張 蕾 李 鵬

(中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055)

強(qiáng)夯法和換填法在某海外工程中的比較與應(yīng)用

張 蕾 李 鵬

(中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055)

以某海外工程為例，對(duì)強(qiáng)夯法和換填法常用的兩種軟弱地基處理方法的定義進(jìn)行了介紹，并從施工方法和費(fèi)用兩個(gè)角度探討了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為建筑工程選擇經(jīng)濟(jì)有效的地基處理方法提供了依據(jù)。

軟弱地基，強(qiáng)夯法，換填法

0 引言

在工程項(xiàng)目施工過(guò)程中，常常會(huì)遇到軟弱地基土層，這種土質(zhì)的特性是天然含水量高、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小。地基承載力低，在外荷載作用下會(huì)造成地基的整體沉降和不均勻沉降，從而對(duì)建筑物或構(gòu)筑物造成破壞。因此遇到這種軟弱土?xí)r，一定要進(jìn)行處理才能作為工程的地基使用。

對(duì)于地基處理，有很多種方法，其中強(qiáng)夯法與換填法都是兩種常用的地基處理方法。在我國(guó)都有著廣泛的應(yīng)用，本文以某海外工程為例，對(duì)這兩種施工方法進(jìn)行優(yōu)劣比較和分析。

1 兩種地基處理方法

1.1 強(qiáng)夯法

定義：強(qiáng)夯法是法國(guó)梅那技術(shù)公司1969年創(chuàng)立的一種地基加固方法，亦稱動(dòng)力固結(jié)法。這種方法通常是用8 t～40 t的重錘，以5 m～40 m的落距讓其自由落下，夯錘對(duì)地基強(qiáng)烈的沖擊作用使地基內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)大的應(yīng)力波，引起土體內(nèi)土顆粒發(fā)生位移、孔隙比減小、密實(shí)度增加，使土體結(jié)構(gòu)重新排列，從而達(dá)到加固地基的目的。優(yōu)點(diǎn)：速度快，工期短；施工設(shè)備工藝簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量容易控制。強(qiáng)夯設(shè)備見(jiàn)圖1。主要的設(shè)備有門架，履帶吊，夯錘。并且門架和夯錘都是固定在履帶吊車上的，一臺(tái)設(shè)備就可以完成主要的施工作業(yè)。所以效率較高，夯完后的地面進(jìn)行平整即可。缺點(diǎn)：施工噪聲大；施工時(shí)，土壤中會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的孔隙水壓力，因此不適用于飽和的細(xì)膩土壤，如淤泥和地下水位以下粘土，因?yàn)檫@種土質(zhì)需要較長(zhǎng)時(shí)間孔隙水壓力才會(huì)消散。注意事項(xiàng)：由于強(qiáng)夯法的工藝特點(diǎn)，因此要特別注意施工安全。此外，由于夯擊的能量會(huì)在濕潤(rùn)的表層土消失，所以在雨季可能不適用。

1.2 換填法

定義：換填法是挖去地表淺層軟弱土層或不均勻土層，回填堅(jiān)硬、較粗粒徑的材料，并夯壓密實(shí)，形成墊層的地基處理方法。缺點(diǎn)：該方法用于暫時(shí)堆放回填土體的場(chǎng)地可能比較難找。由于夯實(shí)之后土壤體積變小，整個(gè)場(chǎng)地的地平水準(zhǔn)可能要降低。注意事項(xiàng)：整個(gè)施工需要機(jī)具設(shè)備不復(fù)雜，但是涉及挖掘機(jī)、運(yùn)輸車以及夯土機(jī)(或壓路機(jī))的交叉作業(yè)，交通組織需要提前考慮，另外，不宜在雨天進(jìn)行作業(yè)。

2 根據(jù)某實(shí)際海外工程分析比較兩種方法

以上兩種方法各有利弊，下面以某海外工程為例進(jìn)行分析比較。

2.1 工程簡(jiǎn)介

某海外工程場(chǎng)地面積1 km2，原屬于丘陵地帶，有一些小的山丘，海拔高度從10 m～35 m不等，臨近有一條河流叫Vessigny河，在場(chǎng)地的南部，大約海拔5 m的高度。該場(chǎng)地曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)平整，平整后平均海拔高度為14.7 m。經(jīng)了解，在場(chǎng)地平整期間并未按照要求對(duì)于回填的土壤每200 mm進(jìn)行夯實(shí)(從而保證土壤壓實(shí)度達(dá)到95%以上)。經(jīng)過(guò)地質(zhì)勘查，也確認(rèn)該場(chǎng)地的填方區(qū)土質(zhì)屬于二類雜填土，并未經(jīng)過(guò)處理。設(shè)計(jì)要求地基承載力要達(dá)到100 kPa，經(jīng)過(guò)計(jì)算，需要進(jìn)行處理的土壤為765 000 m3，覆蓋面積為198 000 m2，填土深度平均為3.9 m。

