強夯處理回填土地基在山坡建筑片筏基礎中的應用

王輝

強夯法處理地基屬于人工地基中的一種，天然地基或回填后的地基的承載力不能承受基礎傳遞的全部荷載，需經(jīng)人工處理后作為地基的土體稱為人工地基。處理方法包括換填法、預壓法、強夯法、振沖法、砂石樁法、石灰樁法、柱錘沖擴樁法、土擠密樁法、水泥土攪拌法、高壓噴射注漿法、單液規(guī)劃法、堿液法等。強夯地基是通過夯擊能量產(chǎn)生的波和動應力的反復作用，迫使土骨架產(chǎn)生塑性變形，由夯擊能轉化為土骨架的變形能，使土密實，提高土的抗剪強度，降低土的壓縮性。

強夯法又稱動力固結法,利用起吊設備,將10～40t的重錘提升至6～40m的高處使其自由下落，依靠強大的夯擊能和沖擊波作用夯實土層，從而提高土的強度并降低土的壓縮性。強夯法主要用于礫石到粘性土、雜填土等各種地基土。對非飽和的粘性土地基，一般采用連續(xù)夯擊或分遍間歇夯擊的方法，并根據(jù)工程實際情況通過現(xiàn)場試驗以確定夯實次數(shù)和有效夯實深度。強夯處理地基對改善地基抗震動液化的能力和消除土的濕陷性具有良好的調節(jié)作用，是當前一種經(jīng)濟有效的地基處理方法。隨著城市化進程的不斷深入，山體或山坡建筑，常常采用“開山填谷”方法解決建設用地問題。對于使用開山填筑的大面積回填場地，厚度不均勻，如何使之地基在強度、變形、穩(wěn)定性等各方面都能滿足建設及設計要求的問題，是繼續(xù)要解決的課題。其中強夯法加固技術具有效果顯著、經(jīng)濟易行、施工便捷等諸多優(yōu)點，對山體建筑大面積回填土地基的處理有著巨大的優(yōu)勢。

本文以沁園春C區(qū)-II區(qū)地下室工程應用強夯法處理大面積雜填土地基的工程實例，并對其處理效果進行了分析，可為類似地基土的處理提供參考。

一、工程背景

沁園春C區(qū)-II區(qū)地下室工程位于福州市馬尾區(qū)君竹路登龍支路君山上，屬低山地貌單元，現(xiàn)場地總體呈北高南低趨勢，場地局部高差較大，原貌大部分基巖出露，現(xiàn)經(jīng)大致按整平標高回填整平。根據(jù)《沁園春C區(qū)巖土工程勘察報告》（工程編號：1351025-2），場地上覆第四系人工堆積土，下伏花崗巖風化層。據(jù)勘察鉆探揭露，在鉆孔深度范圍內(nèi)其巖土層可分為3層，雜填土層堆填時間半年，結構松散，土質均勻性差，填土成分復雜，主要由可塑狀粉質粘土夾少量碎石、塊石等組成，硬質物含量20%～40%，工程地質性能差。

地下室層高4.6m，建筑面積為3237㎡，建筑抗震設防為丙類，擬建場地為Ⅲ類，地基基礎設計等級為乙級，基礎采用鋼筋混凝土平板式片筏基礎。該工程場地自然標高在79.20～88.50m之間（羅零標高），施工完成后場地頂標高為86.00m（羅零標高），建成后地下室頂板上有厚度1.0m的綠化回填土，地下室底板位于雜填土層上，地基土承載力不足且沉降變形不能滿足工程要求。

二、工程地質條件

勘察資料表明：本場地無不良地質作用存在，屬不均勻但穩(wěn)定地基場地。場地內(nèi)無膨脹土和黃土質濕陷性土，無飽和砂土層，屬非液化場地，地下水位埋深大于15m。據(jù)鉆探顯示，建筑場地主要為近期平整場地人工素填土和殘積砂質粘性土，下伏太古代混合花崗巖強、中強風化層。按其成因和類別可分四個土層，其特征分述如下：

（一）素填土

灰黃、灰色，稍濕，呈松散—稍密狀態(tài)，以人工回填的塊石、碎石為主，巖性為花崗巖，多呈中風化狀態(tài)，巖質較硬，粒徑一般多為200～1000mm，少量可達1000mm以上，雜亂分布，含量約為40%～80%，粘性土含量為10%～20%。層厚0.50m～13.80m。

（二）強風化花崗巖（Ⅰ）

灰黃、灰白，中粗粒花崗巖結構，散體塊狀構造，主要礦物成分為長石及石英，巖芯多呈砂土狀，局部呈碎屑狀，為極軟巖，巖體完整程度為破碎，巖體基本質量等級為V級，裂隙較發(fā)育。層厚0.50m～8.10m。

