摘要：魯南某山區(qū)高速公路路線局部穿越鐵尾礦粉回填人工采坑，鐵尾礦粉層濕軟且地下水位較高。綜合考慮施工難度、項目地材利用以及經(jīng)濟(jì)效益，提出采用強(qiáng)夯置換樁復(fù)合地基進(jìn)行處治的設(shè)計方案。強(qiáng)夯置換法是一種經(jīng)濟(jì)、簡單易行的地基處理方法，通過在采坑內(nèi)填筑項目開挖石方/隧道棄渣，形成作業(yè)平臺同時作為強(qiáng)夯置換墩的成墩材料，強(qiáng)夯形成復(fù)合地基。通過計算擬定墩徑、墩距，經(jīng)過試夯確定了方案適用性、施工參數(shù)及加固效果，為同類軟基處理提供設(shè)計與實踐案例。

關(guān)鍵詞：道路工程；強(qiáng)夯置換墩；設(shè)計；軟土地基；礦坑

中圖分類號：U414；X705""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）S1?0103?05

Design Research of Expressway Dynamic Compaction Displacement Pier Based on Abandoning Earthwork

ZHAO Xianxia LI Mei MAN Xinjie SUN Tao WANG Yanni

（1. Zibo Transportation Construction and Development Center， Zibo Shandong 255000， China; 2. Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute Group Co.， LTD， Jinan Shandong 250101， China;3. Shandong High?speed Infrastructure Construction Co.， LTD.， Jinan Shandong 250000， China）

Abstract： The highway route in a mountainous area in southern Shandong partially passes through the artificial mining pit backfilled with iron tailings powder. The iron tailings powder layer is wet and soft and the groundwater level is high. Considering the difficulty of construction， the utilization of project ground materials and economic benefits， a design scheme of using dynamic compaction to replace pile composite foundation for treatment is proposed. The dynamic compaction displacement method is an economical， simple and easy foundation treatment method. By excavating the stonework/tunnel spoil in the filling pit， the operation platform is formed. Meanwhile the stonework/tunnel spoil can be used as the pier material for the dynamic compaction diplacement pier in the dynamic compaction forms Composite foundation.By calculating the pier diameter and pier spacing， and confirming the applicability of the scheme， construction parameters and reinforcement effect through tamping tests， it provides design and practical cases for similar soft foundation treatment.

Key words： highway engineering; dynamic compaction displacement pier; design; soft ground; pit

0 引言

強(qiáng)夯置換樁是一種經(jīng)濟(jì)、簡單易行的地基處理方法[1]，主要利用夯擊時的沖擊力，將塊石、粗砂、碎石、礦渣等擠填到飽和軟土層中，置換飽和軟土層，形成“樁柱”或密實砂、石層，從而使地基承載力提高，沉降減小。尤其適用于高飽和度粉土以及軟塑～流塑狀態(tài)下的飽和軟黏土和可塑～硬塑狀態(tài)下的濕陷性粉質(zhì)黏土等類型地基。其加固機(jī)理主要有三種，分別為動力密實、動力固結(jié)和動力置換，加固機(jī)理取決于地基土的類別和施工工藝。強(qiáng)夯置換法具有加固效果顯著、工藝簡單、工期短、施工費用低等優(yōu)點，具有較高的承載能力和經(jīng)濟(jì)性等特征，目前已用于堆場、公路、機(jī)場、房屋建筑和油罐等工程，在砂、石料資源充沛的地區(qū)具有推廣價值。

魯南某山區(qū)高速公路穿越低山丘陵區(qū)、山間谷地及丘間谷地、山前平原，填方數(shù)量和挖方數(shù)量分布不均勻。沿線局部穿越鐵尾礦粉回填人工采坑，鐵尾礦粉層濕軟且地下水位較高，綜合考慮施工難度、項目棄方利用以及經(jīng)濟(jì)效益，提出采用強(qiáng)夯置換樁復(fù)合地基進(jìn)行處治的設(shè)計方案。

本文通過在采坑內(nèi)填筑項目開挖石方/隧道棄渣，形成作業(yè)平臺同時作為強(qiáng)夯置換樁的成樁材料，強(qiáng)夯形成復(fù)合地基。通過設(shè)計及現(xiàn)場實踐，驗證了強(qiáng)夯置換法對類似工程處理的有效性。

