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課題名稱：預處理動力固結法在明達工業(太倉)有限公司軟基處理工程中的應用
一、選題依據
軟粘土是軟弱性粘土的簡稱, 又稱軟土, 其特點是天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮性高、滲透性差。在荷載作用下, 軟粘土的地基承載能力低, 地基沉降變形大, 且存在較嚴重的沉降差異問題。爲保證工程質量, 在實際工程中軟粘土地基應採取合理有效的方法進行處理。我國的軟土主要分佈在東南沿海及各大江大河的入海三角洲沖積平原地區，從北至南有天津塘沽、連雲港、上海、寧波、溫州、福州、珠海、深圳等地。內陸主要是湖沼或者山谷沖積而成，分佈範圍較小，不成片分佈。因此，軟基處理一直是人們十分關注的課題。
明達工業(太倉)有限公司軟基處理工程爲江蘇省重點項目。明達工業(太倉)有限公司新建廠區位於太倉市浮橋鎮，爲通港路以北，濱江路以西的地塊，擬建的一期工程，佔地面積爲447畝，平面爲長方形。本工程爲工業工廠，設施包括廠房、倉庫、辦公樓、宿舍樓、輔助建築物等。
該擬建場地位於長江三角洲前緣，其地貌屬於衝擊平原類型。場地地勢平坦，場地內分佈有河網密佈;場區地面標高在1.52～2.93m之間。地表淺層爲軟弱的淤泥質土，含水量大，孔隙比大，承載力低，變形量大。如果不對其進行處理，地基承載力達不到設計要求，而且會產生較大的不均勻沉降，影響將來場區的正常運營，必須採取合理有效的地基處理方法對其進行加固處理。
對於本工程，採用預處理動力固結法進行加固處理，預處理工藝採用真空降水，強夯法又稱爲動力固結法，故本次預處理動力固結法即爲真空降水聯合低能級強夯，可簡稱爲“降水強夯法”。場區軟土在真空降水下，一方面使地下水位下降，造成對土體的預壓加固，使軟土中的部分空隙水排出，空隙減小;另一方面又降低了軟土的含水量，爲後續的低能量強夯創造不發生“橡皮土”的條件。強夯法是一種經濟高效的地基處理方法，利用夯錘自由落下的動能在土體中轉化成很大的衝擊波和高應力，從而提高地基承載力，降低壓縮性，提高均勻性，改善起抵抗震動液化的能力等。
本項目爲國家建設部科研攻關基金資助項目“高能級強夯地基加固機理工法研究與專用機械研製”(編號：04-2-016);現代建築設計集團基金項目“高能級強夯與預處理動力固結法研究”(編號：2004-結-地-03)的一部分。
二、文獻綜述
國內外研究現狀分析
1 強夯法
強力夯實法(簡稱強夯法)亦名動力固結法，是一種快速加固地基的方法。這種方法是60年代末法國梅那技術公司(Louis Menard Technique)首先開創的。它是將很重的錘一般爲100~400kN)提起從高處自由落下(落距一般爲6~40m) ，以衝擊荷載夯實軟弱土層，使地基受衝擊力和振動，土層被強制壓密，從而提高地基土強度，降低土層的壓縮性，改善土的振動液化條件，以達到地基加固的目的。
強夯法自70 年代開始工程應用以來,以其機械設備簡單、施工組織管理方便、加固效果顯著、工程投資少等優點,很快引起世界各國工程界的注意。如今強夯法加固地基的應用範圍已由最初的砂性土和碎石土發展到處理各種雜填土、溼陷性黃土、一般粘性土、軟土以及工業生活垃圾等各種地基,成爲常用的經濟簡便的地基加固方法之一。
我國於1978年首次由交通部一航局科研所進行了強夯法試驗研究; 1979年8月又在秦皇島碼頭堆煤場細砂地基進行了試驗和強夯加固施工,效果顯著;同年,中國建築科學院在河北廊坊機械化研究所宿舍工程中也進行強夯法處理可液化砂土和輕亞粘土地基的野外試驗研究,也取得了較好的加固效果。透過上述試驗研究及實際工程應用,初步總結出一套適合我國情況的強夯工藝,在我國地基加固領域裏填補了一項空白,促使了強夯法在我國的廣泛應用。
