強夯置換法加固處理碼頭前沿區(qū)地基的工藝與應用

丁漢平

（浙江省地質(zhì)礦產(chǎn)工程公司，浙江 杭州 310000）

強夯法在實際操作中得到的良好實踐證明，其對于增強地基土壤的壓縮功效、提高土壤抗液化能力十分有效。強夯法簡易的設備基礎、廣泛的適用范圍、低額的經(jīng)濟投入量和方便的操作方式，成為受眾使用最廣泛的一種鞏固基土的方法。

1 什么是強夯置換法

如果采取在夯坑中填加塊狀石、碎狀石、砂土及具有高強度和良好透水性的顆粒狀材料，通過夯石反復高強度的沖擊力，使其被夯入土中，則可形成一體性的置換復合型基柱結(jié)構(gòu)，使置換法與強夯法有效結(jié)合起來，這就是地基置換法中強夯置換法的產(chǎn)生過程。強夯置換法結(jié)合了強夯法中的加固方法和置換法中復合地基兩者的優(yōu)點，因其較低的經(jīng)濟投入，在許多水利工程、港灣建設工程中取得了較好的實地使用驗證結(jié)果。本文就重點闡述強夯置換法是怎樣在碼頭前沿區(qū)地基處理問題上取得良好的經(jīng)濟效益和建構(gòu)結(jié)果的。

2 夯擊波場對建筑的影響

不管是強夯置換法還是強夯法本身，其理論基礎均是在單位時間內(nèi)對土地施加更大的壓力，其上舉的高度不變，在下落過程中施加助力，使其單位時間內(nèi)的下落速度變大從而增大其對土地的沖擊力。這種高強度的沖擊力，在撞到地面的一瞬間產(chǎn)生的力以波場的方式傳遞到基土的深處，以實現(xiàn)對土壤基層施加壓力的作用。這種波場由壓縮波、瑞利波和剪切波聯(lián)合組成并傳播的。其中壓縮波與剪切波以波源為原點以一個半圓為擴散面向地外地內(nèi)同時進行傳播，瑞利波波體則是以圓柱波為陣型向地外地內(nèi)同時傳播。

壓縮波中質(zhì)點的運動是一種規(guī)律遵循與波陣方向相平行的運動規(guī)律的推拉波形運動。剪切波中質(zhì)點的運動是一種遵循與波陣半圓面發(fā)生正交的橫向波形運動；瑞利波中質(zhì)點的運動則是以水平與豎向這兩個方向的行進波陣運動所組成的。

傳播中的高強度、高能力波陣場會對周圍在其波場范圍內(nèi)的建筑產(chǎn)生一定的破壞和損傷，所以，在建筑物密集的施工現(xiàn)場應盡量避免應用此種方法。此處推薦使用小面積的夯錘體進行碼頭等工地的置換夯法，以此減少對周圍建筑地基以下組織的破壞情況，使夯錘體的全部做工用于緊實填充坑料，使其產(chǎn)生的波場的橫向傳播力場減少，豎向傳播力場增強，從而降低夯體對施工現(xiàn)場建筑物所造成的損壞。

3 工程中的應用

某施工現(xiàn)場為碼頭的前沿地區(qū)，屬新填海地區(qū)，其填充的開山碎石石塊厚度較大、填充時間較短，土質(zhì)結(jié)構(gòu)尚處于較松弛階段，造成其地層結(jié)構(gòu)的復雜性。其下臥體多是淤泥形態(tài)土層，淤泥大約2厘米厚，新填充的開山石塊約厚20厘米，且其周圍土層結(jié)構(gòu)多為沉積的淤泥層。

如若在此種施工條件下采用強夯法進行施工，那么對周圍建筑和土質(zhì)層的影響勢必過大，在本案中已經(jīng)裝載完成沉箱，若強制采用普通施夯方法勢必對其土層造成破壞，更嚴重的結(jié)果是造成填海區(qū)的塌陷。據(jù)以往經(jīng)驗，強夯法的波及面是有一定范圍的，一般來說，8000千牛的力會造成大約十米深度影響，且其產(chǎn)生的振幅較大，對于像本案中有大量淤泥層和沉箱的情況下，如此大振幅的波場影響絕對是不可以的。我們就當?shù)厍闆r試分析，碼頭前沿的填充層厚度大約是20米，地勢對基地的強度和和穩(wěn)定性要求較高，為使地基在施夯過程中不受到損傷，不傷害海底沉箱，我們在此案中采用置換強夯法以達到利用填充層緩和波場力量的結(jié)果。

本法中我們采用為特定工程制作的特定異體錐形夯錘。其底部面積小，只有1.3平方米，錘面接地時的壓力可達到150千帕，這是普通施夯法中夯錘達到壓力的40倍。在巨大的豎向向下的沖擊力下，夯錘所產(chǎn)生的橫向張力就微乎其微了，其主能量集中與豎向，以壓縮波的形式將大量力量豎直傳向地表內(nèi)向，達到集中緊實、擠壓填充物的效果，其效果有反過來被填充物所阻擋，對海平面下的沉箱結(jié)構(gòu)有保護作用。而其中的橫向波場就被填充層所吸收。此夯法中，采用3×3m的正方布點規(guī)律最好，選擇較小夯距可更好地達到使土層緊實的效果。

施工次數(shù) 夯錘能量/（kN·m） 下落距離/m 布點方式 夯擊數(shù)一排 2000 10第一次二排 2000 10三排 3000 15四排 4000 20第二次 1500 10 夯印向切 4次擊打每點3×3m方陣 后兩擊夯下落距離5cm

