强夯置换法在沿印松高速公路软基处理中的应用研究

刘一君

(贵州陆通工程管理咨询有限责任公司，贵阳 550014)

高速公路是封闭的专供汽车分道分向行驶的快速公路。为确保汽车安全快速行驶，高速公路路线平纵面指标相对较高。为保证高速公路路线的合理性，尤其复杂条件下的安全性、舒适性、美观性，则不可绕避山岭、峰峦、沟壑、江河。高速公路穿越沟谷、滩涂时，沿线往往分布有斜坡、堆积体、软土等不良地质，须做特殊处理。特殊路基特别是软土路基的地基处理，优选工期短、费用低、效果好的处理方法，可达到显著的处理效果。强夯置换适用于高饱和度的粉土与软塑-流塑的粘性土地基上对变形要求不严格的工程[1]。经强夯置换处理的软土地基，提高了地基强度，改善了排水条件[2]，该方法已在软弱地基处理中有所应用[3]。

本文结合强夯置换机理和具体施工方法，对贵州沿印松高速公路TJ-7合同段强夯置换处理软土地基进行全过程总结探讨，对强夯置换法的处理效果及适用性进行深入研究。

1 强夯置换原理

对砂土、粉砂土、非饱和粘性土等软土地基的处理，采用强夯法通过巨大的夯击能可改变软土地基的力学性能，提高软土地基的土体密度，处理后的软土地基能发挥应具备的持力作用。但对颗粒细小和孔隙间饱含的水分不易排出的软塑-流塑状粘性土，或饱和的淤泥、淤泥质土地基的处理，采用强夯法地基性能反而不见改变，甚至出现软弹和隆起。

强夯法处理饱和粘性土地基时，在夯坑内回填块石、碎石等粗颗粒材料后，再利用夯锤夯击，形成连续的强夯置换墩[4]。置换墩能加快软土中孔隙水压力的消散，能加速地基的固结，且与地基土共同承受荷载，置换处理后的软土地基同样能够发挥应具备的持力作用。强夯置换法将强夯与置换完美结合在一起，弥补了单纯的强夯法不能加固饱和软粘土地基的不足[5]。其原理如图1所示。

从图1可见，强夯时夯锤自高处落下，在重力作用下夯锤接触地面瞬间砸入地基软土中，释放出巨大能量，软土地基出现以下情况：

1) 位于夯锤底的软土直接承受夯锤的巨大冲击力，体积急剧压缩并急速下移，密度随之增大，在夯坑底部形成冲击密实区，如图1(a)中B部位。

(a) 形成夯坑

2) 位于夯锤侧面周围的软土受到夯锤瞬间的巨大冲击力发生竖向剪切破坏，被迅速排开向夯锤侧面周围挤压形成夯坑，如图1(a)中A部位，夯坑周围成为挤压密实区。

3) 向图1(a)中A部位的夯坑回填粗颗粒材料，如图1(b)所示，填料后再夯击，填料随之下沉形成新的夯坑，如图1(c)所示。

4) 向图1(c)中新的夯坑回填粗颗粒材料后再夯击，重复夯击、重复填料，地基软土不断被排开，填料不断在软土中下沉，如图1(d)所示。

5) 通过重复夯击、重复填料，填料最终穿过软土层，下沉至较硬土层，形成强夯置换墩，置换墩周围软土得到排水固结、挤密加固，如图1(e)所示。

2 强夯置换工程实例

2.1 工程简况

1) 特殊地质

沿印松高速公路处于云贵高原向湘西丘陵过渡斜坡地带，以中低山和低山为主，受浅切中低山地形及地质构造影响，形成平行的山岭与谷地，山间谷地地表被粘土覆盖，水系发育，局部分布淤泥质软土。路线沿山间斜坡及洼地布设，山间斜坡存在边坡失稳或开挖易形成顺层边坡问题；在洼地、稻田及山间沟槽分布的粘性土长期被水浸泡、沉积，经生物、化学作用形成软塑-流塑状，局部含有机质，粘土中的矿物具有较强的亲水性和表面活动性，承载力低，易产生不均匀沉降。

