動力置換強夯加固軟土地基試驗

陳銘輝

(上海宏波工程咨詢管理有限公司 200232)

1 概述

在軟土地基上建造多層建筑物，因地基承載力低、變形大而不能滿足建筑物使用要求，故必須對地基進行加固處理。其原是在滿足承載力和沉降要求下，力爭降低工程造價，對有抗震設防要求的須處理其液化土層;筆者曾在某工廠新建工程中利用現有工業廢渣，采用動力置換強夯法對軟土地基及其液化土層進行加固處理，取得了較好的效果。

新建廠房占地12hm2，原為茭白地和稻田，其中10%為魚塘，地勢低洼，自然標高在2.900m左右，設計地面標高為4.500m。清除松散的耕土后，填土厚度約2.0m左右，其地質條件為:①為淤泥及耕土層;②為中壓縮性的灰黃－灰色粘質粉土，濕、軟塑;③為灰色粉性土、粉砂層，該層層底埋深相差較大，層內水平、垂直方向所夾的砂質粉土、粉砂含量不同，根據巖性及土力學性質差異，可分為四個亞層及一個夾層:③－1層屬于嚴重液化層，③－2層為軟塑，屬于中壓縮層，③－a層為夾層，屬嚴重液化層，③－3層為中壓縮層，③－4層稍密、飽和，為中偏低壓縮性。各層土的物理力學指標詳見表1，由此可知，地質條件對工程建設極為不利。

表1 夯前試驗區物理力學性質指標一覽表

生產區共由9幢廠房組成，其中1幢為2層框架結構，其余8幢為4～6層框架結構，建筑物最高33m，樓面活荷載為6.0kPa/m2，單項設備最重為500kN，柱下最大軸向力為4500kN，原設計為預制鋼筋混凝土長樁、獨立承臺基礎。由于建設單位在高爐干渣材料的供應方面占有優勢，故擬采用高爐干渣為填料對地基土層進行加固處理。

設計對地基處理提出了以下要求:地基經處理加固后，在加固有效深度內，其允許承載力必須從80kPa提高到220kPa以上，地基有效加固深度必須超過8m，施工前地基要有較大的預壓沉降，要消除③－1、③－a層的液化層，滿足7度抗震要求。如能滿足以上要求，可將原設計的樁基改為條形基礎，為此，組織專家論證會，經研究分析，由于該工程地基土層多為粉性土，且夾有粉砂層，易排水，強夯是一種可以采用的加固方法，但須通過試驗驗證方可選用。

2 動力置換強夯加固機理

用強夯加固地基，設備簡單、原理直觀，這種用重錘自由下落夯實地面、提高其強度、置換強夯降低壓縮性的加固地基方法比用靜載預壓法加固地基的方法要經濟且速度快。

對強夯機理，“拌和”論是強夯取得成功的根本依據，既通過強夯使上下兩層不同軟硬土層發生機械拌和，利用這一原理，在軟弱土層上填以粗粒填料，經強夯使粗粒填料與下層軟土發生混合，地基在強夯沖擊下，同時又發生擠密，粗顆粒與土發生混合擠入形成置換體。

根據以上原理，動力置換在地基加固方面有其特有的優勢，考慮到該工程場地土質性質，強夯有效深度為8m，夯后土允許承載力提高到220kPa是可行的，地表下的Ⅱ度液化層可以全部消除，滿足設計要求。另據上海市地基基礎設計規范要求，對淤泥質土(含水率大于25%)采用強夯必須先經試驗確定。

飽和粘土或淤泥質土的強夯效果，關鍵在于排水，而該場地區域內地基土含水率均高達30%以上，但在15m以內均有粘質粉土或砂質粉土，且局部夾有薄層粉砂，這對消散孔隙水壓力及排水有利，故采用置換強夯措施能夠達到設計要求。

3 試驗及測試

經上述分析，須經小面積試夯以取得基本技術參數，以便應用到工程設計中。

3.1 試夯面積與數量

選取25m×25m四塊試驗點，第1、2塊為第一組，夯能為2400kN·m，填料為爐渣，一塊設塑料排水板，另一塊不設排水板;第3、4塊為第二組，夯能為1500kN·m，同樣，填料為爐渣，一塊設塑料排水板，另一塊不設排水板。

3.2 填料選擇

填料本身須強度高、容重輕、性能穩定、不污染環境、價格低廉;經比較，該工程選定當地高爐干渣為填料，其松散容重為1.3kg/m3，壓碎指標為18.4% ～21.3%，顆粒直徑不大于150mm，性能穩定、能吸水并由一定的活性，同時可就地取材，廢物利用。

