強夯半置換法在工程中的應用

楊 關，余 波，張朋朋

(西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

傳統(tǒng)的強夯法適用于加固非飽和土，基于動力壓密的概念，利用沖擊型動力荷載，使土體中的孔隙體積減小，土體變得更為密實，從而提高其強度。

采用強夯法加固飽和土的原理為動力固結(jié)的理論。單純的動力固結(jié)法，很長時間以來只有理論意義，而沒有實際意義。后來，工程師們利用動力固結(jié)原理，通過在夯坑中加硬質(zhì)粗顆粒填料，建立排水通道，使地基土夯坑周圍與夯坑底的孔隙水就近轉(zhuǎn)移，加快土層固結(jié)，使得動力固結(jié)原理在工程實踐中有了應用價值。這種采取改良后的強夯法通常也叫做強夯置換法或強夯半置換法。

1 工程概況

昭通±500 kV換流站位于云南省鹽津縣牛寨鄉(xiāng)北側(cè)約1.0 km牛寨村境內(nèi)，地處云貴高原北部邊緣，年平均氣溫14℃，年平均降水量超過1200 mm。全年晴天較少，不超過90天，陰冷潮濕。站址場地相對高差50 m，場平后最大填方厚度24 m。由于填土為天然含水量35%～40%的粘性土，且無條件進行晾曬，場地平整無法采用完全傳統(tǒng)的分層碾壓方案。經(jīng)過方案分析比較，決定采用強夯法，整個強夯面積超過1.5×105m2，場平方量約7×105m3。

2 方案原理

如何順利地開展強夯工作，使夯后的地基土的承載力和壓縮模量明顯提高，達到預期的處理效果?；舅悸酚袃牲c：(1)夯前降低土壤含水率；(2)夯中和夯后加速土壤中孔隙水的排除，使其快速固結(jié)。

部分工程人員認為用強夯法加固地基原理與一般功能擊實原理類似，一味地探索在某一夯擊能下的“最優(yōu)含水量”及“最大干密度”，常常得出含水量低或飽和軟土不適合強夯加固的結(jié)論。基于這種錯誤的認識，設計方案總是單純地從夯前降低土壤含水率著手，常常感到困難重重，難以實施。

在夯前無法有效降低土壤含水率的情況下，應著重考慮加快夯后填土的排水固結(jié)。太沙基一維固結(jié)理論建立的微分方程求得的解見式 (1)、(2)。

式中：U為固結(jié)度；Tv為豎向固結(jié)時間因數(shù)；k為垂向的滲透系數(shù)；H為壓縮土層最遠的排水距離；e1為土的天然孔隙比；t為時間(年)；a為土的壓縮系數(shù)；e為自然對數(shù)的底；γw為水的容重。

由上可知，滲透系數(shù)k越大，壓縮模量Es越大，時間t越長，滲流路徑H越短，越易固結(jié)。此外，根據(jù)層流滲透定律及達西定律可知，水流梯度I越大，滲流速度越快。

因此，設計方案要從以下著手：(1)增加土壤粗骨料含量，改變土壤性質(zhì)，提高滲透系數(shù)和壓縮模量；(2)填土增加縱橫排水通道，縮短滲流路徑；(3)合理確定強夯單位夯擊能和夯擊次數(shù)，有效增加孔隙水壓力，提高水力梯度。

3 方案

3.1 填土方案

通過添加碎石改善填料的性質(zhì)，主要起以下兩個作用：使土壤性質(zhì)向粗顆粒土轉(zhuǎn)變，通過試驗可知，滲透系數(shù)增大10～500倍，孔隙水的排水路徑最大不超過1 m，縮短90%以上；碎石起到“骨架”作用，防止土壤在在強夯作用下形成“橡皮土”。

使用碎石有以下優(yōu)點：取材容易，價錢便宜，部分場地可用挖方區(qū)的基巖破碎而成；施工便利快捷。

填土方案的選擇對強夯的工序和結(jié)果有較大的影響。主要分為薄填土方案和厚填土方案，兩者對比詳表1。

表1 薄填土方案與厚填土優(yōu)缺點

本工程初期選擇薄填土方案，但發(fā)現(xiàn)難以實施時且影響工程進度，后期及時調(diào)整為厚填土方案。

3.2 有效加固深度

強夯有效加固深度的影響因素有單擊夯擊能、夯擊擊數(shù)、夯錘型式、地基土的性質(zhì)、施工方法等，目前尚無一個同時考慮上述諸多變量影響的理論公式，宜實測結(jié)合經(jīng)驗確定。