2.2 施工方法比較

1)換填法。在該場(chǎng)地內(nèi)取三個(gè)土樣，并對(duì)這三個(gè)土樣進(jìn)行了試驗(yàn)，具體結(jié)果見(jiàn)表1，由此可知，當(dāng)土壤壓實(shí)度達(dá)到95%以上時(shí)，剪切強(qiáng)度是可以達(dá)到100 kPa的。

表1 現(xiàn)場(chǎng)土樣測(cè)試結(jié)果

用換填法對(duì)該場(chǎng)地進(jìn)行施工的具體步驟：先用挖掘機(jī)將填土挖出來(lái)，用裝載卡車運(yùn)到一個(gè)臨時(shí)存放的區(qū)域，隨后將這些挖出來(lái)的土再逐層回填到挖開的區(qū)域內(nèi)，回填的過(guò)程中每層用推土機(jī)平整，并且用夯土機(jī)夯實(shí)，直至土壤的壓實(shí)度達(dá)到95%以上，每次回填土的厚度不應(yīng)超過(guò)200 mm。盡管經(jīng)過(guò)地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)地下水位在3 m左右，開挖深度有可能超過(guò)地下水位，但是由于現(xiàn)場(chǎng)自然土體為粘土，且其滲透性很低，所以降水就不再需要了。

經(jīng)過(guò)計(jì)算全場(chǎng)需要換填的土方量大約為765 000 m3。

2)強(qiáng)夯法。對(duì)于強(qiáng)夯法，每一次錘擊都會(huì)形成一個(gè)錐狀的影響范圍(如圖2所示)。這些錐狀的影響深度取決于錘擊所給予的能量(錘重和下落高度)。這些錐狀的影響范圍應(yīng)該是重疊的以保證土壤改進(jìn)的均衡性，所以錘擊點(diǎn)之間的距離是根據(jù)重錘的大小、能夠產(chǎn)生的作用、填土的深度以及能量在土中的分散情況

來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。錘擊的數(shù)量取決于對(duì)土體改進(jìn)等級(jí)的要求。因此，第一遍我們使用一定間隔的大能量強(qiáng)夯來(lái)改進(jìn)填土底部的密實(shí)性。將夯坑重新填滿之后，再用低能量的夯擊(可以用同樣的夯錘降低起吊高度的方法，也可以直接采用小點(diǎn)的夯錘的方法)來(lái)改進(jìn)中間層土體的性能，緊接著再用輕型的錘進(jìn)行一遍“熨斗式”的拍夯，從而達(dá)到改善表層土的效果。

強(qiáng)夯對(duì)于處理砂質(zhì)土壤有著非常好的效果，由于該土質(zhì)有非常好的滲透性，所以在夯擊后產(chǎn)生的孔隙水壓力能夠非?？斓南⒌簟５惶m用于飽和的細(xì)膩土壤，如淤泥和地下水位以下粘土。就現(xiàn)場(chǎng)的土質(zhì)來(lái)說(shuō)，存在滲透率很差的粘土，造成孔隙水壓力的消散較慢，從而可能影響強(qiáng)夯的效果。所以為了強(qiáng)夯的效果，就需先進(jìn)行降水，或者安裝塑料排水帶(PVD)，以加快孔隙水壓力的消散。

綜上所述，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的勘查，強(qiáng)夯施工方案設(shè)計(jì)如下：因?yàn)樾枰倪M(jìn)的填土深度為5 m，所以用7 m來(lái)做計(jì)算，以保證最大的改進(jìn)深度是在5 m處；需要處理的土壤面積達(dá)到198 000 m2；重錘重量為20 t，直徑為2.5 m。若采用鑄鐵，錘高為0.55 m，若采用混凝土澆筑，錘高為1.7 m；重錘將被提升到20 m的高度然后自由落下，落點(diǎn)之間的距離為4 m。該強(qiáng)夯的夯擊能為4 000 kN·m，影響深度為5 m～7 m，故若遇到填方深度超過(guò)7 m的地區(qū)，應(yīng)該先進(jìn)行開挖然后強(qiáng)夯，待回填后再次強(qiáng)夯一遍，以確保強(qiáng)夯效果。

2.3 施工費(fèi)用比較

1)換填法。該工程所在國(guó)家挖方4美元/m3～5美元/m3，換填夯實(shí)5美元/m3～6美元/m3。所以按照挖填方764 270 m3計(jì)算，預(yù)計(jì)需要花費(fèi)688萬(wàn)美元～841萬(wàn)美元，且不考慮降水費(fèi)用(我們期望地下水對(duì)于挖填方不產(chǎn)生影響)。

