吹填土通过水力吹填形成, 其成分和分布规律与所吹填的泥砂来源及吹填时的水力条件有着密切关系。因此, 吹填土一般都具有三高一低的特点, 即天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低且均匀性差。

当吹填土以砂性土为主时, 一般常采用高真空击密法^[1]、强夯法^[2]、无填料振冲法^[3]等方法进行场地预处理来满足施工机械运行需要, 或为其他地基处理方法创造条件;地基承载力及处理深度要求较高时, 常采用振冲碎石桩法^[4]、桩基进行地基处理。当吹填土以黏性土为主时, 一般常采用强夯法^[5]、真空预压法、堆载预压法等进行场地预处理, 若需进一步提高地基承载力及减少沉降, 再采用振冲碎石桩、CFG桩、桩基等进行处理。

高能级强夯一般指能级在8 000k N·m以上的强夯, 该技术近几年在开山料回填场地及湿陷性黄土等场地中得到了成功应用, 如青岛港、珠海高栏港、福建漳州港等地基处理工程^[6], 甘肃庆阳市的湿陷性黄土地基处理等^[7]。高能级强夯在吹填场地中较少应用。

一般6 000k N·m能级以下强夯置换在实际工程中应用较多, 考虑其置换夯墩的有效深度不大, 8 000k N·m以上能级的高能级强夯置换应用案例很少见。

在山东某大型罐区项目中, 通过应用高能级强夯置换对新近吹填完成的不均匀场地进行处理, 分析该地基处理方案, 以期为高能级强夯置换在吹填场地的应用提供详实的实测数据。

山东某项目占地54万m², 主要为10万m³原油储罐区, 建设场地由围海吹填造地形成, 地下水平均埋深约1.0m。土层自上而下主要有:①₁层, 回填土, 由开山碎石或山皮土组成, 局部分布, 不均匀、密实性差, 厚度变化大, 大部分在1~4m, 场地边缘局部厚达15m;①₄层, 吹填浮泥, 由于吹填流程不当造成场地表层局部区域有可流淌的浮泥, 厚度在0~5m, 在项目强夯置换开始前, 采用开山料进行清淤换填;①层, 吹填土, 全场地分布, 主要由中、细砂组成, 总体含泥量较大, 严重液化, 均匀性差, 部分区域标贯平均2击, 部分区域平均9击;①₃层, 吹填黏土夹层, 混砂, 层厚1~6.5m, 呈透镜体状随机分布, 大部分为淤泥 (下面简称淤泥包) , 施工中发现一处淤泥包直径约20m, 厚6m, 顶面埋深3m;②层, 泥炭质土, 层厚1~2m, 流塑~可塑, 局部有分布;④和⑤层, 基岩, 为强风化、中风化层, 埋深12~16m, 层顶面较平缓、无突变。典型的地质剖面如图1所示。

综上所述, 建设场地的最大特点为:①基岩埋深不大且相对平缓;②基岩上基本为吹填不足1年的吹填土, 欠固结、严重液化、严重不均匀;③场地表面近1/2区域回填有开山碎石, 个别单罐下存在局部开山碎石厚12m, 而其他区域全部为吹填土没有开山碎石的情况;④场地内随机分布有一定数量的淤泥包。

10万m³原油储罐为外浮顶罐, 直径80m, 罐体高21.8m, 充水高度20.2m, 基础底面压力约250k Pa, 罐体对基础的不均匀沉降较敏感, 沿罐基础周边任意10m的沉降差应≤25mm, 罐中心与边缘在沉降完成后的高差≥320mm, 任意对径两点沉降差<280mm^[3]。

由于项目工期较紧且场地不均匀性较严重, 而通过真空预压、堆载预压进行预处理, 再进行CFG、振冲碎石桩、桩基等方案的施工工期较长, 不能满足项目要求;局部深层淤泥包造成常规高能级强夯很难有效改善场地均匀性, 不适合本工程;场地内的透镜体淤泥夹层在空间上是随机分布的, 不能通过调整碎石桩、CFG桩、常规强夯置换墩的间距 (或置换率) 来改善场地的沉降均匀性, 造成常规置换类桩土复合地基无法采用;由于基岩岩性坚硬, 预制方桩、PHC管桩等入岩深度仅200~400mm, 而基岩上面直接是欠固结、松散的吹填土, 预制桩基同样不能满足设计要求;钻孔灌注桩在吹填土、碎石回填土中易产生塌孔、入岩钻进速度慢且造价高, 显然也不太经济。

