強夯置換技術的設計及應用

張 建 民

(賽鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

強夯置換技術是指利用強夯的沖擊力強行將碎石和建筑垃圾、礦渣等粗顆粒硬質骨料擠入軟土層中，從而使地基土的強度提高，壓縮性降低，改善地基土受力性能的地基處理辦法。根據加固機理和適用條件的不同，可分為動力固結法和動力置換法。

1 強夯置換的加固機理及適用條件

1.1 加固機理

1.1.1動力固結法

動力固結法也稱強夯半置換法，是指通過采用向夯坑內回填透水性好的粗顆粒硬質骨料，改善粘性土的透水條件，縮短孔隙水消散路徑，加快粘性土地基的固結。

其原理為：土中存在的微小氣泡使其具有壓縮性。在外部沖擊力的反復作用下，孔隙水壓力上升，當孔隙水壓力等于土的總應力時，土的抗剪強度喪失，地基發(fā)生液化，土的透水性增大。通過采用強夯置換建立排水通道，孔隙水就會快速消散，土層就會加快固結。

1.1.2動力置換法

動力置換分為整體置換和墩式置換。整體置換是采用強夯將碎石等擠入軟土中，使地基表面形成一層硬土層,作用類似于換填墊層；墩式置換是通過強夯將碎石等擠入軟土中，形成碎石墩。其作用機理類似于振沖碎石樁。墩體與樁間土共同作用，形成復合地基。

1.2 適用條件

1.2.1動力固結法

一般適用于飽和度較高的濕陷性黃土和一般粘性土地基。

1.2.2動力置換法

一般適用于對變形控制要求不嚴的高飽和度的粉土、軟塑～流塑的淤泥、淤泥質土、粘性土等。

2 強夯置換的設計

2.1 動力固結法

1)置換墩體深度應達到飽和土層處理深度的1/2～2/3。

2)單擊的夯擊能應通過現場試驗確定。

3)置換墩體材料可采用天然級配的碎石和建筑垃圾、礦渣等堅硬粗顆粒材料，填料中粒徑大于300 mm的顆粒含量不宜超過總重的30%。

4)夯點的夯擊次數應通過現場試夯確定。同時并應滿足下列條件：a.累計夯沉量為設計墩長的1.5倍～2.0倍；b.最后兩擊的平均夯沉量不應大于規(guī)范限值。

5)夯點間距和布點形式可按一般強夯設計。

6)墩頂應鋪設一層厚度不小于500 mm的墊層。墊層材料可與墩體材料相同，粒徑不大于100 mm。

2.2 動力置換法

1)強夯置換的墩體深度應根據土質條件確定，并應穿透軟土層，到達較硬土層上。當深度超過7 m時，應有充分的現場試夯經驗。為提高置換效果，應控制夯坑的深度。在高能級強夯置換中，夯坑深度一般不小于2 m，并最終以拔錘困難為準。若吸錘嚴重且夯坑深度達不到2 m時，應適當填料，待解決吸錘問題后再夯，以確保夯坑深度。

2)單擊夯擊能應通過現場試驗確定。在前期階段可按圖1進行預估。圖1為能級與置換深度統(tǒng)計圖。較適宜的夯擊能E=940(H1-2.1),夯擊能最低值Ew=940(H1-3.3)。H1即置換深度。從圖1中可看出在同一夯擊能作用下，三根斜線所對應的置換深度H1并不相同，這一差異與錘底靜壓力的大小、施工工藝等有關。置換深度較深時，宜選取靜壓力較大的錘型，并采用合理的施工順序、布點形式，嚴格控制填料質量、夯坑深度及累計夯沉量。

3)墩體材料可采用天然級配的碎石和建筑垃圾、礦渣等堅硬粗顆粒材料，且填料中粒徑大于300 mm的顆粒含量不宜超過全重的30%。因置換墩在形成過程中填料滲入土中與墩間土混合，使墩間土成為一種混合土，含水量與密實度都得到一定程度的改善，與墩體形成復合地基。填料在土體的混合中起到重要作用,因此填料粒徑應嚴格控制。

4)夯點的夯擊次數應通過現場試夯確定。并同時應滿足下列條件：a.墩底穿透軟弱土層，并達到設計墩長；b.累計的夯沉量應為設計墩長的1.5倍～2.0倍；c.最后兩擊的平均夯沉量不應大于規(guī)范限值。

5)布點形式應根據基礎型式采用等邊三角形、等腰三角形或正方形等布置。置換墩間距應根據上部荷載和原土的承載力選定。當采用滿堂布置時，夯點間距可取夯錘直徑的2.5倍～3.5倍；對獨基或條基，可取夯錘直徑的1.5倍～2.5倍。滿夯應采用低夯擊能進行夯擊，錘印搭接1/3。

6)墩頂應鋪一層材料與墩體材料相同的壓實墊層，厚度不小于500 mm ，粒徑不大于100 mm。當表層土質松軟、強夯能擊較大時，施工前場地表層應鋪填1.0 m～2.0 m厚壓實墊層，材料同墩體。以避免場地隆起過大使夯坑較深、拔錘困難，施工機械難以移動等。

