高填方土石料地基强夯有效加固深度分析

尹广田，于健

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；3.港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津 300222；4.天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

0 引言

强夯法地基加固因工艺简单、施工方便、经济可靠而广泛应用于地基处理工程中，该方法主要应用于碎石土、砂土、粉土、湿陷性黄土、素填土和杂填土的处理，近几年已有粉质黏土地基处理的工程案例，应用范围非常广泛，取得了显著的经济效益和社会效益，已成为我国最常用的地基处理方式之一。与其工程实践上的广泛应用相比，强夯法的设计理论还很不完善，强夯加固机理复杂，影响因素较多，很难在一个统一的理论框架内进行分析[1]。在设计上主要依靠以往工程案例所积累的施工经验，特别是强夯加固深度问题尚未有明确标准。张峰等[2]以竖向压缩变形为5%的深度作为标准；叶观宝等[3]以每米地层压缩变形为地表变形的2.5%的土层深度为标准；赵炼恒等[4]以附加动应力为10 kPa 的深度为标准；范维恒等[5]则是通过将加固后原位试验结果满足设计值作为标准。本文将结合某高填方土石料地基强夯加固现场试验对强夯法有效加固深度进行分析，并总结相应经验公式，为该类地基的强夯法加固设计施工提供一些参考。

1 有效加固深度的概念及影响因素

强夯法地基加固主要解决地基承载力和变形两个问题，这两个问题都与强夯的有效加固深度有关，也决定了夯击能、夯点的布置方式等关键施工参数的选取。对于强夯法地基加固深度的概念有“有效深度”、“影响深度”、“处理深度”等多种说法，规范中采用了“有效加固深度”的用语，但未解释其内涵和量化指标[6]；“影响深度”应理解为夯击能使得一定深度处的地基土体物理力学性质得到一定程度的改善，但改善程度不一定满足上部结构使用要求；“有效加固深度”是相对于上部结构使用要求而言的，即不满足工程使用要求的地基经强夯处理后能够满足工程要求的深度[7]。

强夯有效加固深度主要由施工工艺和地基土的性质两方面决定，施工工艺包括夯击能大小、夯锤的形状、夯锤的底面积等因素，地基土的性质包括土的类别、土的含水率、孔隙比、压缩性以及地下水位等因素。因此要达到预期的有效加固深度需结合地基土的性质采用合理的施工工艺。

2 有效加固深度的确定

强夯法的创始人Menard[8]曾提出下列公式估算有效加固深度：

式中：H为有效加固深度，m；M为夯锤重量，t；h为落距，m。

该公式考虑了夯击能量，未考虑夯锤面积、地基土的性质、地下水位等因素，因此在实际工程中误差较大。国内外工程界基于大量的工程实践结果，在Menard 公式的基础上将地基土的性质的影响归于一个小于1 修正系数来代替，形式简洁便于计算，修正的Menard 公式：式中：α为考虑地基土性质的修正参数，国内外大量学者针对不同地基土提出了众多取值范围，建筑地基处理技术规范中建议α取值在0.34～0.80 之间。

Billam 考虑了夯击能量、夯锤底面积和土的性质对有效加固深度的影响，提出了下列公式：

式中：k为折减系数，k = g/q，与土的种类和初始密度有关，一般取0.1～0.16（g为重力加速度，m/s2；q为土骨架的动阻力，kN/m2）；D为夯锤底面直径，m。

此外，国内外许多学者根据大量的工程经验建立了有效加固深度与夯击能、击数、单击夯沉量、土体含水率及容重等的统计关系[9]，还有一些学者通过能量守恒、数值分析、神经网络法[10-11]等对强夯有效加固深度进行了研究，一定程度上指导了强夯地基处理的设计工作，但是这些计算公式在应用上都具有一定的局限性。

通过地基某一深度处的变形或动应力来确定有效加固深度，在操作上比较困难，工程上强夯有效加固深度一般通过标准贯入、动力触探、静力触探等原位测试方法来评价地基一定深度范围内的承载力和变形等指标是否能够满足上部结构的使用要求来判断，也可通过更为简便的物探手段来定性评价强夯的加固效果，胡云龙在开山土石料强夯处理中采用瑞丽面波法检测[12]，董雪华证明了该方法简单、快速、有效[13]。

3 某高填方强夯加固试验区典型施工

3.1 地质条件

某填海造地工程采用周边山体的开山土石料回填而成，回填厚度约23 m。回填料以碎石、块石为主，并有一定的含泥量，回填料粒径不均，个别块石粒径达到1 m 左右，级配较差、孔隙大。地下水位位于地表下3 m 左右。

