填土层低能级强夯试验收锤击数和夯击间隔时间探讨

黄清祥

（中国京冶工程技术有限公司厦门分公司，福建厦门 361009）

0 引言

近些年随着城市建设的不断扩大，出现了很多新建工程“高挖深填”的问题。对于新近回填的杂土、填砂等混合物需进行地基处理后，方可提供一定的承载力和减少建筑（构）物的工后沉降等。目前，强夯法作为地基处理的常用方法之一，通过一般重达（8～30t）的重锤和8～20m 的落距，利用动力反复对地基土施加很大的冲击能压实土体，可提高地基土的强度和均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件等[1]。水伟厚等[2]通过建立强夯能级与击实试验击数及最优含水量的关系，从夯击能的角度对强夯设计参数进行优化。姚仰平等[3]通过数值模拟分析地基的强夯加固效果，用控制体应变作为评价加固范围的标准。栾帅等[4]通过不同的现场原位试验对比，分析不同高能级强夯对不同土质残积土回填地基的有效加固深度的变化规律。张涛等[5]通过对某高速公路工程高填路基强夯处理作业振动进行试验监测，研究强夯振动对周边环境的影响。胡瑞庚等[6]对不同性质回填土地基上进行的高能级强夯试验，采用平板载荷试验、动力触探试验、瑞利波测试方法研究强夯前、强夯后浅层地基承载力和深层密实度的变化，提出考虑土类别的高能级强夯有效加固深度计算公式。通过上述文献，目前对强夯影响加固深度和振动等方面的研究较多。

岩土工程的地域性和个性比较强，往往在相同夯击能和夯击击数下，强夯夯点的夯沉量具有一定的离散性。若按规范[7]低能级夯击能（＜4000kN·m）的收锤标准，很难确保每个夯击点都能满足。因此，如何通过试夯夯点的夯击击数与夯沉量的曲线关系，从统计学和宏观上确定大面积强夯施工的收锤夯击击数，是值得探讨的一个问题。另外试夯过程也能分析强夯对周边土体产生的超静孔隙水压力变化规律，确定两遍强夯的时间间隔。

文中拟通过强夯试验施工数据和周边土体产生的超静孔隙水压力消散规律，探讨强夯收锤击数的确定方法，确定强夯间隔时间。对类似土层采用低能级强夯法的施工参数确定有一定的借鉴意义。

1 工程概况

强夯试验区位于厦门市翔安区，拟建场地由原海湾滩涂回填而成，上部松软土层的综合厚度较大，且具有较大湿陷性、高压缩性和不均匀性等不良特性，而且使用荷载比较大，需进行地基处理。强夯试验区位置典型地质剖面图，如图1 所示。

图1 强夯试验区典型地质剖面图

场地地下水水位距地表约4.0m，各岩层土体性质如下：

素填土①b：灰褐、褐黄色，呈松散-稍密状。填料成分主要为粘性土，局部地段含少量碎石或块石，回填时间5～10 年，该层标贯实测击数一般3.0～14.0击，平均值为8.23 击，其均匀性差异大，工程性能差。

填砂①c：灰色、灰黄色，以稍密为主，局部为中密，饱和砾砂填料成分以石英砂为主，回填时间5～10年，分选性较好，级配差，颗粒呈次棱角状。标贯实测击数一般5～43 击，平均值为13.6 击。

淤泥质土②a：深灰色，饱和，流塑。摇振反应慢，干强度较高，韧性较高，刀切面光滑，含腐殖质及少量腐朽物和贝壳，具腐臭味，污手，局部含少量中细砂，为高压缩性软土。

粉质黏土③a：灰绿、灰黄色，饱和，呈可～硬塑状，成分以粘粉粒为主，局部夹有砂砾，刀切面较光滑，干强度中等，韧性中等，无摇振反应。标贯实测击数一般11.0～35.0 击，平均值为19.2 击。

2 强夯试夯区参数

2.1 夯点布置与施工顺序

强夯试夯区域选择具有代表整个场地的岩土层分布特点，该区域填土（砂）层厚约6.0m，淤泥质土层约1.3m，粉质黏土层厚约10.5m。试夯区域大小20m×20m，试夯的夯击能为3000kN·m，夯锤锤重27.65t，落距高度10.8m，锤底直径2.24m。第一遍试夯点布置如图2 所示。

