張 建 民

(賽鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

強(qiáng)夯置換技術(shù)是指利用強(qiáng)夯的沖擊力強(qiáng)行將碎石和建筑垃圾、礦渣等粗顆粒硬質(zhì)骨料擠入軟土層中，從而使地基土的強(qiáng)度提高，壓縮性降低，改善地基土受力性能的地基處理辦法。根據(jù)加固機(jī)理和適用條件的不同，可分為動(dòng)力固結(jié)法和動(dòng)力置換法。

1 強(qiáng)夯置換的加固機(jī)理及適用條件

1.1 加固機(jī)理

1.1.1動(dòng)力固結(jié)法

動(dòng)力固結(jié)法也稱強(qiáng)夯半置換法，是指通過(guò)采用向夯坑內(nèi)回填透水性好的粗顆粒硬質(zhì)骨料，改善粘性土的透水條件，縮短孔隙水消散路徑，加快粘性土地基的固結(jié)。

其原理為：土中存在的微小氣泡使其具有壓縮性。在外部沖擊力的反復(fù)作用下，孔隙水壓力上升，當(dāng)孔隙水壓力等于土的總應(yīng)力時(shí)，土的抗剪強(qiáng)度喪失，地基發(fā)生液化，土的透水性增大。通過(guò)采用強(qiáng)夯置換建立排水通道，孔隙水就會(huì)快速消散，土層就會(huì)加快固結(jié)。

1.1.2動(dòng)力置換法

動(dòng)力置換分為整體置換和墩式置換。整體置換是采用強(qiáng)夯將碎石等擠入軟土中，使地基表面形成一層硬土層,作用類似于換填墊層；墩式置換是通過(guò)強(qiáng)夯將碎石等擠入軟土中，形成碎石墩。其作用機(jī)理類似于振沖碎石樁。墩體與樁間土共同作用，形成復(fù)合地基。

1.2 適用條件

1.2.1動(dòng)力固結(jié)法

一般適用于飽和度較高的濕陷性黃土和一般粘性土地基。

1.2.2動(dòng)力置換法

一般適用于對(duì)變形控制要求不嚴(yán)的高飽和度的粉土、軟塑～流塑的淤泥、淤泥質(zhì)土、粘性土等。

2 強(qiáng)夯置換的設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力固結(jié)法

1)置換墩體深度應(yīng)達(dá)到飽和土層處理深度的1/2～2/3。

2)單擊的夯擊能應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

3)置換墩體材料可采用天然級(jí)配的碎石和建筑垃圾、礦渣等堅(jiān)硬粗顆粒材料，填料中粒徑大于300 mm的顆粒含量不宜超過(guò)總重的30%。

4)夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試夯確定。同時(shí)并應(yīng)滿足下列條件：a.累計(jì)夯沉量為設(shè)計(jì)墩長(zhǎng)的1.5倍～2.0倍；b.最后兩擊的平均夯沉量不應(yīng)大于規(guī)范限值。

5)夯點(diǎn)間距和布點(diǎn)形式可按一般強(qiáng)夯設(shè)計(jì)。

6)墩頂應(yīng)鋪設(shè)一層厚度不小于500 mm的墊層。墊層材料可與墩體材料相同，粒徑不大于100 mm。

2.2 動(dòng)力置換法

1)強(qiáng)夯置換的墩體深度應(yīng)根據(jù)土質(zhì)條件確定，并應(yīng)穿透軟土層，到達(dá)較硬土層上。當(dāng)深度超過(guò)7 m時(shí)，應(yīng)有充分的現(xiàn)場(chǎng)試夯經(jīng)驗(yàn)。為提高置換效果，應(yīng)控制夯坑的深度。在高能級(jí)強(qiáng)夯置換中，夯坑深度一般不小于2 m，并最終以拔錘困難為準(zhǔn)。若吸錘嚴(yán)重且夯坑深度達(dá)不到2 m時(shí)，應(yīng)適當(dāng)填料，待解決吸錘問(wèn)題后再夯，以確保夯坑深度。

