岩溶地质条件下双层强夯地基处理效果分析

黄 赫，李凤岭，马永峰，房师涛

1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037

2.中国石油工程建设公司华东环境岩土工程分公司，山东青岛266071

3.中电建成都建设投资有限公司，四川成都610212

岩溶地质条件下双层强夯地基处理效果分析

黄 赫1，李凤岭1，马永峰2，房师涛3

1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037

2.中国石油工程建设公司华东环境岩土工程分公司，山东青岛266071

3.中电建成都建设投资有限公司，四川成都610212

目前强夯地基处理中多采用单层强夯法，少有涉及双层强夯法。岩溶地质条件下地基存在溶洞时，单层强夯加固处理后地基承载能力和变形特性可能无法达到设计要求，在这种情况下，可考虑采用双层强夯加固处理地基。以中国石油云南1 000万t/a炼油工程地基处理实践为背景，采用标准贯入试验和重型动力触探方法，分析了底层强夯加固效果；采用多道瞬态面波、标准贯入试验、重型动力触探及静载试验方法，对顶层强夯加固处理效果进行了详细分析。结论如下：场地底层强夯后，除少数测点和部分深度外，有效加固深度、地基承载力和压缩模量满足设计要求；顶层强夯后，有效加固深度、地基承载力和压缩模量满足设计要求；依托工程地质条件下底层和顶层3 000、4 000、5 000、6 000、8 000、10 000、12 000和15 000 kN·m强夯能级有效加固深度分别不小于3.5、6、6、7、8、10、12和14 m。期望上述结论可为类似地质条件下工程设计与施工提供借鉴。

岩溶地基处理；双层强夯；能级匹配；加固深度；地基承载力特征值；压缩模量

强夯法处理是一种十分经济有效的地基处理方法，在地基处理中得到了广泛应用[1-8]，在石化工程地基处理中也不例外[9-11]。目前强夯地基处理多采用单层法，对于双层强夯很少有涉及。对于岩溶这种特殊地质条件来说，当地基有溶洞存在时，单层强夯处理后地基承载力和压缩模量可能无法满足要求，则需要考虑其他方法的可行性，双层强夯法可先开挖至软弱层面，以较高能级进行强夯处理后回填，再以较低能级进行强夯处理。这种不同能级相互搭配的方式具有较强的灵活性，同时可优化施工成本及满足加固要求，解决了单一高能强夯成本高和单一低能级强夯效果差的问题。

本文依托处于岩溶地质条件的中国石油云南1 000万t/a炼油项目的地基处理实践，详细阐述了场地双层强夯方案及施工参数；基于底层和顶层检测结果，详细分析了双层强夯效果，并对不同建筑区域双层强夯地基处理效果进行了统计分析。

1 场地工程地质条件

该项目场区地层分布自上而下依次为：素填土、耕土、粉质黏土、角砾、含砾黏性土、含黏土粗砾砂、含角砾粉质黏土、含有机质粉质黏土、残积土、黏性土夹砂（磷矿）、全风化泥岩及砂岩、强风化泥岩及砂岩、强风化白云岩及灰岩、强风化炭质砂岩、强风化石英砂岩、中风化泥岩、砂岩、中风化白云岩及灰岩、中风化炭质砂岩及中风化石英砂岩。根据《中国石油云南1 000万t/a炼油项目岩溶详细勘察报告》，该场地岩溶区的岩溶发育等级为强，有大规模隐伏溶洞群，不同形态、规模的溶洞在岩溶作用下形成大规模地下架空结构，破坏岩体完整性，降低岩体强度，增加岩石渗透性，致使下伏溶洞顶板坍塌、岩溶地下水突水、突泥和涌砂，不均匀地基沉降等不良地质作用，对工程建设产生严重危害，因此地基处理是工程建设成功与否的关键。

2 双层强夯方案及数据分析方法

2.1 场地双层强夯方案

地基处理过程中，先对不同建筑区域采用单层强夯、双层强夯和双层强夯置换（半置换）三种方法中的一种对地基进行加固处理，再针对分项工程地基承载力和压缩模量要求进行桩基处理，本文只讨论双层强夯处理方法和效果。双层强夯底层和顶层间的界限一般按照较深的软弱土层的分布深度来确定，一般要稍高于软弱土层出现深度，需根据实际地层分布情况来设计。

采用双层强夯处理的建筑区域有12个（见表1），其中4个区域（代号分别为004、022、023、032）的底层和顶层均采用了多个强夯能级，因能级匹配情况复杂，文中不做分析。

2.2 典型场地双层强夯施工参数

强夯参数主要取决于能级，不同能级强夯之间参数差异主要在于强夯遍数和每遍的夯能，此外还包括布置形式及最后2击夯沉量限制等因素。本文主要阐述建筑区域代号009（底层5 000 kN·m+顶层3 000 kN·m）和021（底层15 000 kN·m+顶层4 000 kN·m）的2个典型场地强夯参数形式。

