抛石挤淤强夯法在软基处理中的应用与分析

陈子龙

(中铁十一局集团第三工程有限公司，湖北十堰 442012)

1 工程概况

该工程地处山岭微丘区,其中E1K0+215～E1K0+601.7段路基穿越水稻田,该区四周山丘,呈低洼积水区,水位常年较高(处于地表下30 cm处),地表为淤泥土,厚度3.0～5.96 m,淤泥土下为黏土层。该段路基最高填方达16 m,填方宽度达70 m,整个处理面积约2万m2。

地基各土层物理力学性质指标见表1。

表1 地基各土层物理力学性质指标

2 设计方案的比较与选择

依据本工程的特点和地质条件,可行的地基处理方案有如下4种：清淤换填、桩基础、振密碎石桩、填石挤淤强夯法(强夯置换法)。

对于清淤换填方案,由于地下水位较高,清淤深度较深,全部清淤换填施工难度大,场地限制,约10万m3淤泥弃砟场难找,不利于环保,且该方法施工慢,工期会滞后；桩基方案,由于表层有厚3～6 m的极软淤泥的存在,无论是先打桩后填方还是先填方后打桩,都难以实施；振密碎石桩,成熟施工工艺,技术上可行,但造价比强夯置换高1倍；通过综合比较,最后确定采用抛石挤淤强夯置换方案。

3 强夯片石置换法方案设计

3.1 置换材料

因地制宜,选择合适的优质散体材料,并符合下列条件。

(1)因复合地基要达到较高的地基承载力、减少沉降和良好的排水条件,首先考虑选用高抗剪性能的块石、碎石,其次考虑选用砾石和粗砂。

(2)选择合理的颗粒级配,形成最紧密的排列,以提高地基的承载力,减少地基沉降。充填材料最大粒径不宜大于1/5的锤底直径,最大颗粒含量不宜超过全重的30%。

(3)控制含泥量,含泥量要小于10%,因为含泥量的增加或碎石风化成黏粒将大大影响墩柱体的排水效果,减缓地基固结。

3.2 夯点的布置

采用等边三角形布置,墩间距即夯点间距,应视土体性质和上部结构形式而定,最主要是根据试夯资料确定,一般取2～3倍的夯锤底面直径。本工程采用3.5 m×3.5 m等边三角形布点。

3.3 夯击参数

采用强夯片石墩时,锤底面直径控制在2.0 m以内。因为在夯击能和地质条件一定的条件下,夯击深度与单位底面积的夯击能密切相关,锤底面积越小,对地基的楔入效果和贯入力就越大,夯击后获得的置换深度就越深。因此,强夯块石墩与普遍强夯相比,宜采用锤底面积较小的夯锤。本工程采用直径为1.5 m的夯锤,此夯锤夯击产生的块石墩墩径为1.9～2.2 m。单点夯击能采用(200×15) kN·m(即锤重200 kN,落距15 m)。每墩夯击次数先暂定为15击,可根据现场试夯调整确定,且应同时满足下列条件：(1)墩底穿透软弱土层,且达到设计墩长；(2)累计夯沉量为设计墩长的1.0～1.5倍；(3)最后两击的平均夯沉量不大于100 mm。

满夯设计：在点夯完成后,对表层进行满夯,采用夯锤的直径1.5 m,锤重200 kN,单击夯击能(200×4) kN·m,夯印搭接面积不小于锤底面积的1/3。

3.4 复合地基承载力验算

强夯块石墩复合地基承载力标准值由现场复合地基载荷试验确定,也可用单墩和墩间土的载荷试验按下式确定

fsp,k=mfp,k+(1-m)fs,k(1)

式中：fsp,k为复合地基的承载力标准值,kPa；fp,k为墩体单位截面积承载力标准值,kPa；fs,k为墩间土的承载力标准值,kPa；m为面积置换率；d为墩的直径,m；de为等效影响圆的直径，m；等边三角形布置时,de=1.05Sd(Sd为夯点间距)。

4 强夯片石置换施工方法

施工机械采用带有自动脱钩装置的履带式起重机,在臂杆端部设置辅助门架,防止落锤时机架倾覆。强夯片石置换法与强夯法施工工艺也基本相同,所不同的仅是强夯片石置换法在夯击过程中不断填入和夯实符合要求的散体材料,形成复合地基。工艺流程见图1。

