強夯置換法軟土地區現場試驗

文／焦廣昶 中航勘察設計研究院有限公司 北京 100098

引言：

我國沿海、沿江、沿湖地區廣泛分布著軟土，隨著我國國民經濟的快速發展，建筑行業發展迅速，工程建設過程中常常會涉及到軟土問題；軟土具有含水量大、滲透性弱、天然強度低、壓縮性高的特性，是近代水下沉積的飽和軟黏土；軟基處理成為工程建設必然要面臨的問題。軟基處理主要處理的方法包括置換法、排水固結法、振密擠密法、加筋法、灌入固化物法等。對于大面積軟基處理，強夯置換是一種經濟、快速、有效的處理手段。強夯置換是由強夯法改進而來，因強夯法處理不適用于高含水量軟粘土或飽和軟土，通過對強夯法采取諸如增加排水通道或改變施工工藝等方法進行改進，強夯置換工藝產生，強夯置換不再通過強夯中夯錘的夯擊能來改變軟土密實程度和加速排水固結，而是利用夯錘下落將“填料”—即砂、石等粗顆粒料擠入軟土中，形成“填料軟土”的復合地基為上層構筑物提供承載力。強夯置換相對于強夯，在加固軟粘土特別是高含水量或飽和粘土時，在沒有輔助排水設施如砂井等能夠起到較好的加固作用，也不易發生多次夯擊后“吸錘”、“橡皮土”等不利現象。在強夯置換過程中，動力擠密、置換成墩、排水固結等機制相輔相成，形成復雜的整體加固效果[1]。強夯置換的應用形式大致可歸納為三種：1） 單點夯擊置換形成獨立的墩置換體形式;2）有足夠間距的群點置換,形成有序排列的群墩復合地基的置換形式;3）密集布置的群點夯擊,形成整體置換的形式。根據其處理深度,強夯置換法乃屬于淺層地基處理的一種方法。根據己有工程經驗,三種方法都有使用,但第二種形式應用最為廣泛。強夯置換工藝在20世紀80年代，首先由法國公司將強夯置換作為軟弱土處理技術投入工程建設，強夯置換法在國內最早于1985年在山西大學化學實驗樓地基處理中應用,獲得成功后在國內開始廣泛使用。該處理方法在機場跑道、公路、鐵路、港口、民用建筑等領域都有廣泛的應用。本文以工程實例為依托，介紹強夯置換工藝在軟土中置換墩長進行試驗研究，并對其處理后隆起量進行分析，并進行了單墩靜載荷試驗，為今后工程提供一些參考。

1、工程概況

本工程為湖北某機場，工程涉及到的軟土主要包含②-1淤泥層、②-2 淤泥層、②-3 淤泥質黏土層、②-5 淤泥質黏土層，其中②-1 層淤泥主要分布于湖塘底部，為浮泥，工程性能最差，地基處理需清除掉；②-2 層淤泥工程性能差，②-3 層淤泥質粘土以及②-5 層淤泥質粘土，低承載力，高壓縮性，功能性較差。軟土層厚度約為3.0 ～6.0m。本場地軟土具有高壓縮性，其正常固結壓縮系數約為0.5 ～1.5MPa-1，最大可達4.5 MPa-1，軟土的高壓縮性會導致地基沉降量大；具不均勻性，該地層在水平和垂直上分布不均勻，導致軟土地基的差異沉降；低強度，其不排水抗剪強度均在20kPa 以下，具觸變、流變和蠕變等特性，會導致軟土地基側向滑動，或向基礎兩側擠出。對地基處理要求較高，若處理不當，后期可能發生較大的沉降及不均勻沉降，影響機場的正常使用。該區典型剖面地層如下：0～1m 為②-1淤泥層，1～3.7m 為②-2 淤泥層，3.7～6.6m 為②-3 層淤泥質粘土，6.6～8.7m 為⑤-2 粉質粘土，再往下依次為⑥-1強風化細砂巖和⑥-2 中風化細砂巖。該軟土區域擬采用強夯置換工藝進行地基處理，通過試驗段進行現場試驗研究，判斷強夯置換的適用性，驗證設計參數是否可行。

表1 巖土參數表

2、試驗段設計方案

該工程試驗區為Q4 試驗區，位于湖區，強夯置換試驗區能級4000kN·m，該試驗區設計方案為：不清表層淤泥，采用施工墊層，單擊夯擊能4000kN·m，置換墩預估深度按最深6.0m 考慮。單點夯擊次數通過現場試夯確定，達到設計墩長（如無法達到，以最后兩擊平均夯沉量小于100mm 為準）。

Q4 強夯置換試驗區復合地基處理技術參數：

（1）強夯置換采用柱錘沖擊成孔，強夯置換采用直徑1.3m，重量約15t的柱錘，夯擴墩直徑2.0m，采用梅花型布點，間距5.0m×5.0m，強夯置換為2 遍點夯、點夯完成后進行1 遍滿夯，滿夯夯擊能為1000kN·m。

（2）強夯置換填料應采用級配良好的塊石、碎石等硬粗顆粒材料，粒徑10～30cm，粒徑大于30cm 的顆粒含量不宜超過30%，粒徑小于10cm 的顆粒含量不超過20%。

（3）強夯置換前應先根據實際現場情況鋪設碎石層，便于夯機施工。施工需從四面各處同時施工，不可從一側向另一側順序施工。施工完畢后，推平場地，采用單擊夯擊能1000kNm 進行滿夯，錘印搭接不小于1/4。

