某动力固结法处理双层软土地基失败案例分析.doc

某动力固结法处理双层软土地基失败案例分析何钦1, 齐添1, 孙宏磊2（1. 广州穗监工程质量安全检测中心 广州 510150; 2. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室 杭州 310058）摘要：基于动力固结法分析了双层软土地基的设计、施工及检测过程，总结了施工前、后地基土体物理力学参数，分析并计算了地基加固深度及工后沉降，并分析后继的补救措施-水泥搅拌桩的工后沉降。结论表明：下卧软弱土层的双层地基经动力固结法处理后仍具有较大的工后沉降，水泥搅拌桩次之；对工后沉降及差异沉降要求较严格的工程采用动力排水固结法仍需谨慎。关键词：双层地基；动力排水固结法；大面积堆载；软弱下卧层；工后沉降中图分类号：TU411 文献标识码:AThe analysis on double-layered soft soil foundation failure case using dynamic drainage consolidation methodHE Qin1, QI Tian1 , SUN Hong-lei2( 1. Construction Quality and Safety Testing Centre of Guangzhou Suijian, Guangzhou 510150 China; 2.MOE Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058 China)Abstract: Design, construction and testing process of double-layered soft soil foundation were analyzed based on dynamic drainage consolidation method. Soil parameters during pre-construction and post-construction were summarized; consolidation depth and post-consolidation settlement were also calculated. The foundation settlement of cement mixing pile as reparation measure was analyzed. The results show that: dynamic drainage consolidation and cement mixing pile are not suitable for two-layer soft soil foundation which demands strict foundation settlement.Key Word: double-layered foundation; dynamic drainage consolidation; large area load; weak subsoil; Post-construction settlement0 前言双层地基的地基土层主要由物理力学性质差异较大且具有一定厚度的两种土体构成，该种地基主要处理方法为动力固结法及水泥搅拌桩复合地基。动力固结法处理软土地基为较成熟工艺，该法结合竖向及横向排水体系，在强大的冲击荷载下，对软土地基加固具有效果好、工期短等优点。对于双层地基而言，双层土体具有明显的物理力学性质分界面，冲击荷载下的应力波（主要为压缩波、剪切波）在界面会发生透射、反射及衍射，大大消耗了冲击能在土体中的传递，影响地基加固深度和下部土层的加固效果。动力固结法处理软基虽然较为成熟，但该法对于下层软土地基的处理效果有限，加固后软土物理力学性质仍然相对较差，同时大面积荷载作用下附加应力传递深度较大，故而地基工后沉降较大。1 工程概况本地基处理场地内拟建大型仓库及成品加工车间，上部建筑物为1层建筑；在北面拟建设备用房1栋，楼高为1层，仓库周边为货物临时堆放区或货物转运区，地面荷载要求约100kN/m2，荷载形式为大面积堆载结合局部点荷载。考虑到场地使用功能，业主要求地基处理后工后绝对沉降不大于5cm，场地平整度小于0.2，因此本场地地基处理主要内容为深部软土处理，处理目的在于减小工后沉降。