图1 强夯置换法工艺流程(单位：m)

4.1 强夯片石墩的施工步骤

(1)场地平整、清基,达到设计的基面高程并铺设一层厚度为1.0～2.0 m的砂石施工垫层。

(2)标出夯点位置,并测量场地高程。

(3)布置夯点,施工机械就位。

(4)测量夯前锤顶高程。

(5)夯击并逐击记录夯坑深度。当夯坑过深而发生起锤困难时停夯,向坑内填料直至与坑顶平,记录填料数量,如此重复直至满足规定的夯击次数及控制标准完成一个墩体的夯击。当夯点周围软土挤出影响施工时,可随时清理并在夯点周围铺垫碎石,继续施工。

(6)按由内而外,隔行跳打原则完成全部夯点的施工。

(7)在规定的时间间隔后,推平场地,用低能量满夯,将场地表层松土夯实,并测量夯后场地高程。

(8)铺设垫层,并分层碾压密实,垫层厚度不小于500 mm,垫层材料可与墩体相同,粒径不宜大于100 mm。

4.2 注意事项

(1)场地表土软弱或地下水位较高,夯坑底积水影响施工时,采用人工降低地下水位或铺填一定厚度的松散性材料,使地下水位低于坑底面以下2 m。

(2)施工前查明场地范围内的地下构筑物和各种地下管线的位置及高程等,并采取必要的措施,以免因施工而造成损坏。

(3)强夯施工所产生的振动对邻近建筑物或设备会产生有害的影响时,应设置监测点,并采取挖通振沟等隔振或防振措施。

5 质量检验

(1)检查施工过程中的各项测试数据和施工记录,不符合设计要求时应补夯或采取其他有效措施。强夯置换施工中可采用超重型或重型圆锥动力触探检查置换墩触底情况。强夯置换后的地基竣工验收时,承载力检验除采用单墩载荷试验检验外,尚应采用动力触探等有效手段查明置换墩着底情况及承载力与密度随深度的变化,强夯置换地基载荷试验检验和置换墩着底情况检验数量均不应少于墩点数的l%,且不应少于3点。

(2)现场承载力试验：本工程试验采用浅层平板载荷试验,以确定处理后地基的地基承载力特征值是否满足170 kPa的设计要求。本次试验采用地锚提供反力,采用1 000 kN油压千斤顶施压,试板两侧对称安装0～10 mm百分表测量试点各级荷载作用下的沉降量。每一级荷载,自加荷开始按时间间隔,10、10、10、15、15 min,以后每隔30 min观测一次承压板沉降,直至在连续2 h沉降量不超过0.1 mm/h,或连续1h内每30 min沉降不超过0.05 mm,即可施加下一级荷载。终止加载条件按有关规范进行。

通过对测试数据的整理,并绘制出P-S曲线(图2)。根据测试点的试验情况及P-S曲线的变化特征,测试点地基承载力特征值能满足170 kPa的设计要求。

6 结语

针对本工程大面积软基处理工程实例,通过对现场静荷载试验,现场堆载试验和沉降观测资料的分析,证明抛石挤淤强夯置换法在淤泥地基处理中的应用是可行的。高饱和土所处的地域地下水位一般都比较高,经强夯置换处理后的地基在使用过程中,桩间土极易受到地下水的侵蚀,而使其承载力降低,桩间土承载力的降低会减弱其对片石墩的侧限,片石墩的承载力也会随之降低。建议今后对类似工程,可以采用“分层强夯,能量渐增”的方法进行强夯施工,以更有效地提高地基土的强度并减小工后沉降。下卧层固结导致的沉降的时间效应,即随着时间的增长,沉降越来越小,针对这种情况,为合理利用沉降的时间效应,可对其进行堆载预压,并适当持续一定时间。

图2 P-S曲线

但由于目前在理论上仍有一些问题不够成熟,如强夯的一些参数与复合地基的压缩模量之间对应关系如何等问题,还有待于进一步深入研究。

[1] 刘惠珊，陈克星.强夯加固软土的新发展—强夯置换[J].工业建筑,1990.

[2] 龚晓南.复合地基设计和施工指南[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3] 王铁宏.全国重大工程项目地基处理工程实录[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[4] 王敏力，肖 俊.抛石挤淤强夯置换加固海涂地基理论与实践[J].科学论坛，2007.