“轻夯多遍”法在上海临港堆山造景中的运用

崔梓萍

(上海临港新城建设工程管理有限公司，上海 201306)

1 概述

堆山造景技术在国内已经得到广泛的应用，常利用建筑废料、工程废弃土方填筑地基，并在上面布景绿化，国内比较有名的项目有北京奥林匹克公园(堆高48 m)、天津南翠屏公园(50 m)、江苏无锡金匮公园(54 m)、上海辰山植物园(12 m)[1-4]等。

上海临港新片区现状地形平缓，规划有较多的新建大型绿地，城市开发过程中，随着地下空间、河道水系、公用管网等的建设，产生大量待消纳土方，通过在大型绿地里营造丰富多彩地形同时消纳土方，是符合绿色低碳的多赢途径。

由于回填土体量较大，大面积堆山会破坏原有基地的平衡状态，为了控制地基沉降和保证山体稳定性，应根据不同的地基形态特点选择压实工艺，常见的回填土压实工艺有碾压法和强夯法。碾压法分层填筑较薄、分层数量多、作用深度小，对土质要求也高，而强夯法一次可回填较厚土层，适用于堆山造景工程。强夯法是法国梅那技术公司首创的一种针对软弱地基的处理方法[5]，传统的强夯法，夯击能超过3 000 kN·m，适用于碎石土、砂性土、湿陷性黄土和含水率不高的杂填土地基的加固，但是针对含水量高的土，特别是淤泥质黏土和饱和软黏土，过高能级的强夯会使超静孔隙水压力无法迅速消散，从而引起“橡皮土”，而且容易造成软黏土结构破坏[6]，郑颖人提出使用低能级强夯法，先轻夯，后重夯，逐级加能的方法，使超静孔隙水压力2 d内消散，有效地避免了“橡皮土”现象的发生[7]。

上海临港新片区位于东南沿海，1/3的土地是围海造地而成，周围水系发达，地下水位高，堆山使用的周围工程弃土天然含水量也高，传统的强夯法极易对地基土造成破坏或者压实度不足，本次工艺选用平锤和小直径柱锤相结合的“轻夯多遍”法，一方面夯锤可以顺利起锤，同时也保证了夯实作用深度，满足设计要求。

2 轻夯多遍法运用工程实例

2.1 项目简介

项目位于中国(上海)自由贸易试验区临港新片区，用地北至杞青路，南至花柏路，西至沪城环路，东至环湖西三路，根据“地形营造”规划，对楔形地块进行微地形堆筑和现有地形优化，建成公益性林地，同时对现有林地进行功能提升。本次施工共涉及6个地块，总面积657 509.11 m2，本文以五号地块为研究对象，面积106 053 m2，设计最高点8 m，边坡坡率最大为1∶5(见图1)。

2.2 场地工程地质条件

对拟建场地进行地勘探测，结果显示，在60.35 m深度范围内的地基土属第四纪全新世(Q4)及晚更新世(Q3)沉积层，主要由粉质黏土、淤泥质黏土和粉砂组成。拟建场地地层分布主要特点见表1。

从表1可以看出，在加固深度范围内，土质以黏质粉土和砂质粉土为主，天然含水率(质量分数)在30%左右，渗透性差，大面积的堆土会造成地基的不均匀沉降，因而在堆土前需要对原始地面进行夯实处理，增加下层的承载力。

表1 原场地地勘资料表

2.3 施工方案

2.3.1 夯击参数选择

1)地基处理：为了消除大面积堆载造成的地基不均匀沉降变形，提高地基承载力，减少工后维护费用，需要对原始地基进行满夯一次(1次由5遍组成)，采用直径2.5 m的平锤，锤重15 t，夯击能2 250 kN·m。

2)山体加固：将填土一次堆高至设计高程，使用直径为1.1 m的柱锤，锤重15 t，由于柱锤底面积比平锤小，单点夯击面积小，夯击强度较平锤大3倍～5倍，夯击能范围控制在1 000 kN·m～1 800 kN·m以内。