2)單擊夯擊能應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。在前期階段可按圖1進(jìn)行預(yù)估。圖1為能級(jí)與置換深度統(tǒng)計(jì)圖。較適宜的夯擊能E=940(H1-2.1),夯擊能最低值Ew=940(H1-3.3)。H1即置換深度。從圖1中可看出在同一夯擊能作用下，三根斜線所對(duì)應(yīng)的置換深度H1并不相同，這一差異與錘底靜壓力的大小、施工工藝等有關(guān)。置換深度較深時(shí)，宜選取靜壓力較大的錘型，并采用合理的施工順序、布點(diǎn)形式，嚴(yán)格控制填料質(zhì)量、夯坑深度及累計(jì)夯沉量。

3)墩體材料可采用天然級(jí)配的碎石和建筑垃圾、礦渣等堅(jiān)硬粗顆粒材料，且填料中粒徑大于300 mm的顆粒含量不宜超過(guò)全重的30%。因置換墩在形成過(guò)程中填料滲入土中與墩間土混合，使墩間土成為一種混合土，含水量與密實(shí)度都得到一定程度的改善，與墩體形成復(fù)合地基。填料在土體的混合中起到重要作用,因此填料粒徑應(yīng)嚴(yán)格控制。

4)夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試夯確定。并同時(shí)應(yīng)滿足下列條件：a.墩底穿透軟弱土層，并達(dá)到設(shè)計(jì)墩長(zhǎng)；b.累計(jì)的夯沉量應(yīng)為設(shè)計(jì)墩長(zhǎng)的1.5倍～2.0倍；c.最后兩擊的平均夯沉量不應(yīng)大于規(guī)范限值。

5)布點(diǎn)形式應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)型式采用等邊三角形、等腰三角形或正方形等布置。置換墩間距應(yīng)根據(jù)上部荷載和原土的承載力選定。當(dāng)采用滿堂布置時(shí)，夯點(diǎn)間距可取夯錘直徑的2.5倍～3.5倍；對(duì)獨(dú)基或條基，可取夯錘直徑的1.5倍～2.5倍。滿夯應(yīng)采用低夯擊能進(jìn)行夯擊，錘印搭接1/3。

6)墩頂應(yīng)鋪一層材料與墩體材料相同的壓實(shí)墊層，厚度不小于500 mm ，粒徑不大于100 mm。當(dāng)表層土質(zhì)松軟、強(qiáng)夯能擊較大時(shí)，施工前場(chǎng)地表層應(yīng)鋪填1.0 m～2.0 m厚壓實(shí)墊層，材料同墩體。以避免場(chǎng)地隆起過(guò)大使夯坑較深、拔錘困難，施工機(jī)械難以移動(dòng)等。

7)確定軟粘性土中地基承載力特征值時(shí)，可只考慮墩體而不考慮墩間土，承載力特征值應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單墩載荷試驗(yàn)確定；確定飽和粉土地基承載力特征值時(shí)可按復(fù)合地基考慮，其承載力可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單墩復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定。

3 強(qiáng)夯置換技術(shù)的應(yīng)用

3.1 工程概況及場(chǎng)地地質(zhì)條件

工程項(xiàng)目為沿海地區(qū)港口儲(chǔ)罐區(qū)工程，占地面積約6萬(wàn)m2，對(duì)處理后地基承載力特征值的要求是不小于180 kPa。

場(chǎng)地為填海造地，地質(zhì)情況較為復(fù)雜。

在鉆孔深度范圍內(nèi)揭露的土層依次如下：

①素填土：干燥，松散～中密。主要由中風(fēng)～微風(fēng)化石英巖碎石組成，碎石呈棱角形，一般粒徑18 mm～80 mm，含量在40%～80%，分布不均，其余為角礫和粉土。結(jié)構(gòu)松散，新近回填形成，分布范圍6.0 m～3.4 m。

②素填土：以軟塑～可塑狀粉質(zhì)粘土、板巖風(fēng)化物為主，含石英巖、板巖碎石、角礫，含量最高可達(dá)50%以上。標(biāo)貫擊數(shù)為3擊/30 cm～13擊/30 cm。

③沖填土：主要以角礫、礫砂為主，局部混有粉細(xì)砂和粉質(zhì)粘土，分布無(wú)規(guī)律。砂土多為稍密～中密狀態(tài)，粉質(zhì)粘土多為軟塑狀態(tài)。分布范圍3.4 m～-11 m。標(biāo)貫擊數(shù)為4擊/30 cm～14擊/30 cm。

