冲击压实法在典型软土地区中的应用

黄伟明，孙 兴

（温州设计集团有限公司，浙江 温州 325000）

0 引 言

冲击压实工艺自上世纪90年代传入我国后，现已被广泛应用于建筑、交通、水利、机场等各类工程中的土基处理及填土压实，具有效率高、综合成本低等优点。

采用冲压法进行动力固结具有独特的优势。首先，冲压施工相当于一种连续的夯拍过程，具有波浪起伏及周期间歇等特点，这种间歇周期可以通过合理划分作业面积等手段很容易与土基的孔压消散周期相协调,使孔压消散持续地发生在最有效的消散阶段，保证动力固结过程持续高效进行。相比于传统强夯法,冲压法可更有效地利用冲击能，并大大缩短固结周期。其次，冲压的应力作用方式兼具揉、挤、冲击等多种作用，在这种作用下很容易使土体中产生大量的微裂隙，而这些裂隙的存在可大大加速地基土中孔隙水的排出以加速土体固结。冲压相当于小能量的强夯，而在动力固结理论中，固结过程应该是由表层至深层逐渐发生的，这种低能量的强夯对浅层固结，即处理硬壳层是十分有效的。温州市地质表层就属于这种情况，本文以温州市滨海大道工程作为实例，分析冲击压实工艺在典型软土地区的应用前景。

1 概 述

1.1 工程概况

温州市滨海大道工程用地基本为农田，其地质属滨海淤积平原，地形平坦。根据地质勘察报告，拟建场地地基土可划分为6个工程地质层：表部为人工填土及“地表硬壳层”粘土，其下依次为含砂淤泥、淤泥、淤泥质粘土和角砾；场地除巨厚的软土外,未见其他不良地质现象，场地总体稳定性较好。

温州市滨海大道工程填方路基顶面一般高于原地面0.5～3.0 m，考虑动荷载以及地下水位变化等因素,采用分层总和法计算最不利情况下地基总沉降量为37.5～44.4 cm；施工期按3个月考虑，工后沉降量达33～40 cm，不能满足规范[1]最小30 cm的要求，需进行地基处理。

1.2 地基处理方法

针对本工程地形、地质条件和工期要求，拟采用浅层动力固结联合堆载预压方法。

浅层动力固结主要采用三边型沖压机对原土基进行冲击压实，达到加厚硬壳层、提高土基强度、减少工后沉降的目的。硬壳层加厚后可以大大减少因土基受荷时的侧向变形而引起的瞬时沉降。同时土基沉降主要发生在浅层，在沖击压实的作用下，一定深度范围内地基土将在动力条件下固结，达到一定程度的超固结状态，即相当于对后期的固结沉降进行了预处理，从而达到减少工后沉降的目的。另外，浅层动力固结可使一定深度范围内的土基密度增加，强度提高，这对调整地基的均匀性，减少不均匀沉降也是十分有效的。在浅层动力固结后，结合处理情况进行堆载预压，可进一步减少土基沉降至满足最终沉降要求，确保工程质量。

2 冲压施工

2.1 冲压参数

为达到质量好、工期快、投资少的目的，冲压施工采用32 kJ三边形冲压机，冲压8、12、16、20、24、28、32遍。

2.2 施工程序

场地清理→测量场地标高→采用小于30 cm粒径的宕渣填筑至设计标高（厚度约1.20 m)→冲压→冲压合理间歇后再冲压→测量冲压后标高→地基检测→施工质量验收→进入下一道施工工序。

冲压施工采用轮迹交错法进行，即行进中轮隙交错推进，直至覆盖完整处理区域为一遍，依次完成设计遍数。

2.3 施工监测[2]

在冲压施工的整个过程中，进行了孔压监测，在冲压至第8遍后每隔4遍进行沉降观测以及干密度检测，以期通过冲压过程中的检測、监测来了解动力固结的发展变化规律以及有效处理深度等相关数据，以便选择合理的施工及控制参数。

