深厚巨粒黏性填土强夯处理的关键因素

鲁传恒，李广平，许 韬

（广州市市政工程设计研究总院有限公司 广州510060）

0 引言

强夯法又称动力固结法，是利用大型履带式强夯机将8～30 t的重锤从6～30 m 高度自由落下，对土进行强力夯实，迅速提高地基的承载力及变形模量，形成比较均匀、密实地基的一种处理方法，在地基一定深度内改变地基土的孔隙分布［1］。在地基处理中，由于其设备简单、施工方便、适用范围广、经济易行和节省材料等优点而得到较广泛使用，适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。强夯法的有效加固深度和强夯的单位夯击能量，应根据地基土类别、结构类型荷载大小和要求处理的深度等综合考虑，并通过现场试夯确定［1］。

填土一般分为杂填土、素填土、冲填土和压实填土［2］。压实填土一般是为满足特定工程使用要求而进行的处理填土。另外3 种填土工程性质则比较复杂，往往在工程还没启动的情况下完成，存在着不均匀或松散情形，不宜直接作为工程地基使用。在需要作为工程地基使用时，均要进行预先处理［3］。填土地基，特别是比较复杂的深厚填土地基，处理方法的选取及施工过程的控制极其重要［4］，需要慎重，否则很容易发生工程质量事故。针对地基的土工程性质和处理方式，也应选用合理的检测方法［5］，如载荷试验、动力触探、瑞雷波［6］等。

前期的工程地质勘察资料和试验数据的准确可靠是填土处理设计的基础，设计对填土工程性质和处理方法的充分认识是地基处理有效的前提，施工过程的有效控制则是地基处理质量的保证，检测按规范要求合理进行才能保证检测数据有效，为工程设计和质量把关，否则一旦某个环节出现失误，都会带来灾难性的后果，对工程的后续建设产生严重影响。

本文的工程实例很好地说明了人工填土强夯处理失效的一些关键因素，为今后的类似工程提供一些有益借鉴。

1 工程概况

某工程场地位于广州北部的一个丘陵边缘，规划用地面积约40万m2，包括功能区、办公生活区及相关的配套工程，总建筑面积15万m2，当时总投资超5亿元。

场地工程地质条件复杂，场地西部为采石场旧址，东部为原采石场废石土、杂土堆放区，场地中部及南部为由新近人工堆填而成的丘陵区，夹杂大量碎石、块石及角砾。

勘察资料揭示，场地上部岩土层由第四系人工填土层、冲积层、残积黏土层组成，下部基岩为灰岩。人工填土层主要由黏性土、角砾、碎石及块石组成，其中角砾、碎石及块石含量20%～50%，最大块石直径可达1 000 mm，土层固结状态差异大，多呈松散状态，局部呈土柱状，硬塑状为主，土质非常不均匀，厚度变化大，场地北侧层厚0.4～19.5 m，平均厚度6.08 m，场地东侧层厚1.5～27.5 m，平均厚度18.23 m，场地中部及西侧层厚0.8～61.7 m，平均厚度25.47 m，场地西南侧层厚32.5～67.3 m，平均厚度51.73 m。填土层下部为冲积层，主要由淤泥质黏土和粉质黏土组成，整个场地除南部丘陵外均有分布，呈流塑～可塑状态，层顶埋深变化大，厚度小。典型地质剖面如图1所示。

图1 填土区典型工程地质剖面Fig.1 Typical Engineering Geology Profile of Fill Area

勘察采用了钻探、标贯试验、取土做常规土工试验等常规勘察手段。人工填土层室内土工试验及现场测试所获参数的统计结果如表1所示。勘察据此判定人工填土层为中压缩性土，地基承载力特征值达260 kPa以上，经强夯压实处理后，可作为浅基础持力层。