單擊夯擊能直接影響有效加固深度，但是在單擊夯擊能未達到最佳夯擊能的情況下夯擊擊數(shù)的增大也會導致有效加固深度變大，但這會導致能量損失的加大。

同等條件下錘底面積小的夯錘有效加固深度大于錘底面積大的夯錘，但小夯錘會明顯降低夯擊效率，增加單位面積的強夯時間，影響工程進度。因此，宜采用組合錘方案。一般采用大錘夯沉，個別地方采用小錘輔助夯擊形成貫通每層的碎石樁，成為穩(wěn)定的豎向排水通道。小錘夯擊點每500 m2設置一個。如果不利用小錘形成豎向碎石樁，也可以采用設置專門的豎向排水管。

表2 強夯的有效加固深度

表2是《建筑地基處理技術規(guī)范》中對未進行試夯的強夯有效加固深度的建議值。當遇到含水率較高的細粒土時，為使孔隙水壓力盡可能增大從而加大排水固結(jié)速率，根據(jù)工程試驗，建議取下限值的90%為宜。

3.3 夯點布置

在分析合理夯擊間距的時候，單純地把夯距的大小和夯錘的直徑聯(lián)系起來，不盡正確，必須把強夯能級的大小對夯距的影響也考慮進去。根據(jù)太原理工大學1980年實驗得出的強夯實測應力分布和等壓線圖(圖1)，強夯的影響范圍像一個壓力泡。

圖1 在垂直投影面上P1的分布和等壓線

如果按等密度曲線劃出來的土楔體，便是一個梨形體(圖2)。如果等密度的密實標準是強夯的設計要求值，那么梨形體的寬度就是強夯夯點間距。如果降低等值線的標準，梨形寬度增大，夯點間距也就增大。如果把地基作為均勻地基看待，基礎布置不考慮夯間和夯點強度差異，那么等值線的要求可提高，夯距相應縮小。

圖2 強夯加固剖面圖

從縱向上分析，點夯后的區(qū)域分為3個區(qū)域，由上至下分別為：強夯擾動帶；強加固帶；弱加強帶。

強夯擾動的深度隨夯點間距和能級的增大而增大。因此強夯工藝上常說，大夯距加固深層，中等夯距加固中層，小夯矩距固淺層。低能滿夯用于表層。

表3 不同能級夯點間距經(jīng)驗值

從布點方式來說，變電站大部分場地對填土的均勻性要求比較高，采用正三角形布置，夯點間距一致，強夯效率最高，最為合適。當然，根據(jù)場地的具體的情況，可以選擇正方形布置、梅花形布置等。當布點形式為正三角形和正方形時，夯點間距取值可參考表3的數(shù)據(jù)。

3.4 夯擊過程

經(jīng)試驗，厚填土方案有兩種選擇，一種是先隔行夯擊大夯擊能點夯，再復夯，最后再低錘滿夯，另一種方案是第一種方案的改進，利用大夯距加固深層、中夯距加固中層、小夯距加固淺層的原理，先大夯擊能隔行點夯第一遍，再中夯擊能點夯隔在中間行的夯點，再復夯，最后低錘滿夯。

夯擊次數(shù)是強夯設計中的一個重要參數(shù)，應通過現(xiàn)場試夯確定，常以夯坑的壓縮量最大、夯坑周圍隆起量最小為確定的原則。可從現(xiàn)場試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關系曲線確定，但要滿足最后兩擊的平均夯沉量不大于50～100 mm(單位夯擊能較大時取100 mm)，同時夯坑周圍地面不發(fā)生過大的隆起。因為隆起量太大，說明夯擊效率降低，則夯擊次數(shù)要適當減少。此外，還要考慮施工方便，不能因夯坑過深而發(fā)生起錘困難的情況。

夯擊遍數(shù)應根據(jù)地基土的性質(zhì)確定。由粗顆粒土組成的滲透性強的地基，夯擊遍數(shù)可少些。反之，由細顆粒土組成的滲透性弱的地基，夯擊遍數(shù)要求多些。必須指出，由于表層土是基礎的主要持力層，如處理不好，將會增加建筑物的沉降和不均勻沉降。因此，必須重視滿夯的夯實效果。

