强夯置换法软土地区现场试验

文／焦广昶 中航勘察设计研究院有限公司 北京 100098

引言：

我国沿海、沿江、沿湖地区广泛分布着软土，随着我国国民经济的快速发展，建筑行业发展迅速，工程建设过程中常常会涉及到软土问题；软土具有含水量大、渗透性弱、天然强度低、压缩性高的特性，是近代水下沉积的饱和软黏土；软基处理成为工程建设必然要面临的问题。软基处理主要处理的方法包括置换法、排水固结法、振密挤密法、加筋法、灌入固化物法等。对于大面积软基处理，强夯置换是一种经济、快速、有效的处理手段。强夯置换是由强夯法改进而来，因强夯法处理不适用于高含水量软粘土或饱和软土，通过对强夯法采取诸如增加排水通道或改变施工工艺等方法进行改进，强夯置换工艺产生，强夯置换不再通过强夯中夯锤的夯击能来改变软土密实程度和加速排水固结，而是利用夯锤下落将“填料”—即砂、石等粗颗粒料挤入软土中，形成“填料软土”的复合地基为上层构筑物提供承载力。强夯置换相对于强夯，在加固软粘土特别是高含水量或饱和粘土时，在没有辅助排水设施如砂井等能够起到较好的加固作用，也不易发生多次夯击后“吸锤”、“橡皮土”等不利现象。在强夯置换过程中，动力挤密、置换成墩、排水固结等机制相辅相成，形成复杂的整体加固效果[1]。强夯置换的应用形式大致可归纳为三种：1） 单点夯击置换形成独立的墩置换体形式;2）有足够间距的群点置换,形成有序排列的群墩复合地基的置换形式;3）密集布置的群点夯击,形成整体置换的形式。根据其处理深度,强夯置换法乃属于浅层地基处理的一种方法。根据己有工程经验,三种方法都有使用,但第二种形式应用最为广泛。强夯置换工艺在20世纪80年代，首先由法国公司将强夯置换作为软弱土处理技术投入工程建设，强夯置换法在国内最早于1985年在山西大学化学实验楼地基处理中应用,获得成功后在国内开始广泛使用。该处理方法在机场跑道、公路、铁路、港口、民用建筑等领域都有广泛的应用。本文以工程实例为依托，介绍强夯置换工艺在软土中置换墩长进行试验研究，并对其处理后隆起量进行分析，并进行了单墩静载荷试验，为今后工程提供一些参考。

1、工程概况

本工程为湖北某机场，工程涉及到的软土主要包含②-1淤泥层、②-2 淤泥层、②-3 淤泥质黏土层、②-5 淤泥质黏土层，其中②-1 层淤泥主要分布于湖塘底部，为浮泥，工程性能最差，地基处理需清除掉；②-2 层淤泥工程性能差，②-3 层淤泥质粘土以及②-5 层淤泥质粘土，低承载力，高压缩性，功能性较差。软土层厚度约为3.0 ～6.0m。本场地软土具有高压缩性，其正常固结压缩系数约为0.5 ～1.5MPa-1，最大可达4.5 MPa-1，软土的高压缩性会导致地基沉降量大；具不均匀性，该地层在水平和垂直上分布不均匀，导致软土地基的差异沉降；低强度，其不排水抗剪强度均在20kPa 以下，具触变、流变和蠕变等特性，会导致软土地基侧向滑动，或向基础两侧挤出。对地基处理要求较高，若处理不当，后期可能发生较大的沉降及不均匀沉降，影响机场的正常使用。该区典型剖面地层如下：0～1m 为②-1淤泥层，1～3.7m 为②-2 淤泥层，3.7～6.6m 为②-3 层淤泥质粘土，6.6～8.7m 为⑤-2 粉质粘土，再往下依次为⑥-1强风化细砂岩和⑥-2 中风化细砂岩。该软土区域拟采用强夯置换工艺进行地基处理，通过试验段进行现场试验研究，判断强夯置换的适用性，验证设计参数是否可行。

表1 岩土参数表

2、试验段设计方案

该工程试验区为Q4 试验区，位于湖区，强夯置换试验区能级4000kN·m，该试验区设计方案为：不清表层淤泥，采用施工垫层，单击夯击能4000kN·m，置换墩预估深度按最深6.0m 考虑。单点夯击次数通过现场试夯确定，达到设计墩长（如无法达到，以最后两击平均夯沉量小于100mm 为准）。

Q4 强夯置换试验区复合地基处理技术参数：

（1）强夯置换采用柱锤冲击成孔，强夯置换采用直径1.3m，重量约15t的柱锤，夯扩墩直径2.0m，采用梅花型布点，间距5.0m×5.0m，强夯置换为2 遍点夯、点夯完成后进行1 遍满夯，满夯夯击能为1000kN·m。

（2）强夯置换填料应采用级配良好的块石、碎石等硬粗颗粒材料，粒径10～30cm，粒径大于30cm 的颗粒含量不宜超过30%，粒径小于10cm 的颗粒含量不超过20%。

（3）强夯置换前应先根据实际现场情况铺设碎石层，便于夯机施工。施工需从四面各处同时施工，不可从一侧向另一侧顺序施工。施工完毕后，推平场地，采用单击夯击能1000kNm 进行满夯，锤印搭接不小于1/4。