设计根据勘察报告的建议，采用了强夯地基处理方案。具体设计要求如下：

⑴强夯处理后的地基承载力特征值200 kPa，地基变形模量较强夯前提高70%。

⑵强夯法的单击夯击能为3 000 kN·m，点夯2遍，每遍4 击，最后以低能量（1 000 kN·m）满夯2 遍，每遍4 击，夯印搭接1/4 锤印。夯击收锤标准为最后2 击的平均夯沉量不大于50 mm。

⑶夯击点采用4 m×4 m 布置，2 遍夯击之间间隔时间为3 d。

⑷强夯法的有效加固深度要求达到7.0～8.0 m。

⑸强夯施工过程中，夯坑内或场地有积水时，应及时排除。

⑹强夯施工前，选取一个代表性的试验区进行试夯，试夯结束1 周后，进行现场平板试验检测，确定强夯地基承载力特征值和强夯地基变形模量，通过标贯试验或动力触探方法确定有效加固深度。

⑺强夯施工完毕1 周后，进行竣工验收试验。采用平板载荷试验确定强夯地基承载力特征值及变形参数；采用标准贯入法结合室内土工试验，推定强夯处理后的地基承载力，评价处理效果及有效加固深度。

①试验区检测及竣工验收试验情况。根据设计要求，建设方前后分别委托了4家检测单位进场开展标准贯入试验检测和平板载荷试验检测。

②试验区检测结果。平板载荷试验：检测单位采用0.5 m2圆承压板，试验了3个点。3个试验点的试验地基承载力极限值均≥400 kPa，承载力特征值取为200 kPa；变形模量E0=15.69～17.37 MPa；最大沉降量介于15.95～27.07 mm。3 个试验点及试验区处理地基均满足设计要求。

标准贯入试验：共进行10 个点位的试验，标准贯入击数N最小为11.0 击，最大为83.3 击；检测深度0.15～0.45 m的地基土承载力特征值为298.0 kPa，检测深度1.60～1.90 m的地基土承载力特征值为397.0 kPa，检测深度3.05～3.35 m的地基土承载力特征值为644.0 kPa，检测深度4.50～4.80 m 的地基土承载力特征值大于680.0 kPa。本场地的处理地基土承载力特征值满足设计要求。

③竣工验收检测结果。标准贯入试验与试验区相同，处理后地基土承载力特征值介于298.0～680.0 kPa之间，满足设计要求。

平板载荷试验经招标引进第三家检测单位。根据原招标文件，采用1 m2承压板做的6个检测点中，只有1 个点满足承载力设计要求，其余5 个均不满足要求，试验得到的承载力特征值最小仅为75 kPa，最大沉降量均超过60 mm。为验证平板试验的可靠性，检测单位采用2 m2承压板继续做了4 个点的试验。4 个点的试验结果显示均不满足设计要求，承载力特征值为160 kPa左右，单点最大沉降量均超过95 mm。以上结果表明本场地填土地基强夯处理没有达到设计要求。

建设单位选定上述检测区进行复夯，复夯显示各夯点两击平均夯沉量均超过50 mm，夯沉量大过规范值，点夯满足不了收锤标准。强夯处理失效，基础部分只能做变更设计。

表1 填土层土工试验与现场测试主要参数统计结果Tab.1 Statistical Results of Geotechnical Physical and Mechanical Indexes

2 失效原因分析与对策建议

2.1 勘察因素

⑴从前述可知，本场地人工填土层固结状态差异大，多呈松散状态，意味着填土层存在大的孔隙比和高压缩性。然而，勘察根据土工试验数据却得出了“人工填土层为中压缩性土”的自相矛盾结论。分析原因为勘察在取土样及做室内常规土工试验时，囿于惯性做法，仅针对填土层中的“黏性土”进行［7］。勘察需要测试的是填土的工程参数，而报告中的土工试验结果只是反映了填土中的“黏性土”的工程特性。因而土工试验得到的压缩系数小于0.425 MPa-1，压缩模量达到4.00 MPa以上，由此定义为“中压缩性土”。但这个结论并不可靠，后续的施工和平板载荷试验结果均证明这个结论是错的。

