強夯置換在高水位淤泥地層地基處理中的應用

常玉軍 孔鎖財 張吉慶

(青島瑞源工程集團有限公司， 山東 青島 266555)

強夯置換在高水位淤泥地層地基處理中的應用

常玉軍 孔鎖財 張吉慶

(青島瑞源工程集團有限公司， 山東 青島 266555)

本文通過青島防潮壩工程地基處理中強夯置換工藝的應用，簡要介紹了淤泥地層的處理方法以及強夯置換法的選擇、加固機理、設計要點和施工質量控制要點。實踐證明：強夯置換法處理高水位淤泥地層經濟、合理。

強夯置換法； 高水位地基； 處理

淤泥等軟土具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、滲透性差、固結時間長等特點，一直是工程建設中的難點。本文針對青島防潮壩地基處理工程，探討強夯置換法在高水位淤泥地層中的應用。

1 工程概況

青島防潮壩工程位于膠州灣北岸，全長3.48km，壩頂高程4.40m；施工現場高程為-1.00～1.50m。

地質條件：?層素填土(Q4ml)，黃褐色，松散，稍濕—濕，主要有黏性土及粉土組成，局部回填碎石，結構雜亂；?層淤泥質土(Q4m)，灰色—灰黑色，濕—飽和，松散，以淤泥質粉質黏土和淤泥質粉土為主,有少量的砂粒及貝殼碎屑，局部為淤泥質中細砂及粉砂，稍具腥臭味；?層粉質黏土(Q4al+pl)，黃褐色，濕，刀切稍光滑，干強度中等,見少量的鐵質渲染，局部混有少量的中細砂顆粒；?中粗砂(Q4al+pl)，黃褐色—淺黃色，稍濕，稍密—中密，主要成分為長石、石英，局部混有少量的黏性土。淤泥層厚度3.40～9.20m，地基承載力較低，長期處于飽和狀態，呈流—軟塑狀態。

淤泥層的處理是工程的重點、難點，如果不能很好解決淤泥層的固結問題，工程建成后由于上部荷載長期作用，淤泥層殘余沉降會較大，導致基礎不均勻沉降引起建(構)筑物破壞，將嚴重影響建筑工程質量。

2 施工方案選擇

淤泥質地層屬微透水地層，且該處淤泥長期處于水位線以下，富含飽和水，自然狀態無法排出，必須對淤泥層施加外力并形成排水通道，將淤泥中飽和水排出后才能提高淤泥土承載力。處理方式一般采用換填法(或拋石擠淤)、堆載真空預壓法、高真空擠密法和復合地基等多種地基處理方法。

原設計采用高真空擠密法，但由于施工現場遍布蝦池，壩體含有大量石塊，且此工藝不宜回填碎石，道路形成困難，造價高，經現場勘察此工藝無法實施；由于淤泥層較厚，換填法和復合地基等處理方法造價高而不宜采用，經專家論證，決定采用強夯置換法地基處理工藝。

3 強夯置換加固地基機理及類別

強夯置換法是利用強大的夯擊能給地基以沖擊力，并在地基中產生沖擊波，在沖擊力作用下，夯錘對上部土體進行沖切，土體結構破壞，形成夯坑，并對周圍土進行動力擠壓的一種地基處理方法。強夯置換既可對淤泥施加足夠的豎向和橫向壓力，又可形成排水通道，解決淤泥土的排水固結問題；施工初期即可對場區進行碎石回填，形成施工道路及施工面，原場區存在的石壩、涵洞等經平整后即可作為回填材料，場地條件不受限制，可大面積作業，回填碎石部分又可重復利用。強夯法具有施工設備簡單、施工速度快、加固效果顯著、造價低廉等特點。

3.1 動力固結

強夯法處理細顆粒飽和土的加固機理主要是動力固結。夯錘自由落體，勢能轉化為動能，巨大的沖擊能量在土中產生很大的應力波，應力波導致土體原有結構破壞，土體局部液化并產生裂隙，裂隙的產生增大了排水通道。一部分能量對土顆粒做功，導致土體顆粒逼近；另一部分能量傳遞到土顆粒中的水，導致孔隙水壓力升高。超孔隙水壓力消散后，土體固結。由于軟土的觸變性，強度得到恢復。

3.2 動力密實

強夯法加固粗顆粒、非飽和土的機理主要是動力密實，即夯錘自由落體產生沖擊型動荷載對土體作功，使土體中的孔隙減小，土體變得密實，從而提高地基土強度。非飽和土的夯實過程，就是土中的氣相(空氣)被擠出的過程，其夯實變形主要是由于土顆粒的相對位移引起。

3.3 動力置換

動力置換可分整式置換和樁式置換。整式置換是采用強夯將碎石整體擠入淤泥中，其作用機理類似于換土墊層。樁式置換是通過強夯將碎石填入土中，部分碎石樁(或墩)間隔地夯入軟土中，形成樁式(墩式)的碎石樁(墩)，其作用機理類似于振沖法形成的碎石樁，整體形成復合地基。

由于強夯加固高飽和度、低透水性淤泥等軟土時，對土體結構破壞很大，產生的超孔隙水壓力難以消散、土體強度恢復時間較長，嚴重影響了強夯法的進一步推廣應用。基于上述機理，逐漸發展了一種利用傳統強夯的施工設備，以夯坑中填充粗粒材料產生置換作用為主要加固機理的新工藝，稱為強夯置換。

