某物流仓储区强夯加固填土地基的试验与应用

刘运刚

中化地质矿山总局湖南地质勘查院，湖南 长沙 410004

1969 年法国工程师L.Menard 提出强夯加固地基工法，初期仅用来加固砂土和碎石土地基。随着应用实践和研究的不断进展[1-2]，该技术不断完善。中国于1978 年引进该技术，在实践中不断加以研究并取得了不少地区性的经验，应用范围扩大到湿陷性土[3-7]，但在中国南方含水量较大填土中的研究经验还不是很丰富。长沙某拟建物流仓储区大面积填土层最初拟采用注浆加固[3]，因试验、检测，不能达到要求而终止。后改为强夯方案；为了采用强夯地基，2019 年9 月至10 月在填方区进行强夯加固填土层的试验工作，并对强夯加固前后的填土层分别做了各种检测、实验工作，取得了丰富的实验资料和十分理想的实际效果，为大面积采用强夯地基提供了详细的施工参数和施工工艺。现就强夯加固填土层所进行的试验、效果及应用做如下介绍。

1 工程概况

拟建的长沙某拟建物流仓储项目占地约10.5万m2，由1#～4#栋1 层仓库、设备用房、物业用房和门卫组成，1#～4#栋1 层仓库建筑高度6.3m，结构类型为门式刚架，地面荷载为60kN/m2。场地削高填低，整平到设计标高后约将有40%区域为填方区，最大填土厚度将达17m，平均填土厚度6.5m。

大面积填土前对场地进行了详细勘察。填土层下的地层自上而下依次为：

素填土（Q4h）：褐黄色、褐红色，成分以粉质黏土为主，混有少量圆砾，局部混入的圆砾达30%左右。稍湿，底部湿度较大。系新近堆填，局部分布。厚度2.2～5.2m，平均厚度3.1m。

粉质黏土（Q3al+pl）：褐黄色、灰黄色、红褐色，硬塑-坚硬，无摇震反应，稍有光滑，中等干强度，中等韧性，平均厚度5.74m。

圆砾（Q3al+pl）：灰褐色、黄褐色，稍密-中密，很湿-饱和，砾(卵)石成分主要为石英岩和石英砂岩，为圆-亚圆形，粒径一般为2～20mm，最大为50mm，含量约占50%～60%，充填主要为中粗砂，含少量泥质，平均厚度2.20m。

残积粉质黏土（Q3el）：褐黄色、灰黄色，硬塑，稍有光滑，无摇震反应，中等干强度，中等韧性，由下伏基岩风化残积而成，平均厚度3.29m。

残积粉质黏土下为强风化泥质板岩。

2 强夯试验

2.1 施工机具

（1）夯锤

根据加固要求选用锤重为150kN 的夯锤，夯锤的材料为厚钢板外壳，内浇注混凝土制成。

夯锤底面采用圆形，锤底面积为3m2，锤底静压力值40kPa。夯锤的底面对称设置4 个与其顶面贯通的排气孔，以消除高空下落时的气垫，且便于从夯坑中起锤，孔径为200mm。

（2）强夯机采用稳定性较好的履带式起重机

（3）自动脱钩装置

当强夯机施工将夯锤吊至设计高度时，要求夯锤自动脱钩，使夯锤自由下落，夯击地基。本次试验采用设定高度自动脱锤，效果良好。

2.2 施工参数

根据试验设计方案，在27m×31m 的范围内按4m 的间距网状布置夯点，共布置52 个夯点（图1）。夯锤重为120kN，落距20m，夯击能200kN•m，跳夯三遍，每遍夯击4 锤。第一遍与第二遍间隔3天，第二遍与第三遍间隔2 天，第三遍后间隔1天满夯一遍[8-11,13]。

3 试验成果及分析

3.1 夯沉量和隆起量

对1、2、3 号试验点第一、二、三遍夯击产生的夯沉量和隆起量汇总统计见表1。

表1 各试验点夯沉量和隆起量统计Table 1 Statistics of ramming volume and upheaval volume at each test point

从表中实验数据可以看出：①填土厚度越大，夯沉量越大，外围隆起量越小；②大部分夯沉量发生在夯击过程的前部分，大部分隆起量发生在夯击过程的后部分。

3.2 标准贯入实验

在前述夯点位置不同深度处进行标准贯入实验，夯前进行标准贯入实验42 次，夯后进行标准贯入实验45 次，标准贯入实验成果统计见表2。

通过夯前夯后填土层中不同深度标准贯入击数的变化情况评价强夯对填土层不同深度位置的加固效果。从表中实验数据可以看出：强夯后深度7.0m 以内的填土，标准贯入击数显著增加；深度7.0m 以下的填土，标准贯入击数增加幅度迅速衰减。