施工中相應參數(shù)可參見上表，從表中不難看出在靠近沉箱的區(qū)域均選用了較小的夯力施加，而距離沉箱最遠的點選用了比較大的夯力，其目的無非是為了減少夯在施力中產(chǎn)生的豎向波場對沉箱的影響。

強夯置換法在施工中應采取的有效措施：

（1）以沉箱為夯力施加大小為標準，自碼頭后向工地到靠近碼頭前端沉箱方向，其施加夯力逐漸減弱，采取不同夯力等級遞減的加固處理方式。

（2）施工的具體特點也應具體分析，此案例中，我們就應采取先從距沉箱較遠方向開始逐漸逐次降低夯錘能量的方式向距沉箱較近端進行施夯的施工過程，離沉箱距離越近其施夯力應越小，填充物的密度質(zhì)量就應越大。

（3）在施工過程中應注意夯力對沉箱位置的作用力，在沉箱上擺放水平測量儀，定時定點由專人負責監(jiān)管其水平方位是否發(fā)生改變，是否發(fā)生位移以及位移的大小，以及時補救。

（4）施工過程中需控制填坑深度與填充物厚度，一般來說采用2～2.5米半最為合適，其受夯擊后形成的置換柱體性能最優(yōu)。

（5）在置換強夯法中，我們應對填坑物的選擇有更高的要求，由本案中情況來看，填充基石以良好顆粒級碎沙石最好，其顆粒中最大半徑不應超過20厘米，尤其應該嚴格控制其含泥量，其含泥量不應超過10個百分點。

強夯方法在施工中對地基前沿的沉箱所造成的影響是施工過程中各施工方共同關注的焦點問題，其中選用強夯置換法中，沉箱側(cè)向的位移量是衡量其所造成影響大小的指標，由此我們應利用水平儀和經(jīng)緯儀在施工的全過程中對施工的各個階段定期進行檢測，對工程中出現(xiàn)的偏移、水平面下沉等問題應著重檢測，并且應做到逐個沉箱分別檢測，對其檢查數(shù)據(jù)進行實時反饋和上報。從實際施工應用和實地測量結(jié)果來看，強夯置換法對地基產(chǎn)生的位移影響小，其振動結(jié)果對地基層的傷害小。據(jù)此次施工數(shù)據(jù)分析，夯錘施力的中心點距沉陷最近處為6米，而沉箱在整個施工過程中所發(fā)生的偏移量為4米，均在允許范圍內(nèi)。

此次工程測量結(jié)構(gòu)表明，在強夯置換法中，夯錘以強重力級別每砸觸置換樁體20次，夯坑的深度平均可達4米，在經(jīng)過能力探觸與靜態(tài)載荷量的測試后，經(jīng)系統(tǒng)分析，確定了置換強夯法中夯體施力后加上主體本身長度，其影響力可達到地面以下11米之上，地基承載力的特征值要大于180千帕，回彈模總值大于60兆帕，其數(shù)據(jù)結(jié)果符合并達到本案中的對地基的處理值。

4 強夯置換法與普通強夯法的區(qū)別

4.1 普通強夯震動特點

強夯在施力過程中產(chǎn)生的波場十分容易對周圍建筑組織造成破壞，但產(chǎn)生破壞力的波陣消失得也快，一般來說距夯振點30米之外的建筑物均不會受到影響。但由于作為介質(zhì)的土質(zhì)成分不一樣，振動波在其中傳播的震動周期、震動的振幅、消減的頻率等均有一定的不同。比如在硬土質(zhì)中，振波的周期短，而在軟質(zhì)土壤中震動周期就相對較長，產(chǎn)生的影響也就較大。這是就振波而言的，再就被影響體——建筑物來說吧，不同的建筑物所顯現(xiàn)出來的本身構(gòu)建特征與構(gòu)建時使用的構(gòu)建材料不同，其受到的影響也就不盡相同。因此在設計施工方案之初就應對其土層結(jié)構(gòu)、土壤類型、周圍建筑物的動力特性特征進行一一排查，確定其影響深度和影響廣度。

4.2 強夯置換法的振動特點

強夯置換方法是結(jié)合了強夯加固法與復合地基的共有優(yōu)勢，一方面具有強夯加固法的加固效果，另一方面利用復合地基中的優(yōu)勢，集中夯錘的施力方向，控制夯錘力量的走向，并且此方法還有施工用費低、側(cè)面偏振小等優(yōu)勢。強夯置換法是眾多港口建設工程、水利建設工作中經(jīng)常使用的方法。而在本文之前論述的碼頭前沿地區(qū)施工中用到的強夯置換法就是其在實際施工的一種衍生方式。在案例中我們減小了夯錘面的表面積，利用夯坑中填充物的物理特點在施工過程中對夯錘下落中產(chǎn)生強力進行定向處理、收集處理和放大處理，從而降低了夯錘對地基中沉箱位置的改變，減小了對地基下淤泥的破壞，使地基整體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

5 結(jié)語

在施工環(huán)境對強夯所產(chǎn)生的沖擊力和振動波帶來的強大橫向與縱向力要求不高，但對地基的透水性要求較高時，采用強夯法來加固緊實夯坑填料就能達到最好的效果，不僅起到了加固的作用，而且在經(jīng)濟方面的花銷也較少。但對于向本文中提到的在復雜情況下進行施夯工作，我們還需要具體問題具體分析，比如碼頭前沿、水利工程等的施工問題，合理與正確地運用相應的施夯方法才是順利完成施工工程的根本道理。

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