強夯法的基本特徵表現爲: ①強夯法處理後的地基可使土的壓縮性明顯降低,不同程度地提高了地基土承載力; ②強夯處理能使地基強度趨向均勻,有效消除不均勻沉降; ③與其他夯擊法相比,強夯法夯擊能量大,可根據地基處理要求來確定夯點間距、夯擊能量及夯擊方法,特別使地基深處土體性能得到改善; ④施工中必要的夯擊能量可以分幾遍完成強夯法施工設備簡單,無需加固材料,費用低,週期短,具有廣闊的應用前景。值得注意的是強夯法的適用範圍與其土質及地質構造均有關,條件適當時可以有效加固軟基。由於對強夯加固軟基的機理、效果、設計計算方法與工藝措施的研究仍不全面和透徹,故強夯工程實驗與觀測分析是必要的。
2 真空降水
真空堆載預壓法是一種新型的地基處理方法，最早是瑞典皇家地質學院Kjellmen 於1952年提出的。國內1958年天津大學就開始進行真空排水固結的室內試驗研究。在早期，由於工藝上存在問題，導致真空預壓未能在工程中應用。直到80年代，交通部一航局、天津大學和南京水利科學院等單位對這項技術進行室內和現場試驗研究，取得了成功經驗，膜下真空度可以達到85~92kPa，併成功地將這項技術應用於天津新港軟基加固工程中。此後，真空預壓法在工程中得到了推廣應用。
目前，我國在抽真空設備的研製、真空預壓施工工藝的改進、真空度和預壓時間的控制、設計計算理論的發展等方面均取得了進步，解決了很多技術難題。真空預壓已作爲較成熟的技術在港口、公路、鐵路、能源、房屋建築工程中得到了成功應用。
3 真空降水聯合低能級強夯法
真空降水聯合低能級強夯法是採用由真空降水和低能級強夯兩道工序組成的施工工藝，其中：真空降水是由改進後的真空井點對加固範圍內的地基進行強排水，這種設備功率比常用輕型井點大得多，可產生較大排氣量和較高的真空度，即使在滲透係數較低的粘土中，也能透過形成的新水頭梯度來加快地下水的滲流;低能級強夯主要採用錘擊，即通常的強夯法。透過對上述兩道工序的多遍循環，可達到加固地基的目的。真空降水聯合低能級強夯法的特點：一是夯擊前採用真空降水，可降低地下水位、減小被處理土體的含水量和飽和度等，使地基受擊後，地下水位以上土體可產生較大的壓縮變形，地下水位以下土體可減小土體中的超孔隙水壓力;二是夯擊後採用真空排水，以加快超孔隙水壓力消散，此外，結合每遍夯擊的間隔時間，可儘量避免“彈簧土”的形成;三是透過調整夯擊力等參數，使淺層地基達到較高的密實度;四是大面積加固，對地基有一定的降水預壓作用。
真空降水聯合低能級強夯法的加固機理是以不完全破壞土體結構強度爲前提，根據土體強度提高情況，逐步增加能量的動力固結。透過設定豎向排水和表面水層排水等主動排水法，使之在土體中形成微裂縫排水。因此，強夯能量的控制應掌握以下原則：激發土體孔壓，並使土體產生微裂縫，但又不完全破壞土體結構強度，不形成“橡皮土”;先輕後重，少擊多遍，從上至下，逐步增大加固深度與範圍。
4 強夯處理地基的檢測
4.1 靜力觸探試驗
靜力觸探(cone penetration test)自1917年雅典正式以來，至今已有80年的歷史。靜力觸探是透過一定的機械裝備，將一定規格的金屬探頭用靜力壓入土層中，同時用傳感器或直接量測儀表測試土層對觸探頭的貫入阻力，以此來判斷、分析、確定地基土的物理力學性質。