④碎石：飽和，中密～密實(shí)。主要以石英碎卵石為主，碎石一般粒徑25 mm～60 mm，碎石含量50%～70%，分布不均，混礫砂與可塑～硬塑粉質(zhì)粘土充填，多為半膠結(jié)狀態(tài)。分布標(biāo)高范圍-8.8 mm～-13.4 m。

⑤強(qiáng)風(fēng)化板巖：褐黃色，碎塊、片狀，易碎，層理清晰。

從以上描述可以看出，加固土層主要為素填碎石土、素填粉質(zhì)粘土和沖填土。地質(zhì)特點(diǎn)：軟土層較厚，最大厚度11 m,平均厚度9 m左右。含水量大，部分地段處于飽和狀態(tài)，含水層埋深淺，平均為地面下0.8 m～1.2 m。

3.2 地基處理要求

1)加固后的地基承載力特征值不小于180 kPa；

2)加固后的地基回彈模量不小于60 MPa；

3)使用期內(nèi)最終沉降量不大于30 cm。

3.3 強(qiáng)夯試驗(yàn)

經(jīng)分析決定采用主夯6 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯置換處理方案。主夯錘重300 kN，落距20 m，3 m×3 m正三角形布點(diǎn)。滿夯為1 500 kN·m，夯印彼此搭接1/3d。主夯控制要求為δ≤100 mm。鋪填1.5 m厚碎石，單點(diǎn)擊數(shù)以現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)為準(zhǔn)。試夯區(qū)面積800 m2。

試夯效果較好。夯擊點(diǎn)數(shù)在15擊～45擊之間，填料次數(shù)在3次～7次之間，填料量也差別較大，場(chǎng)地隆起值在20 cm～100 cm之間。試夯選取用夯錘直徑1.2 m，錘重30 t。

施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)和施工后檢測(cè)表明：夯擊后超孔隙水壓力明顯增加，隨時(shí)間逐步消散。強(qiáng)夯有效影響深度約為9 m。夯擊后10 d孔隙水壓力消散量達(dá)90%以上。夯點(diǎn)處動(dòng)探和夯間處動(dòng)探、標(biāo)貫檢驗(yàn)結(jié)果表明土層強(qiáng)度有較大提高。試驗(yàn)結(jié)果表明夯點(diǎn)及夯間地基承載力均大于180 kPa?；貜椖Ａ烤笥?0 MPa。

3.4 強(qiáng)夯施工

本工程強(qiáng)夯置換處理面積6萬(wàn)m2。施工工藝及參數(shù)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上調(diào)整如表1所示。

表1 6 000 kN·m強(qiáng)夯置換施工工藝及參數(shù)

3.4.1加固效果檢驗(yàn)

夯點(diǎn)處動(dòng)探檢驗(yàn)見(jiàn)表2。

表2 碎石土以下各土層動(dòng)探檢驗(yàn)一覽表

6.0 m以上素填碎石土層強(qiáng)度較高，平均擊數(shù)18擊/10 cm。通過(guò)以上各夯點(diǎn)處動(dòng)探檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，深度8 m內(nèi)土質(zhì)強(qiáng)度提高較大。夯間處動(dòng)探、標(biāo)貫檢驗(yàn)見(jiàn)表3。

通過(guò)以上夯間土檢驗(yàn)結(jié)果，深度8 m內(nèi)夯間土各土層土質(zhì)強(qiáng)度有所提高。

3.4.2地基靜載荷試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明各夯夯點(diǎn)和夯間地基承載力均大于180 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4.3地表沉降

經(jīng)測(cè)量，由于受施工填料的影響，施工前、后標(biāo)高變化不大。

3.5 結(jié)論

綜合上述各項(xiàng)指標(biāo)，采用強(qiáng)夯置換加固地基后，結(jié)果達(dá)到了

設(shè)計(jì)要求。

表3 夯間土各土層動(dòng)探、標(biāo)貫檢驗(yàn)一覽表

4 結(jié)語(yǔ)

強(qiáng)夯置換技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用擴(kuò)展了強(qiáng)夯技術(shù)的使用范圍。尤其是在高飽和度粉土和淤泥質(zhì)土等軟土地基地區(qū)增加了一種可行的造價(jià)相對(duì)經(jīng)濟(jì)的地基處理措施。若建構(gòu)筑物對(duì)變形控制較嚴(yán)時(shí)，還可采用強(qiáng)夯置換與CFG樁或鋼筋混凝土灌注樁相接合的地基處理方案等。