強夯法對雜填土地基處理效果的實例分析

李 浩， 劉東甲， 侯超群

（合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230009）

所謂雜填土［1］，是由于人類的生產(chǎn)和生活活動形成的地面填土層，其填筑物隨著地區(qū)的生產(chǎn)和生活水平不同而異，其性質(zhì)與其組成和原地貌有關，回填的方法通常是任意堆放。

目前雜填土地基處理的主要方法是：① 機械振動壓實法；② 換上擴建層法；③ 重錘夯實法；④ 短樁處理；⑤ 擠密碎石樁復合地基；⑥ 素混凝土樁復合地基；⑦ 強夯法；⑧ 振沖擠密法；⑨ 灌漿法［2］。

本文屬于工程實際問題，該工程是咸陽市上林路K2＋420～K2＋560段雜填土地基處理。通過各種地基處理方法的比選，用強夯法進行地基處理，進行強夯法設計，由此論述了強夯法的具體施工過程，并對處理效果進行了檢驗，檢驗是否符合設計要求。

1 場地工程地質(zhì)條件

該場地土層主要由第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖積細砂、中砂組成，大部分堆積較厚的生活垃圾與建筑垃圾混合物雜填土。其層序和各層土的特征如下：

（1）雜填土?；液谏煞只靵y，磚瓦碎塊、煤碴、礦石、混凝土塊，夾有大量生活垃圾等，臭味濃烈，分布極不均勻。層底埋深0.4～12.6 m，層底標高372.2～385.6 m。

（2）細砂?；尹S色，上部局部夾有黃土狀土，主要成分為石英和長石，厚度為1.5～5.5 m，層底埋深為5.5～5.9 m，層底標高378.9～380.4 m。

（3）黃土狀土?；尹S色，具少量大孔隙，只分布在1號鉆孔處，厚度約為3.0 m，層底埋深5.6 m，層底標高380.4 m。

（4）中砂。黃褐色—黃色，主要礦物成分為石英、長石、和少量云母。本層顆粒上部細，向下變粗，上部夾粉土和粉細砂透鏡體。呈中密—密實狀態(tài)。該砂層未穿透，最大揭露深度20.0 m，揭露厚度達7.2 m。

由室內(nèi)試驗土工實驗及野外原位測試結果，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計獲得主要土層物理力學性質(zhì)指標統(tǒng)計值，見表1、表2所列。由表1、表2統(tǒng)計結果，對主要地基土層的物理力學性質(zhì)作如下評述：

（1）雜填土。主要由建筑垃圾及生活垃圾組成，分布不均勻，成分復雜，實測動探擊數(shù)2～8.7擊，平均值3.6擊，松散—稍密。工程性能差異很大，性質(zhì)不穩(wěn)定。

（2）細砂。實測標貫擊數(shù)為11～21擊，平均值16.6擊，稍密—中密。工程性能較好。

（3）中砂。實測標貫試驗擊數(shù)19～59擊，平均34.6擊，呈中密—密實狀態(tài)，工程性能好。

由土工試驗標貫及動探試驗原位測試結果，依據(jù)文獻［3－4］和地區(qū)建筑經(jīng)驗確定各層地基土的承載力特征值，見表3所列。

表1 標準貫入試驗結果

表2 動探試驗結果

表3 地基承載力特征值 k Pa

2 地基處理方案的確定與設計

2.1 處理方案的選定

地基處理方法很多，每種處理方法都有一定的適用范圍、局限性和優(yōu)缺點。排水固結法主要特點是理論成熟，但需要壓荷載而且預壓時間較長，對工期緊迫、缺乏壓載條件的工程是難以應用的；深層攪拌法適宜于加固飽和軟黏土，但對水質(zhì)要求較高，而且會不同程度上造成環(huán)境污染；水泥土攪拌法不僅可以較大提高地基承載力，而且可以減少原地基沉降量的1／3～2／3，沉降較快趨于穩(wěn)定，但是這種方法造價高，水泥用量很大；石灰樁法在生產(chǎn)石灰的地區(qū)是首選的方法，具有較強的區(qū)域性，這種方法目前的施工工具和施工工藝也還不能滿足要求，同時存在著環(huán)境污染的問題；振沖碎石樁法具有排水固結和置換擠密雙重作用，但軟土側向約束作用較差，透水性差，高靈敏的軟土被擠密后破壞了原來的結構，不能達到預期的加固目的；強夯法是一種施工簡單、經(jīng)濟有效的地基處理方法，但這種方法施工中所產(chǎn)生噪音、振動會造成一定的環(huán)境污染。