2.3.1 孔压监测

孔压监测自开始冲压施工开始，分别读取施工过程中的瞬间消散量、孔压峰值及冲压12、16、20、24、28遍时的消散周期。

在冲击压实施工过程中，分别读取各遍施工中各点传感器的瞬间消散量，将各组传感器的瞬间消散量汇总后，绘制间隔4遍冲压的瞬间消散量曲线，如图1所示。

图1 冲压的瞬间消散量曲线

由图1可知，随冲压遍数增加，瞬间消散量整体呈下降趋势，2 m埋深传感器读数的最大消散量为15 kPa，最小消散量为5 kPa；埋深为2 m传感器的瞬间消散量明显大于埋深4 m传感器的瞬间消散量，说明随深度增加,动力固结效果减弱，在4 m处其动力固结效果已不十分明显。

孔压峰值读数为冲压各遍施工过程中的孔压相对稳定值，即不包含瞬间消散的孔压值。将各组传感器的孔压峰值汇总后绘制间隔4遍冲压的孔压峰值曲线，如图2所示。

图2 冲压过程中孔压峰值曲线

由图2可知，各埋深孔压变化规律一致，整体呈上升趋势，2 m处孔压明显高于4 m处孔压。另外，在第28遍施工吋埋深2 m传感器的孔压峰值已达25 kPa，为上覆土自重的62.5%。

在冲压施工中,根据孔压消散、天气状况及作业安排等因素，共经历了3个间歇期及第28遍施工结束后观测期。其中第12遍冲压结束后间歇时间为32 h，16遍冲压结束后间歇期为6 d，第24遍冲压结束后间歇4 d，第28遍冲压结束后经历了6 d观测期。将第16、24、28遍冲压结束后间歇期的各次孔压读数汇总后绘制间歇期孔压记录曲线，如图3所示。

图3 各间歇期孔压记录曲线

由图3可知，各间歇期孔压变化趋势一致,在间歇初期孔压均有小量反弹，即孔压不降反升，第16遍间歇期孔压消散相对较大，随遍数增加孔压消散趋于困难。28遍后的观测期孔压几乎不发生消散。

在间歇初期孔压的上升可以理解为：在冲压过程中产生的部分裂隙是逐渐闭合的，随着裂隙的逐渐闭合土体排水通道关闭，导致此阶段孔压上升。

2.3.2 沉降观测

在冲压过程中，每隔4遍平整场地并进行标高测量，将观测资料整理列于表1。

表1 沉降观测结果

由表1可以看出：总的趋势是，随冲压遍数的增加，沉降量逐渐减少；累计冲压沉降量趋于稳定，冲压20遍后表面累计沉降37.9 cm,28遍后表面累计沉降27.4 cm。

2.3.3 冲压遍数与压实度检测

冲压过程中每间隔4遍冲压进行垫层干密度和压实度检测，冲压遍数与垫层干密度及压实度关系见表2。

表2 冲压遍数与垫层干密度及压实度关系

由表2可以看出，垫层干密度随冲压遍数增加整体呈上升趋势，在第20、28遍时压实度大于93%。

另外，垫层干密度在20遍时最大，24遍时反而降低。其原因是，前20遍冲压效果较好,但由于连续冲击，强度过大，排水通道被破坏，使土基孔压普遍升高，即大面积出现“弹簧土”，造成冲击20遍后的间歇期中，土基在超孔隙水压力下反弹隆起，表现为表面沉降量为负，垫层干密度降低。28遍施工结束后的孔压消散也表现为消散异常困难，长时间维系较高孔压水平。

由此可见，在一定程度上，施工工艺是动力固结处理地基成败的关键，不合理的施工不仅达不到处理目的，反而适得其反，造成土基破坏，费时费力，严重影响工程质量，甚至必须采用大面积换填，造成巨大浪费。

