強夯置換法處理公路深軟雜填土地基加固效果研究

黃樹榮,趙鋒,蔡靖,董炳寅,戴軒

摘 要：云南昌保高速K79+560～K79+886路段處于一舊煤礦開挖回填區內，表層土體均為雜填土，孔隙率較大，地下水位較高，綜合考慮成本和施工工期，多方案比選后決定采用8 000 kN·m能級強夯置換法對地基進行處理，經過經驗和試夯確定施工參數并制定施工工藝后進行施工。通過靜載荷試驗和動力觸探試驗測量強夯置換前后的土體承載力特征值，分析其加固效果，驗證設計合理性。結果表明：土體承載力特征值由50 kPa～60 kPa提升到150 kPa以上;動力觸探擊數由不足2擊提升到5～9擊，達到稍密～中密狀態;采用8 000 kN·m高能級強夯置換處理深軟雜填土地基加固效果顯著，工藝方法設計合理，施工工藝可為其他類似公路工程所借鑒。

關鍵詞：強夯置換;雜填土;地基處理;加固效果

0 引言

強夯置換法就是用起重機將夯錘吊起然后自由落下將重力勢能轉換為巨大沖擊波和高應力，形成夯坑后回填塊石、碎石等粗顆粒材料，用夯錘連續夯擊形成強夯置換墩。強夯法和強夯置換處理地基技術在我國沿海地區已經被大量使用，施工發展十分迅速，但目前仍屬于工程應用成熟于理論研究的階段，設計施工主要靠經驗和規范的指導和約束。

唐國藝等[1]研究了強夯在安哥拉Quelo砂中的應用，提出強夯處理Quelo砂既能提高其強度又能消除其濕陷性;賈敏才等[2]通過不同能級強夯試驗研究了濱海含軟土夾層高能級強夯加固效果;張延記[3]介紹了強夯置換法在濕陷性黃土中的應用;水偉厚[4]通過大量工程實例總結了強夯置換墩長度與夯擊能關系;于海紅[5]介紹了武漢地鐵車輛基地中強夯置換法施工工藝流程及加固效果，曾清生[6]通過衢州東站鐵路站臺的現場實例檢測分析了強夯置換處理粉質粘土地基效果。

而上述研究大多是在工業民用建筑領域，強夯置換法用于公路雜填土路基的處理方面較為少見。

1 工程概況

云南昌保高速K79+560～K79+886路段設計行車速度為80 km/h，整體式路基寬度為25.5 m，分離式路基寬度為12.75 m。該地區降雨充沛，該路段位于清水溝煤礦回填區，采煤后地勢降低形成水塘，已人工回填1.0 m～16.0 m左右雜填土，平均厚度為10 m;其下素填土平均厚度為19 m，主要由原采煤開挖后的棄土和礦渣組成，詳細土層信息見表1。

表1 場地土層分布及特性

層號 土層名稱 揭露厚度/m 特性

1-1 人工填土 1.0～16.0 以粘性土及碎石為主，土質較疏松

1-2 素填土 4.5～25 主要由采煤開挖后的棄土和礦渣組成

2 粉質粘土 14（僅 ZK1 鉆孔揭露） 切面粗糙，無搖振反應，干強度中等

3-1 全風化泥巖 10.00～22.20 原巖已完全風化，巖質較軟，遇水易散解

3-1-1 炭質頁巖 7.00～12.00 片狀構造，裂隙發育

3-2 強風化泥巖 39.80 泥質結構，巖質極軟

路線范圍內采煤過程均為露天開挖，因此可不考慮地下采空區的影響。但整體土質均勻性差、壓縮性高、承載力低、含水率高，地基承載力基本容許值不滿足天然地基承載力要求，不適合采用天然地基，因此需要進行地基處理。

經過技術經濟性和現場試驗論證，在“強夯法+CFG樁+路堤沖擊補壓加筋”和“強夯置換+泡沫輕質土”兩種地基處理方法中選擇后者，節約經費30%以上、縮短工期約50%。但該技術還沒有相關公路工程實例參考，因此有必要通過該工程實測數據研究其加固效果，并補充強夯置換聯合泡沫輕質土處理地基技術的現場工程資料，為以后類似工程提供指導。