在諸多地基處理方法中，強夯法所用設備簡單，原理直觀，適用范圍廣泛，可用于加固各種填土、濕陷性黃土、碎石土、砂土、一般黏性土、軟土以及工業(yè)、生活垃圾等地基，特別是對于非飽和土加固效果顯著。

當今，強夯法是當前最經(jīng)濟而簡便的地基加固方法之一［5－6］，廣泛應用于房建、橋涵、道路、港口、碼頭、機場、大型設備基礎等工程，顯示出其蓬勃的生命力，投資節(jié)省和加固速度快是其主要優(yōu)勢所在，見表4所列。

表4 幾種主要地基處理方法單位面積造價時間比

2.2 強夯法設計

強夯法在工程中得到了廣泛的應用，但至今尚無一套成熟的設計計算方法。目前通常是針對具體工程根據(jù)經(jīng)驗初步選定設計參數(shù)，再通過現(xiàn)場試驗的驗證和必要修改后，最終確定適合于現(xiàn)場土質(zhì)條件的設計參數(shù)。強夯法的主要設計參數(shù)包括：有效加固深度、夯擊能、夯擊次數(shù)、夯擊遍數(shù)、間隔時間、夯擊點布置和處理范圍等。

2.2.1 地面設計承載力估算

根據(jù)“上林路市政工程施工圖設計文件”，可知該路規(guī)劃紅線寬50 m，道路紅線外兩側各控制5 m寬綠化帶，道路斷面為三塊板型式，其中，機動車道 23 m，隔離帶2×2.5 m，非機動車道2×5 m，綠化帶2×3 m，人行道2×3 m。路面結構設計如下。

（1）機動車道路面結構，各層厚度如下。

面層：AC－16Ⅰ型中粒式瀝青混凝土5 cm。

下面層：AC－30Ⅰ型粗粒式瀝青混凝土7 cm。

噴灑乳化瀝青透油層：1.0 kg／m2。

基層：二灰碎石（石灰、粉煤灰、碎石的配比為7.5∶17.5∶75）23 cm。

底基層：石灰土（含灰量10%）30 cm。

（2）非機動車道路面結構，各層厚度如下。

面層：AC－16Ⅰ型中粒式瀝青混凝土5 cm。

噴灑乳化瀝青透油層：1.0 kg／m2。

基層：二灰碎石（石灰、粉煤灰、碎石的配比為7.5∶17∶75）20 cm。

底基層：石灰土（含灰量10%）30 cm。

（3）人行道路面結構，各層厚度如下。

面層：面磚采用200×100×60彩色通體透水磚6 cm。

座漿層：M7.5水泥砂漿3 cm。

墊層：C20混凝土6 cm。

基層：石灰土（含灰量10%）15 cm。

由此可計算公路基礎自重約為：G＝2.37×0.13＋2.05×0.23＋2.15×0.3＝1.42 t／m2，即設計荷載為14.2 k Pa。

根據(jù)文獻［7］可知輪胎接地壓強p為700 k Pa，見如表5所列，取擴散角為35°，則輪胎接地壓強作用于地基上的荷載為：

表5 標準軸載計算參數(shù)

所以基底附加應力為基礎自重與輪胎接地壓強的和，即40 k Pa，小于雜填土的承載力特征值。由此可知地基強度條件滿足下文處理地基變形條件。

2.2.2 確定有效加固深度

強夯法的有效加固深度是指起夯面以下，經(jīng)強夯加固后，土的物理力學指標已達到或超過設計值的深度。根據(jù)不同的地層和加固目的，有效加固深度的判別標準和檢驗方法也不相同。對軟土地基，主要是提高地基承載力和減少沉降量；對飽和砂土和粉土，主要是消除液化趨勢；對黃土及新近堆積黃土主要是消除濕陷性、提高地基承載力。對不同的土質(zhì)條件和不同的工程應采用不同的標準。