1 工程概況

1. 工程地質(zhì)概況

項目在山間段K5＋535～K5＋630右側(cè)有一處人工采坑，上覆耕植土及植被，清表后揭示該處地基濕軟，見圖1所示。地質(zhì)鉆孔顯示，地下水位0.8m，第一層素填土以鐵尾礦粉為主，厚2.2～6.6m，未檢測出承載力；第二層為斷層破碎帶，巖質(zhì)為灰?guī)r，受構(gòu)造影響巖芯破損，承載力800kPa。對上層素填土進(jìn)行土工試驗，結(jié)果顯示含水率29.5%～34.5%，孔隙比0.76～0.9。

對采坑進(jìn)行挖孔探查，地表以下為細(xì)粒礦渣，可探明深度4.7m左右，開挖時溝壁易坍塌，地表以下0.8m浸水。選3點進(jìn)行了輕型動力觸探實驗（見圖2所示），統(tǒng)計結(jié)果顯示承載力在0～60kPa之間。

1.2 強(qiáng)夯置換方案參數(shù)設(shè)計

根據(jù)勘察情況，由于采坑為細(xì)粒礦渣粉回填，礦渣在飽水的狀態(tài)下具有較強(qiáng)的流動性，常規(guī)施工機(jī)具不具備直接作業(yè)條件。另外采坑深度較大（3～7m），開挖過程中極易引起坑壁坍塌，導(dǎo)致安全事故。經(jīng)多方論證后確定采用強(qiáng)夯置換墩進(jìn)行處理。

1.2.1 強(qiáng)夯置換處理范圍

按照《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則（JTGT?D31?02—2013）》規(guī)定，強(qiáng)夯置換墩處理范圍應(yīng)為坡腳外增加一排置換樁。根據(jù)項目特點，分析確定處理范圍為高速公路坡腳外不小于5m。

1.2.2 強(qiáng)夯置換墩長

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范（JGJ 79—2012）》6.3.5規(guī)定強(qiáng)夯置換墩的深度應(yīng)由土質(zhì)條件決定。除厚層飽和粉土外，應(yīng)穿透軟土層，到達(dá)較硬土層上，深度不宜超過10m[2]。而《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》5.11.2強(qiáng)夯置換法適用于處理高飽和度的粉土與軟塑～流塑的軟黏土地基，處理深度不宜大于7m[3]。

本項目采坑深3～7m，土質(zhì)濕軟，下伏硬質(zhì)巖層，強(qiáng)夯置換墩長度應(yīng)滿足地基的穩(wěn)定性和變形的要求。為保證穩(wěn)定性和變形的要求，防止路基開裂、失穩(wěn)，強(qiáng)夯置換樁應(yīng)穿透軟土層，著底在巖層上，置換墩長度最大7m。

1.2.3 強(qiáng)夯置換墩布置方式

強(qiáng)夯置換墩布置方式上宜采用等邊三角形或正方形布置，置換間距應(yīng)根據(jù)荷載大小和原土的承載力確定。當(dāng)滿布時可取夯錘直徑的2～3倍，樁的計算直徑可取夯錘直徑的1.1～1.2倍[3]。

公路地基宜采用大面積滿布處理，見圖3所示?！豆奋浲恋鼗返淘O(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》5.11.10強(qiáng)夯置換樁復(fù)合地基的沉降與穩(wěn)定計算方法與粒料樁相同。因此，為確定夯錘直徑、置換間距，采用粒料樁復(fù)合地基的計算方法對強(qiáng)夯置換復(fù)合地基的沉降、承載力與穩(wěn)定進(jìn)行計算分析，樁土應(yīng)力比取規(guī)范中值3，夯錘直徑分別采用1.2m和1.5m，置換間距分別采用夯錘直徑的2倍、2.5倍和3倍。強(qiáng)夯置換樁頂按照要求鋪設(shè)一層50cm厚碎石墊層，墊層粒徑不宜大于100mm。

由于強(qiáng)夯置換墩著底在硬質(zhì)巖層上，經(jīng)強(qiáng)夯置換處置后路基工后沉降均小于10cm，滿足高速公路《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）中7.7.1對于容許工后沉降的要求。計算顯示，當(dāng)置換間距/錘徑倍數(shù)增大時，工后沉降計算值略有增加，復(fù)合地基承載力減小。從復(fù)合地基承載力看，采用大墩徑的處置效果相對較好，見圖4所示。