靜力觸探的主要優點是連續、快速、精確;可以在現場直接測得各土層的貫入阻力指標;掌握各土層原始狀態(相對於土層被擾動和應力狀態改變而言)下有關物理力學的性質，這對於地基在豎向變化比較複雜，而用其他常規勘探手段不可能，能大密度取土或測試來查明土的變化;對於飽和砂土、砂質粉土以及高靈敏度軟粘土層中鑽探取樣往往不易達到技術要求，或者無法取樣的情況;用靜力觸探連續壓入測試，則顯出其獨特的優越性。但是，靜力觸探也有不足之處：不能對土層進行直接的觀測、鑑別;由於穩固的反力問題沒有解決，測試深度不能超過80m;對於含碎石、礫石的土層和很密實的`沙層一般不適合應用等。
4.2 瑞雷波檢測技術
瑞雷波(面波)檢測是一種新型的無損檢測方法,透過在地表進行地層波速測試,瑞雷波在地面表層傳播,頻率不同,影響的地層深度也不同。因此,在同一地段測出一系列不同頻率的波,就可得到一條頻散曲線,透過頻散曲線的分析、反演優化,可對地下構造進行解釋。利用瑞雷波檢測是基於瑞雷波的兩個特性:一是在分層介質中傳播時的頻散特性;二是傳播速度與介質物理性質的密切關聯性。
4.3平板載荷試驗
載荷試驗是一種最古老的地基土原位測試技術,它實際上是模擬建築物基礎受荷條件的現場模擬試驗。該方法是在剛性承壓板上加荷,測定天然埋藏條件下地基土的變形,可測定地基土的變形模量、評定地基土的承載力及預估實體基礎的沉降。對於不能用小試樣試驗的各種填土、含碎石的土等,最適宜於用載荷試驗確定壓力與沉降的關係。但載荷試驗一般受荷面積較小,加荷影響深度不超過承壓板邊長(或直徑)的2倍。試驗點的數量≮3點,當其極差不超過平均值的30 %時,可取平均值作爲地基承載力標準值。平板載荷試驗( PLT)只反映承壓板下1. 5～2. 0倍承壓板直徑或寬度範圍內地基土強度、變形的綜合性狀,但它是最直接、最可靠的試驗方法,其他試驗手段的結果均以載荷試驗的結果爲參考依據。
參考文獻
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三、設計(論文)內容
1 軟基處理技術的比選
軟弱地基的加固處理，按其原理和作法的不同，可分爲以下九類：換(填) 墊層法、預壓法、強夯法、振衝法、擠密樁法、砂石樁法、深層攪拌法、高壓噴射注漿法、託換法。適合本工程地基處理的方法有預壓法、強夯法、碎(砂)石樁法、深層攪拌法等。
在同樣滿足地基設計要求的情況下，真空降水聯合低能級強夯在造價上比其它常規軟基處理方法要來的經濟的多。並且真空降水聯合低能級強夯具有工期短、加固效果好、工藝簡單等優點。
2 方案設計
擬透過本次地基加固處理達到的目標是：
(1)地基承載力不小於120KPa，6m以內軟弱層地基承載力提高30%以上，有效加固深度6m，影響深度8m。
(2)在50KPa均布荷載作用下，長期總沉降量小於30cm，不均勻沉降控制在1‰以內。
(3)處理過程消除沉降量不小於70cm。
在以上加固要求下，根據規範規定進行強夯工藝參數的設計。
3 施工過程的監測數據分析
3.1 地面沉降觀測
佈置15m×15m的地面沉降測點方格網，測量強夯前、第一遍強夯後、第二遍強夯後和滿夯後的地面平均沉降情況。以動態瞭解土體加固效果，及時調整施工工藝和參數。
3.2 孔隙水壓力監測
強夯時地基土體受到衝擊荷載發生瞬時的壓縮和擠密，孔隙減少，孔壓升高，隨着孔壓消散，土的有效應力增加。若土體的滲透性較差時，衝擊產生的超孔隙水壓力不易消散，就會在飽和細粒土中產生較大的超孔隙水壓力，對地基構成潛在的不穩定因素，也降低了夯擊的效率。透過孔隙水壓力觀測，以便及時瞭解強夯加固效果，調整確定最大夯擊能，兩個夯擊點之間的間距以及前後兩夯擊遍數之間的間隔時間，確定最佳夯擊擊數等施工參數。
3.3 地下水位監測
對降水及強夯過程中的地下水位變化進行動態觀測，瞭解降水效果，根據實際情況確定最優降水方案。
4 夯後地基的檢測