表2 各试验点夯前、夯后标准贯入实验成果统计Table 2 Statistics of standard penetration experimental results of test points before and after ramming

3.3 夯前夯后填土的物理力学性质变化情况

在上述夯前标准贯入实验钻孔内取夯前、夯后土样各24 件进行室内物理力学性质实验，并在现场用灌砂法测量夯前、夯后填土的容重、含水量、干容重，室内实验和现场的原位实验成果见表3。

实验表明：强夯前后填土层的含水量没有明显变化，与土的密实程度有关的指标（容重、干容重、孔隙比、压缩系数、压缩模量）都有明显改善；室内实验和现场灌砂法测得的容重、干容重、孔隙比有一定的差别，这应该与不同实验方法填土中夹杂有风化岩块有关。

表3 夯前夯后填土物理力学性质实验成果统计Table 3 Statistics on the experimental results of physical and mechanical properties of filling before and after ramming

3.4 载荷实验

在上述标准贯入实验、取土样钻孔附近选取三处进行载荷实验。载荷板为面积2.00m2的圆形板，每级加载20KPa，实验结果见表4:

表4 夯实地基载荷实验成果Table 4 Experimental results on load of rammed foundation

3.5 孔隙水压力增加、消散规律

为了进一步确定强夯影响深度和正式施工时每遍夯击的时间间隔，另选填土较厚处进行强夯下填土中孔隙水压力增加、消散规律观测实验。孔隙水压力计为振弦式，量程规格为0.2MPa 和0.3MPa。埋设并调试好孔压计，待孔压稳定后开始强夯作业。分别在每次夯击和每点夯击完成后的5min、10min、30min、1h、2h、6h、12h、1d、2d、3d、4d 进行测试[9-13]。夯击次数采用9～13 次，最后满夯一遍。夯击能采用3000、3600KN•m 的能级，夯点布置夯击次数和夯能的详细情况见表5。

表5 夯击试验参数表Table 5 Test parameters for ramming

（1）孔隙水压力随夯击数的变化规律

两试验点不同深度填土层中的孔隙水压力在每遍夯时随夯击数的变化曲线如下图（图2～5）。

图2 试验点1 第一遍夯击时孔隙水压力变化情况Fig 2 Change of pore water pressure during the first ramming on the test point 1

图3 试验点2 第一遍夯击时孔隙水压力变化情况Fig 3 Change of pore water pressure during the first ramming on the test point 2

图4 试验点1 第二遍夯击时孔隙水压力变化情况Fig 4 :Change of pore water pressure during the second ramming on the test point 1

图5 试验点2 第二遍夯击时孔隙水压力变化情况Fig 5 :Change of pore water pressure during the second ramming on the test point 2

通过分析上图不同夯击能下孔隙水压力的变化，大致可以得出如下结论：深度越大，孔隙水压力的变化越小。不同夯击能下，5～9m 深的孔压变化很明显；深度不低于11m 时孔隙水压力的变化很小，亦即对深度不低于11m 的土层夯密作用很小；前5～7 击孔隙水压力迅速升高，但随着夯击次数的增加，越到后来升高幅度越少，表明趋于饱和。图中曲线表明：3000KNm、3600KNm的夯击能的最佳夯击数分别为7 次、9 次左右，在此基础上再继续夯击，对土层的夯密作用增加较小。

（2）孔隙水压力消散规律

两试验点不同深度填土层中的孔隙水压力在每遍夯达到峰值后消散曲线如下图（图6～7）。

图6 试验点1 孔隙水压力消散情况Fig 6: Pore water pressure dissipation in test point 1

图7 试验点2 孔隙水压力消散情况Fig 7 Pore water pressure dissipation in test point 2

孔隙水压力消散曲线表明：土体孔隙水压力在夯后较短的时间内即达到峰值；孔隙水压力的消散是一个很缓慢的过程，在停夯14 天后，孔隙水压力大致可消散70%～80%，18 天后孔隙水压力可消散80%～90%。

4 结论

本物流仓储区只要在适当的季节，控制好填土层的含水量，采用强夯法处理地基是可行的，完全可以满足设计要求和使用功能，既节省了造价，又缩短了工期；实验表明，本工程强夯的影响深度在10m 左右，有效加固深度为5～7m，正式施工时应控制填土厚度，每层虚土厚度不应大于7m，分层夯实；建议正式施工时采用两遍点夯加一遍满夯，点夯的单击夯能宜取3000kNm～3600kNm，点距宜取4.0m×4.0m，每遍9 次即可。满夯夯能宜取600kNm～800kNm；粉质粘土孔隙水压力完全消散所需的时间一般为14～18d，所以大面积正式施工时，每两遍夯击的时间间隔不宜小于15d。