強(qiáng)夯置換法在濕陷性黃土地基處理中的應(yīng)用

張延記

（冀北中原巖土工程有限公司，河北 廊坊 065001）

1 工程概況

東陽(yáng)關(guān)主線收費(fèi)站的位置主要在山西省黎城，是在長(zhǎng)治公路改擴(kuò)建工程當(dāng)中的一個(gè)收費(fèi)站，該收費(fèi)站所處區(qū)域?yàn)? 處沖溝處。2 處沖溝位置未設(shè)置排水設(shè)施，由于常年積水導(dǎo)致主線收費(fèi)站所處地基位置受到浸泡。

地質(zhì)狀況如下：該區(qū)域地形地貌為黎城盆地黃土臺(tái)塬地貌，高差達(dá)到了19 m，標(biāo)高在853 m～834 m，軟弱地基的位置主要在834 m～840 m 的沖溝位置。

水文狀況如下：該段地下水位較高，而且地下水位于軟塑—流塑的黃土狀土中。表層主要是黃土狀土，因?yàn)榈叵滤宦癫叵鄬?duì)較淺。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地質(zhì)勘查，地質(zhì)土層情況具體如下。

第1 層主要是耕土和雜填土。該層的均勻性相對(duì)較差，而且整個(gè)結(jié)構(gòu)非常松散，其厚度大約在1 m 以下。第2 層主要是黃土狀粉土，這一層土的濕度較大，而且顏色呈黃色，較為密實(shí)，該層局部出現(xiàn)濕陷性，壓縮模量為8 MPa，而且具有一定的承載力。該層的厚度達(dá)到了1.8 m 左右。第3 層為黃土狀粉質(zhì)黏土。該土的顏色主要為褐紅色和黃褐色，局部為軟塑，大部為硬塑，而且壓縮性中等。該層當(dāng)中濕陷程度不大，而且平均厚度達(dá)到了4.56 m。第4 層為粉質(zhì)黏土層，土壤的顏色為紅色，局部具有軟塑性，整個(gè)土層較為堅(jiān)硬，其中有一些姜石和卵石。該層的厚度達(dá)到了5.49 m，壓縮模量為6.6 MPa。第5 層為卵石土層，該土層的密實(shí)度較大，而且顏色呈褐紅色，母巖主要是一些未風(fēng)化的石英砂巖，具有65%～75%的卵石。

2 地基處理方案分析

依照地層的具體情況以及構(gòu)造物的特性，擬建構(gòu)造物的持力層主要是在第3 層，也就是黃土狀粉質(zhì)黏層。該黏層的濕陷性為中等，其承載力特征值大約在100 kPa 左右。

2.1 方案1

強(qiáng)夯置換法。主要將場(chǎng)地附近的天然級(jí)配卵石土作為強(qiáng)夯置換的材料，這些卵石土當(dāng)中土的含量大約為20%，軟石的含量為80%，通過(guò)強(qiáng)行夯入一定的填料，可以形成大體積的卵石墩柱。這樣可以對(duì)土體進(jìn)行緊密，讓承載能力提高，符合施工的需要。

2.2 方案2

換填墊層法該方法。主要的操作手段如下，首先挖出上部5 m 的土體，接著通過(guò)卵石分層進(jìn)行換填和碾壓。

在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析和技術(shù)比對(duì)之后，最終使用方案2，也就是強(qiáng)夯置換法來(lái)進(jìn)行該工程的地基處理。

3 強(qiáng)夯置換法應(yīng)用原理分析

強(qiáng)夯置換法在施工的過(guò)程中利用強(qiáng)夯的作用，將卵石向土體當(dāng)中送入，這樣可以形成墩體，接著通過(guò)卵石之間的摩擦角和墩體的側(cè)阻力，使墩體的承載能力大幅度提高，起到穩(wěn)定地基的作用，這樣可以形成復(fù)合地基。