做工程前期勘察时，需要清楚工程的目的，不是为勘察而勘察。本项目勘察需要弄清楚填土层的工程特性，判断其是否适合作为工程地基使用，同时为地基处理提供依据。如果勘察对象出了问题，那后续将引起更为严重的问题。

⑵勘察过程中采用标准贯入试验来推断填土层的承载力，方法选用错误［8-9］。本场地人工填土层中含有大量的角砾、碎石及块石，显然不适合采用标准贯入试验［10］。由于标准贯入器的结构特点，当遇到较大颗粒岩石碎块时，碎石将随着贯入器一起向下贯入，贯入的阻力将大大增高，击数将严重偏大，不能反映土层的真实力学特性。文献［2］也明确规定标准贯入试验仅适用于砂土、粉土和一般黏性土。在勘察阶段，标准贯入试验的结果推定的地基土承载力特征值就达到了260 kPa 以上，比设计要求还高，这严重误导了设计和后续施工。

在这种填土条件下，应当采用重型或超重型圆锥动力触探试验［11-12］，其触探器的锥形探头可以把接触到的碎石颗粒挤到侧面而不影响探头贯入，其击数大小能真正反映土层的阻力，从而达到测试目的。

⑶勘察报告结论中“场地上部人工填土层经强夯压实处理后，可作为浅基础持力层”的建议缺乏严谨性。本项目中以夯实处理地基作为天然地基基础的建议，则没有很好地考虑到强夯处理的有效深度与本场地填土深度不匹配的问题，即便使用单击夯击能高达6 000 kN·m 来夯击，在含有巨粒碎石的填土层中，强夯处理深度也不过10 m［1］，而本场地填土平均厚度达25 m，意味着填土层不可能完全处理到，深部填土层仍将处于松散状态。建筑基础采用筏板型式，日后当上部结构荷载上来后，其板下应力影响深度将超过处理深度，产生压缩沉降，沉降量会随填土厚度而变化，而报告却没对处理后可能的不均匀沉降提出警示或解决方法建议。

2.2 设计因素

⑴对本场地人工填土层的工程特性和强夯处理方法认识存在不足，过分依赖于勘察资料，没能很好地做实地调查。本场地人工填土层多呈松散状态，土质非常不均匀，且含有碎石巨粒，厚度变化大，从不到1 m 到最深处60 m 以上，但设计仍然采用了强夯处理方式，并且设计单击夯能仅为3 000 kN·m。这种强夯处理方式，其处理影响深度非常有限，在正常砂质黏性土层中，处理深度最大也就7～8 m［8］，况且大粒径碎石将对夯击能产生消耗，深厚松散层也会降低加固程度。在本场地条件下，这样的夯击能，按试验结果，最大有效处理深度也不超过4～5 m，远达不到设计要求。同时，场地的填土厚度变化巨大，填土薄的地方可能处理效果较好，而填土厚的地方则没有完全处理到，日后的差异沉降将会十分明显，将严重影响工程结构安全。

当确定采用填土地基作为建筑物基础时，根据本场地条件，填土地基处理采用堆载预压法应该是不错的选择。理由是本场地填土层主要由黏性土、角砾、碎石及块石组成，含水率在30%以下，液性指数0.30左右，属于非饱和土，只是土质松散，在堆载预压一段时间后，容易达到主固结。场地填土厚度变化大，根据设计图纸，建筑物是单体分布，则堆载可以结合建筑物的分布和基础大小分块进行。堆载时可以根据填土厚度和不均匀沉降情况调整堆载量，使其最终达到相对稳定均匀沉降。堆载预压可能耗时较长，但处理效果可以预见和保证。

⑵设计给出的检测试验方法选择错误。试验区及竣工验收检测试验中，均沿用了标准贯入试验法。如前所述，由于原地基及处理后的地基中大量巨粒碎石的存在，导致标准贯入试验击数严重虚高，由此推定的承载力特征值极不可靠。