地基土的壓縮是由外界壓力在地基中引起的附加應力所產(chǎn)生的。在理論上，附加應力可深達無窮遠，但實際計算地基土的壓縮量時，只須考慮某一深度范圍內(nèi)土層的壓縮量，這一深度范圍內(nèi)的土層就稱為“壓縮層”。在水利工程中通常按豎向附加應力σz與自重應力σs之比確定。對于一般黏性土，當?shù)鼗成疃鹊母郊討Ζ襷與自重應力σs之比等于0.2時，該深度范圍內(nèi)的土層即為壓縮層；對于軟黏土，則以σz／σs＝0.1為標準確定壓縮層的厚度［8］。

由勘查報告可知，需要處理的地基的長l＝140 m，寬b＝50 m。經(jīng)過承載力估算確定該地基受均布荷載40 k Pa，若取壓縮深度z＝10 m，據(jù)此可求地基中心點處的附加應力，因l1＝l／2＝140／2＝70 m，b1＝b／2＝50／2＝25 m，則l1／b1＝70／25＝0.8，z／b1＝10／25＝0.4。由文獻［8］查得應力系數(shù)，所求的附加應力和自重應力為：

則σz／σs＝39.062 4／200＝0.195 312＜0.2，所以壓縮深度取10 m，即有效加固深度為10 m。

2.2.3 選取夯錘與落距

單擊夯擊能等于錘重乘以落距，由處理深度根據(jù)修正后 Menard公式［9］確定單擊夯擊能E，即則E＝Mh＝（H／a）2×10＝（10／0.8）2×10＝1 563 k N·m。其中，H為加固深度；M為錘重；h為落距；a為小于1的修正系數(shù)，變動范圍為0.35～0.80，飽和軟土取0.45～0.50，一般黏土取0.50，砂性土取0.70，填土取0.60～0.80，黃土取0.35～0.50。

在單擊夯擊能相同的情況下，實踐表明，增加錘重W比增加落距h更有效，但錘重越大，對起吊設備要求越高［9－10］。所以選擇錘重為12 t，落距為13 m。夯錘用圓形，直徑為2.5 m。

2.2.4 夯擊遍數(shù)及次數(shù)的確定

強夯中，夯擊次數(shù)是強夯設計中的一個重要參數(shù)。對于碎石土、砂土、低飽和度的濕陷性黃土和填土等地基，夯擊時夯坑周圍往往沒有隆起或雖有隆起但其量很小，這種情況下，應盡量增多夯擊次數(shù)，以減少夯擊遍數(shù)。但對于飽和度較高的黏性土地基，隨著夯擊次數(shù)的增加，土的孔隙體積因壓縮而逐漸減小，但因這類土的滲透性較差，孔隙水壓力將逐漸增長，并促使夯坑下的地基土產(chǎn)生較大的側向擠出，引起夯坑周圍地面的明顯隆起，此時若繼續(xù)夯擊，并不能使地基土得到有效的夯實，而造成浪費。

在施工場地選取一個地質(zhì)條件有代表性的試驗區(qū)，平面尺寸為28 m×32 m［11］。在試驗區(qū)內(nèi)進行詳細的原位測試，采取原狀土樣測定有關數(shù)據(jù)。根據(jù)擬定的試驗方案進行現(xiàn)場試夯施工。施工中應做好現(xiàn)場測試和記錄。測試內(nèi)容包括：夯點沉降觀測（測出每個夯點的每一擊夯沉量及總夯沉量）、夯坑周圍隆起、振動影響范圍、飽和軟黏土孔隙水壓力的增長和消散情況等。試夯結束后1～4周進行試夯效果檢驗，并與試夯前的數(shù)據(jù)進行對比。檢驗試夯前后的檢測資料，分析試夯效果是否符合要求。如果不符合要求，應補夯或調(diào)整強夯參數(shù)后再進行試驗。如果符合要求，則由夯沉量與夯擊數(shù)關系曲線確定最佳夯擊數(shù)，并正式確定強夯施工所采用的其他技術參數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場試夯畫出夯擊次數(shù)N與每擊沉降量Δs的關系曲線，當Δs－N曲線趨于穩(wěn)定接近常數(shù)時，且滿足最后2次平均沉降量不大于50 mm；夯坑周圍地面沒有發(fā)生過大的隆起；不因夯坑過深而起錘困難3個條件時，可取相應的夯擊次數(shù)為最佳夯擊數(shù)［12］。