（4）滿夯完成后，墩頂鋪設一層厚度不小于500mm厚碎石或山皮石,最大粒徑不大于10cm。

圖1 強夯置換墩平面布置圖

3、Q4 試驗區現場施工情況

3.1 墊層鋪設

由于試驗區表面較軟，無法上機械施工，首先鋪設施工墊層，Q4 試驗段墊層總厚度約1.8m，進入②-1 層深度約0.4m，試驗區周圍淤泥隆起約0.2m，墊層頂高于周圍淤泥層頂面約1.4m。墊層厚度對置換體深度有影響,墊層厚度太小，機械施工安全無法保障，很可能出現機械傾覆的現象，而且易發生夯錘擊穿墊層導致掉錘丟錘現象，但是相同夯擊能量情況下, 塊石墊層相對薄者置換深度較大；墊層厚度大，置換深度就會小。

3.2 強夯置換施工

Q4 試驗區開始試夯施工，先進行第一遍點夯施工，再進行第二遍點夯施工，最后進行滿夯施工，施工過程詳細記錄各擊夯沉量和填料量，夯坑隆起等都進行了詳細的記錄。應采取先小夯擊能量、后大夯擊能量施工工藝，可以取得良好的施工效果，能有效防止掉錘丟錘現象發生。

4、強夯置換現場試驗監測及檢測

4.1 墩長檢測

為得到墩體置換深度，準確判定強夯置換實際深度和加固影響深度，選取置換墩體，采用特殊鉆探工藝及專用鉆探器具進行鉆孔驗證。對完成的其中4 個置換墩進行鉆芯檢測，鉆孔檢測結果為：墩長從墊層頂算起，置換墩長度約5.2m、4.9m、4.2m、5.2m。試驗過程中，通過改變錘長、增加錘重等方式改變試驗條件，置換墩長度始終長約5m，在墊層材料性質和厚度確定的情況下 , 某一夯擊能量對應一定的極限置換深度，當單點夯擊數超過16 擊時，夯坑周邊開始有明顯隆起，再增加夯擊次數對置換墩的深度影響很小，填料只會從置換墩兩側擠出，置換料很難向下移動。夯擊能過大，會造成掉錘埋錘現象的發生。特定條件下，增大夯擊能、增加錘重、增加錘長對夯擴墩的長度影響很小。

為驗證強夯置換墩體置換深度，準確判定強夯置換實際深度和加固影響深度，選用地質雷達對強夯置換進行檢測，地質雷達檢測主要目的是檢驗置換墩著底情況和擴徑大小，根據現場的實地條件（置換墩中心準確位置），將鉆孔的置換墩作為地質雷達檢測對象，相互驗證。檢測數據表明，置換墩墩底實際埋深與地質雷達判讀結果基本吻合。本試驗使用直徑1.3m 的夯錘，通過地質雷達檢測圖像判斷，置換墩直徑可達到2m 左右。

圖2 墩長檢測

4.2 夯坑隆起監測

對Q4 試驗區選取9 個點進行夯坑隆起監測，在強夯置換墩附近布置影響范圍監測點，確定置換墩施工過程對周圍土體的影響范圍。夯坑隆起監測結果詳見圖3夯坑隆起量記錄表。通過對Q4 區9 個夯點周邊隆起數據的測量分析，強夯置換對周邊土體的影響范圍為6 米左右，最大隆起65cm。夯坑周圍最大隆起量一般為20～60cm。

圖3 夯坑隆起量記錄表

4.3 單墩靜載荷試驗

選擇置換墩進行單墩平板靜力載荷試驗，承壓板采用2.0m 圓板。試驗加載量每級加載量120KN。

表2 Q-s、s-lgQ 曲線

根據靜載試驗的荷載-沉降曲線所示：樁加載至1440kN，本級歷時210min，累計沉降40.06mm，達到終止加載條件，故取其前一級1320kN 為極限荷載，其承載力特征值為660kN，累計沉降量為22.82mm。強夯置換后，置換墩體與墩間土間存在明顯的不均性，設計時應充分考慮到強夯置換后地基土的不均勻性。

結語：

通過現場試驗，可得出如下結論：墊層厚度對置換體深度有影響 , 墊層厚度太小，機械施工安全無法保障，很可能出現機械傾覆的現象，而且易發生夯錘擊穿墊層導致掉錘丟錘現象，但是相同夯擊能量情況下, 塊石墊層相對薄者置換深度較大；墊層厚度大，置換深度就會小。強夯置換開始施工時先采用小能級，否則同樣會造成強夯錘埋沒入軟土中，很難提上來的情況發生，甚至會發生夯錘下沉較深，無法找到的現象發生。當單點夯擊數超過16 擊時，夯坑周邊開始有明顯隆起，再增加夯擊次數對置換墩的深度影響很小，填料只會從置換墩兩側擠出，置換料很難向下移動。使用直徑1.3m的夯錘，采用單擊夯擊能4000kN·m，置換墩直徑可達到2m 左右。置換墩長入泥平均深度約為3.5m，且和能級關系不大，能級過大，會造成埋錘現象的發生，錘長過長，錘不容易站立，易發生傾覆，不利于施工安全；最后兩擊夯沉量普遍在15～30cm 之間。強夯置換對周邊土體的影響范圍為6 米左右，最大隆起65cm。夯坑周圍最大隆起量一般為20～60cm。通過對強夯置換墩進行單墩靜載荷試驗得出承載力特征值為660kN，累計沉降量為22.82mm。