强夯置换技术的设计及应用

张 建 民

(赛鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

强夯置换技术是指利用强夯的冲击力强行将碎石和建筑垃圾、矿渣等粗颗粒硬质骨料挤入软土层中，从而使地基土的强度提高，压缩性降低，改善地基土受力性能的地基处理办法。根据加固机理和适用条件的不同，可分为动力固结法和动力置换法。

1 强夯置换的加固机理及适用条件

1.1 加固机理

1.1.1动力固结法

动力固结法也称强夯半置换法，是指通过采用向夯坑内回填透水性好的粗颗粒硬质骨料，改善粘性土的透水条件，缩短孔隙水消散路径，加快粘性土地基的固结。

其原理为：土中存在的微小气泡使其具有压缩性。在外部冲击力的反复作用下，孔隙水压力上升，当孔隙水压力等于土的总应力时，土的抗剪强度丧失，地基发生液化，土的透水性增大。通过采用强夯置换建立排水通道，孔隙水就会快速消散，土层就会加快固结。

1.1.2动力置换法

动力置换分为整体置换和墩式置换。整体置换是采用强夯将碎石等挤入软土中，使地基表面形成一层硬土层,作用类似于换填垫层；墩式置换是通过强夯将碎石等挤入软土中，形成碎石墩。其作用机理类似于振冲碎石桩。墩体与桩间土共同作用，形成复合地基。

1.2 适用条件

1.2.1动力固结法

一般适用于饱和度较高的湿陷性黄土和一般粘性土地基。

1.2.2动力置换法

一般适用于对变形控制要求不严的高饱和度的粉土、软塑～流塑的淤泥、淤泥质土、粘性土等。

2 强夯置换的设计

2.1 动力固结法

1)置换墩体深度应达到饱和土层处理深度的1/2～2/3。

2)单击的夯击能应通过现场试验确定。

3)置换墩体材料可采用天然级配的碎石和建筑垃圾、矿渣等坚硬粗颗粒材料，填料中粒径大于300 mm的颗粒含量不宜超过总重的30%。

4)夯点的夯击次数应通过现场试夯确定。同时并应满足下列条件：a.累计夯沉量为设计墩长的1.5倍～2.0倍；b.最后两击的平均夯沉量不应大于规范限值。

5)夯点间距和布点形式可按一般强夯设计。

6)墩顶应铺设一层厚度不小于500 mm的垫层。垫层材料可与墩体材料相同，粒径不大于100 mm。

2.2 动力置换法

1)强夯置换的墩体深度应根据土质条件确定，并应穿透软土层，到达较硬土层上。当深度超过7 m时，应有充分的现场试夯经验。为提高置换效果，应控制夯坑的深度。在高能级强夯置换中，夯坑深度一般不小于2 m，并最终以拔锤困难为准。若吸锤严重且夯坑深度达不到2 m时，应适当填料，待解决吸锤问题后再夯，以确保夯坑深度。

2)单击夯击能应通过现场试验确定。在前期阶段可按图1进行预估。图1为能级与置换深度统计图。较适宜的夯击能E=940(H1-2.1),夯击能最低值Ew=940(H1-3.3)。H1即置换深度。从图1中可看出在同一夯击能作用下，三根斜线所对应的置换深度H1并不相同，这一差异与锤底静压力的大小、施工工艺等有关。置换深度较深时，宜选取静压力较大的锤型，并采用合理的施工顺序、布点形式，严格控制填料质量、夯坑深度及累计夯沉量。

3)墩体材料可采用天然级配的碎石和建筑垃圾、矿渣等坚硬粗颗粒材料，且填料中粒径大于300 mm的颗粒含量不宜超过全重的30%。因置换墩在形成过程中填料渗入土中与墩间土混合，使墩间土成为一种混合土，含水量与密实度都得到一定程度的改善，与墩体形成复合地基。填料在土体的混合中起到重要作用,因此填料粒径应严格控制。

4)夯点的夯击次数应通过现场试夯确定。并同时应满足下列条件：a.墩底穿透软弱土层，并达到设计墩长；b.累计的夯沉量应为设计墩长的1.5倍～2.0倍；c.最后两击的平均夯沉量不应大于规范限值。

5)布点形式应根据基础型式采用等边三角形、等腰三角形或正方形等布置。置换墩间距应根据上部荷载和原土的承载力选定。当采用满堂布置时，夯点间距可取夯锤直径的2.5倍～3.5倍；对独基或条基，可取夯锤直径的1.5倍～2.5倍。满夯应采用低夯击能进行夯击，锤印搭接1/3。