強夯置換施工采用擠土置換法，即用傳統強夯法夯出一個夯坑，在夯坑內不斷添加石塊、碎石或其他粗顆粒材料，強行夯入并排開軟土，在軟土地基中形成大于夯錘直徑的碎石樁墩，這種碎石樁墩一方面有置換作用，使(構)建筑物荷載向樁體集中；另一方面是強夯加密作用，在對碎石強夯過程中，通過碎石向下的不斷貫入，使碎石樁下的土層受到沖擊能影響，從而得到加密，另外,碎石樁有一個向四周的側向擠壓，也使樁側的土層得到加固；此外，碎石樁也起到了一個特大直徑排水井的作用，由于強夯法加固細顆粒土時，是通過沖擊能的作用使地基土壓縮并產生裂隙，增加排水通道，使孔隙水順利逸出，隨著孔隙水壓力的消散而提高土體強度。所以工程界普遍認為，在強夯處理這類地基時必須給予排水的路徑，而強夯置換法夯入淤泥土中的碎石樁在夯實并擠密軟土的同時也為飽和土中的孔隙水排出提供了順暢的通道，加速了軟土在強夯過程中和夯后的排水固結，提高了樁間土的強度，與碎石樁形成復合地基。

4 強夯置換設計要點

墩體采用梅花形布置，在防潮壩壩基范圍內滿堂布置，壩基周圍每邊外擴一排墩體保護帶，墩間距取夯錘直徑的兩倍；強夯置換墩的深度根據淤泥質土的厚度確定，小于7m的區段，采用落底設計，置換墩穿透軟土層，著底在較好土層上；淤泥質土厚度超過7m區段，設計墩體長度為7m。

墩體材料采用級配良好的開山塊石、碎石等堅硬粗顆粒材料和原場區存在的石壩、涵洞為主，要求控制粒徑大于300mm 的顆粒含量不宜超過全重的30%。

單擊夯擊能、夯點的夯擊次數及預估地面抬高值根據現場試夯確定。要求累計夯沉量(指夯點在每一擊下夯沉量的總和)為設計墩長的兩倍；最后兩擊平均夯沉量不大于50mm。

5 施工質量控制要點

5.1 夯點位置控制要準確

夯點為兩遍間隔布置，應確保夯點定位準確，一般誤差在10cm以內，碎石樁不應相互影響、相互破壞，保證排水通道完整順暢。

5.2 碎石含泥量的控制

為保證排水效果，碎石含泥量應小于5%，石質堅硬，風化少，單塊碎石不宜大于200kg。

5.3 夯擊能量及夯錘直徑

夯擊能量是確保地基處理效果和深度的重要指標，按設計要求保證夯擊能量準確，達到處理效果。

強夯置換就是在夯點處用碎石置換淤泥，夯錘應直徑小、高度大，有利于夯擊能向下傳遞，形成細長樁體，同時，向周圍淤泥形成擠壓作業。

6 檢測結果

經竣工檢測，地基承載力特征值fak=160kPa，滿足建(構)筑物地基承載力的要求，具體檢測參數見下表。

7 小 結

淤泥質土透水性差，特別是水位較高時，淤泥質土的自然固結時間長，必須對其施加一定外力并創造足夠的排水通道，淤泥質土才能在相對較小的時間內固結，強夯置換法較好解決了上述問題，不僅工期短、工程造價低，而且較高真空擠密法節省23%。青島防潮壩工程經兩年使用，未出現不均勻沉降，壩體結構完好，經專家驗收合格，獲得了中國水利工程優質(大禹)獎。

[1] 張廣英，潘玉軍.水利施工中軟土地基處理技術探討分析[J].中國水運，2012(2)：154-154.

[2] 梁其東，韓淑婷，張鑫.沿海灘涂地區供水管道軟基處理方法[J].水利建設與管理，2014(9)：11-14.

[3] 李春華.軟基處理在水利施工中的應用[J].水利科技，2014(8)：16-19.

[4] 郭進國.壩基強夯工程施工及其監理控制探討[J].中國水能及電氣化,2014(12):12-14.

[5] 陳銘輝.動力置換強夯加固軟土地基試驗[J].水利建設與管理,2011(10):60-65.

[6] 王桂福.強夯法在西沙河水庫大壩基礎處理中的應用[J].水利建設與管理,2007(8):11-13.

[7] 葉觀寶.地基加固新技術[M].北京：機械工業出版社,2002.

Application of dynamic compaction replacement in silt stratum foundation treatment with high water level

CHANG Yujun, KONG Suocai, ZHANG Jiqing

(QingdaoRuiyuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Qingdao266555,China)

In the paper, the treatment method of silt stratums, selection of dynamic compaction replacement methods, reinforcement mechanism, design key points and control key points of construction quality are introduced briefly through applying dynamic compaction replacement technology in Qingdao Dam Project foundation treatment. Practice shows that it is economic and reasonable to treat silt stratums with high water level by dynamic compaction replacement methods.

dynamic compaction replacement method; foundation with high water level; treatment

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.04.016

TV223

B

1005-4774(2017)04- 0062- 03