3)堆填土性质：堆填土主要来自于周围建筑场地的基坑开挖土和建筑垃圾，天然含水率在(质量分数)25%～30%之间，通过击实试验，得到填土的压实最大干密度为1.63 g/cm3，最佳含水率(质量分数)17.4%。

2.3.2 夯点布置要求

夯点布置为4 m×4 m正方形布置，夯点直径2.5 m(若采用同心夯击方法，中间柱形锤为直径1.1 m)，间距为4 m，第1遍～第4遍夯点布置图如图2所示，夯点间错位夯实，通过4遍处理覆盖所有待夯面。

2.3.3 夯击能量调整

由于堆填土是附近工程弃土，土质松散，含水量高，使用小直径柱锤夯击时，很容易使锤陷入太深，造成起锤困难，所以要调整夯击能，先使用1 000 kN·m的能量轻夯一遍，使表层土体形成稍硬的承重层，再以200 kN·m的增量逐渐将夯击能量增至1 800 kN·m，在每级夯击能下夯击一遍，至最高能级1 800 kN·m下进行满夯收尾，这样在表层土体不破坏的情况下，可以作用到更深层的土体，起到更好的加固效果。

3 轻夯法施工过程控制与监测

3.1 压实效果检测

由于粉质黏土在轻夯加固后会有时间效应，标准贯入试验选择在夯击处理结束后的14 d进行，静载荷试验选择在夯击处理结束后的28 d进行。

在山体堆筑过程中，土体应达到密实度要求，若设计未规定，标准则应达到85%以上，由于此地区土层含水率较高，在施工前必须将施工场地范围内的积水排除干净。

取夯后原始地坪表面土层和堆高场地面层以下-0.5 m，-1 m，-1.5 m，-2 m的土层进行环刀实验，压实度值见表2。

表2 地表下1.5 m以内压实度检测数据

地基处理使用平锤夯击，夯击能为2 250 kN·m，压实度达到91%。

山体加固，使用夯击能1 000 kN·m～1 800 kN·m的柱锤，反复多次夯击，逐级加能，较小的夯击能可以将浅层的土先排水固结，表面逐渐形成“硬壳层”[8]，并在后期可以承受较大的夯击能量，使能量向下传递。从环刀取样试验可以看到，面层以下1.5 m范围内含水率(质量分数)在18%左右，远低于原回填土30%左右的含水率，表层土体压实度在85%以上，说明在夯击过程中，水分逐渐排出，形成表面“硬壳层”，在后续增大夯击能以后，表层土体未液化也未破坏，“硬壳层”大约为1 m。

3.2 标准贯入试验

堆高至8 m后，在强夯前的原状土上选取1个点，在强夯后的场地上选取2个有代表性的点，进行标准贯入试验，试验击数统计结果如表3所示。

表3 夯击前后标准贯入击数统计表

本工程山体加固地设计最高点为8 m，从标贯结果可以看出，在8 m以上范围内，强夯后土层的压实度比强夯前得到明显的提高，8 m以下为处理过后的原始地坪，压实度没有显著变化，说明在含水量较高的粉质黏土堆高场地，使用小能量的柱锤，可以满足现有堆高场地的强夯要求，其有效加固深度达到8 m以上。

在处理原始地坪时，使用直径为2.5 m的平锤，锤重15 t，落距15 m，根据Billam公式，取K=0.15时，z= 5.4 m。

堆高场地处理时，使用柱锤，锤重15 t，落距10 m～12 m，夯击能由小到大逐渐递增，1 000 kN·m有效加固深度为18 m，1 800 kN·m有效加固深度为22 m。

从计算结果可以看出，使用柱锤，由于底面积小，计算有效加固深度也比平锤深3倍～4倍，所以在本工程中，堆填土可以一次堆至设计标高，强夯后也可以保证堆填土的有效加固要求范围。

3.3 平板载荷试验(堆载法)