3 冲压结束后检测

3.1 物理力学指标试验

在冲击压实处理完成后，间歇5 d后通过钻机取样，进行了室内物理力学试验，试验结果见表3。

对照地勘场地土室内试验数据可以看出：地基土在经过冲击压实动力固结处理后，干密度增加，孔隙比降低，压缩模量提高，各项指标均有所提高。第一层土效果最为明显，干密度由1.51 g/cm3提高至1.57 g/cm3,压实度达99%，压缩模量由5.83 MPa提高为7.30 MPa,但处理效果随深度增加而逐渐减弱。

表3 场地各土层的主要物理力学性质指标

3.2 垫层颗粒分析试验

根据相关资料，冲压机具有较大的冲击能，其作用于粗颗粒填料时，在一定程度上可使填料颗粒破碎，级配改良。

在冲压施工结束后取场地垫层填料进行了冲压后颗粒分析试验，将试验结果绘制成冲压后垫层填料颗粒级配曲线，如图4所示。

图4 冲压后垫层填料颗粒分析曲线

由级配曲线计算得：垫层填料在冲压处理后，不均匀系数Cu=25.5,曲率系数o=3.16；对比冲压前颗分数据，处理后填料不均匀系数明显增大，级配改良。

3.3 面层回弹模量

计算所得各区未经原点修正的回弹模量值见表4。

表4 承载板法回弹模量统计表

由承载板法回弹模量结果可以看出，处理后土基面层回弹模量最小值为66.78 MPa,满足设计要求。

4 沉降分析

经浅层动力固结处理后,一定深度内土层固结程度增加，可压缩性降低，局部土层处于超固结状态。其固结压力若与上部附加荷载相近或更大的话，则附加荷载施加过程主要是处理回弹再压缩变形,该过程可在较短时间内完成。而工后沉降主要发生于固结程度较低的土层在工后仍在进行的固结过程之中。

4.1 处理后的沉降量

通过冲击压实试验的表面沉降观测可知，在冲压面层处理后总共沉降了27.4 cm，其中垫层的压密沉降量通过其密度变化换算成体积压缩,得出垫层压密沉降量约为18.0 cm,则下伏土体经冲击压实的浅层动力固结作用发生沉降9.4 cm，在冲压第20遍后，计算原地面处理沉降近20 cm。说明浅层动力固结起到了一定作用。

4.2 工后沉降计算

经过冲压处理后,场地原土基在一定深度范围内的土体密度增加，孔隙比减小，压缩模量增加，可压缩性降低，按分层总和法计算的总沉降量为28.3～39.7 cm.根据单面排水固结理论计算其工后沉降为22.64～27.79 cm,满足设计要求。经过处理，硬壳层厚度增加，土体由侧向变形引起的瞬时沉降大为减小，这对于减小工后沉降十分有利。

由于动力固结只作用于原土基浅层，而本场地存在着巨厚的软土层，根据应力计算其压缩层厚度大于30 m,动力固结是无法达到该深度的，因此应结合堆载预压方法，对于较深的下伏土层进一步处理沉降，并在沉降速率满足设计要求后进行下步施工，以确保工程质量。

5 结论与建议

（1）地基土在经过冲击压实动力固结处理后，干密度增加，孔隙比降低，压缩模量提高，各项指标均有所提高。处理效果随深度增加而逐渐减弱。

（2）经冲压处理后填料不均匀系数明显增大，级配改良。

（3）经冲压处理后土基强度提高，均匀性增加，可满足设计要求。

（4）冲击压实的浅层动力固结作用是有效的。

（5）为保证工程质量，应严格进行冲压施工控制，必要时在全场区布置孔压监测点。

（6）在冲压施工过程中应加强现场监控，在观察到地面出现“弹簧”、“翻浆”等现象后立即停止冲压，在合理间歇后再进行冲压施工。

（7）在冲压过程中，应尽量避兔对掉头转角等位置的连续冲压次数,可通过交错施工，调整作业顺序的方法解决；在场地由于冲击遍数增加而不平整时，应进行推平后再继续冲压施工。

（8）动力固结只作用于土基浅层，当场地存在着巨厚的软土层时应结合堆载预压的处理方法，对于较深的下伏土层进一步处理沉降，直至工后沉降满足设计要求。