场地西部、中部以北原为剥蚀残丘（现已挖平），南、东部为丘间洼地，原为荒地、种植果树区（现已填土），场地地面高出南部规划十路路面约3.04.0米，场地属剥蚀残丘及丘间洼地地貌单元。场地勘察结果发现场地表层普遍分布新近回填土（耕土、素填土），松散，尚未完成自重固结；且部分场地下卧软弱土层（淤泥、淤泥质土、泥炭质土及腐木）；冲、洪积层中软弱土层下普遍存在中、粗砂层，局部为细砂，渗透性好。根据淤泥分布情况，场区分布情况如表1。按含水介质特征划分，第四系砂土层赋存孔隙水，基岩赋存裂隙水。第（2-2a）、（2-2）层砂土，透水性较强；汇水能力强，地下水量较大，是区内主要的富水层位，分布于微地貌丘间洼地之地段。第(2-1)层 淤泥、淤泥质土、（2-3a）、（2-3）、（3）层粉质粘土、粘土、（4）层砂(砾)质粘性土渗透性能差，属微弱含水层或相对隔水层。表层松散填土雨季时含有上层滞水。地下水主要由大气降水、地表积水垂直补给。区内地下水位埋深变化较大，为1.204.80米。表1 各区域工程地质概况区号区域编号地质情况填土厚度（m）淤泥厚度（m）一区-0.03.3m，平均1.3m0.0二区A0.63.1 m，平均1.6 m0.0B0.77.8 m，平均4.3 m0.0三区A3.37.5 m，平均4.5 m01.9 m，平均1.7 mB1.07.5 m，平均5.2 m07.6 m，平均5.9 mC2.67.6 m，平均7.3 m03.3 m，平均3.3 mD3.38.5 m，平均6.3 m2.17.0 m，平均5.4 m2 软基处理2.1软基处理方案本场地工程地质极不均匀，部分区域下卧软弱土层，且整个场地地下水位较浅，因此采用分区处理。一、二区无下卧软弱土层，采用强夯法结合深层排水井处理，在降低地下水位后进行强夯施工。在强大的冲击荷载下，土体在压缩波及剪切波两种应力波作用下，土体内部部分结合水转化为自由水，孔隙水压力上升；同时土粒原有排列方式从新组合：土体颗粒互相靠拢，孔隙体积减小。地基土在地基处理后强度更高、压缩性更小，达到提高地基土密实度和承载力的目的，从而降低工后地基沉降1。考虑到上部荷载为大面积堆载，附加应力传递较深，故而在该两区域设计处理深度超过表层堆载的理论计算影响深度。三区表层填土厚度平均4.57.3m，淤泥平均厚度1.75.9m。若该区域采用深层换填，则工程量较大、造价较高；而采用水泥搅拌桩则忽视表层深厚填土的承载能力，且该法造价较高。三区地质情况表明，场地表层填土具有较大的承载力，淤泥层以下的（2-2a）及（2-2）层土体渗透性较好，有利于软弱土层排水固结，适合采用动力固结法加固地基。动力固结法中采用较小能量先加固表层填土，在表层填土强度提高后增加夯击能量，使应力波的传递深度增加，从而加固下层软土；结合深层排水井排水，自上而下加固软土地基2。地基处理后，表层填土物理力学性质得到较大提高，下层软弱土层物理力学性质相对改善；在表层荷载作用下，表层填土起到作为主要受力层起到承载和分散表层荷载的作用，使传递至软土表层的附加应力小于处理后的软土强度，从而降低工后沉降。2.2施工参数各区施工参数参见表2。满夯搭锤为1/4锤径，一点一击。夯锤（水泥锤或钢锤）重1215t，夯锤直径2.02.5m，夯锤高度与直径之比宜小于0.5，45各排气孔，气孔直径大于25cm每个夯锤必须保证排气孔通畅。动力固结法处理范围根据规范要求应外延加固深度的1/22/3，并不小于3.0m3。一般情况下要满足最后一遍点夯时的最后两击平均夯沉量不大于10cm，而其它遍数最后两击平均夯沉量允许值则略大。总体原则是：要使地基土在夯击能作用下能继续密实,不致整体破坏而在夯坑附近隆起。表2 各区施工参数 区号区域编号点夯能级（kN.m）夯点间距（m）夯击遍数击数（击）间隔期（天）满夯能级（kN.m）一区-15005.05.0两遍点夯一遍满夯3651000二区A20005.05.0两遍点夯一遍满夯4851000B20005.05.0三遍点夯一遍满夯5951000三区A15005.55.5四遍点夯一遍满夯3651000B15005.55.5四遍点夯一遍满夯365100020005.05.0四遍点夯一遍满夯5951000C20005.55.5四遍点夯一遍满夯365100025005.05.0四遍点夯一遍满夯5951000D18005.55.5四遍点夯一遍满夯365100025005.05.0四遍点夯一遍满夯59510003 软基处理效果本工程因工期要求，在地基处理后2天后即进行工程地质补勘，勘测孔布置与地基处理前相同。