图2 第一遍试夯点布置图（单位：m）

强夯试夯过程的基本步骤如下：

（1）清理并整平试验区场地。

（2）标出第一遍夯点位置，测量夯点地面高程。

（3）夯机就位，起吊吊钩至落距高度，将吊钩牵引钢丝绳固定，锁定落距H。

（4）将夯锤平稳提起置于夯点位置，测量夯前锤顶高程hi1。

（5）起吊夯锤至预定高度，夯锤自动脱钩下落夯击夯点。

（6）测量锤顶高程hi2，记录夯坑下沉量si=(hi1-hi2)。

（7）重复步骤（5）～（6），按规范表6.3.3-2 强夯法最后两击平均夯沉量≤5cm 控制标准，完成一个夯点的夯击，夯锤移位到下一个夯点，重复步骤（2）～（5），完成第一遍全部夯点的夯击。

2.2 强夯区域周边土层超静孔隙水压力测试

孔隙水压力计主要测量强夯对周边土层产生的超静孔隙水压力值，孔压测试点布置如图3、图4所示。

图3 超静孔隙水压力测点平面布置图（单位：m）

图4 超静孔隙水压力测点剖面图（单位：m）

第一遍试夯施工后对不同土层深度处的超静孔隙水压力的增长和消散过程进行测试。每次观测用数字式频率计测出各孔隙水压力传感器的即时频率，将每次观测的数据记录在观测表内，计算出该点的即时孔隙水压力。测量采用608A 型振弦频率读数仪完成，计算公式如下：

式中，P 为孔隙水压力，kN；K 为传感器标定系数，kN/Hz2；fi为测试频率，Hz；f0为初始频率，Hz。

3 强夯试验数据整理与分析

3.1 强夯试夯点数据整理与分析

在预期的强夯夯击数14～16 次下，夯点(A1～A16)的夯击击数与对应的夯沉量关系曲线如图5、图6 所示。各夯点的最后两击夯沉量平均值Si和累计夯沉量，如图7、图8 所示。

图5 夯点（A1～A8）夯击击数与对应的夯沉量关系图

图6 夯点（A9～A16）夯击击数与对应的夯沉量关系图

图7 夯点（A1～A16）最后两击夯沉量平均值分布

图8 夯点(A1～A16)累计夯沉量分布

由图5、图6 可知，各强夯点在夯击第1～3 击时夯沉量最大，其中有13个夯点（81.3%夯点）的累计沉降量占总沉降量41%以上，对土体的处理效果最明显。在第4 击以后夯点的夯沉量均匀下降。

由图7 中数据可整理最后两击沉降量平均值Si的平均值、标准差和σf变异系数δ，按下列式（2）～式（4）计算，计算结果如表1 所示。

表1 夯点最后两击沉降量平均值Si 统计分析

由图7、表1 可知：①同一场地内在相同夯击能和夯击击数下，试夯点最后两击沉降量平均值具有一定的离散性，很难确保每个夯点Si均小于5.0cm。从统计夯点的Si计算，平均值均接近5.0cm，但变异系数大小和统计的方式有一定关系，当采用分别去掉2个最大值和最小值后计算，变异系数＜0.30，这样的数据离散性就比较小，更能代表整个场地实际夯击后的情况；②按部分数据2 统计计算，Si≤4.5cm 占比33%；Si≤5cm 占比50%；Si≤5.5cm 占比67%；Si≤6.0cm 占比75%；Si≤7cm 占比92%。满足规范要求的收锤标准（Si≤5cm 占比50%）夯点数保证率为50%；满足规范要求的收锤标准（Si±2cm 占比达92%）。

工程该区域地基处理后，场地均匀性标准贯入试验和载荷试验结果表明，均能满足规范和工程要求；建议在大面积强夯正式施工前，通过试夯数据分析，结合考虑具体场地条件和采用的夯击能条件，从统计学和宏观的角度出发，将Si适当调整±2cm，同时确保占比在90%以上的双控制方法，应能满足工程要求。通过试夯区先确定收锤击数，这样方便施工现场组织和提高施工效率，对缩短强夯地基处理工期具有重要意义。