在夯擊置換地基的過(guò)程中從上到下產(chǎn)生了2 個(gè)區(qū)域。區(qū)域一主要是利用強(qiáng)夯的方式讓卵石逐步加密，最終產(chǎn)生一個(gè)墩體。這樣可以使地基的承載能力大幅度提高，是進(jìn)行強(qiáng)化置換過(guò)程中的重要區(qū)域。第2 個(gè)區(qū)域?yàn)閺?qiáng)夯壓力區(qū)。通過(guò)強(qiáng)夯逐步對(duì)該區(qū)域進(jìn)行擠壓，在此條件下所占空間的土體會(huì)逐步被擠壓到該區(qū)域，產(chǎn)生慣性擠壓區(qū)。該區(qū)域當(dāng)中密度逐步提高，而且孔隙逐步被壓使孔隙比減小，會(huì)成為一個(gè)堅(jiān)實(shí)持力層。該區(qū)域當(dāng)中的土體和普通強(qiáng)夯獲得的效果相似。加固深度可通過(guò)一般強(qiáng)夯的加固深度理論來(lái)進(jìn)行分析，在加固的過(guò)程中需要對(duì)強(qiáng)夯單擊能量和土的性能進(jìn)行有效的確認(rèn)。

4 施工操作過(guò)程分析

4.1 技術(shù)參數(shù)的設(shè)定

在進(jìn)行施工的過(guò)程中，所使用的設(shè)備主要為32 t 履帶式吊車(chē)以及質(zhì)量為20 t 直徑為2 m 的圓形柱鋼錘，另外還需要配合使用一些推土機(jī)、門(mén)式鋼架等設(shè)備。在焊接的過(guò)程中布設(shè)點(diǎn)位使用梅花型進(jìn)行布設(shè)，控制夯擊各點(diǎn)區(qū)域的間距在4 m 左右，局部區(qū)域需要加密為3 m。依照試夯確認(rèn)的參數(shù)來(lái)對(duì)夯機(jī)施工的參數(shù)進(jìn)行控制，在操作的過(guò)程中單次夯擊的能量設(shè)定為3 000 kN·m。另外，設(shè)定強(qiáng)夯的范圍在所構(gòu)建建筑基礎(chǔ)外3 m以?xún)?nèi)。

在置換的過(guò)程中深度一般控制在后兩擊夯沉小于10 cm 的深度。如果夯擊的深度超過(guò)1.5 m，需要重視加強(qiáng)回填置換填料的質(zhì)量。另外每次回填的過(guò)程中回填深度控制在1 m，最后將焊機(jī)使用的卵石和地面填平之后再進(jìn)行碾壓，每個(gè)夯擊點(diǎn)需要注意進(jìn)行填料的控制，初次加料時(shí)控制在3.2 m3，加料的次數(shù)為3～4 次。在操作過(guò)程中逐步夯實(shí)場(chǎng)地表層的松土，并且對(duì)夯擊場(chǎng)地的高程進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)勘察分析發(fā)現(xiàn)，該施工區(qū)域場(chǎng)地東北位置的土層相對(duì)較軟，需要對(duì)地基進(jìn)行有效的處理，設(shè)定夯擊的間距為3 m，并且將填料的次數(shù)提升為6 次[1]。

4.2 施工流程和質(zhì)量控制

4.2.1 施工流程

在施工的過(guò)程中首先需要對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行平整，將焊點(diǎn)的位置標(biāo)記出來(lái)，接著對(duì)場(chǎng)地的高層進(jìn)行測(cè)量，將施工所需要使用的設(shè)備，運(yùn)輸至規(guī)定位置。并且將錘設(shè)定于需要的位置，對(duì)夯前錘頂高程進(jìn)行測(cè)量，在完成測(cè)量之后進(jìn)行夯擊。在夯擊的過(guò)程中，逐步對(duì)夯坑深度進(jìn)行記錄。完成夯擊之后，再通過(guò)挖掘機(jī)對(duì)夯擊點(diǎn)附近隆起的土體進(jìn)行清理，接著換夯點(diǎn)。對(duì)上述步驟進(jìn)行重復(fù)操作，嚴(yán)格的依照施工要求進(jìn)行施工質(zhì)量的控制。

4.2.2 質(zhì)量控制

需要注意3 個(gè)方面的質(zhì)量控制。1）點(diǎn)夯的定位確定。為確保置換質(zhì)量，施夯前在需處理地基周?chē)O(shè) 2 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，分別為永久性平面控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)，以便在施工過(guò)程中及時(shí)檢查校核。2）片石墩垂直度控制。首先在夯擊過(guò)程中確保垂直施夯，提起時(shí)與地面垂直，施夯時(shí)夯錘垂直落下，不傾斜； 其次保證填料級(jí)配均勻，填筑后需整平。3）靜置時(shí)間的控制。每遍強(qiáng)夯結(jié)束后需靜置一定時(shí)間，靜置時(shí)間以強(qiáng)夯形成的孔隙水壓力消散 90% 為準(zhǔn)。