3.2 强夯试验区施工工艺参数

由于回填厚度较大，为了消除后期的土体沉降，需对地基进行加固处理，因此场区中开展了5种夯击能试验，夯击能分别为6 000 kJ、10 000 kJ、18 000 kJ、25 000 kJ、30 000 kJ 的强夯典型试验，其中夯击能为6 000 kJ、10 000 kJ、18 000 kJ的3 个试验区采用的夯锤直径为2.52 m，夯击能为25 000 kJ、30 000 kJ 的2 个试验区采用的夯锤直径为2.8 m。其余强夯施工工艺参数统计表见表1。

表1 施工参数统计表Table 1 Statistical table of construction parameters

点夯过程中可进行夯坑补填，补填料采用试验区内的回填料，每遍点夯之后进行场地整平。全部点夯结束后均进行一遍普夯，夯击能量为1 500 kJ，每点2～3 击，要求夯印搭接，且搭接部分不小于夯锤底面积的1/4。

强夯完毕后，地面表层采用激振力200～400 kN 的振动压路机振动碾压处理，碾压5～8 遍，直至无轮迹。

4 强夯有效加固深度分析

为了解强夯试验的加固效果，在加固试验过程中和加固后开展了大量的试验检测工作。在点夯过程中进行了表层及深层沉降观测、深层水平位移观测及孔隙水压力观测，在加固后进行了超重型动力触探试验、多道瞬态面波测试和平板载荷试验。

下面主要通过单点试夯的深层水平位移观测结果、超重型动力触探试验和多道瞬态面波检测结果对各种能级的有效加固深度进行分析总结，并总结其计算方法。

4.1 点夯试验地基超重型动力触探检测分析

回填料来自开山土石料，以碎石、块石为主，因此采用超重型动力触探对加固前后的场地进行检测，每个试验区加固前后分别进行3 个孔的超重型动力触探检测，检测位置位于4 个夯点的几何中心位置，且加固前后的检测位置一致，将加固前后各孔的动探击数按每米进行统计，如图1所示。

图1 试验区加固前后超重型动力触探试验结果Fig.1 Results of ultra-heavy dynamic sounding test before and after reinforcement in each test area

从图1 可明显看出：总体上强夯加固后地基超重型动力触探击数显著增大，地基物理力学性质得到改善。地表均存在一薄弱层，应为夯坑深度以上范围内加固作用相对较弱的部分；夯坑深度以下存在一层明显加强层，然后沿深度方向动探击数逐渐衰减，表明加固效果也逐渐减弱。

通过自上而下的全地层断面的超重型动力触探击数可以明显看出不同深度处地基改善程度，本工程作为强夯试验区，以加固后超重型动探击数增加5 击作为判断标准，因此5 种夯击能试验区有效加固深度分别约为9 m、10 m、13 m、16 m、17 m。

4.2 点夯试验地基多道瞬态面波检测分析

在地面施一适当的竖向激振力，地下介质中可产生纵波、横波和瑞利面波。其中瑞利面波在分层介质中具有频散特性，且瑞利面波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关，因此往往可根据瑞利面波波速判断地层密实情况。

采用50 kg 重锤（落距1.5 m）作为激振力。检波器24 个，道间距2 m，偏移距5～10 m。在加固前后的相同位置上分别布置3 条测线，每条测线上设置6 个测点，典型的频散曲线见图2。

图2 试验区加固前后多道瞬态面波试验结果Fig.2 Results of multi-channel transient surface wave test before and after reinforcement in each test area

从图2 可看出：强夯加固后上部地基土波速显著，即地基土密实度增大，上部地基得到改善。加固后地基土的面波波速离散性较大，根据波速量化判断有效加固深度尚有难度，从加固前后频散曲线总体趋势可定性判断5 种夯击能试验区的有效加固深度分别为9 m、10 m、14 m、17 m、18 m。

4.3 点夯试验地基深层水平位移监测分析

每个试验区先进行单点夯击试验，在试夯夯点附近布设了地表沉降标、深层水平位移、孔隙水压力计等监测仪器，其中深层水平位移的测斜管距中心夯点的距离分别为6 m、8 m、10 m、12 m，测斜管埋设深度约25 m。点夯试验监测设施布置平面图见图3。

图3 单点试夯监测设施布置平面图Fig.3 Layout plan of single-point test tamping monitoring facilities