各强夯点累计夯沉量平均值S1=153.1cm，如图8所示。夯点位置夯沉下降部分的土体，即土体压缩量体积约V1 计算如下：

按强夯的施工顺序，第一遍强夯完成后会进行场地平整，根据土体压缩量相等原则，强夯试验区的场地平均沉降量S2计算如下：

式中，V1为强夯点的土体压缩量体积，m3；n 为试验区强夯点个数，A1为夯锤锤底面积，m2；S1为各强夯点累计夯沉量平均值，m;A2为强夯试验区面积，m2；S2为强夯试验区下沉降量，m。

上述通过土体等体积压缩方法可计算得到强夯后场地平均沉降量S2，再结合设计交工面标高，可为大面积强夯施工前场地平整高度计算提供参考。

3.2 强夯试夯产生的超静孔隙水压力测试数据整理与分析

强夯试验区域的夯击能为3000kN·m，根据规范，强夯有效加固影响深度估算约6～7m。第一遍强夯夯点(A1～A16)夯击过程中，距离试验区边缘20m 远处，不同土层的超静孔隙水压力值与时间关系，如图9 所示，不同土层的超静孔隙水压力每天变化值与时间关系，如图10 所示。

图9 不同土层的超静孔隙水压力值变化与时间关系曲线

由图9、图10 可知：①在强夯有效加固影响深度范围土体产生的超静孔隙水压力最大值是影响深度以下土层的10 倍；②在强夯处理后5d 内超静孔隙水压力累计消散占比约57.0%，之后消散的速度会缓慢进行；③从土层性质分析，填土层的消散速率会比淤泥质土和黏性土层快。

图10 不同土层的超静孔隙水压力每天变化值与时间关系曲线图

在强夯加固影响深度范围内的填土层中，距离强夯试验区边缘分别为20m（KY1-1）、30m（KY2-1）、40m（KY3-1）设置测点，测得的超静孔隙水压力值与时间关系，如图11 所示，超静孔隙水压力每天变化值与时间关系，如图12 所示。

图11 填土层中距试夯区边缘不同位置处的超静孔隙水压力值与时间关系曲线图

图12 填土层中距试夯区边缘不同位置处的超静孔隙水压力每天变化值与时间关系曲线

由图11、图12 可知：①在强夯有效加固影响深度范围内的填土层中，距试夯区边缘20m 与40m 远处位置土体产生的超静孔隙水压力值仅仅大近1.16 倍，说明在强夯平面影响范围内，同一土层产生的超静孔隙水压力值与距离试夯边缘的远近差别不明显，但是随着距离增加，压力值会相对小一些；②超静孔隙水压力累计消散速度规律基本一致，且消散的速率也接近，说明在上述夯击能下强夯试验区外约40m 影响范围内，同一土层的超静孔隙水压力消散速率与距离强夯位置没有关系；③在填土层中前5d 超静孔隙水压力消散速度快，可达到57%以上，12d 可达80%。第一、二遍强夯的时间间隔应根据试夯结果，确定一个合理的时间间隔，减少后期的工后沉降影响，缩短强夯地基处理施工工期具有重要意义。

4 结语

文中拟通过现场实际强夯试夯施工数据，探讨适用于确定大面积强夯施工的强夯收锤击数方法，以及强夯对周边土体形成超静孔隙水压力后的消散规律，得出主要以下结论：

（1）在前4 次的夯击作用下，夯沉量下降明显，以后夯沉量下降均匀后趋于稳定。

（2）应从统计学和宏观的角度出发，对夯点最后两击沉降量平均值Si适当调整±2cm，同时确保占比在90%以上的双控制方法，确定的强夯收锤击数能满足工程要求。

（3）在强夯有效加固影响深度范围下，土体产生的超静孔隙水压力最大值是影响深度以下土层的10 倍。

（4）在低能级强夯试验区外约40m，同一土层产生的超静孔隙水压力值与距离试夯边缘的远近差别不明显，但是随着距离增加，压力值会相对小一些，消散速率与距离强夯位置没有关系。