补勘报告得到较为详细的土体物理力学参数，同时因前后两次勘察孔位相同，所得的各参数具有较好的对比性，可以真实的反映地基加固情况。3.1施工前及施工后土体物理力学参数对比因动力固结法处理后按规范要求需1428天3，且动力固结法处理地基土体物理力学性质在前期一个月土体强度增长较快，约3个月后强度增长曲线趋于平缓，而本工程在完工后2天即检测，检测结果应偏小。根据施工前及施工后地质勘察报告，地基土体物理力学参数对比如表3。表3 地基处理前后土体主要物理力学参数对比一览表层次名称处理前/处理后项目含水率W(%)孔隙比e快剪压缩系数av1-2(MPa-1)压缩模量Es1-2(MPa)标贯N（击）粘聚力(kPa)内摩擦角第(1)层填土施工前平均值32.30.93413.818.10.424.905.0变异系数0.140.1230.50.40.250.26-施工后平均值24.40.72629.123.60.297.5418.2变异系数0.110.0690.20.20.370.17-第（2-1）层流塑，淤泥、淤泥质土、泥炭质土施工前平均值83.22.2786.23.31.622.762.0变异系数0.520.5150.40.21.020.34-施工后平均值69.62.2665.84.51.552.863.0变异系数-第（2-3a）层软塑粉质粘土、粘土施工前平均值48.91.3699.83.00.713.434.0变异系数0.180.1730.30.30.230.16-施工后平均值48.21.27715.77.70.703.27-变异系数-第（2-3）层可塑粉质粘土、粘土施工前平均值34.61.00913.36.70.444.736.0变异系数0.200.1410.20.40.170.18-施工后平均值32.70.9418.212.70.494.24-变异系数-3.2施工效果分析（1）表层回填土表层填土的物理力学性质得到较大提高；地基处理后，土体含水率降低24.5，孔隙比降低22.3，粘聚力提高310.9，压缩系数降低31.0，压缩模量提高53.9，标贯击数提高264.0。各物理力学指标变化情况如表4。表4 表层回填土物理力学参数施工前后变化情况 层次名称处理前/处理后项目含水率W(%)孔隙比e快剪压缩系数av1-2(MPa-1)压缩模量Es1-2(MPa)标贯N（击）粘聚力(kPa)内摩擦角第(1)层填土施工前平均值32.30.93413.818.10.424.905.0施工后平均值24.40.72629.123.60.297.5418.2变化量24.5%22.3%310.9%30.4%31.0%53.9%264.0%（2）下卧软弱土层表3数据表明，软土处理后土体物理力学性质得到一定的提高：软土含水率降低16.3%，孔隙比降低0.5%，压缩系数降低4.3%，压缩模量增加3.6%，标贯击数增加50.0%。以上数据表明软土物理力学性质得到一定提高，但是软土仍呈流塑软塑状，为高压缩性土，在附加应力作用下仍然具有较大的压缩量。软土粘聚力比地基处理前降低了6.5%。在冲击荷载下，软土土体主要在压缩波作用下孔隙水压力升高，由有效应力原理5知，当孔压升高时，地基土有效应力减小，地基土强度降低；当超孔隙水压力完全消散后，地基土有效应力上升，土体强度增加。软土粘聚力的反常数据表明土体内部的超孔隙水压力水平高于施工前,同时也表明动力固结法处理地基需在施工完成后间隔一定时间才能进行地基检测。表5 地基处理前后主要物理力学参数 层次名称处理前/处理后项目含水率W(%)孔隙比e快剪压缩系数av1-2(MPa-1)压缩模量Es1-2(MPa)标贯N（击）粘聚力(kPa)内摩擦角第（2-1）层流塑淤泥、淤泥质土、泥炭质土施工前平均值83.22.2786.23.31.622.762.0施工后平均值69.62.2665.84.51.552.863.0变化量16.30.5-6.536.44.33.650.0（3）加固深度分析动力排水固结法的加固深度计算有较多的计算公式，目前尚未有较为统一的计算方法。现有的计算公式考虑了较多的影响参数，同时带入经验系数等，使计算结果与实际结果有较大偏离。作者认为采用实际的检测数据作为加固深度的判断依据有较强的实际意义和操作性。采用土体的压缩模量作为土体加固深度临界值的判定依据4，具体公式如下：ES21.2 ES1-0.228 （1）式中： ES1-工前压缩模量；ES2-工后压缩模量；各土层压缩模量地基处理前后压缩模量关系如表5。