⑶对填土地基沉降变形认识不足。在平板载荷试验中，设计没对试验用承压板大小依地基处理深度提出相应要求，只要求强夯地基承载力达到200 kPa，认为试验可以不考虑地基变形值和影响深度，只要承载力能达到要求即可。这说明设计并没认识到现场地基处理所需达到的主要目的不仅是承载力，还要考虑地基沉降变形问题。根据勘察资料，本场地填土中的黏性土工程特性较好，其液性指数小于0.30，是硬塑、可塑土，其承载力不成问题，并且填土中含有大量巨粒碎石，会使承载力更高，只是土质松散，经过强夯和复夯处理，浅表承载力不成问题，试验区的小平板试验结果也证明了这一点。而出现问题的恰恰是地基变形问题，对日后的结构安全会产生很大影响。

2.3 施工因素

施工按设计要求进行，但在施工过程中没将出现的异常情况及时反馈给设计。施工记录中，场地不同位置的夯沉量差异很大，在夯击5次的情况下，最大的接近1.50 m，最小的只有0.4 m；有的地方最后两击平均沉降量达不到小于50 mm 的收锤标准而提前停止了夯击。最为重要的是施工现场没能做好排水措施［13］。初夯是在年底少雨季节进行，随后的春节开始即进入雨季，强夯施工一直延续到5月，期间场地一度被水浸泡。检测试验时，试坑底仍可见积水。强夯后的填土经水一泡，变得软化，有些地方成了橡皮土。

在地基处理中，做好场地的排水措施是一项基本要求。施工方错误地以为是在少雨季节施工，忽视了排水要求，在施工延期后，也没进行及时补救，致使强夯后的地基一度被水浸泡许久，地基土的压实度逐渐耗散减小。后期复夯时，夯沉量竟比初期还大。复夯现场情况如图2所示。

图2 现场复夯情况Fig.2 The Result of Second Ramming

2.4 检测因素

从勘察到竣工验收，均采用了标准贯入试验来检测地基的承载力或处理效果，针对本场地的地质条件，竟没人提出质疑，作为专业检测人员，对方法和规范都是熟悉的，这只能说明试验人员的责任心不够，当任务来完成。而试验区的平板载荷试验则更离谱，在检测中竟然采用了0.5 m2圆承压板，明显地不符合文献［16］要求。承压板下应力影响深度不足2 m，远远达不到设计要求的处理深度［14］，况且填土层含有大量碎石颗粒，加上强夯后浅表固结效应，致使试验结果地基承载力极限值均≥400 kPa，变形模量E0＞15 MPa。这严重误导了设计和后续施工，造成了不可挽回的损失。

对于处理土地基的检测，需要结合场地的实际情况和设计要求进行［15］。检测处理地基承载力和变形参数时，一般采用平板载荷试验，但试验承压板的大小一定要与处理深度相匹配，最小应不小于2.0 m2，同时试验还要满足承载力与变形双控标准［16］。检测强夯置换处理地基的施工质量或推定地基承载力时，则适宜选用圆锥动力触探试验方法，避开标准贯入试验的不适用。

3 结语

经过上述分析，以下几点值得借鉴：

⑴填土不同于风化土、沉积土，其多为混合土，成分复杂，颗粒大小分布无规律，工程性质随场地条件而变化。

⑵填土现场勘察需要根据实际情况，合理选用勘察手段和测试方法，对于巨粒土不宜采用标贯试验，建议采用重型或超重型圆锥动力触探。

⑶勘察人员对填土地基处理手段要有一定的认识，给设计的建议需严谨，不能生搬硬套。

⑷设计人员对填土的不均匀性要有足够认识，所采用的处理方法和参数要经过充分论证和试验，选用最优方案。

⑸地基处理施工中，做好场地排水措施是一项基本要求，不可忽视。

⑹合理选用适用的检测方法，出现异常时，要及时分析并对错误结果予以纠正，对于深厚填土，平板载荷试验承压板的面积不宜过小。