2.2.1 底层5 000 kN·m+顶层3 000 kN·m参数

（1）底层5 000 kN·m能级强夯参数：第1遍、第2遍点夯单击夯击能采用5 000 kN·m，第1遍夯点呈5.0 m×5.0 m正方形布置，第2遍夯点布置在第一遍夯点相邻四个点的中心处，第1遍夯点和第2遍夯点整体呈梅花形布置，每点夯击次数以最后2击平均夯沉量不大于5 cm同时累计夯击数不少于15击控制。当夯坑深度超过1.8 m起锤困难时停止夯击，回填石料后再次夯击。夯坑回填用料应选用含泥量小于10%的未风化碎块石料，填料级配良好，最大粒径应不宜大于30 cm。第3遍为满夯施工，其中第3遍满夯单击夯击能采用2 000 kN·m。

（2）顶层3 000 kN·m能级强夯参数：第1遍、第2遍点夯单击夯击能采用3 000 kN·m，第1遍夯点呈4.0 m×4.0 m正方形布置，第2遍夯点布置在第一遍夯点相邻四个点的中心处，第1遍夯点和第2遍夯点整体呈梅花形布置，每点夯击次数以最后2击平均夯沉量不大于5 cm同时累计夯击数不少于12击控制。当夯坑深度超过1.5 m且起锤困难时停止夯击，回填石料后再次夯击。夯坑回填用料应选用含泥量小于10%的未风化碎块石料，填料级配良好，最大粒径应不宜大于30 cm。第3遍、4遍为满夯施工，其中第3遍满夯单击夯击能采用1 500 kN·m，第4遍满夯单击夯击能采用1 000 kN·m。满夯采用夯印搭接1/3布点，夯点击数3击。

2.2.2 底层15 000 kN·m+顶层4 000 kN·m参数

（1）底层15 000 kN·m能级强夯参数：第1、2遍采用15 000 kN·m能级，夯点间距为10.0 m，最后2击平均夯沉量不大于350 mm且击数不少于15击和13击；第3遍为1、2遍主夯点的原点加固夯，夯击能采用3 000 kN·m，夯测点置与1、2遍夯点重合，最后2击平均夯沉量不大于100 mm且击数不少于9击；第4遍采用8 000 kN·m能级，夯测点于第1遍或2遍相邻两个夯点中间，最后2击平均夯沉量不大于200 mm且击数不少于12击；第5遍为2 000 kN·m能级满夯，每点夯2击，要求夯印1/3搭接。

表1 不同建筑区域地基处理方案及加固设计要求

（2）顶层4 000 kN·m能级强夯参数：第1、2遍采用4 000 kN·m能级，夯点呈6.0 m×6.0 m正方形布置，每点不小于13和12击，最后2击平均夯沉量不大于100 mm，间隔时间应根据孔隙水压力消散时间确定；第3遍采用1 500 kN·m能级满夯，夯印搭接1/3，每点不小于3击。

2.3 数据测试与分析方法

底层夯后进行标准贯入试验和重型动力触探试验，顶层夯后进行多道瞬态面波测试、标准贯入试验、重型动力触探试验和静载试验。由于测试数据较多，本文采用典型测试结果分析（建筑区域代号为009和021）+所有测试结果统计分析的方法，对岩溶地基条件下不同能级强夯加固处理效果进行详细的分析。

3 典型区域强夯加固效果分析

3.1 底层5 000 kN·m+顶层3 000 kN·m分析

3.1.1 底层5 000 kN·m强夯效果

底层强夯后，进行1个点的标准贯入试验，结果显示0～5 m范围内均为碎石，无法进行标准贯入试验。另外进行了1个点的重型动力触探试验（夯间土位置），该测点修正后的重型动力触探击数N随深度分布曲线如图1所示。从图1可看出，重型动力触探击数最大值为10～12，标准值及最小值为6～10，击数结果显示夯后地基土岩土工程特性较好。根据相关规范及手册经验，由重型动力触探试验结果可计算出地基承载力特征值，即0～5 m范围内地基承载特征值均为260 kPa。

3.1.2 顶层3 000 kN·m强夯效果

图1 底层5 000 kN·m修正后的重型动力触探击数N分布曲线

（1）多道瞬态面波测试。顶层夯后进行2个点的多道瞬态面波（瑞雷波）测试，剪切波速沿深度分布曲线如图2所示。从图2可以看出，顶层夯后地基土均匀性较好。根据规范及相关经验可知，该区域夯后地基达到承载力特征值260 kPa、压缩模量为18 MPa的设计要求。

图2 剪切波速深度分布曲线

（2）标准贯入试验。进行3个点的标准贯入试验，结果显示0～3 m范围内大部分深度为碎石。根据相关规范及手册经验，地基承载力特征值和压缩模量分别达到260 kPa和18 MPa。