表6 压缩模量地基处理前后压缩模量关系对比土层第（1）层第（2-1）层第（2-3a）层第（2-3）层压缩模量土层厚度压缩模量土层厚度压缩模量土层厚度压缩模量土层厚度施工前压缩模量ES14.904.252.764.823.430.54.733.05施工后压缩模量ES27.542.863.274.24ES2-1.2 ES1-0.2280000 由表6分析可得，地基处理加固深度仅为4.25m。在表层回填土应力分散下，传递至下层的附加应力相对较小，若地基下层无软弱土层，则在表层荷载下地基沉降量较小；而下卧软弱土层区域则沉降量相对较大。由表3可见，软弱土层及其下的（2-3a）层及（2-3）层土体压缩模量较地基处理前有所降低，从而可以判定在地基处理中，该部分土体为冲击荷载影响范围；另外从土体的含水率、孔隙比、粘聚力及摩擦角可以看出该两部分土层的强度有所增加，故而该部分土体仍然为地基加固影响深度范围。针对该部分土体强度增加而压缩性增大的事实，可以认为该部分土体在超孔隙水压力并为完全消散，从而导致土体压缩性增加。3.3沉降计算沉降计算主要依据补勘的工程地质资料及相应的土体物理力学参数进行地基处理后地基差异沉降的验算；本工程沉降计算方法采用分层总和法结合应力面积法5。分层总和法涉及各土层的初始孔隙比及工后的土体孔隙比，补勘报告中无法提供每孔的施工前和施工后的孔隙比，因此本文利用应力面积法计算各分层的沉降值，然后总和各层沉降得到工后地基沉降；同时由于补勘报告中土体物理力学性质指标统计表仅为整个场地的物理力学参数统计平均值，故而在单孔沉降计算中本文在参考“统计表”提供的参数。各控制孔的计算深度根据相应规定,中低压缩性土计算到附加应力为土体自重应力20%的深度，低压缩性土计算到附加应力为土体自重应力10%的深度6；因钻孔深度有限，则本文根据施工前工程地质报告，采用补勘报告的参数进行计算。不均匀沉降根据场地分区内各单孔的沉降值及距离，选取最不利组合计算强夯后地基的差异沉降。 （1）第一区域沉降计算 该区域堆载面积为25.0m22.0m，荷载值采用60kPa，计算结果如表7。表7 第一区域沉降计算结果表钻孔编号12345计算沉降（mm）19.8120.580.1129.53150.75绝对沉降差异最大组合：1号点与5号点 相邻钻孔沉降差异计算组合： 在相邻的钻孔中，1号点与3号点差异沉降为：80.1-19.8=60.3mm； 根据以上差异沉降计算结果：选取1号点与3号点进行相邻点组合计算： （2）第二、三区域沉降计算 参照第一区域沉降计算模式，二、三区沉降计算结果如表8。1） 二区堆载面积为12.5m11.0m，荷载值采用60kPa；2） 三区堆载面积为12.5m11.0m，荷载值采用60kPa。表8 第二、三区域沉降计算结果表 钻孔编号12345绝对差异相邻钻孔沉降二区计算沉降（mm）121.3578.0284.6091.450.510.79三区计算沉降（mm）84.3989.4391.04145.65184.191.182.21根据以上三个区域绝对沉降及差异沉降计算分析，第一、二、三区域绝对沉降均不满足小于5cm的要求，同时三区工后差异沉降不满足小于2的要求，故而三个区域地基处理均不满足设计要求。4 事故原因分析（1）减少夯击能施工方在施工时将所有夯击施工减少一遍，从而导致单位面积夯击能减小。梅那公式计算加固深度以单击夯击能作为计算依据，而现在许多加固深度的计算则偏向与单位面积夯击能，所以减少一遍点夯肯定影响加固深度4。（2）积水井设置不合理原设计的积水井直径为50cm，12目主筋，外包3层塑料纱网；而实际施工中却采用30cm塑料管，管壁打设梅花孔作为降水井。塑料排水井在使用中渗透面积小，同时土层中的粘土微粒也可能堵塞或者减小排水孔面积，影响超孔隙水压力的消散。另外，各区的积水井数量也有所减少，虽然后期增补少许排水井，但是已经错过排水的黄金时期（夯击期间）。 （3）排水不及时工地由于水电不通，故而工地未采用自动抽水泵而采用柴油抽水泵，故而抽水进展缓慢。在夯击的施工过程中，部分积水井积水量积水较深甚至溢出工地表面，而设计文件中明确规定积水井积水深度不超过60cm。 5 事故处理软基处理后，为了减小工后地基沉降，原地质较好区域地基处理后效果较好，工后沉降较小，故而对于无下卧软土层区域不采取补救措施，而对于下卧软土区域采用搅拌桩处理。搅拌桩地基处理后地基沉降为加固体区域沉降，计算公式2如下：S1=(Pz+ Pzl)L/2Esp （2）式中：Pz-搅拌桩复合土层顶面的附加应力值（kPa）； Pz