5 效果檢測(cè)

5.1 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

為了對(duì)夯擊的密實(shí)度和承載力進(jìn)行檢測(cè)。在場(chǎng)地當(dāng)中，對(duì)9 個(gè)墩體進(jìn)行重型動(dòng)力觸探。在檢測(cè)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)樁體卵石充填的效果較好，而且通過(guò)垂直連續(xù)的錘擊，能夠有效地提高土體的承載能力，最終承載能力可以超過(guò)500 kPa。

5.2 土工取樣試驗(yàn)

在現(xiàn)場(chǎng)試樣的過(guò)程中進(jìn)行提取樣試驗(yàn)。在操作過(guò)程中嚴(yán)格依照規(guī)范要求使用黃土薄壁取樣器連續(xù)靜壓法進(jìn)行取樣，在取樣的過(guò)程中共獲得18 件土樣。對(duì)土樣的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，主要測(cè)量的數(shù)據(jù)有壓縮系數(shù)、孔隙比和壓縮模量等[3]。

進(jìn)行土工試驗(yàn)之后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)強(qiáng)夯置換之后的土體在300 kPa壓力濕陷系數(shù)不超過(guò)0.015。在場(chǎng)地條件方面已經(jīng)可以達(dá)到施工的需要，無(wú)濕陷性。在強(qiáng)夯置換之后，壓縮模量超過(guò)了123%，孔隙比減小了24%，大幅度提高了土體的強(qiáng)度。

5.3 淺層平板靜載荷試驗(yàn)

在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，在強(qiáng)夯的地基位置隨機(jī)選擇敦間土3 個(gè)點(diǎn)，一共選擇9 個(gè)點(diǎn)，對(duì)該9 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行淺層平板靜載荷試驗(yàn)[2]。

5.3.1 靜載荷試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)的過(guò)程中，加荷方法主要是慢速維持載荷法，主要分成10 級(jí)進(jìn)行加載。每級(jí)加載的壓力為50 kPa，最大加載值設(shè)定為500 kPa，控制承壓板面積為0.64 m2。

5.3.2 資料整理

依照現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)的具體數(shù)據(jù)，將沉降時(shí)間對(duì)數(shù)曲線和載荷沉降區(qū)關(guān)系曲線繪制出來(lái)，通過(guò)曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)地基承載力進(jìn)行確認(rèn)。

5.3.3 檢測(cè)結(jié)果

在操作的過(guò)程中對(duì)最大加荷值進(jìn)行檢測(cè)，最終確認(rèn)為設(shè)計(jì)承載力值的2 倍。另外，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制檢測(cè)點(diǎn)的p-s 曲線，通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)該9 條曲線均是平滑曲線，而且之間基本相同，沒(méi)有較大的差異，如圖1 所示。

圖1 夯間土QB2 p-s 曲線圖（其中，橫坐標(biāo)p 表示壓力，單位kPa，縱坐標(biāo)s 表示距離，單位mm）

對(duì)3 種檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合化的分析可以發(fā)現(xiàn)，在處理之后，黃土狀粉質(zhì)黏土的承載能力超過(guò)250 kPa，而且不具有時(shí)限性，符合構(gòu)筑物在施工過(guò)程中的具體需要。另外，其東北部的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)也符合施工的需要，在淺層平板靜載和試驗(yàn)和重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)方面的數(shù)據(jù)還優(yōu)于其他區(qū)域。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)強(qiáng)夯置換法，在濕陷性黃土地基處理方面可以提高濕陷性黃土地基的承載能力，夯人的墩體具有置換和緊密的效果，相比于一般的強(qiáng)夯法。該方法在使用的過(guò)程中可以有效地將場(chǎng)地的濕陷消除。另外可以使承載能力大幅度提高，在濕陷性黃土層的應(yīng)用的過(guò)程中，可以獲得較好的效果，應(yīng)用前景非常明顯。

7 結(jié)語(yǔ)

濕陷性黃土地基處理的過(guò)程中，需要依照實(shí)際情況合理地選擇適宜的處理方法。在該工程中，強(qiáng)夯置換法對(duì)濕陷性黃土地基進(jìn)行處理具有較好的效果，可消除地基土的液化，使?jié)裣菪渣S土地基的承載力大幅度提高。