综合考虑各种因素, 提出了一种将高能级强夯、高能级强夯置换和清淤换填三者有机结合在一起的方法———特殊的高能级强夯置换。其施工工艺要点如下:①主夯点的布置、夯击能确定、夯点施工工艺、夯锤选择等与同能级的强夯相同;②在夯击过程中往夯坑中填高质量的开山碎石, 在主夯点形成由碎石构成的置换墩;③当夯击过程隆起明显时, 在夯点旁隆起明显较高的区域挖坑, 通过夯击挤出浅层和深层的淤泥、清除并换填碎石。

该施工方法针对建设场地的处理原理如下:①对场地中以开山碎石回填为主或吹填土以砂为主且较密实时, 施工的锤击数少、填料少、形成的夯墩较短, 置换效应不明显, 等于按照高能级强夯进行施工;②当吹填土以松散砂或含较少的淤泥为主时, 锤击数较多、填料较多、形成的夯墩较长, 且能对夯间土进行有效的挤密, 置换效应明显, 等于按照高能级强夯置换进行施工;③当吹填土含较多的①₃层吹填黏土夹层时, 因为夯墩间的淤泥排水固结速度慢、强度提高少、流塑性高, 仅靠高能级强夯置换不能解决均匀性问题, 这时就需要通过夯击将这些淤泥挤到规定的地方, 并清除、碎石换填, 等于利用高能级强夯置换进行挤淤然后采用碎石置换。

该施工方法根据场地的密实度不同在场地内形成长短不同的碎石夯墩, 同时对含淤泥较多的软弱区域通过挤淤换填进行改善, 使得整个场地的均匀性有明显改善, 置换效果非常明显, 其工作原理与常规的通过设计一定置换率的强夯置换又有明显不同, 是一种新的特殊的高能级强夯置换理念。

根据地勘报告处理深度不同, 在建设场地的典型区域共进行了3组试验, 分别为12 000k N·m能级柱锤 (锤径1.8m) 、12 000k N·m能级平锤和15 000k N·m能级平锤, 单个试夯区面积约900m²。经过强夯试验发现, 12 000k N·m能级平锤和15 000k N·m能级平锤的处理效果比较理想, 12 000k N·m能级柱锤的夯墩长度及处理效果不如平锤, 这与水伟厚^[9]等的研究成果也基本一致, 随着能级的加大, 加大夯锤底面积反而有利于增加置换夯墩的长度。根据场地情况将处理范围划分为2个区域, 对处理深度在13m以内的采用12 000k N·m能级平锤, 处理深度在13m以上的采用15 000k N·m能级平锤。以下介绍15 000k N·m能级平锤的施工及检测情况。

根据设计有效加固深度、主夯夯击能及场地地质条件分5遍进行施工, 第1, 2遍为主夯, 能级15 000k N·m, 夯点间距10m, 正方形布置;第3遍为点夯, 夯击能8 000k N·m, 夯点间距10m, 梅花形布置;第4遍为加固夯, 夯击能4 000k N·m, 包括第1, 2, 3遍夯点和夯点间加固, 夯点间距5m, 梅花形布置;第5遍为满夯, 夯击能为1 500k N·m。强夯置换施工时两遍之间的间歇时间根据试验时孔隙水压力消散规律确定。强夯置换控制参数如表1所示, 主夯点和加固夯的布置形式如图2所示。

考虑到本工程的施工是以高能级强夯置换为主, 根据工程经验^[8], 进行高能级强夯置换时锤底静接地压力应达到一定数值, 根据本工程的情况, 规定锤底静接地压力需≥120k Pa。主要施工参数选择如下:第1, 2, 3遍夯点, 主机采用QUY80B履带式起重机, 夯锤为实心圆形铸钢锤, 重69.8t, 直径2.7m, 底面积5.7m², 锤底静接地压力122.5k Pa;第4遍夯点, 采用QYJBR3000型组合式强夯机1台, 夯锤为实心圆形铸钢锤, 重43.5t, 直径2.5m, 底面积4.9m², 锤底静接地压力88.8k Pa。

建设场地经强夯置换加固处理后, 采用了室内土工试验、平板载荷试验、重型动力触探、标准贯入试验及瑞利波测试等方法对地基进行检测评价和综合分析。为合理评价高能级强夯置换处理效果, 在地基处理开始前根据工程地质报告, 对场地较为复杂的T-23罐进行了夯前检测, 下文仅针对T-23罐的检测结果进行分析。