2 施工工藝

本工程采用8 000 kN·m夯擊能進行高能級強夯置換。整個設計方案施工目的是為了最終在滿足承載力要求情況下控制工后沉降，施工簡要工藝流程如下：

（1）場地平整：控制場地標高平整至1 625.0 m，平整后壓實，壓實度大于90%。

（2）強夯置換：采用夯能8 000 kN·m平錘夯擊兩遍，夯點整體呈正方形布置，夯點間距為2.5倍夯錘直徑，具體見圖1，圖中D為夯錘直徑。當最后兩擊夯沉量小于20 cm時停止夯擊，每點均夯8～10次。同時夯擊過程中往夯坑內充填片石形成碎石墩。整個路堤夯后回填碎石并用大功率壓路機振動壓實5遍，直至達到場地平整設計標高為止。

（3）垂直填筑泡沫輕質土路堤[7]，降低路基對地基承載力要求，控制路基沉降變形?，F場施工情況見圖2。待達到強度要求后進行路面結構層施工。

（4）路基防排水設施施工。

圖1 夯點布置圖

圖2 泡沫輕質土施工現場

3 承載力檢測試驗

采用平板載荷試驗[8]和重型圓錐動力觸探試驗[9]分別在強夯置換處理地基前后進行地基承載力檢測，試驗設備各項參數如表2所示。由于置換碎石墩密實度極高難以直接進行觸探試驗，因此采用鉆機鉆進穿過碎石置換墩后再進行動力觸探試驗，同時量取穿土深度并測量強夯置換碎石墩高度。

平板載荷試驗采用的承載板面積為2 m2，控制最大加載量為設計承載力的2倍即300 kPa，選擇6個有代表性的測點進行試驗，其中3個測點選擇在強夯前夯區外填土處，另外3點為強夯后測點，其中2點選擇在夯點中間處，1點在夯點處。

動力觸探檢測深度為15 m，共計18個測點。分別是強夯前6點，其中3個在回填土上進行，3個在回填塊石地基上進行;強夯后12點，其中夯點間、夯點處各進行6個點。檢測現場如圖3所示。

表2 試驗設備參數

編號 儀器設備名稱 規格型號

1 重Ⅱ型動力

觸探檢測儀 XY-150（鉆機）、63.5 kg（落錘）

42 mm（探桿直徑）60°（圓錐探頭）

2 地基載荷試

驗檢測儀 100 t（千斤頂）、0.4級100 MPa

（壓力表）、（0～30）mm（百分表）

圖3 動力觸探檢測現場

4 試驗結果分析

4.1 平板載荷試驗結果

根據《建筑地基檢測技術規范》[10]要求，對于強夯置換復合地基承載力特征值可按下列方法綜合分析確定：

（1）當 曲線上有比例界限時，取該比例界限所對應的荷載值，即;

（2）當極限荷載小于對應比例界限的荷載值的2倍時，取極限荷載值的一半，即;

（3）當不能按上述兩點確定時，承載力特征值取曲線上相對變形值處對應的荷載，但其值不應大于最大加載量的一半。對于強夯置換工程，相對變形值（沉降量/承壓板邊長）取0.01或根據當地經驗確定，原地基土為高壓縮性土層時相對變形值的最大值不應大于0.015。

強夯置換前后檢測點平板載荷試驗曲線如圖4所示。根據經驗，相對變形值中取10 mm，滿足上述要求。夯前承載力特征值根據對應的荷載直接確定。夯后承載力特征值由于時荷載值均大于最大加載量的一半，取，而實際承載力要大于150 kPa，這是因為設計試驗時最大加載量僅為承載力最低要求150 kPa的2倍。根據圖4匯總出平板載荷試驗統計表如表3所示。