（三）強風化花崗巖（Ⅱ）

灰黃、灰白，中粗?；◢弾r結構，散體—碎裂塊狀構造，主要礦物成分為長石及石英，巖芯多碎塊狀，局部呈碎屑狀，為軟巖，巖體完整程度為破碎，巖體基本質量等級為V級，裂隙較發(fā)育。層中未發(fā)現(xiàn)洞穴、臨空面及軟弱巖層。層厚0.30m～4.80m。

（四）中風化花崗巖（Ⅲ）

灰白色，中粗?；◢徑Y構，塊狀構造，主要礦物成分為長石及石英，巖芯多呈柱狀，局部呈塊狀，為較硬巖，巖體完整程度為較完整，巖體基本質量等級為III級，裂隙較發(fā)育，RQD=50%～60%。層中未發(fā)現(xiàn)洞穴、臨空面及軟弱巖層。該層在擬建場地均有揭露，揭露厚度為5.40m～21.00m。

三、地基處理方案與強夯法施工參數(shù)的確定

（一）地基處理方案

該工程為獨立地下室，上部6層聯(lián)排洋房荷載并不大，但由于后期人工填土層較厚，雖然解決了地下室的抗浮力，但卻帶來了地基土承載力不足和沉降變形過大的問題。由于地下室底板下雜填土層厚度過大，平均10m左右，采用換填法不可行，而土方置換法、地基擠密法等復合地基處理方案雖然效果比較好，但造價較高；考慮采用人工挖孔樁，孔深較大，部分要超過16m，危險性較大，且施工難度也較大，回填土層容易產(chǎn)生塌孔，且造價也較高。根據(jù)場地的工程地質條件，結合本工程的特點，在進行地基處理方案的可行性和經(jīng)濟性分析對比后，決定采用強夯法對地基進行加固處理。強夯法處理雜填土地基具有良好的效果，且費用不高，本工程位于馬尾君山頂，周圍無鄰近建筑物和居民居住，無需采取防振、隔振措施，施工對周邊環(huán)境不會造成不利影響，且工期短、施工速度快。

本工程建筑物填土區(qū)域強夯后的有效加固深度不小于6m，地基土承載力特征值fak要求達到 350kPa。

表1 各土層物理力學性質指標

（二）強夯法施工參數(shù)確定

1.有效加固深度確定

有效加固深度既是選擇地基處理方法的重要依據(jù)，又是反映處理效果的重要參數(shù)。有效加固深度不僅僅與錘重、落距有關，還與其他強夯參數(shù)和土層厚度、土層構造以及土的物理力學性質有關（見表1），現(xiàn)階段要準確確定有效加固深度難度很大。《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79-2012）要求有效加固深度應根據(jù)現(xiàn)場試夯或當?shù)亟?jīng)驗確定，或查表預估，工程實際中一般可按修正公式估算有效加固1/2深度。

普遍使用的是Menard公式：

H =α（Mh/10）

式中w 一一 夯錘重(kN)；

h 一一 落距(m)；

α一一 折減系數(shù)，粘性土取0.5；砂性土取0.7；黃土取0.3 4～0.5 0；人工填土取0.50～0.75。

在原始公式的基礎上引入一個修正系數(shù)，而Menard公式是根據(jù)主要因素強夯單擊夯擊能提出影響深度H的取值，而規(guī)范修正公式的修正系數(shù)人工填土α=0.50～0.75之間。事實上很多因素如：錘重和落距的組合、地基土的性質、不同土層的厚度和埋藏順序、地下水位及其它夯擊參數(shù)都影響H值,因此修正公式仍難以較合理地確定加固深度。但由于該公式形式簡單、直觀，在工程設計中應用廣泛，為此，正確地選用修正系數(shù)，對工程設計有重要的實際意義。

對于加固深厚欠固結土地基，以提高承載力為主要目的，設計宜優(yōu)先采用高能級強夯，不宜考慮過高的壓縮模量值。本工程為雜填土取α=0.55。

2.夯擊能量及夯擊遍數(shù)

（1）夯擊能量

采用強夯法加固地基時，合理地選擇夯擊設備及夯擊能量，對提高夯擊效率很重要。夯錘錘重和落距決定著夯擊能的大小，是影響強夯有效加固深度的重要因素。

根據(jù)地質勘探報告，本工程地基處理深度要求不小于6m，初選修正系數(shù)為α=0.55，錘重為15t，按修正Menard公式算得錘落距為7.93m，實際錘落距取為8.0m；故單擊夯擊能為1200kN·m,小于4000kN·m，夯擊次數(shù)通過現(xiàn)場試夯確定，同時要求最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm，實際施工最終取夯點的夯擊次數(shù)為8次。

（2）夯擊遍數(shù)

夯擊遍數(shù)應根據(jù)地基土的性質確定，對滲透性較大的地基土，夯擊遍數(shù)可少些，而對滲透性弱的地基土，則夯擊遍數(shù)要求多些。從國內(nèi)工程實踐看，夯擊遍數(shù)應根據(jù)地基土的性質確定，一般可取2～3遍，最后再以低能量（如前幾遍能量的1/5～1/4）滿夯2遍，以夯實前幾遍之間的松土和被振松的表層土?？紤]到本工程是雜填土，滲透性較大，故采用連續(xù)夯擊。

