯地基基础的重型触探试验工作。 试验段面积约2500m2，地基土为抛填的泥岩碎石土，抛填厚度约4m。将试验段划分成A、B两个区域，分别采用两种不同的夯击能即2000kN与3000kN强夯填土层。A试验区面积约1300m2，填土土石比约3:7，面层块石直径大者约0.4m左右。B试验区面积约1200m2,填土土石比约3:7~4:6，块石直径大者约0.6m左右。把试验段分成两个区域，意在通过两种不同夯击能强夯的重型触探试验结果对比，更清楚了解到重型触探试验效果。 触探试验是利用一定能量的落锤，将与探杆相联接的一定规格的圆锥探头打入土中，根据探头贯入土中的难易程度来探测土的工程性质的现场测试方法。动力触探技术作为一种主要的土的原位测试技术, 具有设备简单且坚固耐用, 操作容易, 适应性广, 快速、经济、能连续测试土层等优点, 因此广泛应用于国内外的土基检测领域。 动力触探试验分为两大类型: 圆锥动力触探试验和标准贯入试验。前者根据穿心锤的重量分为轻型、重型及超重型动力触探试验。轻型动力触探适用于砂土、粉土、粘土或浅部素填土，重型动力触探试验适用于中密以下的碎石地基土，超重型触探试验则适用于较密实的碎石土。而标准贯入试验适于砂土、粉土、以及一般性粘土层，各类型试验规格见表1。 表1 动力触探试验类型及规格 1 重型动力触探试验 1.1 重型动力触探试验基本原理 动力触探采用自动落锤法, 保持触探孔垂直触探杆偏斜度不超过2%, 试验时从地面下50cm 左右开始连续贯入, 控制15-30击/min, 及时记录贯入深度及每贯入10cm 的击数。如遇到贯入阻力较大出现吊锤反弹且连续反弹5次, 即改用钻进穿过阻力层后, 继续按技术要求进行触探试验,该试验段就采用了重型动力触探试验。 1.2 试验影响因素 影响重型动力触探试验因素比较多, 主要包括以下三个方面: (1)设备因素。包括重锤形状质量,探头形状尺寸, 触探杆截面尺寸、长度和质量, 导向锤座构造及尺寸, 所用材料类型性能; (2) 人为误差。包括重锤高度控制和锤击方法, 量测读数方法和精度,触探孔的垂直高度, 钻孔方法和护壁清孔情况; (3)其他因素。包括土的颗粒组成、结构强度、含水量、密实度、抗剪强度、压缩性等。 1.3 影响因素的修正 1.3.1 触探杆长度影响 当触探杆长度大于2m时需要对其校正, 校正公式如下: N63.5 式中: N63.5---重型动力触探试验锤数; a---触探长度修正系数, 见表2; N --- 贯入10 cm 的实测锤击数。 表2重型动力触探试验触杆长度校正系数 1.4 试验技术要求 为科学准确地获取试验资料数据, 对该试验有较强的操作要求: (1)试验前将触探架安装平稳, 使触探杆保持垂直与地面进行试验, 贯人时穿心锤自由落下, 测试过程中垂直度的最大偏差不超过2%。地面上的触探杆的高度不宜过高, 以免倾斜与摆动太大;(2)贯入时, 使穿心锤自由下落距为76±2cm, 对重型动力触探试验其贯入深度一般应小于15m, 超过此深度应考虑侧壁摩阻的影响; (3) 一般采用贯入锤击速率为15-30击/min。打入过程应尽可能的连续, 所有超过5 min的间断都应在记录中予以注明;(4) 及时记录贯人深度并记录每贯人0.1m 的实测击数N, 其方法可在触探杆上每隔0.1m 划出标记, 然后直接( 或用仪器)记录锤 击数; 也可以记录每一阵击的贯入度, 然后再换算为每贯入0.1m 所需的锤击数;(5)N63.5的正常范围是3-40击。当击数超过正常范围, 如遇硬土层, 可记录一定击数下的贯入度。 