7)確定軟粘性土中地基承載力特征值時，可只考慮墩體而不考慮墩間土，承載力特征值應通過現場單墩載荷試驗確定；確定飽和粉土地基承載力特征值時可按復合地基考慮，其承載力可通過現場單墩復合地基載荷試驗確定。

3 強夯置換技術的應用

3.1 工程概況及場地地質條件

工程項目為沿海地區(qū)港口儲罐區(qū)工程，占地面積約6萬m2，對處理后地基承載力特征值的要求是不小于180 kPa。

場地為填海造地，地質情況較為復雜。

在鉆孔深度范圍內揭露的土層依次如下：

①素填土：干燥，松散～中密。主要由中風～微風化石英巖碎石組成，碎石呈棱角形，一般粒徑18 mm～80 mm，含量在40%～80%，分布不均，其余為角礫和粉土。結構松散，新近回填形成，分布范圍6.0 m～3.4 m。

②素填土：以軟塑～可塑狀粉質粘土、板巖風化物為主，含石英巖、板巖碎石、角礫，含量最高可達50%以上。標貫擊數為3擊/30 cm～13擊/30 cm。

③沖填土：主要以角礫、礫砂為主，局部混有粉細砂和粉質粘土，分布無規(guī)律。砂土多為稍密～中密狀態(tài)，粉質粘土多為軟塑狀態(tài)。分布范圍3.4 m～-11 m。標貫擊數為4擊/30 cm～14擊/30 cm。

④碎石：飽和，中密～密實。主要以石英碎卵石為主，碎石一般粒徑25 mm～60 mm，碎石含量50%～70%，分布不均，混礫砂與可塑～硬塑粉質粘土充填，多為半膠結狀態(tài)。分布標高范圍-8.8 mm～-13.4 m。

⑤強風化板巖：褐黃色，碎塊、片狀，易碎，層理清晰。

從以上描述可以看出，加固土層主要為素填碎石土、素填粉質粘土和沖填土。地質特點：軟土層較厚，最大厚度11 m,平均厚度9 m左右。含水量大，部分地段處于飽和狀態(tài)，含水層埋深淺，平均為地面下0.8 m～1.2 m。

3.2 地基處理要求

1)加固后的地基承載力特征值不小于180 kPa；

2)加固后的地基回彈模量不小于60 MPa；

3)使用期內最終沉降量不大于30 cm。

3.3 強夯試驗

經分析決定采用主夯6 000 kN·m能級強夯置換處理方案。主夯錘重300 kN，落距20 m，3 m×3 m正三角形布點。滿夯為1 500 kN·m，夯印彼此搭接1/3d。主夯控制要求為δ≤100 mm。鋪填1.5 m厚碎石，單點擊數以現場觀測為準。試夯區(qū)面積800 m2。

試夯效果較好。夯擊點數在15擊～45擊之間，填料次數在3次～7次之間，填料量也差別較大，場地隆起值在20 cm～100 cm之間。試夯選取用夯錘直徑1.2 m，錘重30 t。

施工過程中監(jiān)測和施工后檢測表明：夯擊后超孔隙水壓力明顯增加，隨時間逐步消散。強夯有效影響深度約為9 m。夯擊后10 d孔隙水壓力消散量達90%以上。夯點處動探和夯間處動探、標貫檢驗結果表明土層強度有較大提高。試驗結果表明夯點及夯間地基承載力均大于180 kPa?；貜椖Ａ烤笥?0 MPa。

3.4 強夯施工

本工程強夯置換處理面積6萬m2。施工工藝及參數在試驗的基礎上調整如表1所示。

表1 6 000 kN·m強夯置換施工工藝及參數

3.4.1加固效果檢驗

夯點處動探檢驗見表2。

表2 碎石土以下各土層動探檢驗一覽表

6.0 m以上素填碎石土層強度較高，平均擊數18擊/10 cm。通過以上各夯點處動探檢驗統(tǒng)計結果，深度8 m內土質強度提高較大。夯間處動探、標貫檢驗見表3。

通過以上夯間土檢驗結果，深度8 m內夯間土各土層土質強度有所提高。

3.4.2地基靜載荷試驗

試驗結果表明各夯夯點和夯間地基承載力均大于180 kPa，滿足設計要求。

3.4.3地表沉降

經測量，由于受施工填料的影響，施工前、后標高變化不大。

3.5 結論

綜合上述各項指標，采用強夯置換加固地基后，結果達到了

設計要求。

表3 夯間土各土層動探、標貫檢驗一覽表

4 結語

強夯置換技術在實際工程中的應用擴展了強夯技術的使用范圍。尤其是在高飽和度粉土和淤泥質土等軟土地基地區(qū)增加了一種可行的造價相對經濟的地基處理措施。若建構筑物對變形控制較嚴時，還可采用強夯置換與CFG樁或鋼筋混凝土灌注樁相接合的地基處理方案等。