（4）满夯完成后，墩顶铺设一层厚度不小于500mm厚碎石或山皮石,最大粒径不大于10cm。

图1 强夯置换墩平面布置图

3、Q4 试验区现场施工情况

3.1 垫层铺设

由于试验区表面较软，无法上机械施工，首先铺设施工垫层，Q4 试验段垫层总厚度约1.8m，进入②-1 层深度约0.4m，试验区周围淤泥隆起约0.2m，垫层顶高于周围淤泥层顶面约1.4m。垫层厚度对置换体深度有影响,垫层厚度太小，机械施工安全无法保障，很可能出现机械倾覆的现象，而且易发生夯锤击穿垫层导致掉锤丢锤现象，但是相同夯击能量情况下, 块石垫层相对薄者置换深度较大；垫层厚度大，置换深度就会小。

3.2 强夯置换施工

Q4 试验区开始试夯施工，先进行第一遍点夯施工，再进行第二遍点夯施工，最后进行满夯施工，施工过程详细记录各击夯沉量和填料量，夯坑隆起等都进行了详细的记录。应采取先小夯击能量、后大夯击能量施工工艺，可以取得良好的施工效果，能有效防止掉锤丢锤现象发生。

4、强夯置换现场试验监测及检测

4.1 墩长检测

为得到墩体置换深度，准确判定强夯置换实际深度和加固影响深度，选取置换墩体，采用特殊钻探工艺及专用钻探器具进行钻孔验证。对完成的其中4 个置换墩进行钻芯检测，钻孔检测结果为：墩长从垫层顶算起，置换墩长度约5.2m、4.9m、4.2m、5.2m。试验过程中，通过改变锤长、增加锤重等方式改变试验条件，置换墩长度始终长约5m，在垫层材料性质和厚度确定的情况下 , 某一夯击能量对应一定的极限置换深度，当单点夯击数超过16 击时，夯坑周边开始有明显隆起，再增加夯击次数对置换墩的深度影响很小，填料只会从置换墩两侧挤出，置换料很难向下移动。夯击能过大，会造成掉锤埋锤现象的发生。特定条件下，增大夯击能、增加锤重、增加锤长对夯扩墩的长度影响很小。

为验证强夯置换墩体置换深度，准确判定强夯置换实际深度和加固影响深度，选用地质雷达对强夯置换进行检测，地质雷达检测主要目的是检验置换墩着底情况和扩径大小，根据现场的实地条件（置换墩中心准确位置），将钻孔的置换墩作为地质雷达检测对象，相互验证。检测数据表明，置换墩墩底实际埋深与地质雷达判读结果基本吻合。本试验使用直径1.3m 的夯锤，通过地质雷达检测图像判断，置换墩直径可达到2m 左右。

图2 墩长检测

4.2 夯坑隆起监测

对Q4 试验区选取9 个点进行夯坑隆起监测，在强夯置换墩附近布置影响范围监测点，确定置换墩施工过程对周围土体的影响范围。夯坑隆起监测结果详见图3夯坑隆起量记录表。通过对Q4 区9 个夯点周边隆起数据的测量分析，强夯置换对周边土体的影响范围为6 米左右，最大隆起65cm。夯坑周围最大隆起量一般为20～60cm。

图3 夯坑隆起量记录表

4.3 单墩静载荷试验

选择置换墩进行单墩平板静力载荷试验，承压板采用2.0m 圆板。试验加载量每级加载量120KN。

表2 Q-s、s-lgQ 曲线

根据静载试验的荷载-沉降曲线所示：桩加载至1440kN，本级历时210min，累计沉降40.06mm，达到终止加载条件，故取其前一级1320kN 为极限荷载，其承载力特征值为660kN，累计沉降量为22.82mm。强夯置换后，置换墩体与墩间土间存在明显的不均性，设计时应充分考虑到强夯置换后地基土的不均匀性。

结语：

通过现场试验，可得出如下结论：垫层厚度对置换体深度有影响 , 垫层厚度太小，机械施工安全无法保障，很可能出现机械倾覆的现象，而且易发生夯锤击穿垫层导致掉锤丢锤现象，但是相同夯击能量情况下, 块石垫层相对薄者置换深度较大；垫层厚度大，置换深度就会小。强夯置换开始施工时先采用小能级，否则同样会造成强夯锤埋没入软土中，很难提上来的情况发生，甚至会发生夯锤下沉较深，无法找到的现象发生。当单点夯击数超过16 击时，夯坑周边开始有明显隆起，再增加夯击次数对置换墩的深度影响很小，填料只会从置换墩两侧挤出，置换料很难向下移动。使用直径1.3m的夯锤，采用单击夯击能4000kN·m，置换墩直径可达到2m 左右。置换墩长入泥平均深度约为3.5m，且和能级关系不大，能级过大，会造成埋锤现象的发生，锤长过长，锤不容易站立，易发生倾覆，不利于施工安全；最后两击夯沉量普遍在15～30cm 之间。强夯置换对周边土体的影响范围为6 米左右，最大隆起65cm。夯坑周围最大隆起量一般为20～60cm。通过对强夯置换墩进行单墩静载荷试验得出承载力特征值为660kN，累计沉降量为22.82mm。