1.5 试验成果应用 1.5.1 确定地基土的密实度 根据相关实践工程经验, 得出N63.5与碎石类土密实度的关系, 见表3。 表3 N63.5与碎石类土密实度的关系 1.5.2 确定地基土承载力 根据≤铁路工程地质原位测试规程≥中碎石类土N63.5与地基承载力fk的关系,可确定地基土承载力，见表4。 表4碎石土N63.5与fk 之间的关系 1.5.3确定地基土的变形模量 根据《动力触探技术规定》中碎石类土N63.5的平均锤击数与变形模量E0的关系，确定地基土的变形模量，见表5。 表5碎石土N63.5与E0之间的关系 2 重型动力触探试验的工程应用 2.1 检测方法步骤 根据现场工程场地特征, 该试验方法步骤如下: (1)贯入前,确定动力触探点位置和孔口标高; (2) 将钻机固定, 触探器安装在钻机上, 对准动力触探点位置, 使触探杆垂直。检测开始时, 应保持探头与触探杆有很好的垂直导向, 必要时可以预先钻孔作为垂直导向;(3)在钻机下部固定靠近触探杆处画上横向标记, 以此标记为准, 在触探杆上每100mm画一横向标记, 在加长触探杆后, 继续在触探杆上画出标记; (4) 钻机的卷扬机钢丝绳吊钩与触探器提引器吊环相连; (5) 检测前, 必须对机具设备进行检查, 确认各部件正常后,才能开始检测工作。机具设备安装必须稳固, 检测时, 支架不得偏移, 所有部件连接处丝扣必须紧固;(6)为保持探杆的垂直度, 锤座距孔口的高度不应超过1.5m; (7) 触探杆最大偏斜度应控制在2%以内。锤击过程防止锤击偏心、探杆歪斜和探杆侧向晃动, 每贯入1m, 将探杆转动一圈半; (8) 操作钻机上的卷扬机使锤击速率在15-30击/min之间, 保持探杆垂直。记录每贯入10cm 的锤击数。锤击贯入应连续进行, 不宜间断, 检测过程中, 锤击间歇时间应作记录。在重型触探试验过程中，采用标准设备，并严格按操作规范试验，减少人为误差。 检测终止条件: (1)锤击贯入到要求深度或当连续记录三次的锤击数都大于50击时可停止检测。(2)本场地回填厚度为4m，有研究认为强夯的影响深度一般为6m，因此本次检测深度也定为6m。 2.2 检测结果 两个试验区每个小区均在夯前选择两点，强夯施工结束待应力释放一周后，各选取两个夯点、一个夯间点作重型动力触探试验，每个试验点均不重合。试验对比结果见表6。 表6夯前重型动力触探试验结果表 2.3检测结果分析 2.3.1密实度分析 从A、B两区十个孔动力触探试验曲线看，无论是夯前还是夯后采用不同的夯击能，在触探深度范围地基土均无分层特征。在不同深度，锤击数变化没有规律性，遇块、碎石多的部位锤击数高，细粒土多的孔段锤击数偏小。将偏高平均锤击数的高值舍去不用，结合表3，即锤击数与密实度的关系，分析地基土的密实度： A区中夯前两孔平均锤击数6.6击，表明密实度为松散状态，经过2000kN夯击能强夯后三孔总平均锤击数15.7击，表明密实度为稍密至中密状态。 B区夯前两孔平均锤击数6.2击，表明密实度为松散状态，经过3000kN夯击能强夯后三孔锤击数总体呈增加趋势，但其中一个夯点与夯间两孔均在部分试 验深度段锤击数低，根据试验结束后从孔中取出的触探杆上附着土质了解到，这些深度段的土质，含水较高，因此反映出锤击数低，夯后三孔平均锤击数在4.2~21.3击范围，表明密实度为松散状态至中密状态。 A区与B区对比结果表明：除去填土土质原因，夯后密实度均比夯前有所提高，填土由松散状态总体成为稍密至中密状态。说明强夯效果较好，且总体上夯点与夯间的密实度无明显差异。 