2) 工程概况

合同段内K72+220～K72+570、K72+620～K72+730、K72+830～K73+080共有3段长710 m深度大于3 m的软土地基，均为路线通过低洼水田段，基本为路基区域上覆冲洪积层淤泥质粘土，呈软塑-流塑状，或为冲洪积层粘性土，软塑状，最深处有6 m以上，且具有含水量大、孔隙比大、压缩系数高、强度低等软土特性及特殊工程地质性质的流变性和触变性。路线均以填方路基形式通过，填方高度5 m～8 m。若直接填筑路基，则易产生沉降和滑移，甚至出现沉陷或失稳。

2.2 软土地基处理

2.2.1 设计处理方案

采用强夯置换成墩法处理，置换墩长度为5.5 m、6.5 m两种，直径均为3 m，墩间中到中距离均为5 m，正三角形布置，处理至路堤坡脚线外3 m范围。置换材料采用级配合理的片块石、碎石或其它硬质粗颗粒材料，粒径不大于夯锤底面直径的1/5、大于300 mm的颗粒含量不超过总量的30%，含泥量小于10%[6]；处理深度为置换墩穿透软土层并达到较硬土层上[7]。处理后复合地基承载力fspk≥160 kPa，单墩承载力特征值fak≥320 kPa；置换墩密实度大于中密(N63.5≥10)；填筑的路基工后沉降及填方稳定性符合规定。强夯置换墩布置如图2所示。

图2 强夯置换墩布置

2.2.2 设备选型

1) 夯锤

(1) 在起重能力许可情况下，宜采用重锤[8-9]；(2) 根据置换墩直径3 m的处理方案及置换墩的计算直径，可取夯锤直径的1.1～1.2倍的规范规定，夯锤选用直径2.5 m的圆形夯锤；(3) 地基软土可能扩大或缩小置换范围，加大或减小墩体扩散，备选同重量、同类型直径2 m的圆形夯锤，试夯时检验墩体成型；(4) 为提高夯击效果，直径2 m和2.5 m夯锤底面均对称设置400 mm孔径与顶面贯通的排气孔4个，以利夯锤着地时能够迅速排出夯坑内的空气，起锤时减小夯坑底的吸附；(5) 夯锤重40 t，可达到较大的夯击能。

2) 起重机

(1) 为适配选用的夯锤，起重设备按额定起重量不超过夯锤重量、起重能力不低于夯锤重的1.5～2.0倍配置，直径2 m和2.5 m夯锤均重40 t，起落高度15 m～25 m；(2) 选用600型液压履带式强夯机起重能力可达夯锤重的1.5倍；(3) 选用800型液压履带式强夯机起重能力可达夯锤重的2.0倍；(4) 起重设备带自动脱钩装置，保证起夯时不滑钩，脱钩灵活快捷，挂钩方便迅速。

2.2.3 参数预设

1) 锤底静压力

夯锤底静接地压力值按夯锤在静止状态下夯锤重与锤底接触地面面积之比计算。经计算，直径2 m和2.5 m夯锤锤底静压力分别为152 kPa和91 kPa，均符合夯锤底静接地压力值宜大于80 kPa的规范规定。

2) 地面抬高值

按长度和直径计算，一个置换墩的体积分别约39 m3和46 m3。强夯置换后，土体被挤密，部分软土被挤入置换墩内，但地面仍会隆起并抬高。按处理方案布置强夯置换墩，结合地基软土特性与现场土样试验数据，分析一个置换墩完成后可能隆起的范围和面积，计算地面预计会抬高约0.93 m和1.09 m。

3) 夯击能

夯击能由有效加固深度确定[10]，单击夯击能的计算为夯锤重与夯锤落距相乘。选定的夯锤重40 t，15 m落距单击夯击能可达到6 000 kN·m，20 m落距单击夯击能可达到8 000 kN·m。

为获得较大的落地速度，减少消耗在地表塑性变形的能量，尽可能提高夯锤落距，重40 t夯锤如配置800型强夯机，夯锤落距可超过20 m，单击夯击能有望超过8 000 kN·m。

4) 夯击次数

夯击数为夯坑土层液化、周围隆起严重逼迫停夯时的击数；强夯置换的夯击数为置换墩穿过地基软土层且达到设计墩长、累计夯沉量为设计墩长的1.5～2.0倍、单击夯击能6 000 kN·m～8 000 kN·m能级最后2击的平均夯沉量小于150 mm等条件下的击数。夯击数通过试夯确定，夯击次数拟在20～30击。