夯擊遍數(shù)是指將整個強夯場地中同一編號的夯擊點夯完后算作1遍。夯擊遍數(shù)應根據(jù)地基土的性質(zhì)確定。一般來說，有粗顆粒土組成的滲透性強的地基，夯擊遍數(shù)可少些；由細顆粒土組成的滲透系數(shù)小的地基，夯擊遍數(shù)要求多些［13］。根據(jù)日本資料報導，對于碎石、砂礫、砂質(zhì)土和垃圾土，夯擊遍數(shù)為2～3遍；粉性土為3～8遍，泥炭為3～5遍。最后在對全部場地進行輕量級夯擊，使表層土得以夯實。

根據(jù)現(xiàn)場試驗，本次強夯法的強夯次數(shù)確定為9次，強夯遍數(shù)確定為2遍。最后再以35 t壓路機振動碾壓一遍，其目的是將松動的表層土碾壓密實。

2.2.5 夯擊點布置及間距

當基礎面積較大時，可按正方形布置夯擊點的平面位置。夯擊點間距的確定一般根據(jù)地基土的性質(zhì)和有效加固深度要求確定。細顆粒土為了便于超靜孔隙水壓力的消散，夯點間距不宜過小。當要求加固深度較大時，第1遍的夯點間距更不宜過小，以免夯擊時，在淺層形成密實層而影響夯擊能往深層傳遞。此外，若夯點間距太小，在夯擊時上部土體易向側向已夯成的夯坑中擠出，從而造成坑壁坍塌、夯錘歪斜和傾倒，以致影響夯實效果。這一點已被實踐所證明。根據(jù)國內(nèi)經(jīng)驗第1遍夯擊點間距可取夯錘直徑的2.5～3.5倍，對處理深度較深或單擊夯擊能較大的工程，第1遍夯擊點間距應適當增大。第2遍夯擊點位于第1遍夯擊點之間。又由于強夯夯擊時，應力向外擴散，因此，夯擊點必須間隔5～9 m夯距。若夯點緊接，應力疊加，效率降低。經(jīng)綜合考慮取夯擊點間距為7 m，如圖1所示。

由于應力擴散作用，夯擊點范圍應大于建筑物基礎范圍，每邊超出基礎外緣的寬度，宜為設計處理深度的1／2～2／3，但不宜小于3 m。本工程取6 m。

圖1 夯點平面布置圖

2.2.6 2遍夯擊的間歇時間

間歇時間是指2遍夯擊之間的時間間隔。間歇時間取決于土中孔隙水壓力的消散時間。對于砂性土，孔隙水壓力的消散時間只有3～4 min，故可連續(xù)作業(yè)；對于細粒土，當缺少實測資料時，可根據(jù)地基土的滲透性確定；對排水條件差的飽和粉土和黏性土地基，一般不少于3～4周［14］。本工程取間歇時間為7 d。

3 施 工

3.1 施工設備

強夯法的施工設備主要包括夯錘、起重機、脫鉤裝置等。需要注意的是，由于履帶式起重機空車停置時對地面的壓力為80～100 k Pa，空車行駛時為100～190 kPa，起重時為170～300 k Pa。因此，為保證起重機正常施工，要求在地基先鋪設厚度為0.5～2.0 m的粗粒料墊層，用推土機推平并來回碾壓，以形成一層稍硬的表層作為施工場地的通道，以支承超重設備［15］。

