强夯半置换法在工程中的应用

杨 关，余 波，张朋朋

(西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

传统的强夯法适用于加固非饱和土，基于动力压密的概念，利用冲击型动力荷载，使土体中的孔隙体积减小，土体变得更为密实，从而提高其强度。

采用强夯法加固饱和土的原理为动力固结的理论。单纯的动力固结法，很长时间以来只有理论意义，而没有实际意义。后来，工程师们利用动力固结原理，通过在夯坑中加硬质粗颗粒填料，建立排水通道，使地基土夯坑周围与夯坑底的孔隙水就近转移，加快土层固结，使得动力固结原理在工程实践中有了应用价值。这种采取改良后的强夯法通常也叫做强夯置换法或强夯半置换法。

1 工程概况

昭通±500 kV换流站位于云南省盐津县牛寨乡北侧约1.0 km牛寨村境内，地处云贵高原北部边缘，年平均气温14℃，年平均降水量超过1200 mm。全年晴天较少，不超过90天，阴冷潮湿。站址场地相对高差50 m，场平后最大填方厚度24 m。由于填土为天然含水量35%～40%的粘性土，且无条件进行晾晒，场地平整无法采用完全传统的分层碾压方案。经过方案分析比较，决定采用强夯法，整个强夯面积超过1.5×105m2，场平方量约7×105m3。

2 方案原理

如何顺利地开展强夯工作，使夯后的地基土的承载力和压缩模量明显提高，达到预期的处理效果。基本思路有两点：(1)夯前降低土壤含水率；(2)夯中和夯后加速土壤中孔隙水的排除，使其快速固结。

部分工程人员认为用强夯法加固地基原理与一般功能击实原理类似，一味地探索在某一夯击能下的“最优含水量”及“最大干密度”，常常得出含水量低或饱和软土不适合强夯加固的结论。基于这种错误的认识，设计方案总是单纯地从夯前降低土壤含水率着手，常常感到困难重重，难以实施。

在夯前无法有效降低土壤含水率的情况下，应着重考虑加快夯后填土的排水固结。太沙基一维固结理论建立的微分方程求得的解见式 (1)、(2)。

式中：U为固结度；Tv为竖向固结时间因数；k为垂向的渗透系数；H为压缩土层最远的排水距离；e1为土的天然孔隙比；t为时间(年)；a为土的压缩系数；e为自然对数的底；γw为水的容重。

由上可知，渗透系数k越大，压缩模量Es越大，时间t越长，渗流路径H越短，越易固结。此外，根据层流渗透定律及达西定律可知，水流梯度I越大，渗流速度越快。

因此，设计方案要从以下着手：(1)增加土壤粗骨料含量，改变土壤性质，提高渗透系数和压缩模量；(2)填土增加纵横排水通道，缩短渗流路径；(3)合理确定强夯单位夯击能和夯击次数，有效增加孔隙水压力，提高水力梯度。

3 方案

3.1 填土方案

通过添加碎石改善填料的性质，主要起以下两个作用：使土壤性质向粗颗粒土转变，通过试验可知，渗透系数增大10～500倍，孔隙水的排水路径最大不超过1 m，缩短90%以上；碎石起到“骨架”作用，防止土壤在在强夯作用下形成“橡皮土”。

使用碎石有以下优点：取材容易，价钱便宜，部分场地可用挖方区的基岩破碎而成；施工便利快捷。

填土方案的选择对强夯的工序和结果有较大的影响。主要分为薄填土方案和厚填土方案，两者对比详表1。

表1 薄填土方案与厚填土优缺点

本工程初期选择薄填土方案，但发现难以实施时且影响工程进度，后期及时调整为厚填土方案。

3.2 有效加固深度

强夯有效加固深度的影响因素有单击夯击能、夯击击数、夯锤型式、地基土的性质、施工方法等，目前尚无一个同时考虑上述诸多变量影响的理论公式，宜实测结合经验确定。

单击夯击能直接影响有效加固深度，但是在单击夯击能未达到最佳夯击能的情况下夯击击数的增大也会导致有效加固深度变大，但这会导致能量损失的加大。

同等条件下锤底面积小的夯锤有效加固深度大于锤底面积大的夯锤，但小夯锤会明显降低夯击效率，增加单位面积的强夯时间，影响工程进度。因此，宜采用组合锤方案。一般采用大锤夯沉，个别地方采用小锤辅助夯击形成贯通每层的碎石桩，成为稳定的竖向排水通道。小锤夯击点每500 m2设置一个。如果不利用小锤形成竖向碎石桩，也可以采用设置专门的竖向排水管。

表2 强夯的有效加固深度

表2是《建筑地基处理技术规范》中对未进行试夯的强夯有效加固深度的建议值。当遇到含水率较高的细粒土时，为使孔隙水压力尽可能增大从而加大排水固结速率，根据工程试验，建议取下限值的90%为宜。

3.3 夯点布置

在分析合理夯击间距的时候，单纯地把夯距的大小和夯锤的直径联系起来，不尽正确，必须把强夯能级的大小对夯距的影响也考虑进去。根据太原理工大学1980年实验得出的强夯实测应力分布和等压线图(图1)，强夯的影响范围像一个压力泡。

图1 在垂直投影面上P1的分布和等压线

如果按等密度曲线划出来的土楔体，便是一个梨形体(图2)。如果等密度的密实标准是强夯的设计要求值，那么梨形体的宽度就是强夯夯点间距。如果降低等值线的标准，梨形宽度增大，夯点间距也就增大。如果把地基作为均匀地基看待，基础布置不考虑夯间和夯点强度差异，那么等值线的要求可提高，夯距相应缩小。