強夯處理的地基,其強度是隨着時間增長而逐步恢復和提高的,因此在強夯施工結束後,應間隔一定時間方能對地基質量進行檢測。其間隔時間可根據土的性質而定,時間越長,強度增長越高,對於碎石土和砂土地基,其間隔時間可取1～2 周;對低飽和度的粉土和粘性土地基,可取2～4 周。
在對強夯法加固後地基的檢測,要求一般性工程場地採用兩種或兩種以上手段檢測,對大型工程應進行大壓板載荷試驗。在檢測數量方面,對於簡單場地上的一般建築物,每個建築物地基的檢測點不少於3 處;對於複雜場地或重要建築物,應增加檢測點數。檢測深度應不小於設計處理深度。
4.1鑽孔取樣及室內土工試驗
4.1.1 試驗目的
取得土的含水量、孔隙比、壓縮係數、壓縮模量、滲透係數等指標。
4.2靜力觸探試驗
4.2.1 試驗目的
透過貫入阻力的變化，達到了解土層工程性質的目的。
4.2.2 試驗方法
試驗時，用靜力將探頭以一定的速率壓入土中，利用探頭的傳感器，透過儀器將探頭的貫入阻力記錄下來。
4.3瑞雷波(Rayleigh)測試
4.3.1 試驗目的
透過夯前、夯後瑞雷波測試，對比前後頻散曲線變化，判定強夯有效加固深度和影響深度。
4.3.2 試驗方法
根據檢測方案和測試內容佈置激震器,在震源同一側以一定間距佈置檢波器以接收波,在整個場區佈置多條測線,根據DZ/T 0170—1997《淺層地震勘查技術規範》的規定進行檢測。瑞雷波現場測試工作於夯前、夯後分別進場1次,採集數據進行前後對比,比較夯前、夯後的不同。
4.4 平板載荷板試驗
4.4.1 試驗目的
透過試驗確定地基承載力、壓縮模量是否滿足設計要求。
4.4.2 試驗方法
試驗時，用一定面積的承載板向地基施加豎向荷載，觀察地基變形和破壞現象。本次夯後共進行3組平板載荷試驗，分夯間、夯點進行，試點編號分別爲(夯間)、(一遍夯點)、(二遍夯點)，測點佈置見附錄。載荷板面積爲0.7m×0.7m，最大加載量按設計要求地基承載力特徵值的2倍加載，即爲240kN。
載荷試驗要求如下：
a. 試驗在夯後地面以下20～30cm處進行，保持試驗土層的原狀結構和天然溼度，在擬試壓表面用超過10mm厚的中粗砂找平。
b. 加荷等級爲10級，最大加荷量爲2倍設計荷載。每級加荷後按間隔5min、5min、10min、10min、15min、15min，以後爲每隔半小時讀一次沉降，連續兩小時內，每小時的沉降量小於0.1mm時，可加下一級荷載。
c. 在試驗時出現承壓板周圍的土明顯的側向擠出或出現裂縫和隆起，沉降急劇增大，荷載～沉降曲線出現陡降段;或在某一荷載下，24h內沉降速率不能達到穩定標準;或s/b大於等於0.06(b爲承壓板寬度或直徑)，可以終止加載。滿足其中一條時，其對應的前一級荷載定爲極限荷載。卸載時按三倍加載分級進行，並測讀殘餘沉降量。
d. 承載力確定可按p～s曲線上有明確的比例界線所對應的荷載值，或取s=0.01b、0.02b、0.03b所對應的荷載值。
4.5 檢測結果分析
根據上述檢測得出強夯後的各項指標，在加固深度、地基承載力等方面驗算本次地基加固處理是否達到預期效果。
5施工工藝與技術參數的優化
根據夯後的檢測數據以及施工期間的檢測數據，進行施工工藝以及技術參數的優化。
四、工作計劃
20xx.4.16至20xx.4.22 參考資料清單
20xx.4.23至20xx.4.29 文獻綜述，英文參考文獻翻譯
20xx.4.30至20xx.5.7 開題報告
20xx.5.8至20xx.6.10 數據圖表及結果分析
20xx.6.11至20xx.6.17 論文初稿
20xx.6.18至20xx.7.1 論文修改稿
20xx.7.2至20xx.7.6 論文答辯