3.3 塑料排水板長度選擇

因要求加固深度為8m，故選用10.5m長的排水板，埋入地下10m，外留0.5m，沿夯坑一周布設。

3.4 夯能選擇

夯能決定地基加固強度與有效深度，根據梅納經驗公式計算:

式中 h——有效加固深度;

α——修正系數，在0.16－0.22范圍內選用，根據經驗粉質粘土、砂質粘土可取0.19，設排水通道時可適當提高，該工程取0.2;

E——夯能，E=HQ=15 ×160=2400kN·m;其中，Q為錘重，選用160kN;H為有效落距，取15m。

夯能的增加，可以增加有效加固深度，但夯能增加，其施工費用也會隨之增加。

3.5 夯擊遍數選擇

夯擊遍數原則上取決于壓縮厚度、土質條件和計算沉降值，土體壓縮層越厚，顆粒越細，含水量越高，夯擊遍數越多;一般以夯擊期間沉降量為計算最終沉降量的80%～90%即可，也可用前后兩擊沉降差不大于5～10cm控制。

3.6 夯點間距

試驗選用的夯點間距為3m，跳點夯，實際每次夯距6m，有利于孔隙水壓力消散。

3.7 間隙時間

對飽和土而言，壓縮導致孔隙水擠壓排出、顆粒移動擠攏，但需經一定時間，超孔隙水壓力消散后方能加壓，因無標準借鑒，要求消散到95%或穩定后方能繼續強夯。

3.8 夯擊范圍確定

夯擊范圍可按如下公式計算:

式中 A——夯擊范圍，m2;

B、L——加固區的寬度與長度，m;

h——有效加固深度，實際可按地基壓力擴散角大小加其值(htanθ)。

強夯效果應按測試數據評定，數據應根據夯前、夯中、夯后三個階段采集的值進行分析。

夯前:在試驗場地內隨機布孔取土，取得自然地基土的物理力學指標見表1。

夯中:在試驗場地布設孔隙水壓力計、土壓力盒、測斜管、分層沉降標尺、表面沉降板、水位測試管、現場振動測試儀等儀器。

通過以上儀器測試，要求提供孔隙水壓力增長、消散時限，孔隙水壓力、垂直與水平位移沿深度的分布、變化，夯坑沉降與地面密實沉降之間的關系，夯擊能量與土體夯實之間的關系。

夯后:要求提供夯實后土體物理力學指標，標準貫入度按深度分布的曲線圖，靜探曲線圖，大型載荷板P-S曲線圖。

4 試驗成果分析

此次試夯采用圓柱體鋼制夯錘，錘底直徑2.2m，底部設有3個排氣孔，錘重16t;夯坑直徑為錘底直徑的1～1.5倍，最終貫入度控制在小于10cm;利用重錘將爐渣強行擠入土中，在連續夯擊過程中，爐渣不斷自行落入夯坑，逐漸形成與土混合的渣土混合狀柱體的復合地基(試驗時由于時間問題，只作了設有排水板的試驗)。

4.1 置換強夯后地基土層結構與性能變化

4.1.1 土層結構變化

被加固土層自上而下大致可分為四層(見圖1)第一層為表土層，因受沖擊推動，土體疏松;第二層為充滿爐渣的渣土混合柱體，與柱體間的土形成復合地基;第三層為強夯壓密層，該層土體充分擠壓密實，土體強度提高，第二、三層為強夯效果最為顯著區，其厚度在7m左右;第四層為強夯影響區，土體強度有提高，但較三區明顯減少。

圖1 加固土層

4.1.2 夯后土層物理力學性能指標顯著改善

夯后效果檢驗是在夯擊試驗45天以后取土分析，具體見表2。比較表2與表1土層在15m范圍內的各項物理力學性能，強夯后均有顯著改善，10m以內改善十分明顯，6m左右改善效果更佳，在5～6m范圍內土體由夯前的軟塑—流塑狀變為硬塑狀，含水量減少8.47% ～27.2%，壓縮模量提高15.7% ～47.8%，在10m以下土層有一定程度的改善。

4.2 設置排水板效果

排水板埋入土中后即有水從孔中滲出，流入集水溝，滲出水量一直較大。第一遍夯擊中，從渣內流出的水經排水板排至溝內，出水量較大，排水效果明顯。第二遍夯擊中，因地面隆起及區內成坑影響，排水板的出水量很小，有時無水流出，外露一夜后，夯坑內積水與原地層持平，說明緩慢的排水繼續存在，排水效果較好。