經(jīng)試算，確定采用1.5m直徑夯錘進(jìn)行強(qiáng)夯置換地基處理以提高施工效率，置換間距采用3.5m（約2.3倍）。在路堤兩側(cè)邊坡以及反壓護(hù)道范圍內(nèi)，由于填土高度降低，強(qiáng)夯置換墩距可適當(dāng)加大。

1.2.4 成墩材料選擇

墩體材料科采用級配良好的塊石、碎石、礦渣、工業(yè)廢渣、建筑垃圾等堅硬粗顆粒材料，且粒徑大于300mm的顆粒含量不宜超過30%。墩體材料級配不良或粒徑過大，都容易在墩中留下大孔，后續(xù)路基施工及投入使用后，外力作用下墩間土擠入空隙，有引起路基下沉或失穩(wěn)的風(fēng)險。

本項目高速公路穿越低山丘陵區(qū)、山前平原，邊坡開挖石方以及隧道棄渣數(shù)量較大，土方縱向調(diào)配使用后，仍存有一定數(shù)量的棄方，且棄方難度較大。基于環(huán)保經(jīng)濟(jì)的原則，項目在路基設(shè)計方案中最大限度地考慮了挖方利用，包括采用填石路基、土石混填、漿砌片石排水設(shè)施以及邊坡防護(hù)后，仍有大量富余。因此，墩體材料設(shè)計采用本項目挖方石料經(jīng)破碎處置后按照一定級配混合作為成墩材料。

1.2.5 預(yù)估夯擊能

單擊夯擊能量根據(jù)現(xiàn)場試驗決定。在設(shè)計階段可根據(jù)下式預(yù)估夯擊能3"000～5"000k·m。

較適宜的夯擊能：

E_W= 940 × （₁?2.1） （1）

夯擊能最低值：

E_W=940 × （₁?3.3） （2）

式中，E_W為夯擊能kN·m，₁為置換樁深度m。

根據(jù)水偉厚對全國各地50余工程項目強(qiáng)夯置換墩長度與強(qiáng)夯置換主夯擊能的統(tǒng)計分析顯示，當(dāng)軟土深度為3～7m時，主夯擊能采用3"000～8"000kN·m。這里主夯擊能是在強(qiáng)夯置換法的施工工藝中，為了要增加置換墩的長度，主夯點采用的第一遍夯擊能，是決定置換墩長度的夯擊能，也是決定有效加固深度的夯擊能[4]。

1.2.6 設(shè)計方案及技術(shù)要求

（1）設(shè)計處理范圍為公路邊坡坡腳外5m。加固深度3～7m，穿透軟土層，著底在硬質(zhì)巖層上。強(qiáng)夯置換墩采用直徑1.5m夯錘，預(yù)估夯擊能3"000～5"000kN·m。夯點按照三角形布置，夯點間距3.5m。

（2）場地排除積水后，處理范圍內(nèi)滿鋪1.5m厚的片石作為成墩的填料。強(qiáng)夯施工按照由內(nèi)向外、隔行跳打的原則。強(qiáng)夯施工使用錘底直徑D=1.5m的鋼錘，夯擊成墩。施工前應(yīng)進(jìn)行試夯確定施工參數(shù)。單點夯擊完成后推平場地，采用低能量滿夯2遍，滿夯單擊夯擊能1"000kN·m，夯錘重10t，錘底直徑D=2.5m。將場地表層松土夯實，并測量夯后場地高程。

（3）滿夯后在地表鋪設(shè)厚度0.5m的碎石墊層并分層壓實。墊層中部設(shè)一層雙向土工格柵，極限抗拉強(qiáng)度?50kN/m，2%伸長率時的抗拉強(qiáng)度?20kN/m，搭接寬度?20cm。

（4）成墩材料采用本項目開挖石方以及隧道棄渣，要求級配良好，粒徑不大于夯錘底面直徑的1/5、粒徑大于30cm的顆粒含量不超過30%，含泥量不超過10%；碎石墊層粒徑應(yīng)小于10cm，含泥量小于5%。

（5）夯后復(fù)合地基承載力不小于120kPa，上部路基填料應(yīng)盡快填至路基頂面進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓時間不小于180天并保證沉降速率滿足路面鋪筑要求，預(yù)壓期間應(yīng)進(jìn)行位移觀測，確保邊坡穩(wěn)定。