圖4 平板載荷試驗p-s曲線

表3 平板載荷試驗統計表

測點 區域 fak/kPa fak平均值/kPa

1# 夯前填土 80 65

2# 70

3# 40

4# 夯后夯點 ≥150 ≥150

5# 夯后夯間 ≥150

6# ≥150

通過夯前夯后對比可知，強夯置換法可以明顯使深軟雜填土地基提高承載力、降低壓縮性。承載力特征值由約65 kPa提高到150 kPa以上。

4.2 動力觸探試驗結果

圖5給出了具有代表性的夯前夯區內外及夯后夯點處和夯點間的動力觸探曲線圖。根據所有15 m范圍內動力觸探次數確定N63.5的平均值，匯總后如表4所示。施工前由于場地平整壓實以及鋪設墊層片石，夯區內土體強度已經明顯得到初步小幅度提升，承載力特征值從小于30 kPa提升到50 kPa～60 kPa，但仍處于松散狀態。

（a）zk1動力觸探圖

（b）zk4動力觸探圖

（c）zk7動力觸探圖

（d）zk10動力觸探圖

圖5 動力觸探結果圖

表4 動力觸探試驗統計表

區域 測點 碎石墩高度/m 填土層厚度/m N63.5/擊 承載力特征值/kPa 密實度

夯前

夯區外 zk1 0 15 1.37 ≤30 松散

zk2 0 15 1.05 ≤30 松散

zk3 0 15 1.00 ≤30 松散

夯前

夯區內 zk4 0 15 1.90 60 松散

zk5 0 15 1.66 50 松散

zk6 0 15 1.98 60 松散

夯點處 zk7 4.7 10.3 8.32 330 密實

zk8 5.2 9.8 8.10 320 密實

zk9 5 10 8.16 330 密實

zk13 5.8 9.2 5.43 210 稍密

zk15 5.1 9.9 8.70 340 密實

zk17 5.5 9.5 8.12 330 密實

夯點間 zk10 0 15 6.13 250 中密

zk11 0 15 6.28 250 中密

zk12 0 15 5.73 230 稍密

zk14 0 15 5.74 230 稍密

zk16 0 15 8.12 250 密實

zk18 0 15 5.74 230 稍密

強夯置換施工后，夯點處土體強度的提升幅度大于墩間土體強度提升幅度，但相較于夯前土強度均得到大幅提升，夯后土體承載力特征值從50 kPa～60 kPa提升到200 kPa以上，達到稍密～密實狀態。與平板載荷試驗結果相吻合，滿足設計要求。

6個夯點測量點處碎石墩高度大約在5 m～6 m之間，平均5.2 m，加上表層檢測時開挖1 m左右的碎石層，強夯置換墩平均高度在6 m以上，與水偉厚[4]研究的8 000 kN·m能級置換墩6 m～7 m一致。

根據夯后的動力觸探檢測數據可知，有效加固深度[11]達到10 m以上，處理深度達到要求的12 m以上。而根據《建筑地基處理技術規范》[12]中粗顆粒土在8 000 kN·m的強夯中有效加固深度在9 m～9.5 m，而結果偏大的原因可能是表層雜填土的含水率和孔隙率比較大，強夯置換施工使得地下水的析出以及土顆粒之間的重組，表層土體總體積減小較多。

5 結論

（1）采用8 000 kN·m高能級強夯置換處理深軟雜填土地基加固效果顯著，工藝方法設計合理。

（2）強夯置換處理前，夯區內地基承載力不能滿足天然地基承載力要求。經強夯置換處理后，平板載荷試驗表明地基承載力特征值由約65 kPa提升到150 kPa以上。動力觸探檢測表明地基承載力由50 kPa～60 kPa提升到200 kPa以上，結果大體一致，均滿足設計要求的150 kPa。

（3）強夯置換處理前，填土區動力觸探擊數平均值小于2擊，土體為松散狀態;強夯置換處理后平均動力觸探擊數5～9擊，達到稍密～密實狀態，孔隙率顯著提升，在軟弱層處強度明顯提升。

（4）本項目高能級強夯置換墩平均高度在6 m以上，有效加固深度大于10 m，符合初期預想。

（5）其它類似地質條件及環境的公路工程施工可借鑒本項目施工工藝，可節約成本30%以上，縮短工期約50%。

（下轉第166頁）

（上接第164頁）

參考文獻：

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