3.5 夯擊推薦方案

夯擊方案，應根據(jù)理論結(jié)合試夯綜合分析確定。第一次試夯且無當?shù)赝临|(zhì)的施工經(jīng)驗時，若填土虛鋪厚度不大于6 m時，可參考以下要求。

二遍主夯點點夯能級4000 kN·m，夯點間距5 m，正三角形布點，隔行分二遍完成。如果深層加固效果不好，可改為第一遍主夯點能級6000 kN·m，隔行第二遍主夯點能級4000 kN·m。停夯收錘標準：最后兩擊平均夯沉量≤100 mm，單點擊數(shù)≥11擊。

當主夯點夯坑深度大于2 m時，應進行第三遍主夯點復夯，能級4000 kN·m。停夯收錘標準：最后兩擊平均夯沉量≤100 mm，單點擊數(shù)≥6擊。

第四遍滿夯，能級1500 kN·m。夯印搭接1/4錘徑，每點5擊。值得說明的是，非地面層的強夯層最后一遍的滿夯可以取消，面層不密實的部分可以利用上一層的強夯和堆載預壓使其固結(jié)，經(jīng)過檢測，沒有薄弱層。

一、二遍點夯后，需用碎石土或碎石將夯坑填平，然后進行下遍強夯。強夯過程中應有一定時間間隔，具體要求為：當大部分夯坑需要進行復夯時，一、二遍主夯點后，復夯之前至少應有7天孔隙水壓力靜置消散期；僅有少量或者沒有夯坑需要復夯時，一、二遍主夯點之間，至少應有7天孔隙水壓力靜置消散期。

面層第四遍滿夯完以后，采用18～22 T壓路機開激振碾壓5遍以上，以改善使持力層的均勻性。

2、3、4層強夯靜置7天以后再進行強夯檢測；頂層強夯后可根據(jù)施工情況適當延長靜置時間，至少不應低于7天。

該方案夯前后土層示意圖見圖3。

3.6 實施結(jié)果

昭通換流站強夯工作在6個月的有效時間內(nèi)完成，摻碎石比例為36%。夯前，挖方區(qū)原狀土平均地基承載力160 kPa，壓縮模量6 MPa，平均含水率36%；夯后經(jīng)檢測，平均地基承載力220 kPa，變形模量達到15 MPa，土壤含水率從夯前的36%降到了24%，后期一年內(nèi)場地沉降觀測最大不超過10 cm，且觀測曲線已經(jīng)趨于平緩。由于排水路徑短且通暢，可以推測，目前填土的固結(jié)沉降已經(jīng)完成了70%～90%，永久沉降值在不超過15 cm且在可控的范圍內(nèi)。

由于強夯半置換效果明顯，昭通換流站高達24 m的深填方區(qū)的建構筑物基礎均沒有設置樁基，而直接置于強夯處理的地基上。目前，最大沉降和不均勻沉降均遠小于滿足規(guī)范的要求，達到了預期的效果。經(jīng)初步計算，整個場地節(jié)約樁基15000 m3，費用約2250萬，減少施工時間為3個月。

高含水率下的粘土強夯工作，宜采用強夯半置換法，應根據(jù)強夯效果、處理深度、工期要求、費用花費等因素綜合考慮，通過本文分析對比，得出以下結(jié)論：

圖3 厚填土方案強夯前后土層示意圖

(1)在夯前無法有效降低土壤含水率處理的情況下，應著重考慮加快夯后填土的排水固結(jié)。主要從以下著手：增加土壤粗骨料含量，改變土壤性質(zhì)，提高滲透系數(shù)和壓縮模量；填土增加縱橫排水通道，縮短滲流路徑；合理確定強夯單位夯擊能和夯擊次數(shù)，有效增加孔隙水壓力，提高水力梯度。

(2)制定合適強夯方案時，不僅要基于理論，還要考慮實際，要充分考慮工期、費用以及機具等因數(shù)。在強夯處理填土方量超過2×105m3時，需綜合考慮工期、質(zhì)量、費用的關系。由于填土工作占用大量時間，當天氣和時間不允許時，宜采用厚填土方案；采用強夯半置換法時應盡量采用大夯錘，提高強夯效率；強夯有效處理深度的確定應既滿足要求，又避免夯擊能損失；夯點布置和夯擊遍數(shù)應有利于整個夯擊過程的快速實施，方便機具施工。

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