强夯置换法在多层建筑地基处理中的应用

李 勇

（四川乐城装饰工程有限责任公司， 四川 成都 610000）

1 定义及适用范围

强夯法定义：反复将夯锤提到高处使其自由下落，给地基以冲击和振动能量，将地基土夯实的地基处理方法。

强夯置换法定义：反复将夯锤提到高处，使其自由下落下形成夯坑，并不断夯击坑内回填的块石、砂石、碎石、钢渣等硬粒料，使其形成密实墩体的地基处理方法。

强夯法的适用范围：碎石土、砂土、非饱和细粒土、湿陷性黄土、素填土、杂填土等地基处理。

强夯置换法适用范围：淤泥、淤泥质土、高饱和度的粉土、软塑、流塑的粘性土等地基处理。

2 强夯加固原理

1、动力密度：强夯加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力压密的概念，冲击型动力荷载使土中土粒周围的孔隙中的空气被排出，土颗粒和颗粒间的液体受力变形重新排列，孔隙比发生变化，体积变小强度提高。

2、动力固结：

a.土体中孔隙水排出：在强夯力的反复冲击下，土体中产生很大的应力，垂直向压力在土体变形过程中产生很大的水平拉应力，使土体沿竖向、径向、环向产生大量的细微裂缝，增加孔隙水的排出通道 ，增大渗透性，在高压力下孔隙水沿通道逸出，加速土体固结。

b.土体中气体适放：在强夯力的反复冲击下，在地基中产生的冲击能形成动应力，至使土颗粒发移动，部份冲击能转化成热能，土中气泡移动加速，可溶气体从水中释放出来从土面逸出，减小孔隙水移动阻力增大渗透性，进一步加速土体固结。

c.局部液化：在夯击力反复作用下超孔隙水压力不断提高，导致土中有效应力减少，当超孔隙水压力等于上覆土压力和内聚力时土中的有效应力完全消失，土的抗剪强度为零，土颗粒处于悬浮状态达到局部液化，土的渗透性大大增加，孔隙水迅速排出，超孔隙水压力消散加速土体固结。

d.土的触变恢复：饱和细粒土在强夯冲击波的作用下，土中原来处于平衡状态的土颗粒的定向排列被打乱，颗粒结构从原先的絮凝结构变成分散结构，颗粒间联系消弱，强度降低。强夯后经过一定时间的休置后，土体颗粒、胶体颗粒、水又形成新的空间结构，土体又恢复和达到更高的强度。

3、动力置换：

动力置换分为整体置换和桩式置换。整体置换作用机理类似换土垫层法+动力密度；桩式置换作用机理类似强夯加密+碎石礅+排水井

3 强夯置换法特点

1、由于强夯置换法土体和孔坑中块(碎)石等填料在外力作用下密实度改变，其加固原理是通过强夯后原有的天然强度地基在强夯振动作用下迫使填料本身和周围土体发生变形，轴向应力和侧向应力共同形成约束力，约束块(碎)石体形成力系平衡的块(碎)石墩体。

2、对于深厚饱和粉土、粉砂，墩下土在施工中密度变大，强度提高较大，在置换的过程中大量填料与墩间土混合，形成混合土，含水量与密实度改善很多，与墩体共同组成复合地基。因此承载力考虑墩体和桩间土共同受力。

3、对浅层淤泥或流塑的粘性土，采用整体置换时将块(碎)石填料整体挤入淤泥中，其加固原理类似于换土垫层法。

4、对于淤泥、泥炭等粘性软弱土层，采用桩式置换，置换墩应穿透软土层，着底在较好的土层上，因墩底竖向应力较墩间土高。因此在计算地基承载力特征值时，可只考虑墩体不考虑墩间土的作用。

4 工程概况

贵阳市观山湖别墅小区占地94.95亩，总建筑面积87239.44平方米，共40栋4层建筑物，独立柱基，框架结构，设计要求地基承载力180Kpa，其中位于场地东侧的19—25栋楼填土区较厚且填土是堆在原有废弃的鱼塘区域。因此委托贵阳建筑勘察设计有限公司对19—25栋楼区域进行详细勘察。场地北侧29栋-38栋所处位置的小山头需要平山爆破，岩层质地较好是中风化硬质砂岩，平山爆破后石料正好可以用作填料，因地制宜就地取材。