2)強(qiáng)夯法。該工程所在國(guó)家強(qiáng)夯的單價(jià)為16美元/m2～21美元/m2，但不含降水。所以用當(dāng)?shù)刭M(fèi)率來(lái)計(jì)算，強(qiáng)夯預(yù)計(jì)花費(fèi)317萬(wàn)美元～416萬(wàn)美元，加上塑料排水板(PVD)的安裝費(fèi)用(間距1.5 m)為132萬(wàn)美元，強(qiáng)夯期間的地質(zhì)勘查費(fèi)用應(yīng)為20萬(wàn)美元。故整個(gè)花費(fèi)應(yīng)該在469萬(wàn)美元～568萬(wàn)美元之間。

2.4 施工工期比較

1)換填法。

如果空間和堆場(chǎng)之間距離能夠最小化，那么按照1臺(tái)挖掘機(jī)，4臺(tái)自卸式卡車，1臺(tái)推土機(jī)，和1臺(tái)夯土機(jī)，每臺(tái)班可以處理1 200 m3～1 600 m3。如果按照現(xiàn)場(chǎng)使用兩套以上設(shè)備進(jìn)行施工，那么每天處理2 400 m3～3 200 m3，整個(gè)項(xiàng)目需要40周～53周的時(shí)間(不考慮下雨等因素，每周工作6 d)。

2)強(qiáng)夯法。

假設(shè)：每套吊車設(shè)備每臺(tái)班完成400次夯擊(包括夯擊位置的移動(dòng))；每天每套吊車設(shè)備一個(gè)臺(tái)班；4套吊車設(shè)備；4周孔隙水壓力可以消散。

要用強(qiáng)夯達(dá)到所需的地基處理的目標(biāo)，預(yù)計(jì)共需17周。

2.5 結(jié)論

表2 強(qiáng)夯法與換填法比較表

通過(guò)表2比較我們不難發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)夯法相對(duì)更為經(jīng)濟(jì)，且施工周期較短。但是由于現(xiàn)場(chǎng)粘土的低滲透性，地下水位以下土壤在強(qiáng)夯中所產(chǎn)生的孔隙水壓力消散需要一定時(shí)間，故強(qiáng)夯法效果還取決于施工現(xiàn)場(chǎng)。另外，安裝排水塑料板PVD或者降水的方法可以加快或者避免孔隙水壓力消散所需的時(shí)間，但是可能增加施工周期。

換填法費(fèi)用有一定的不確定性，可能相對(duì)較高，另外施工周期較長(zhǎng)。但是換填方法施工機(jī)具簡(jiǎn)單，工程質(zhì)量較為可靠，且在施工期間，可以交叉進(jìn)行其他的施工，所以如果施工流水組織合適或者增加更多臺(tái)套設(shè)備，也不會(huì)影響整體工程的施工周期。

3 實(shí)際工程應(yīng)用

在實(shí)際工程中，首先采用了強(qiáng)夯法進(jìn)行施工，4套強(qiáng)夯設(shè)備，2臺(tái)推土機(jī)。強(qiáng)夯前進(jìn)行了降水施工，整個(gè)降水施工持續(xù)了8周，強(qiáng)夯計(jì)劃施工為17周，整個(gè)工程計(jì)劃為25周。

在施工中，由于當(dāng)?shù)赝临|(zhì)的特點(diǎn)，降水勉強(qiáng)在8周內(nèi)完成，但是強(qiáng)夯施工僅僅持續(xù)了4周，完成強(qiáng)夯面積100 500 m2。由于場(chǎng)地周圍的居民認(rèn)為振動(dòng)較大受到影響而被停止。后改為換填法施工，由于場(chǎng)地面積開闊，當(dāng)?shù)貦C(jī)械設(shè)備充足，故最終投入6臺(tái)挖掘機(jī)，12臺(tái)自卸式卡車，4臺(tái)推土機(jī)，4臺(tái)壓路機(jī)，經(jīng)過(guò)16周的施工，完成所有剩余的地基處理施工。

后經(jīng)過(guò)地質(zhì)勘查實(shí)驗(yàn)，以上兩種方法處理的地基均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。故在海外進(jìn)行施工時(shí)，需要充分考慮各種影響因素，除了技術(shù)，設(shè)備，費(fèi)用，工期等因素之外，還需要考慮安全，環(huán)保，以及當(dāng)?shù)刂苓叺倪m用性等因素。

[1] GB 50007—2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 79—2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[3] Geotechnical Investigation Report for Alutrint Smelter Complex，Golder Associates Inc.

Analysis and evaluation of dynamic compaction and remove & replace method in an oversea ground improvement project

Zhang Lei Li Peng

(ChinaMachineryEngineeringCorporation,Beijing100055,China)

Taking some overseas project as the example, the paper introduces the definitions for the two common weak foundation treatment methods, the dynamic method and the replacement method, and explores the advantages and disadvantages of the two methods from the construction methods and cost, so as to provide some reference for the economical and effective foundation treatment methods.

weak foundation, dynamic method, replacement method

2015-03-05

張 蕾(1982- )，女，工程師； 李 鵬(1980- )，男，工程師

1009-6825(2015)14-0071-02

TU472

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