图2 强夯加固剖面图

从纵向上分析，点夯后的区域分为3个区域，由上至下分别为：强夯扰动带；强加固带；弱加强带。

强夯扰动的深度随夯点间距和能级的增大而增大。因此强夯工艺上常说，大夯距加固深层，中等夯距加固中层，小夯矩距固浅层。低能满夯用于表层。

表3 不同能级夯点间距经验值

从布点方式来说，变电站大部分场地对填土的均匀性要求比较高，采用正三角形布置，夯点间距一致，强夯效率最高，最为合适。当然，根据场地的具体的情况，可以选择正方形布置、梅花形布置等。当布点形式为正三角形和正方形时，夯点间距取值可参考表3的数据。

3.4 夯击过程

经试验，厚填土方案有两种选择，一种是先隔行夯击大夯击能点夯，再复夯，最后再低锤满夯，另一种方案是第一种方案的改进，利用大夯距加固深层、中夯距加固中层、小夯距加固浅层的原理，先大夯击能隔行点夯第一遍，再中夯击能点夯隔在中间行的夯点，再复夯，最后低锤满夯。

夯击次数是强夯设计中的一个重要参数，应通过现场试夯确定，常以夯坑的压缩量最大、夯坑周围隆起量最小为确定的原则。可从现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，但要满足最后两击的平均夯沉量不大于50～100 mm(单位夯击能较大时取100 mm)，同时夯坑周围地面不发生过大的隆起。因为隆起量太大，说明夯击效率降低，则夯击次数要适当减少。此外，还要考虑施工方便，不能因夯坑过深而发生起锤困难的情况。

夯击遍数应根据地基土的性质确定。由粗颗粒土组成的渗透性强的地基，夯击遍数可少些。反之，由细颗粒土组成的渗透性弱的地基，夯击遍数要求多些。必须指出，由于表层土是基础的主要持力层，如处理不好，将会增加建筑物的沉降和不均匀沉降。因此，必须重视满夯的夯实效果。

3.5 夯击推荐方案

夯击方案，应根据理论结合试夯综合分析确定。第一次试夯且无当地土质的施工经验时，若填土虚铺厚度不大于6 m时，可参考以下要求。

二遍主夯点点夯能级4000 kN·m，夯点间距5 m，正三角形布点，隔行分二遍完成。如果深层加固效果不好，可改为第一遍主夯点能级6000 kN·m，隔行第二遍主夯点能级4000 kN·m。停夯收锤标准：最后两击平均夯沉量≤100 mm，单点击数≥11击。

当主夯点夯坑深度大于2 m时，应进行第三遍主夯点复夯，能级4000 kN·m。停夯收锤标准：最后两击平均夯沉量≤100 mm，单点击数≥6击。

第四遍满夯，能级1500 kN·m。夯印搭接1/4锤径，每点5击。值得说明的是，非地面层的强夯层最后一遍的满夯可以取消，面层不密实的部分可以利用上一层的强夯和堆载预压使其固结，经过检测，没有薄弱层。

一、二遍点夯后，需用碎石土或碎石将夯坑填平，然后进行下遍强夯。强夯过程中应有一定时间间隔，具体要求为：当大部分夯坑需要进行复夯时，一、二遍主夯点后，复夯之前至少应有7天孔隙水压力静置消散期；仅有少量或者没有夯坑需要复夯时，一、二遍主夯点之间，至少应有7天孔隙水压力静置消散期。

面层第四遍满夯完以后，采用18～22 T压路机开激振碾压5遍以上，以改善使持力层的均匀性。

2、3、4层强夯静置7天以后再进行强夯检测；顶层强夯后可根据施工情况适当延长静置时间，至少不应低于7天。

该方案夯前后土层示意图见图3。

3.6 实施结果

昭通换流站强夯工作在6个月的有效时间内完成，掺碎石比例为36%。夯前，挖方区原状土平均地基承载力160 kPa，压缩模量6 MPa，平均含水率36%；夯后经检测，平均地基承载力220 kPa，变形模量达到15 MPa，土壤含水率从夯前的36%降到了24%，后期一年内场地沉降观测最大不超过10 cm，且观测曲线已经趋于平缓。由于排水路径短且通畅，可以推测，目前填土的固结沉降已经完成了70%～90%，永久沉降值在不超过15 cm且在可控的范围内。

由于强夯半置换效果明显，昭通换流站高达24 m的深填方区的建构筑物基础均没有设置桩基，而直接置于强夯处理的地基上。目前，最大沉降和不均匀沉降均远小于满足规范的要求，达到了预期的效果。经初步计算，整个场地节约桩基15000 m3，费用约2250万，减少施工时间为3个月。

高含水率下的粘土强夯工作，宜采用强夯半置换法，应根据强夯效果、处理深度、工期要求、费用花费等因素综合考虑，通过本文分析对比，得出以下结论：

图3 厚填土方案强夯前后土层示意图

(1)在夯前无法有效降低土壤含水率处理的情况下，应着重考虑加快夯后填土的排水固结。主要从以下着手：增加土壤粗骨料含量，改变土壤性质，提高渗透系数和压缩模量；填土增加纵横排水通道，缩短渗流路径；合理确定强夯单位夯击能和夯击次数，有效增加孔隙水压力，提高水力梯度。

(2)制定合适强夯方案时，不仅要基于理论，还要考虑实际，要充分考虑工期、费用以及机具等因数。在强夯处理填土方量超过2×105m3时，需综合考虑工期、质量、费用的关系。由于填土工作占用大量时间，当天气和时间不允许时，宜采用厚填土方案；采用强夯半置换法时应尽量采用大夯锤，提高强夯效率；强夯有效处理深度的确定应既满足要求，又避免夯击能损失；夯点布置和夯击遍数应有利于整个夯击过程的快速实施，方便机具施工。

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