平板载荷试验是一种最为直观的试验, 它是在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载, 测求地基土的压力与变形特性的原位测试方法。它反映承压板下1.5~2.0倍承压板宽度范围内地基土的强度、变形的综合特性, 平板载荷试验可以测求浅层地基土承载力和变形模量。由于本项目的施工工艺与强夯基本相同, 浅层4~5m以内场地的均匀性较好, 载荷板具有一定大小即可, 不必过大增加载荷板的面积^[9]。同时夯墩直径达3.5m以上, 考虑处理后表层较均匀土的应力扩散作用, 规范规定强夯置换需进行的单墩静载荷试验^[11]由于其他夯墩的影响, 检测结果可能会有较大的失真, 同时进行单墩静载荷试验将会大量增加试验检测费用、检测周期与检测难度。因此本项目选用常见尺寸的载板 (1.5m×l.5m) 进行试验, 不考虑单墩静载荷试验。

根据详勘报告提供的土层分布情况, 在T-23罐基础下夯后进行12个平板载荷试验, 承载力特征值均大于250k Pa, 较强夯处理前提高200%以上, 其中, 载荷为250k Pa时最大沉降为19.9mm, 载荷为500k Pa时最大沉降为47mm, 如图3所示。图中有2个点 (JZ7和JZ11) 是在夯点上检测的, 其他是布置在夯点间, 从夯后检测结果看, 夯点上的沉降量大都小于大部分的夯间沉降, 但差异不大, 总体均匀性较好, 这与其他高能级强夯项目的检测情况类似^[9]。

由于荷载板试验仅能反映一定板宽度范围内土的承载力, 欲了解深部土层的性质和大面积强夯置换的施工效果, 还须通过其他手段进行试验。本工程采用标准贯入试验、检测夯墩长度、瑞利波测试、原状室内土工试验和重型动力触探试验等方法检验深部土的力学特性。

T-23罐夯前进行了3个标贯试验, 夯后进行了6个标贯试验, 标贯试验平均值如表2所示。从表中可以看到, 埋深10m以内基本都提高了130%以上, 且标贯击数较均匀, 大部分均在24.8击以上;埋深10m以上提高19%~47%, 强夯置换的影响深度达到基岩, 处理效果较好。

T-23罐夯前进行了5个重型动力触探试验, 夯后进行了6个, 重型动力触探试验平均值如表2所示。从表中可以看到, 埋深10m以内提高了46%~208%以上, 动探击数较均匀, 大部分均在14.5击以上;埋深10m以下提高68%~159%, 强夯的影响深度达到基岩, 处理效果较好。

本工程采用瞬态激振工作方法, 在每台罐基础下至少布置6处瑞利波测试, 测试采用24道传感器, 间距为1m。T-23罐夯后测试结果如图4所示, 浅部地层加固后均匀性良好, 1.8m以内的瑞利波波速达到了230~300m/s;1.8~4.5m深度波速较高, 达到了270~320m/s, 这与第4遍加固夯的施工间距较密及其影响深度相对应;4.5~10m深度平均波速在230m/s左右。强夯地基处理后, 场地整体均匀性较好, 加固影响深度到基岩。

油罐基础及罐本体安装完成后, 采用海水进行充水预压, 单台罐充水预压过程基本在50~70d, 每台罐基础所有沉降观察点的最大沉降大部分在60~90mm, 最大不超过110mm;累积最大相邻点沉降差≤14mm;最大对径点沉降差≤50mm。油罐沉降监测证明, 环墙沉降符合油罐基础施工及验收规范要求, 特殊高能级强夯置换地基处理达到了预期的效果。

T-23罐充水沉降观测曲线如图5所示, 其中累积最大相邻点沉降差为8.2mm;最大对径点沉降差≤30mm, 环墙沉降符合油罐基础施工及验收规范要求, 特殊高能级强夯置换地基处理达到了预期的效果。

通过夯后检测及充水试验可以看出, 采用特殊高能级强夯置换对不均匀吹填场地进行地基处理是成功的, 从中可得出以下结论。

1) 通过高能级强夯、高能级强夯置换与挤淤换填相结合的特殊高能级强夯置换, 可以发现淤泥包的位置, 可以有效消除局部淤泥包的影响, 可以有效消除吹填场地不均匀性。

2) 吹填场地经特殊强夯置换处理后效果明显, 罐区承载力标准值≥250k Pa, 变形模量≥15MPa, 可满足地基承载力250k Pa的设计要求。

3) 吹填土地基的承载力提高幅度平均达100%以上, 加固处理的影响深度达到基岩, 有效加固深度最大达14m以上。

4) 吹填场地经强夯处理后整体均匀性较好, 场地大部分区域平均波速大于230m/s。