在试验区域上挖出1 m埋深的坑，在坑内放置承压板，载荷板尺寸为1 m2，利用混凝土试块提高支撑反力，逐级施加荷载，测定地基承载力，判断承载力是否达到设计要求，进一步评价轻夯多遍施工加固工艺的处理效果。总共选取3个点(S1,S2,S3)进行了试验，其中点S1试验结果如表4,图3所示。

表4 S1平板载荷试验沉降汇总表

3个点的平板载荷试验，得到的结果均达到设计要求的最大试验荷载，且桩顶沉降速率达到相对稳定标准，3个点的承载力特征值不小于150 kPa，极限承载力均达到300 kPa，故认为轻夯多遍处理后的地基土承载力特征值不小于150 kPa，满足设计要求的不小于150 kPa。

3.4 边坡稳定性讨论

一般高堆土存在的不稳定是通过不均匀沉降、局部塌陷或整体滑坡体现，本文采用岩土工程常用计算软件GeoStudio来分析边坡稳性问题，推荐计算的方法为比较成熟的Morgenstern-Price极限平衡法，分别计算强夯过后的天然状态和持续降雨后的堆土，来对比安全系数的变化，根据DZ/T 0218—2006滑坡防治工程勘察规范，滑坡稳定性评价标准见表5。

表5 滑坡稳定评价标准

为了简便计算，本文计算稳定性系数时，持续降雨状态的堆土参数按照饱和状态下取值，模拟过程中岩土参数整理见表6。

表6 极限平衡计算模型岩土物理力学参数

从图4的计算结果可以看出，在当前的高8 m、放坡率为1∶5的山体加固中，使用轻夯多遍法施工，天然状态下最低安全系数滑移面的安全系数为2.582，持续降雨状态下的安全系数为1.784，根据滑坡稳定性评价标准，属于稳定状态。

为了验证本方法在临港地区施工的适用范围，模拟了相同岩土参数条件下，堆山高度增加到20 m、坡率为1∶2.25的情况下的安全系数，从图5可以看出，在天然状况下，最低安全系数滑移面的安全系数降为1.209，但是在持续降雨状态下，安全系数已经降低至0.869，超过了安全范围。

实践中有期望能营造更高更稳定的人造山体，本次工程尝试采用小直径柱锤一次性堆高后多遍夯实的方法堆高了8 m，通过实践和模拟讨论了夯实效果和边坡稳定状况，对未来使用人工干预的方式，在确保安全的前提下，快速堆高至50 m甚至更高的人造山体提供了借鉴依据。

根据前述，安全有效加固深度计算为20 m左右，因此在继续堆高的情况下，可以考虑以15 m为一层，每层边坡率维持在1∶5以下，分层重复使用轻夯多遍法夯实，可避免边坡失稳的情况发生。对因场地限制下极限边坡率的讨论，也会在累积更多工程数据后予以探索。

4 结论

1)在临港地区，原状土含水率较高，在堆山之前需要对原地面进行加固，后续土一次性堆高后，采用小直径柱锤先轻后重，逐级加能，可以有效避免土体液化和破坏，表层压实度可以达到90%左右。

2)使用夯击能小于2 000 kN·m的柱锤，由于底面积较普通强夯的平锤小，夯击强度可以成倍的提升，有效加固深度可以达到20 m左右。

3)在城市景观林地营造过程中，经过轻夯多遍处理后的地基承载力特征值不小于150 kPa，多遍工艺可以有效消除工后沉降，在上层形成了固化硬壳层后，无需压路机压实处理，便可回填种植土进行景观营造。

4)使用“轻夯多遍”法处理临港地区高含水的软弱土层，边坡安全系数较高，且在持续降雨状态下，边坡也不会失稳，在使用柱锤轻夯多遍加固高填土时，一次性堆土高度不宜超过20 m，超过20 m需要分层夯实，并且保持每层边坡放坡率不大于1∶5，才能保证持续降雨状态下边坡的长久稳定。