（3）重型动力触探试验。进行3个点的重型动力触探试验（夯间土位置），夯后修正后的重型动力触探击数N随深度分布曲线如图3所示，从图3可以看出，3个测点的重型动力触探击数标准值差异不大，强夯后土体横向均匀性较好。由重型动力触探试验结果可计算出地基承载力特征值，即0～3 m范围内地基承载特征值均达到260 kPa。

图3 顶层3 000 kN·m修正后重型动力触探击数N标准值分布曲线

（4）静载试验。2个点的静载荷试验试验曲线如图4所示。承载力特征值判定标准：其一，根据沉降量s达到载荷板边长b的0.01倍（s/b=0.01），即10 mm所对应的加载量为承载力特征值；其二，取最大加载量的一半为承载力特征值，但不超过标准一判定的承载力特征值。根据图4可以看出，静载试验沉降量较小，表明土体压缩模量较大。由静载试验结果可计算出地基承载力特征值达到260 kPa，压缩模量分别为47、73 MPa。

图4 静载试验曲线

3.1.3 综合分析结果

底层5 000 kN·m能级强夯有效加固深度不小于5 m，且不小于①层耕植土及其以上的回填土层合计深度，满足设计要求；顶层3 000 kN·m能级强夯有效加固深度不小于3 m，满足设计要求。底层和顶层强夯有效加固深度范围内承载力特征值及压缩模量也满足设计要求。

3.2 底层15 000 kN·m+顶层4 000 kN·m分析

3.2.1 底层15 000 kN·m强夯效果

（1）标准贯入试验。底层强夯后完成标准贯入试验点8个点，均位于强夯夯间土位置。典型修正后的标准贯入试验曲线如图5所示，不过只显示了2个测点的标准贯入试验结果。结合其他6个测点标准贯入试验结果可知，大部分测点标准贯入试验结果差异较小，这表明夯后土体均匀性较好。计算出的地基承载力特征值及压缩模量见图6，从图6可以看出，夯后不同深度的地基承载力特征值均大于160 kPa，土体压缩模量均大于10 MPa。

图5 底层15 000 kN·m典型标准贯入试验曲线

图6 底层15 000 kN·m后承载力特征值和压缩模量

（2）重型动力触探试验。除标准贯入试验外，进行了9个点的重型动力触探试验（夯间土位置），修正后的重型动力触探击数N随深度分布曲线如图7所示，结合其他7个未被图7标识的测点的重型动力触探试验结果，可知不同测点之间试验结果有一定的差异，表明夯后土体横向上均匀性较差。由重型动力触探试验结果可计算出地基承载力特征值，即0～5 m范围，其承载特征值均不小于260 kPa。

图7 底层15 000 kN·m修正后的重型动力触探击数N分布曲线

3.2.2 顶层4 000 kN·m强夯效果

（1）多道瞬态面波测试。顶层夯后进行了10个点的多道瞬态面波测试，典型剪切波速深度分布曲线见图8。由图8并结合其他7个测点结果可以看出，顶层夯后地基均匀性较好。基于多道瞬态面波测试结果，该区域夯后地基达到承载力特征值160 kPa、压缩模量10 MPa的设计要求。

图8 剪切波速深度分布曲线

（2）标准贯入试验。顶层夯后进行了8个点的标准贯入试验，均为夯间土位置，典型标准贯入试验曲线如图9所示。地基承载力特征值和压缩模量的深度分布情况如图10所示。从图9并结合其他6个测点结果可以看出，不同测点夯后标准贯入试验结果差异不大，且夯后地基承载力特征值大于160 kPa、压缩模量大于10 MPa。

图9 顶层4 000 kN·m典型标准贯入试验曲线

（3）重型动力触探试验。顶层夯后进行了10个点的重型动力触探试验（夯间土位置），夯后修正后的重型动力触探击数N随深度分布曲线如图11所示，从图11并结合其他8个测点的结果，可以看出顶层夯后各测点重型动力触探试验结果差异不大，表明土体横向均匀性较好，由重型动力触探试验结果可计算出地基承载力特征值，即0～6 m范围内地基承载特征值范围为210～230 kPa。

（4）静载试验。5个点的静载荷试验试验曲线如图12所示。根据承载力特征值判定标准可以得出，地基承载力特征值为160 kPa，变形模量分别为21、19、21、23、41 MPa。

图10 顶层4 000 kN·m夯后承载力特征值和压缩模量

图11 顶层4 000 kN·m修正后重型动力触探数N标准值分布曲线

图12 静载试验曲线

3.2.3 综合分析结果

底层15 000 kN·m能级强夯有效加固深度不小于14 m，且不小于①层耕植土及其以上的回填土层合计深度，满足设计要求；顶层3 000 kN·m能级强夯有效加固深度不小于6 m，满足设计要求。底层和顶层强夯有效加固深度范围内承载力特征值及压缩模量也满足设计要求。