（6）施工時應(yīng)采配合動力觸探檢測，確保強(qiáng)夯置換墩底有效支撐在巖層上以及墩身密實性。

（7）施工前，應(yīng)查明施工影響范圍內(nèi)地下構(gòu)筑物和地下管線的位置。并采取必要的保護(hù)措施。

（8）當(dāng)強(qiáng)夯施工所引起的振動和側(cè)向擠壓對鄰近建構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響時，應(yīng)設(shè)置監(jiān)測點，并采取挖隔振溝等隔振或防振措施。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 施工參數(shù)設(shè)定

（1）試夯選用20t，夯錘直徑1.5m的鋼錘。夯錘采用1"000型強(qiáng)夯機(jī)起吊，夯錘最大落距25m，單擊夯擊能可達(dá)5"000kN·m。

（2）錘底靜接地壓力值：按照規(guī)范，夯錘底靜接地壓力值是指夯錘在靜止?fàn)顟B(tài)下夯錘重與錘底接觸地面面積之比計算，可取80～200kPa。直徑1.5m的夯錘錘底靜壓力為111kPa，滿足規(guī)范要求。

（3）落距選擇

國內(nèi)項目通常采用8～25m，對相同的夯擊能量，常選用大落距的施工方案，以獲取較大的接地速度，將夯擊能有效傳遞到地下深處，增加深層夯實效果，減少消耗在地表土層塑性變形的能量。試夯落距最大25m。

（4）地面抬高值：強(qiáng)夯置換時地面不可避免要抬高，特別在飽和黏性土中，根據(jù)現(xiàn)有資料，隆起的體積可達(dá)填入體積的大半，這主要是因為黏性土在強(qiáng)夯置換中密度改變較粉土少，雖有部分軟土擠入置換墩孔隙中，或因填料吸水而降低一些含水量，但隆起的體積還是可觀的，應(yīng)在試夯時仔細(xì)記錄，做好合理的估計。

（5）夯擊次數(shù)/止夯條件：以最后2擊的平均夯沉量小于100mm時停夯，該擊數(shù)為墩點夯擊次數(shù)。

2.2 試驗結(jié)果

根據(jù)場地及地質(zhì)情況，選取場地內(nèi)K5+535～K5+570段約35m長采坑作為試夯區(qū)，試夯區(qū)軟土厚度5.1～6.7m，面積約35m×20m。

（1）場地準(zhǔn)備

場地清表后整平施工場地，由于采坑土層松軟且地下水位較高，先進(jìn)行場地降水。施工前，通過井點降水將地下水位降低至坑底面以下2～3m。場地水排出后，在處理范圍內(nèi)滿鋪1.5m厚的片石作為成墩的填料，同時作為機(jī)械作業(yè)平臺。

（2）墩點布置：按照三角形布置，夯點間距3.5m。具體夯點平面布置圖如5所示。

?（3）放線標(biāo)記出夯點位置，并測量場地高程；強(qiáng)夯機(jī)就位，夯錘起吊，置于夯點正上方20m高度開始夯擊并用塔尺逐擊記錄錘頂標(biāo)高。開夯后夯擊偶有歪錘，調(diào)整后可繼續(xù)。夯坑過深起錘困難時停夯，向夯坑內(nèi)填料直至與坑頂齊平，記錄填料數(shù)量。夯點周圍軟土擠出影響施工時隨時進(jìn)行清理，并在夯點周圍鋪墊碎石后，繼續(xù)施工。重復(fù)夯擊工序，前后兩次夯沉量小于100mm時停夯，完成個墩體的分擊，夯擊數(shù)介于13～17之間。

（4）試夯記錄數(shù)據(jù)顯示，試夯區(qū)域內(nèi)強(qiáng)夯置換墩平均每延米成墩填料用量2.04～2.26m3，平均墩徑大約是夯錘直徑的1.08～1.13倍。夯擊過程中地面隆起最大約0.73m，夯點間距基本適宜。