3.2 施工程序

（1）試夯后清理并平整施工場地，進行場地測量放線，平整范圍應大于基礎外圍輪廓線，每邊外伸6 m。

（2）標明第1遍夯點位置。對每一夯點，用石灰標出夯錘底面外圍輪廓線，并測量場地高程。

（3）起重機就位，夯錘對準夯點位置，位于石灰線內(nèi)，測量夯前錘頂高程。

（4）將夯錘起吊到預定高度，自動脫鉤，使夯錘自由下落夯擊地基，放下吊鉤，測量錘頂高程。若因坑底傾斜造成夯錘歪斜時，應及時整平坑底。

（5）重復步驟（4），按設計規(guī)定的夯擊次數(shù)即9次，及控制標準，完成一個夯點的夯擊。

（6）重復步驟（3）～（5），按設計強夯點的次序圖，完成第1遍全部夯點的夯擊。

（7）用推土機將夯坑填平，并測量場地高程。標出第2遍夯點位置。

（8）按規(guī)定時間間歇7 d，待前一遍強夯產(chǎn)生的土中孔隙水壓力消散后，再按上述步驟，逐次完成全部夯擊遍數(shù)，本工程遍數(shù)為2遍。最后采用低能量滿夯，本工程采用35 t振動壓路機碾壓，以將場地表層松土壓實，并測量場地夯后高程。

4 施工注意事項及處理效果檢驗

4.1 施工注意事項

（1）強夯施工所產(chǎn)生的振動，對鄰近建筑物或設備產(chǎn)生有害影響時，應采取防振措施。強夯法振動的主要影響范圍一般為10～15 m，在此范圍內(nèi)應采取防振措施，如設充填溝，溝底寬一般大于50 cm，溝深應大于鄰近建筑物基礎底面標高。

（2）夯擊前要查明強夯范圍內(nèi)的地下構筑物及各種地下管線的位置及標高，并采取必要的防護措施，以免因強夯施工而造成損失。

（3）強夯前要做好場地平整，周圍作好排水溝，按夯點布置測量放線確定夯位。地下水位較高時，要采取降低地下水位后再夯擊。

（4）應按規(guī)定的起錘高度、錘擊數(shù)量的控制指標施工，也可采用試夯后確定的沉降量控制。

（5）地基中的含水量對強夯加固效果有直接影響，一般當土體的含水量越接近塑限時強夯效果越好，若表土過干應采取加水等相應措施，適當增加含水量。若地基土含水量過多，可能會形成橡皮土，可通過鋪設砂墊層或采用人工降低地下水位等措施進行處理。

（6）夯錘上部排氣孔如遇堵塞，應立即疏通。

（7）強夯時有石塊、土塊等飛擊，應注意安全。

（8）雨季施工，夯擊坑內(nèi)或夯擊過的場地內(nèi)有積水時，必須及時清除。

4.2 處理效果檢驗

本工程在施工結束2周后對強夯地基進行了質(zhì)量檢測。檢測采用6組重型動力觸探和3組平板載荷試驗以檢驗地基處理效果，試驗數(shù)據(jù)見表6、表7所列。

表6 重型動力觸探擊數(shù)N強夯處理前后對比

表7 路基頂面平板載荷試驗數(shù)據(jù)

動力觸探試驗表明強夯處理后各土層承載力得到很大提高，路基土的物理力學性質(zhì)得到較大改善。文獻［7］規(guī)定土基回彈模量值應大于30 MPa。該場地經(jīng)強夯法處理后回彈模量為46.33 MPa，承載力為214.67 k Pa，滿足了市政道路對路基的承載力要求。

5 結 論

強夯法施工原理簡單，經(jīng)濟效益明顯，但施工時產(chǎn)生較大的振動，對周圍的構筑物有較大影響。強夯理論不成熟，需現(xiàn)場試夯才能確定夯擊參數(shù)。該工程經(jīng)強夯處理后，土基回彈模量提高了165%，承載力提高了168%，證明其處理效果良好。

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