2.3.2承载力分析 结合表4，即锤击数与承载力的关系，分析两试验区地基土的承载力： A区夯前两孔承载力264kPa、268kPa，夯后三孔承载力567~648kPa范围，说明地基土经过夯击后承载力比夯前明显增大，平均增大2.2倍。 B区夯前两孔试验深度段承载力在224~276kPa范围，夯后三孔试验深度范围内地基土承载力在176~759kPa范围，承载力差异很大。可以得出：强夯后除夯点孔2.7~5.0m、夯间孔2.3~3.0m、3.9~5.1m深度范围地基土承载力低于夯前承载力外，其余深度段的地基土承载力均比夯前试验点的明显增大，平均增大2.4倍。 经分析，得出：B区采用的3000kN夯击能夯击后的地基土承载力要略高于A区采用2000kN夯击能夯击后的地基土承载力。 2.3.3变形模量分析 结合表5，锤击数与变形模量的关系，分析两试验区强夯后地基土的变形模量： A区总体变形模量在35.58~39.60 MPa之间，B区除去含部分软弱土质的变形模量，整体变形模量在20.75~46.78 MPa之间。 另外，在强夯后的A、B两个试验区各作两点浅层平板载荷试验，已确定浅层地基土承载力特征值与变形模量，得到结果见表7。 表7 浅层平板载荷试验的变形模量 从表7看出A区地基土经过2000kN强夯后，两试验点变形模量分别为22.34MPa和43.12MPa；B区经过3000kN强夯后，两试验点变形模量分别为22.34和45.22MPa。每个试验区虽经过同种的夯击能夯击，但承载力特征值所对应的 变形模量值并不一致，差异较大。可以看出：触探试验所计算得到的地基土变形模量范围与浅层平板载荷试验得到的地基土变形模量范围大致一致，相互映证。 2.3.4地基填土的均匀性分析 从两个试验区夯前夯后共十个试验点的重型触探锤击数，可以看出：A区夯前、夯后锤击数都较均匀；B区夯前两孔锤击数均匀，夯后试验深度段锤击数差异很大，这可能与地基土块石的多与少、大与小的不均匀性分布有关。另外，试验触探杆附着的软粘土与较低的锤击数，表明土层中存在软弱质土，同样能反映出场地在垂直深度上填土的不均匀性。 从重型触探锤击数分析出：A区在0~6.0m垂直深度上填土均匀，B区在0~6.0m垂直深度上填土不均匀。 3 结论 通过上述两个试验区重型触探试验的四个方面分析，得出：强夯后的试验区地基土比未夯击的地基土锤击数大、密实度高、承载力增大；试验区采用强夯的夯击强度不同，夯击强度高的地基土锤击数大、密实度高、承载力大；试验的强夯影响深度范围内，锤击数的均匀与否，可反映出地基填土的均匀性状况。 4 结语 从操作方法可知重型触探试验具有简便、容易操作的优点，从触探的锤击数可以对强夯地基土的密实度、承载力、变形模量、均匀性四种方面进行分析、评价地基土的强夯效果。实践表明，该试验方法是值得推广的一种检测方法。对于大型的强夯施工场地，仅仅使用一种试验方法评价整个场地的强夯施工效果还不够全面，往往还会采用如密实度试验、浅层平板载荷试验、波速测试等多种试验手段，进行综合性评价分析。但密实度、浅层平板载荷试验只能对不大于3.0m的表层或浅层的地基土强夯效果进行评价，而波速测试往往涉及的测试仪器设备较昂贵，不经济，且结果不直观，不能直接在测试现场分析，要经过测试数据的反演分析才能得到施工效果情况。因此，对于填土较深的强夯地基，重型触探试验仍然不失为一种理想观的检测方法。 参考文献: [1] TB10018- 2003, 铁路工程地质原位测试规程[ S]. 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