3 地基加固效果

3.1 強(qiáng)夯置換地基質(zhì)量檢驗

根據(jù)規(guī)范要求，強(qiáng)夯置換后的地基，除應(yīng)采用單墩靜載試驗進(jìn)行承載力檢驗外，尚應(yīng)采用動力觸探等查明置換墩著底情況及密實度隨深度的變化情況，檢驗數(shù)量不應(yīng)少于墩點數(shù)的3%，且不少于3點。強(qiáng)夯置換地基單墩荷載試驗數(shù)量不應(yīng)少于墩點數(shù)的1%，且不少于3點；對于飽和粉土地基，當(dāng)處理后墩間土能形成2.0m以上厚度的硬層時，其地基承載力可通過現(xiàn)場單墩復(fù)合地基靜荷載試驗確定，檢驗數(shù)量不應(yīng)少于墩點數(shù)的1%，且每個建筑荷載試驗點不應(yīng)少于3點。強(qiáng)夯置換處理后的地基承載力檢驗，應(yīng)在施工結(jié)束后間隔一定時間進(jìn)行，宜為28d。對飽和粉土地基，尚應(yīng)檢測墩間土的物理力學(xué)指標(biāo)[2]。

為確定地基處理后的效果，在試驗區(qū)進(jìn)行了靜載試驗、動力觸探試驗。

（1）采用平板載荷試驗法對試夯區(qū)內(nèi)的復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測，強(qiáng)夯置換后地基承載力特征值155kPa，基本滿足承載力設(shè)計要求。

（2）采用動力觸探試驗隨機(jī)檢查墩間土，強(qiáng)夯置換后土體明顯擠密，性能顯著改變，且隨置換深度增大而增強(qiáng)，達(dá)到了地基加固的目的。

3.2 沉降觀測

（1）觀測要求及原則

為確定強(qiáng)夯置換加固效果，確保公路路基穩(wěn)定和變形可控，路基施工過程中應(yīng)對地表沉降、地表水平位移進(jìn)行觀測。地表沉降觀測斷面在一般路段宜每100m布設(shè)一處，在預(yù)壓施工高度達(dá)到極限高度的路段宜每50m布設(shè)一處，在跨度大于30m的結(jié)構(gòu)物兩端相鄰路堤段應(yīng)各布設(shè)一處，跨度小于30m時可僅在一端布設(shè)[3，9]。

（2）觀測點布設(shè)

本項目路段較短，設(shè)計在K5+540、K5 + 610 共2 個斷面設(shè)置沉降觀測儀及位移觀測邊樁。沉降觀測樁位于硬路肩邊緣，每斷面共設(shè)置2 個；水平位移樁設(shè)置于施工便道外側(cè)5m 處。實際施工時，位移觀測裝置可根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。

位移觀測邊樁采用C25鋼筋混凝土預(yù)制，埋設(shè)后樁周上部用混凝土澆筑固定。路基每填筑一層填料進(jìn)行一次觀測（如圖6）。如果兩次填筑間隔時間較長，應(yīng)每3天觀測一次。路堤填筑完畢后，應(yīng)每14天進(jìn)行一次觀測，直到預(yù)壓期結(jié)束為止。

（3）監(jiān)測結(jié)果

沉降觀測數(shù)據(jù)顯示，路基填筑過程中沉降較大，路基填筑期間地基沉降速率約0.3mm/d，路基填筑完成后沉降逐漸減小，逐漸趨于穩(wěn)定，說明在此階段路基沉降主要是路基填筑引起，地基未引發(fā)沉降。地基沉降在路基填筑完成后趨于穩(wěn)定，經(jīng)過預(yù)壓后地基穩(wěn)定性還會緩慢提高。

4 結(jié)語

（1）山區(qū)高速公路沿線局部穿越鐵尾礦粉回填人工采坑，鐵尾礦粉層濕軟且地下水位較高。綜合考慮施工難度、項目棄方利用以及經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計采用強(qiáng)夯置換樁復(fù)合地基進(jìn)行處治的設(shè)計方案。通過在采坑內(nèi)填筑項目開挖石方/隧道棄渣，形成作業(yè)平臺同時作為強(qiáng)夯置換樁的成樁材料，強(qiáng)夯形成強(qiáng)夯置換復(fù)合地基。

（2）從工后試驗檢測得知，墩下土體的壓實度和承載能力有效提高，并達(dá)到設(shè)計要求。說明強(qiáng)夯置換墩這種工程處治方式能很好地擠密加固土體，并能提高土體的抵抗變形能力。

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