5 场地岩土构成

场地内地层结构，主要杂填土、耕植土、淤泥质土、红粘土及下伏基岩组成，上覆杂填土时间约为24个月，钻探揭露地层特征自上而下依次叙述如下：

1、杂填土：主要成份为红粘土夹少量白云岩块，红粘土成分85%以上，碎块石块径1～5cm,堆填时间约24个月，结构松散，厚度3～5m，平均厚度约4m左右。

2、耕土：灰黑色，灰黄色，结构松散，分布于区域场地周边，厚度0.30～0.50 m。

3、淤泥质土：灰黑、灰褐等色，湿～饱和，软～可塑。其形成原因为原鱼塘底部淤泥，在平整场地过程中经填方埋于地下。含腐殖质较高。厚度1.1～2.3m分布不均。

4、红粘土：褐黄色，残坡积成因，分布于整个场地，呈似层状分布，局部裂隙发育（3～5条/米），属块状结构。红粘土厚度6.30～15.20m，允许承载力205kpa是复合地基的桩端持力层。

5、基岩：为三叠系安顺组地层，岩性为灰～灰白色中厚层状细-中晶白云岩，节理裂隙发育，节理裂隙面多见方解石脉充填，铁质浸染，胶结一般，岩体总体较破碎，钻探控制深度范围为强风化层。

6 水文地质条件

场地位于观山水库南侧，距观山水库约500.00m，其水源主要来源于降雨形成的地表坡流。 场地内地下水主要为杂填土、耕植土中上层滞水和基岩裂隙水。水质对砼及砼中钢筋无腐蚀性。

7 不良地质现象

本次勘察施工122个钻孔中，在土层中未发现土洞及塌陷现象，场地中岩面呈波状起伏。

8 施工前准备

1、结合地勘报告和设计图确定地基处理的范围，设计地基处理深度7米，确定每边超出基础外边线距离4m；

2、对照设计图和地勘报告，按照墩间距中心点间隔2.4m绘制方格网，编制表格，根据上覆土和淤泥土的厚度初步估算每根石墩所需用块石料，试夯后作调整；

3、设置场地四周的排水沟，排水沟距处理范围外2米的位置，由于场地是西北侧高东侧低，所以在东侧设两处排水坑，东侧排水沟在强夯范围外3米，宽度1米挖至淤泥层与排污坑相连接，沟内填充大粒径块石形成排水通道；

4、测量场地强夯前的原地形标高，确定现场点位的平面控制点和高程控制点；

5、确定施工顺序：从场地中间向两侧进行，隔行跳打，夯点按正方形布置；

9 试夯

1、根据设计提供的参数进行试夯，确定施工工艺和检验方法：选择场地具有代表性的19号楼区域600平方米场地作为试夯区进行现场试验，19号楼区域从强夯面到红粘土层的厚度4.5至7米均有；

2、选用40吨履带式起重机，起重高度20米，柱锤直径1米，锤重15吨。最大夯击能3000kn.m,填料选用级配良好的硬质砂岩最大粒径控制在40cm以内，30cm粒径的颗粒含量控制在30%以内。礅间距为2.4米，夯点距离4.8米。

3、单点夯击结束标准：结合地勘报告对应点位累计夯沉量7m至11m,夯击击数不小于8击至14击（8击对应4.5米礅长、15击对应7米礅长）且夯击能在3000KN.m的前提下，最后两击的夯沉量小于50mm；第一遍点夯和第二遍点夯夯击间隔时间7天，所有点夯完成后，整平场地；

3、满铺块石垫层厚度500mm，块石垫层最大粒径控制在100mm以内，块石垫层用直径2.0m、锤重10吨的夯锤以1000kn.m的夯击能满夯两遍每遍3-4击、满夯搭接35cm、整平。用25吨的振动压压路机碾压；

4、铺设300mm厚石渣乳垫层，压路机碾压密度；

5、试夯完成后对复合地基的地基承载力进行了检测试验，试验结果复合地基允许承载力满足设计要求。

10 施工工艺

1、按照设计要求的标高清理、整平场地至起夯面标高。基础埋置深度负1.5米，整平场地标高负1米；

2、场地平整以后，从北侧小山头取级配块石在场地上满铺1.5米厚整平，块石的最大粒径控制在400m以内，300mm以内的严格控制在30%以内。给每个块石礅准备5至8 m3块石料，同时确保大型机械在场地上顺利行驶；

