浅谈强夯置换法在处理粉煤灰路基中的应用

张照新

（兰州市政建设集团有限责任公司，甘肃兰州 730030）

1 工程背景

滨河路西延段工程位于兰州市西固区，全长11 km，是沿黄河南岸拓开的一条城市主干道，对缓解兰州市东西交通拥挤现状、改善兰州市投资环境具有深远的历史意义，被称为兰州市的西大门，同时也是40 km黄河风情线的重要组成部分。

由于受地理条件的限制，同时也受到黄河过水断面的制约，该工程从K1+300～K2+300长约1km的路段占用了兰州市西固热电厂的沉淀池，但池内现存粉煤灰的厚度约深3～4 m，且含水量基本饱和，利用沉淀池粉煤灰直接作为路基的软基处理实属罕见，对粉煤灰及饱和土处理方案，着实需认真研究。

2 方案的选定

2.1 采用换填的方法

如果采用挖除沉淀池内的粉煤灰，利用性能较好的砂型材料回填，需挖除粉煤灰15.75万m3，同时需要换填土方15.75万m3，由于沉淀池段地处黄河边，土源紧缺，土源必须从10 km以外的地方外借，且废弃粉煤灰运距达11 km，完成这次工程需要投资约700多万元。

2.2 采用强夯置换的方法

如果采用强夯置换的方法，即用强夯的方法，强行将砂砾土夯入已沉淀的粉煤灰或饱和土内，排开和置换粉煤灰和软土，在夯点位置形成直径大于锤直径的砂石柱体，与夯间土共同形成复合地基，初步概算需投资约550万元。

2.3 两种方案的比较

（1）节约投资方面，采用强夯置换可节约投资150万元；

（2）工程质量方面，两种方案均可满足工程地基承载力的要求；

（3）施工工期方面，如果利用挖除粉煤灰换填的方法，约需要60 d时间，如果采用强夯置换的方法，6台吊车同时作业，仅需30 d；

（4）环保方面看，如果采用换填，废弃的粉煤灰外运和堆放以后，由于兰州地区四季刮风，对环境将造成很大的污染。

为此，经该工程的业主、设计单位、监理单位、施工单位共同商定，决定采用强夯置换的施工方法。

3 强夯置换施工方法

3.1 路基处理深度的确定

3.1.1路基作业工作区深度

式中：ρ=车轮荷载=1/2（后轴重）=1/2×130=65 kN；

K—系数，K=0.5；

γ—土的重度，γ=14 kN/m3；

n— 系数，n=10。

3.1.2路基换算成路基土层的当量厚度Ze

式中：n1—路面厚度，n1=0.65 m；

m—开方指数，多层系数路面m=2.5；

E1—路面材料回弹模量，E1=60 MPa；

E2—路基土回弹模量，E2=14 MPa。

3.1.3路基处理深度Z

根据上述结果，路基处理深度大于2.0 m以上便可满足要求。

3.2 路基强夯置换处理的试夯方案

3.2.1夯点布置

初步设计夯点布置呈正三角形，夯点间距为3.0 m，见图 1。

3.2.2试夯方法

（1）夯锤采用圆形，锤重10 t，直径为1.2 m，单击夯击能量1 500 KJ；

图1 夯点及试验点布置图（单位：cm）

（2）主夯点分两遍完成，并逐级记录夯坑深度，当夯坑深度发生起锤困难时，可向夯坑填入天然级配砂卵石，观测并记录每击的夯沉量及填料数量，再重复夯击，直至满足规定的击次控制标准完成一个墩体的夯击；

（3）完成主夯后，铺设砂石垫层50 cm，然后采用1 000 KJ夯击能满夯拍平，每点三击；

（4）墩体及垫层采用天然级配砂卵石，粒径大于300 mm的颗粒不宜超过总重的30%，含泥量小于10%；

（5）试夯采用20 m×20 m=400 m2的范围。

3.2.3试夯结果

从试夯来看，夯击数不小于16击，最后两击的夯沉量不大于10 cm，累计夯沉量大于3.5 m，每夯击点填入砂石量不小于12 m3，砂石墩体置换率50%。

4 检测

强夯置换区的检测主要委托甘肃地基基础有限责任公司实施。试夯与检测工作于2003年9月6日开始，2003年9月20日结束，共完成试夯点16个，原位静载试验4个点次（其中试夯区夯实砂石墩体3点位，粉煤灰层内1点），动力触探孔8个（4点位于夯实砂石墩体，3点位于墩体之间，1点位于粉煤灰内），土基回弹模量做了4个点，并进行了土路基压实度检测。

4.1 现场开剖

现场开剖主要检测砂石柱体的直径，置换深度及置换率等，现场开剖试夯点两个，检测得到砂石柱体的直径平均达到2.15 m，深度平均2.7 m，置换深度大于2 m，置换率达到50%。

4.2 静载试验

静载试验采用慢速维持荷载法，即用千斤顶加荷，标准测力计测定荷载，强夯成套机械设备作为主力装置，百分表测读沉降，加荷分级，沉降测读时间及稳定标准等试验要点均执行《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）附录C的有关规定。

静载试验的三个点的承载能力结果为：490 kPa、365 kPa、420 kPa，平均值为 425 kPa，满足地基承载力的要求。

4.3 变形模量E0的确定

用静载试验确定变形模量E0，一般取静载力试验Q-S关系曲线的直线段，用以下公式计算：

式中：u—地基承载力泊松比，碎石取0.25，粉土取0.3；

B—承压板的厚度；

Q、S—直线段内相应荷载及沉降。

根据计算，砂石墩的变形模量为40.2 MPa、30 MPa、34.54 MPa，平均值为35 MPa，粉煤灰变形模量为10 MPa。

4.3.1动力触探

根据实测单孔动探击随深度变化曲线及触探击数N63.5统计值统计结果，经强夯置换处理后夯间的触探击数达13次，挤密效果明显。

4.3.2地基回弹模量

土基回弹模量（Ee）按下式计算：

式中：P—承压板上的单位压力（kPa）；

L—相应该级压力回弹变形（加压读数—卸压读数）；

D—承压板直径（cm）；

u—土的泊松比，卵石u=0.25，粉煤灰u=0.30。经上述公式计算，地基的回弹模量为57.1 MPa。

4.3.3压实度检测

强夯完成后，对路基的压实度取5个点进行检测，其中2个点位于砂石墩体上，3个点位于粉煤灰上，平均压实度大于95%以上，满足设计要求。

5 结论及体会

经实地检测，置换深度、砂石墩体外观、地基承载力、变形模量、回弹模量、地基压实度均满足《公路路基路面现场测试规程》（JTJ59-95）规定，满足城市主干道地基处理的有关要求。

综上所述，利用强夯置换法对松散土地基及饱和土软基的处理提供了新的思路，对湿陷性黄土地区软基处理提供了新的依据。

[1]GB50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].

[2]JTJ59-95,公路路基路面现场测试规程[S].