4 双层强夯统计分析

如表1中所示，采用双层强夯法进行地基处理的建筑区域有8个，对夯后检测结果进行了综合与统计分析，得出以下结果：

（1）除少数测点和部分深度地基承载力和压缩模量达不到设计要求外，底层强夯后有效加固深度、地基承载力及压缩模量满足设计要求。

（2）顶层强夯后有效加固深度、地基承载力及压缩模量均能满足设计要求。

（3）不同的建筑区域地层分布情况有差异，部分建筑区域夯前土体工程特性较差，虽然以较高能级处理，改善后的承载性和压缩模量却可能不如以较低能级处理的建筑区域。

（4）不同的建筑区域地层分布情况差异性导致无法准确地比较与判断出底层和顶层不同强夯能级有效加固深度，但可初步推断3 000、4 000、5 000、6 000、8 000、10 000、12 000和15 000 kN·m强夯能级有效加固深度分别不小于3.5、6、6、7、8、10、12和14 m。

5 结论

本文以岩溶地质条件下中国石油1 000万t/a炼油工程为背景，对双层强夯加固处理岩溶地基的可行性与效果进行了详细分析与研究，初步结论与建议如下：

（1）由于该大型石化工程项目的特点和场地建筑的多样性，加上复杂的岩溶地基条件，靠传统的单层强夯法无法满足工程建设要求，需综合采用少有涉及的双层强夯法或双层强夯置换等新方法。

（2）场地经过双层强夯处理后，底层除少数测点和部分深度外，土体工程特性都得到了改善，有效加固深度范围内的地基承载力和压缩模量达到设计要求；而相对于底层强夯，顶层强夯后加固深度范围内地基承载力和压缩模量达到设计要求。因此，双层强夯对岩溶条件下地基处理是可行有效的。

（3）基于强夯加固处理后大量实测数据，提出依托工程地质条件下底层和顶层 3 000、4 000、5 000、6 000、8 000、10 000、12 000和15 000 kN·m强夯能级有效加固深度分别不小于3.5、6、6、7、8、10、12和14 m。

（4）实际上要精确地判定强夯加固效果，需要进行强夯前后的地基土承载力和土体特性的对比检测与分析。针对此欠缺，希望在将来的工作中能够开展更深入的研究。

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Foundation treatment effect analysis oftwo-layer dynamic compaction in karst geologicalcondition

HUANG He1，LIFengling1，MAYongfeng2，FANG Shitao3

1.Beijing Urban Construction Design&Development Group Co.，Ltd，Beijing 100037，China
2.Eastern China EnvironmentalGeotechnology Branch，China Petroleum Engineering&Construction Corporation，Qingdao 266071，China
3.Chengdu Construction Investment Co.，Ltd.，Power Construction Corporation of China，Chengdu 610212，China

Currently，foundation compaction treatment mainly uses the single-layer dynamic compaction method，the two-layer dynamic compaction method is rarely involved.When karst cave exists in the foundation under karst geological condition，the foundation bearing capacity and deformation properties cannot satisfy the design requirements.Under this condition，two-layer dynamic compaction method should be considered.Based on karst foundation treatment of Petro China 10 million t/a oil processing project in Yunan Province，with the standard penetration test and heavy dynamic penetration test，the compaction effect of bottom-layer compaction was analyzed.With the multi-channel transient surface wave test，standard penetration test，heavy dynamic penetration test and static load test，the compaction effect of top-layer compaction was analyzed in detail.Some conclusions have been drawn.Firstly，the reinforcement depth，bearing capacity and compression modulus after bottom-layer dynamic compaction have reached the design standard at most places.Secondly，the reinforcement depth，bearing capacity and compression modulus of the site after top-layer dynamic compaction have reached the design standard.Thirdly，the effective reinforcement depths under the energy-levels of 3 000 kN·m，4 000 kN·m，5 000 kN·m，6 000 kN·m，8 000 kN·m，10 000 kN·m，12 000 kN·m and 15 000 kN·m are larger than 3.5 m，6 m，6 m，7 m，8 m，10 m，12 m and 14 m respectively.The experience and results in this paper could be referred in design and construction under similar geotechnicalcondition.

karst foundation treatment；two-layer dynamic compaction；energy-level match；reinforcement depth；characteristic value of foundation bearing capacity；compression modulus

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.002

黄 赫（1984-），男，河南驻马店人，工程师，2009年毕业于同济大学隧道及地下建筑工程专业，硕士，主要从事地铁设计工作。Email：179783522@qq.com

2016-07-25；

2016-10-16

中国石油工程建设公司科学研究与技术开发项目 （CPECC 2011KJ22）