3、堆填块石料平整后，用白灰在场地上标出第一遍块石墩夯点位置，用水平仪测量每个夯点的标高并整理成表格作好记录；

4、施工顺序和打夯方式：由于本工程的基础是独立柱基，主轴线间距为7.2米，结合技术规程和试夯效果强夯布点按2.4米间距矩形布点，隔行跳打。从场地中间部位向两侧进行；

5、置换墩用40t夯机,夯锤15吨，夯机开至夯点位置，夯锤置于夯点位置；220型反铲挖机，开至夯点一侧位置，确保随时补料；

6、测量夯锤高度，确保每一次夯锤提升高度20m，记录每一击后夯坑下沉深度。当夯坑深度基本同锤高时（或提锤有困难时）停时夯击，挖机向坑内填料至平坑口然后断续夯击，结合地勘报告对应点位累计沉降量大于7-11m并且最后两击的夯沉量小于50mm,单墩夯击结束；

7、第一遍点夯完成之后，隔7天进行每二遍点夯击，仍然是隔行跳打从中间部位向两侧进行，直至所有的礅点夯击完成；

8、对比每一个墩坑夯点附近夯前和夯后的标高对比，计算隆起高度，核算石礅夯击完成后地面标高和平均标高的变化，确定平整后是否还需要补料；

9、推平场地，铺设0.5米的级配块石垫层，最大粒径控制在100mm内以，50mm以上的颗粒含量不少于60%，粘粒含量不超过5%。夯锤直径2米，锤重10吨，夯锤提升高度10米，满夯两片，每遍3-4击、满夯搭接35cm，第一遍和第二遍间隔7天，夯完后整平场地，25吨的振动压路机分层碾压密实。并测量夯后场地高程；

10、强夯工作完成后，在块石垫层顶部再铺设300mm厚的石渣乳垫层，碾压机碾压密实；

11、强夯过程中排出的水和部份淤泥，用专用车辆运输至指定地点倾倒。

11 质量检测和验收

1、过程中的质量检验：（1）夯锤落距严格控制在正负300mm以内；（2）锤重偏差控制在正负100kg以内；（3）夯击的遍数，严格按照试夯确定的参数执行，如发现与试夯偏差大，应暂停强夯汇同设计监理现场分析后再断续进行；（4）夯点距离偏差控制在正负500mm以内；

2、复合地基的承载力检验：强夯完成28天后进行现场荷载试验，现场1147根置换块石墩，共抽取12个点位作荷载试验，配置2.4米*2.4米大型钢筋混凝土承载板，分10级加载，稳定标准0.1mm/h,累计沉量为15mm。结果复合地基承载力大于215kpa，满足设计要求。

3、重型动力触探：根据检测单位进行的重型动力触探检测，置换墩着底情况良好，承载力与密度随深度变化已满足要求。

12 小结

1、由于本项目下层淤泥质土的厚度不是均匀的，因此每个石墩的置换填料的实际使用量和施工准备期的估算值存在差异，同时随着夯击数量的增多，下沉淤泥质土被挤密已对置换填料数量产生影响，因此在实际施工中每一个夯点一定要对查阅地勘报告，对照试夯确定的夯击数、总夯沉量以及最后两击的下沉量三个条件共同分析；

2、原鱼溏淤泥上层的覆土本身石粒含量较高，在置换夯击过程中，水的排了比较明显，同时由于在场地低侧设置排水沟，淤泥层的自由水通过排水沟进入集水坑内的数量已较多，说明对下层软弱淤泥层的挤密效果还是比较明显；

3、通过整平后起夯面标高、铺填块石厚度、夯击完成后标高计算出场地的平均夯沉量为2.2米，和通过土的压实系数计算沉降量基本一致，说明加固效果较好；

4、场地周周300米范围内无建筑和基础设施，因些在实际施工是并未挖设抗震沟，但在施工过程中30米左右范围的震感还是比较明显；

5、原计划置换填料的最大粒径为800mm，但通地试夯发现小直径的夯锤在大块石上夯击时能量损失较大，特别是第一击，在后续的试夯点上最大料径控制在400mm以内效果就好很多；

6、相比于桩基等处理方法造价低，施工简单，操作方便，施工速度较快，特别是强夯置换墩由于有就地取材的优势，减少平山爆破后石料的外运弃置，节约费用。

7、通过本工程施工后的效果分析，强夯置换技术处理浅层软弱地基的效果较好，对下卧软弱层的固结作用明显，对上层土的动力密实效果已较好，地基承载力能满足多层建筑物的地基承载力要求，通过后期的变形和沉降观测分析，经过处理后的地基能达到要求。