5) 夯击遍数

根据地质勘探资料结合地基软土特性，夯击遍数拟定为2遍。如果地基软土的渗透性太差或偏好，夯击遍数可增加或减少1遍，但不能出现翻浆软弹。2遍之间的间歇时间拟在14 d～21 d，以试验性处理测得地基软土孔隙水压力的消散时间为准，该间歇时间是保证强夯置换效果的关键。

2.2.4 试验性处理

1) 试验段选择

根据选用的设备型号和预设的工艺参数，在现场选取有代表性的试验段进行试验性处理，检验置换效果，确定工艺参数。结合现场软土地基分布、置换墩长度等因素，选择K72+220～K72+570段设计墩长6.5 m范围、便道易接入段落进行试验性处理。

2) 试吊

重40 t夯锤采用600型强夯机起吊，夯锤提升高度13.9 m，达不到15 m～25 m落距，单击夯击能小于6 000 kN·m。改用800型强夯机起吊，夯锤可提升到21.2 m，单击夯击能可超过8 000 kN·m。

3) 试夯

直径2 m和2.5 m夯锤分别试夯。试夯时，将夯锤起吊至预定的20 m高度开始夯击，起锤困难时暂停夯击，回填夯坑后再夯击。开夯后都出现了歪夯、起锤困难，将夯锤高度加高0.5 m，并在夯锤边缘加焊钢板，歪夯和起锤困难大为减少。

4) 试验性处理

现场放样试验墩墩位并编号，放样的墩位设置可靠标志。夯前将塔尺立于夯锤顶，测量锤顶标高，夯击1次测量1次，前后2次测得的差值为此击的夯沉量；逐击记录夯坑深度、填料用量、夯沉量。最后2击的平均夯沉量小于150 mm时停夯。

在试验区域中心位置钻孔，安放孔隙水压力计，测量各深度的孔隙水压力，确定地基软土孔隙水压力消散时间，以此确定夯击遍数。

5) 试验结果及分析

试验性处理完成后，检查夯击次数，检测试验墩着底及密实度与单墩承载力，整理试验数据，得出试验结果，如表1所示。

试验墩逐击记录数据显示，软土地基表层及上层的夯沉量最大，首夯形成的夯坑最深，填料后往下逐击下沉变缓，夯沉量逐击减小，接近墩底或穿过软土层后更为缓慢。试验记录数据反映出：填料用量与墩体体积、累计夯沉量与墩体长度均存在内在关系；依据填料用量可推算墩体体积与置换长度，并可预判墩体密实度与着底。

表1夯击试验记录数据表明，直径2 m和2.5 m夯锤累计夯沉量和最后2击平均夯沉量的夯击数分别为19～23击和25～27击；累计夯沉量11.232 m～12.245 m，为设计墩长的1.7～1.9倍，直径2.5 m夯锤成墩填料用量与墩体体积的倍数与之基本一致，2 m夯锤成墩填料用量与墩体体积的倍数与之偏小较多，反映出直径2 m夯锤成墩墩径达不到3 m；最后2击平均夯沉量40 mm～46 mm。夯击试验时，孔隙水压力计测得地基软土孔隙水压力夯击1遍后需16 d才能完全消散；试验墩夯击2遍，每遍填料2～3次。

表1 试验墩夯击记录Table 1 Ramming records of test piers

重型动力触探检查表明，试验墩长度6.6 m～6.8 m，墩底已穿透软土层；单墩承载力500 kPa以上，墩体密实度中密以上；测量试验段地面抬高0.97 m，较预估地面抬高值小，有效夯沉量反映出置换效果较好。

由以上试验成果确定强夯置换采用直径2.5 m夯锤成墩，夯锤起落高度19.5 m～20.0 m，夯击击数25～27次，夯击遍数2遍，2遍之间的间隔时间16 d，停夯标准为最后2击平均夯沉量40 mm～46 mm，强夯置换后地面抬高0.97 m左右。

2.2.5 地基处理

1) 场地整理

软土特性决定了强夯置换前一般无法对现场进行有效的清理和整平，处理时随施工便道逐步向处理区域推进，用置换材料填平场地，粗略整理后能够承受机械荷载、便于设备移动；地表如为极其软弱的淤泥质腐殖质粘土，且地下水位较高，不能承载机械设备，除用置换材料回填场地外，现场沿永久排水位置采取临时措施疏排降低地下水位，改善场地环境，便于设备就位。