6)墩顶应铺一层材料与墩体材料相同的压实垫层，厚度不小于500 mm ，粒径不大于100 mm。当表层土质松软、强夯能击较大时，施工前场地表层应铺填1.0 m～2.0 m厚压实垫层，材料同墩体。以避免场地隆起过大使夯坑较深、拔锤困难，施工机械难以移动等。

7)确定软粘性土中地基承载力特征值时，可只考虑墩体而不考虑墩间土，承载力特征值应通过现场单墩载荷试验确定；确定饱和粉土地基承载力特征值时可按复合地基考虑，其承载力可通过现场单墩复合地基载荷试验确定。

3 强夯置换技术的应用

3.1 工程概况及场地地质条件

工程项目为沿海地区港口储罐区工程，占地面积约6万m2，对处理后地基承载力特征值的要求是不小于180 kPa。

场地为填海造地，地质情况较为复杂。

在钻孔深度范围内揭露的土层依次如下：

①素填土：干燥，松散～中密。主要由中风～微风化石英岩碎石组成，碎石呈棱角形，一般粒径18 mm～80 mm，含量在40%～80%，分布不均，其余为角砾和粉土。结构松散，新近回填形成，分布范围6.0 m～3.4 m。

②素填土：以软塑～可塑状粉质粘土、板岩风化物为主，含石英岩、板岩碎石、角砾，含量最高可达50%以上。标贯击数为3击/30 cm～13击/30 cm。

③冲填土：主要以角砾、砾砂为主，局部混有粉细砂和粉质粘土，分布无规律。砂土多为稍密～中密状态，粉质粘土多为软塑状态。分布范围3.4 m～-11 m。标贯击数为4击/30 cm～14击/30 cm。

④碎石：饱和，中密～密实。主要以石英碎卵石为主，碎石一般粒径25 mm～60 mm，碎石含量50%～70%，分布不均，混砾砂与可塑～硬塑粉质粘土充填，多为半胶结状态。分布标高范围-8.8 mm～-13.4 m。

⑤强风化板岩：褐黄色，碎块、片状，易碎，层理清晰。

从以上描述可以看出，加固土层主要为素填碎石土、素填粉质粘土和冲填土。地质特点：软土层较厚，最大厚度11 m,平均厚度9 m左右。含水量大，部分地段处于饱和状态，含水层埋深浅，平均为地面下0.8 m～1.2 m。

3.2 地基处理要求

1)加固后的地基承载力特征值不小于180 kPa；

2)加固后的地基回弹模量不小于60 MPa；

3)使用期内最终沉降量不大于30 cm。

3.3 强夯试验

经分析决定采用主夯6 000 kN·m能级强夯置换处理方案。主夯锤重300 kN，落距20 m，3 m×3 m正三角形布点。满夯为1 500 kN·m，夯印彼此搭接1/3d。主夯控制要求为δ≤100 mm。铺填1.5 m厚碎石，单点击数以现场观测为准。试夯区面积800 m2。

试夯效果较好。夯击点数在15击～45击之间，填料次数在3次～7次之间，填料量也差别较大，场地隆起值在20 cm～100 cm之间。试夯选取用夯锤直径1.2 m，锤重30 t。

施工过程中监测和施工后检测表明：夯击后超孔隙水压力明显增加，随时间逐步消散。强夯有效影响深度约为9 m。夯击后10 d孔隙水压力消散量达90%以上。夯点处动探和夯间处动探、标贯检验结果表明土层强度有较大提高。试验结果表明夯点及夯间地基承载力均大于180 kPa。回弹模量均大于60 MPa。

3.4 强夯施工

本工程强夯置换处理面积6万m2。施工工艺及参数在试验的基础上调整如表1所示。

表1 6 000 kN·m强夯置换施工工艺及参数

3.4.1加固效果检验

夯点处动探检验见表2。

表2 碎石土以下各土层动探检验一览表

6.0 m以上素填碎石土层强度较高，平均击数18击/10 cm。通过以上各夯点处动探检验统计结果，深度8 m内土质强度提高较大。夯间处动探、标贯检验见表3。

通过以上夯间土检验结果，深度8 m内夯间土各土层土质强度有所提高。

3.4.2地基静载荷试验

试验结果表明各夯夯点和夯间地基承载力均大于180 kPa，满足设计要求。

3.4.3地表沉降

经测量，由于受施工填料的影响，施工前、后标高变化不大。

3.5 结论

综合上述各项指标，采用强夯置换加固地基后，结果达到了

设计要求。

表3 夯间土各土层动探、标贯检验一览表

4 结语

强夯置换技术在实际工程中的应用扩展了强夯技术的使用范围。尤其是在高饱和度粉土和淤泥质土等软土地基地区增加了一种可行的造价相对经济的地基处理措施。若建构筑物对变形控制较严时，还可采用强夯置换与CFG桩或钢筋混凝土灌注桩相接合的地基处理方案等。