观测结果表明，点夯时地基土发生明显侧向变形，离夯点越近，夯击能越大，土体的深层水平位移越大，影响深度也越大[14]。各试验区深层水平位移最大值统计见表2，深层水平位移曲线见图4。

图4 试验区单点试夯地基深层水平位移Fig.4 Deep horizontal displacement of single-point test compaction foundation in each test area

表2 各试验区深层水平位移最大值统计表Table 2 Statistics of maximum horizontal displacement in depth of each test area

最大深层水平位移曲线接近横置的抛物线形状，强夯加固有效深度可取最大深层水平位移发生深度的2 倍，夯击能为25 000 kJ 和30 000 kJ的试验区的深层水平位移监测位置距离夯点6 m，位于4 个夯点的中心位置，因此其有效加固深度分别为14 m 和16 m；而夯击能6 000 kJ、10 000 kJ、18 000 kJ 三个试验区的夯点间距分别为7 m、9 m、10 m，考虑到夯击能在地基是向下扩散的，即距离夯点越远，最大影响深度越大，最大深层水平位移发生的深度也越大，因此这3 个试验区距离夯点6 m 位置观测到的最大水平位移深度应偏大，即其强夯有效加固深度应分别小于11 m、11 m、13 m。

5 强夯有效加固深度经验公式探讨

影响强夯有效加固深度的施工工艺和土质性质等方面因素众多，采用一个计算公式能够全面反映上述所有因素是很困难的，从工程应用的角度来讲也是没必要的。

夯击击数一般由最后两击的夯沉量差值决定，满足夯沉量差值要求后认为继续夯击已经没有效果了，也不经济，即可认为将该能级的夯实效果已经完全发挥出来，因此在夯击击数满足停锤标准的情况下，认为该因素不影响加固深度；夯点间距和夯击遍数也不影响加固深度，而土质参数则较为复杂，随着强夯工艺应用的越来越广泛，特别是在开山土石回填土、建筑垃圾回填土等复杂非均质地基加固工程中应用较多，要根据地质情况建立强夯加固深度计算公式比较困难，因此强夯有效加固深度主要是由单位面积的夯击能决定的[15]，本文重点探讨强夯加固深度与夯击能和夯锤面积等施工参数的关系，夯锤面积跟冲击荷载有关，Menard 公式未考虑夯锤面积是有欠缺的，而且在有些强夯加固工程的设计文件里面只对夯击能、夯点间距、夯击遍数、击数等施工参数提出要求，而忽视了夯锤面积，这是不合理的。

综合上述各个试验区多种原位检测及监测结果，可基本判断6 000 kJ、10 000 kJ、18 000 kJ、25 000 kJ 及30 000 kJ 夯击能试验区有效加固深度分别约为9 m、10 m、13 m、16 m、17 m。推算Menard 公式修正系数α 在0.31～0.37 之间，比规范建议值略小，说明夯击能越大，修正系数α越小。推算Billam 公式折减系数k在0.000 4～0.001 0 之间，修正系数偏离幅度较大，难以在工程上应用。

考虑到强夯加固深度主要与夯击能、夯锤面积等施工参数有关，本着应用简单又能够反应夯击能、夯锤面积等主要施工参数的原则，本文根据5 个夯击能强夯试验相关监测检测结果建立高填方开山土石料强夯加固深度的经验公式：

式中：H为有效加固深度；A为夯锤底面积；α为修正系数；Δh为有效加固深度修正值。

按上述公式进行拟合，推算α= 0.03，Δh=5.8，拟合关系曲线见图5。

图5 拟合关系曲线图Fig.5 Fitted relation curve

6 结语

1）强夯加固地基的有效加固深度采用动力触探、标准贯入、多道瞬态面波测试等现场原位测试手段检测加固前后地基土的性质来判断，较为直观。

2） Menard 修正公式简单直观，但未考虑夯锤面积的这一关键参数。本次试验中修正系数α在0.31～0.37 之间，比规范建议值小，高能级强夯修正系数α应取小值；Billam 公式推算折减系数k在0.000 4～0.001 0 之间，难以应用。

3）观测夯点几何中心位置地基土的深层水平位移是一种简便易行的判断强夯有效加固深度方法，沿深度方向的最大水平位移曲线呈横置的抛物线形状，强夯的有效加固深度可近似为地基水平位移最大深度的2 倍。

4）根据多种试验检测手段结果，总结了5 个不同能级强夯试验区的有效加固深度，建立了高填方开山土石料强夯有效加固深度经验公式，考虑了主要夯击能、夯锤面积等主要施工参数，为类似工程提供一些借鉴。