表2 夯后試驗區物理力學性質指標一覽表

4.3 孔隙水壓力觀測分析

孔隙水壓力布設點深度為2.50m、6.00m、9.50m、13.00m，每一層區設3點，共計12個測點;根據測試結果，經4天時間，孔隙水壓力消散度到達預計要求，最大孔隙水壓力出現在夯點距測點最近處，最大超孔隙水壓力為36kPa，深度在6.0m處。一般軟土層超孔隙水壓力消散要一周左右，而強夯后縮短至4天，因該工程場地以粉性土為主夾薄層粉砂，加之排水板的作用，縱橫向的排水通暢，故消散較快。

4.4 擠壓應力觀測分析

在外荷載作用下的擠壓應力由土顆粒承擔的有效壓力與孔隙水壓力之和組成;當土體液化時，有效壓力為0，擠壓力即為孔隙水壓力。當孔隙水壓力逐漸消散時，有效壓力卻遞增，也就是土體強度提高，夯后立即出現大幅度有效壓應力上升，證明是瞬間有水排出，地基土受壓縮擠密所致。在地表下3.00～4.50m處增量最大為60kPa，下層壓密區由渣土柱體作用形成復合地基，承載力要比原地基提高幾倍，6.0m以下因夯能隨深度遞增而減小。

4.5 強夯對周圍環境影響分析

強夯時震動較大，對鄰近建筑物有一定影響，曾用水平、豎向、水平切向三個方向的震速、位移進行實測，因強夯振動波屬瞬間波，時間只有1～3s，破壞作用較小，而夯擊過程中主要是壓密土體，消散夯能，夯沉量越大，震動越小，因此強夯時，只要采取防震措施即可對周圍影響減至最少。

4.6 標準貫入試驗

測試成果見圖2，在6m深度范圍內標貫擊數夯后比夯前提高約10倍，6～10m之間從夯前平均5擊提高到9擊，其承載力可達420kPa，比夯前的80kPa提高約5倍，與承載試驗結果基本一致。另該場區在夯后地表下10m范圍內已形成了非液化硬殼土層，已滿足規范7度設防要求。

4.7 靜力觸探試驗

夯擊前后靜力觸探成果對比見圖3。從圖3可知，夯后在6m深度范圍內比貫入阻力(Ps)增加值很大，說明土層密度比夯前有大幅度提高，其中深度2m以內提高5.4～8.5倍，平均提高約7倍;2～4m之間提高6.8～14倍，平均提高9.2倍;4～5m之間提高8.7～9.9倍，平均提高9.2倍。由此可見，強夯過程中由于上部土層被置換擠壓，土體獲得充分的加固密實，效果極其明顯。根據比貫入阻力Ps平均值推算其平均容許承載力為480kPa;深度6～11m間Ps值也比夯前有較大提高，由平均1.33MPa增大至3.33MPa，地基承載力可達270kPa，深度11m以下地基加固效果甚微。

4.8 承載板試驗

圖2 S1孔夯前夯后標準貫入試驗成果對比

圖3 C1夯前夯后靜力觸探成果對比

圖4 S1測載荷板的P-S曲線

試驗選用尺寸:S1為1m×1m，S2、S3為3m×3m，用慢速維持荷載法進行試驗。荷載—沉降曲線(P-S曲線，見圖4)發展平緩，無明顯拐點出現，穩定性較好，證明加固效果明顯，地基承載力增大。當加荷至設計荷載220kPa時，S1荷載板沉降量為3.86mm，S2、S3沉降量分別為6mm、13.5mm，遠遠小于規范規定的容許取值;當S1加荷至400kPa時沉降量為12.26mm，S2、S3分別加荷至 444kPa、466kPa，其沉降量分別為31.3mm、46.7mm，均小于規范規定的判別極限承載力取值，其數值與標貫及靜探結果相近，也可完全滿足設計要求的220kPa。

5 結語

選用當地的工業廢渣為填料，利用動力置換強夯工藝加固地基，在該工程中取得了較好的效果，滿足了條形基礎代替長樁承臺基礎的設想要求，對強夯加固地基在適用范圍方面提供了試驗參數。由此可以得出:在合適的施工條件下，強夯是地基加固中較經濟的方法之一，若填料具有活性，經一定時間的固結，地基形成一定剛性的硬土層，對減少地基不均勻沉降也十分有利。