（3）夯擊點布置及間距

本工程采用正方形布點,夯點間距為5.0m。夯擊時采取隔行跳夯，第一遍夯完后連續(xù)夯擊第二遍，第二遍夯擊點位于第一遍夯擊點之間；第二遍夯完后，采用低能進行滿夯，滿夯彼此搭接1/4。一般建筑物在離地基軸線以外3m布置一圈夯擊點。

3.設備選型

圖1 現(xiàn)場強夯落錘

吊車：根據(jù)施工技術參數(shù)、機械效率和工期要求，共選定 3臺吊車，其中40t吊車2臺，以滿足4000和2000kN·m夯擊能需要，Wl01型20t吊車1臺主要用來強夯附屬設施地段及滿夯需要。

夯錘：共調配3個，均使用15t鑄鐵夯錘，錘底徑2.40m。

脫鉤器：選用30t級的脫鉤裝置，該脫鉤器具有操作靈活、安全、耐磨等優(yōu)點，可滿足正常施工的需要。

重型門架：選用截面尺寸為0.8m×0.8m，高度為15m的龍門架，強度滿足4000kN·m能級施工需要。

另外還配備了2臺推土機、1臺全站儀、2臺水準儀等輔助設備和儀器。

4.強夯施工

先進行放樣定位，復核后布設夯點。吊車就位，對重錘的落距（8m）進行測量。將夯錘起吊至預定高度后脫鉤，使其自由落地夯擊地面，測量錘頂標高，記錄單擊夯沉量，如此反復，當達到設計夯擊數(shù)和夯沉量后，將吊車和夯錘按照正方形布點方案移至下一夯點，重復上述步驟，直至完成所有第一遍主夯點施工。施工完畢后用推土機將夯坑推平并整平場地，測量夯后標高，間隔規(guī)定時間后進行第二遍強夯施工。用質量控制點是夯擊次數(shù)和夯錘落距。

本工程強夯施工于2016年4月18日進行試夯，4月21日進行大面積施工，2016年5月23日施工完畢，實際工期為35天，提前2天完工。由于強夯場地周圍空曠，沒有已建的建筑物或地下管線，所以施工時沒有產(chǎn)生任何振害。

四、強夯加固效果分析

按照制定的施工技術參數(shù)和施工方案施工完成后，根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79-2012）的有關規(guī)定，業(yè)主委托第三方（福建省建設工程物探檢測中心）進行了平板載荷試驗16個點，壓板采用正方形鋼板，試驗靜荷載由安裝在承壓板上的油壓千斤頂進行逐級加荷，千斤頂所需的反力由混凝土預制塊壓重平臺承擔，樁頂沉降量由對稱方向安裝的大量程百分表測讀。

平板載荷試驗加荷方式采用慢速維持荷載法。C1#～C16#共16個試驗點的靜載試驗的壓板采用邊長為1.414m的方形鋼板，此16個試驗點的每級荷載增量均為175kN，最大試驗荷載均加至1400kN。試驗進展順利，均未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，此16個試驗點在最大荷載作用下承載板總沉降量分別為5.91mm、6.67mm、7.37mm、6.82mm、9.72mm、6.84mm、7.63mm、8.42mm、7.00mm、5.62mm、5.10mm、6.90mm、5.97mm、10.53mm、9.26mm和7.71mm，均小于85mm（s=0.06b=0.06×1414=85mm），Q-s曲線均呈緩變型，未出現(xiàn)明顯沉降增大現(xiàn)象，s-lgt曲線尾部均未出現(xiàn)明顯向下彎曲，此16個試驗點均未達到極限承載狀態(tài)(見圖2、圖3)。根據(jù)行業(yè)標準《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79-2012）的有關規(guī)定，取14.14mm（s=0.01b=0.01×1414=10.00mm）處所對應的荷載為處理地基承載力特征值，且不應大于最大加載壓力的一半。

檢測結論為：C1#～C16#共16個試驗點的地基承載力特征值均為350kPa，本工程地基承載力特征值fak為350kPa，滿足設計要求。

圖2 C1點Q-s曲線

圖3 C1點s-lgt曲線

五、結束語

本工程采用強夯法處理回填土地基取得了良好的效果，目前主體結構結束后，實測的最大沉降值為2.30mm，最小沉降值為1.35mm，整體沉降均勻，完全滿足技術規(guī)范和設計的要求，能夠保證工程質量。本工程強夯處理回填土地基分項工程總造價19.6萬元，與其它的地基處理方案相比可節(jié)省投資50%以上，經(jīng)濟效益顯著，且能大量減少施工工期，在山體建筑大量回填土地基處理中值得推廣使用。

[1]姚向軍.強夯法地基處理有效加固深度的分析研究[J].城市建設理論研究：電子版，2013(36).

[2]劉艷軍.強夯法在處理大面積雜填土地基中的應用[J].森林工程，2009，25(3)：89-91.