2) 现场测量

(1) 在填平的场地上按照设计处理方案放样布点，现场标出墩位位置，测量场地标高与墩位高程；(2) 每1个置换墩夯击前测量夯锤落距，每1遍夯击前检查夯坑位置，完成后复核墩位；(3) 夯击时，测量夯击深度记录夯沉量，填料后重新放样并标出墩位；(4) 停夯时，测量最后2击的平均夯沉量；(5) 强夯置换完成后，测量处理段的场地标高，复核地面抬高值。

3) 强夯置换

(1) 一般地段置换

夯击前，检查起重设备及滑轮组、脱钩装置，在起吊钢丝绳上设置高度标记；设备就位后，夯锤置于现场标出的墩位位置；每1击夯锤起吊到设定的高度后启动脱钩装置，夯锤自由下落冲切场地填料形成夯坑；夯击时，夯锤保持平稳下落，墩位无明显错位，夯坑无过大倾斜；如夯坑倾斜过大起锤困难，填平夯坑后再夯击。

夯坑成形后，测量夯坑深度和坑口直径，计算夯坑容积后向坑内填料，记录填料数量，整平后落锤夯击；墩位周围软土挤出影响强夯置换时，清理并回填填料后继续夯击；填料一般控制在2～3次，每次2.5 m～3 m，如地质条件太差可增加填料次数；填料时，夯坑深度一般不小于2 m，夯坑过深起锤困难时，回填夯坑后再夯击；夯击形成的夯坑，深度一般为夯锤直径的1～2倍，回填时分次向夯坑内填料。

(2) 特殊地段置换

部分段落或个别墩位如夯坑壁无液化、夯坑内无明显渗水、地面无异常隆起，现场可连续夯击、填料、再夯击，可直接达到置换深度，夯击遍数则减少为1遍，但停夯标准仍以最后2击的平均夯沉量和夯坑周围地面的隆起量、夯坑深度对起锤的影响等控制。

(3) 夯击与停夯

为获得足够的单击夯击能，重在控制夯锤落距，用锁定钢丝绳长度或在钢丝绳上做固定标记等方法加以控制，落距偏差一般0.3 m～0.5 m。置换深度达到较硬土层，最后2击平均夯沉量如未达到停夯标准，但地面无过量隆起，无夯坑过深影响起锤，表明地基土的压缩性仍较高可继续夯击；夯锤与夯坑壁摩阻力过大或出现吸锤时，填料后再夯击，直至达到停夯标准；最后低能量满夯使其表层平整、密实[11]。

用获取的监测数据和测得的孔隙水压力消散时间控制强夯置换。完成1个置换墩后，移动设备至下一个墩位继续置换，完成的强夯置换墩达到要求的置换效果。如个别段落或个别墩位地面出现过大隆起、翻浆软弹、起锤困难，立即停止夯击，回填夯坑待孔隙水压力消散后再夯击，同时减少相邻置换墩的夯击次数，增加孔隙水压力的消散时间。

2.3 工程检验

强夯置换过程中，检查现场记录和测试数据；强夯置换完成后，检查置换墩着底与密实度、单墩承载力；软基处理结束28 d后，检验地基承载力。置换墩密实度、单墩承载力的检验数量为总墩数的2‰，且不少于3根；墩间土强度每3 000 m2检验6点。

1) 采用动力触探法随机检测，结合侧壁摩阻力和摩阻比与深度关系曲线，土层自上而下分为2层：软塑状淤泥质粘土最厚5.7 m，可塑状红粘土5.0 m～9.7 m、局部12.8 m以上，与地质勘察报告基本一致；检测的强夯置换墩已穿过淤泥质粘土层、到达可塑状红粘土层。

2) 采用动力触探法随机检验3个强夯置换墩密实度，N63.5击数分别为16击、15击、18击，超过10击以上，密实度均大于中密。

3) 采用单桩平板载荷法随机检验3个强夯置换墩单墩承载力，承载力特征值fak分别为526 kPa、552 kPa、534 kPa，均大于320 kPa。单桩平板载荷试验结果如表2所示。

表2 强夯置换墩单桩平板载荷试验结果Table 2 Test results of single-pile flat-plate load of dynamic compaction replacing piers

4) 采用静力触探和室内试验随机检查墩间土强度，其物理力学指标与地质勘察报告比较，强夯置换后土体明显挤密，性能显著改变，且随置换深度增大而增强。

5) 对墩长5.5 m和6.5 m强夯置换处理软土地基的不同区域分别进行地面抬高值测量，地面因隆起而抬高分别为0.85 m和1.02 m，隆起的体积达到填入填料体积的2/3以上，有效夯实系数大于0.75。

3 强夯置换效果

软基处治以沉降控制为主[12]。强夯置换段沉降观测和侧向位移观测从试验性处理开始伴随强夯置换结束，路基填筑至路基沉降稳定到沥青路面摊铺，设置地表沉降量与水平位移量及隆起量、地下土体水平位移与地基内部沉降观测。

1) 强夯置换期观测

强夯置换时，地表随着置换深度的深入，上升并隆起且水平位移加剧，地下土体水平位移明显增大并急剧上升；随着强夯置换的结束，地下土体水平位移与上升随之减缓。地表上升高度与地面隆起的抬高基本一致。

2) 路基施工期监测

强夯置换软基处理段各观测点监测结果如图3所示。软基处理段路基填筑过程中，地基沉降速率基本在0.15 mm/d～0.3 mm/d左右。从图3中可以看出，路基填筑期沉降稍大，完成后沉降减小，随后趋于缓慢，往后时态曲线长时间处于变缓趋势。说明沉降基本源于路基填筑，地基未引发沉降，且地基随着路基填筑高度与填筑时间形成沉降速率曲线，并随着路基填筑高度的增加和稳定呈一致的增加和稳定。

图3 沉降观测曲线Fig.3 Curves of settlement observation

施工期实测沉降、预测最终沉降与工后沉降对比分析如表3所示。根据表3沉降观测数据，结合软基处理段填方体沉降变形预测分析[13]，结果表明：软基处理段预测最终沉降量15.05 mm～29.32 mm，施工期实测沉降量10.2 mm～20.3 mm，占预测总沉降量的66.98%～70.32%，工后沉降量占预测总沉降量的29.68%～33.02%。

3) 效果分析

表3表明工后沉降较小，说明强夯置换处理软土地基效果显著；施工期沉降率占比较大，说明路基填筑控制较好。图3和表3说明强夯置换处理软土地基能够有效减小工后次固结沉降[14]。路基填料自重引起的沉降小于规范规定，工后沉降满足设计要求。

表3 强夯置换处理软土地基段施工期沉降与工后沉降分析Table 3 Settlement analysis of soft soil foundation section treated by dynamic compaction replacement during construction and after construction

通过路基施工结束沉降稳定到沥青路面摊铺后为期2年的连续观测，侧向位移数据显示路肩最大位移值2.1 mm～2.5 mm，地基土体深部与路基位移量较小，现场无下陷和滑移迹象，路基未出现开裂、不均匀沉降、沉陷等不稳定现象及边坡失稳情况，沥青路面无路基变形反射，表明强夯置换处理软土地基对提高路基的整体稳定性、承载力和减少路基的工后沉降具有显著效果[15]。

4 结束语

通过强夯置换工程检测和沉降观测，置换墩下方土体被压缩紧密、周围土体受强烈挤压，软土地基经显著的压缩和挤密，同时在置换墩的排水作用下加速固结，性能大为提高；软基处理达到效果，处理段路基工后沉降和填方稳定性满足要求。强夯置换法适用于饱和粘性土地基的加固处理。就沿印松高速公路软基路段采用强夯置换法处理，主要结论如下：

1) 墩径3 m的强夯置换处理方案，夯锤选用直径较大，夯锤相对较重，易实现单击能量大、夯击遍数少，但夯锤底静接地压力值不易满足，容易出现歪夯或起锤困难，需配置较大型号的起重设备。如果墩径小，则可采用高径比大的小直径夯锤，增大夯锤底静接地压力值，大落距更易提高单击夯击能。

2) 墩径3 m、墩间中到中5 m正三角形布置处理软土地基，置换墩占比较大，地基以置换墩承载为主，墩间土作用较小。饱和性软粘土不可再挤密时，地面会出现隆起，此时的隆起量足以反映置换效果。试验性处理和检验强夯置换达不到效果时，应改变处理方案。

3) 根据监测点的水平位移和垂直沉降位移监测数据，以及不同深度的孔隙水压力消散时间控制强夯置换速率，按照路基中心线位置每昼夜的沉降速率和坡脚每昼夜的水平位移速率控制软基处理段路基填筑速率，以工前监测控制工后沉降。