淺析強(qiáng)夯置換法在軟基處理中的應(yīng)用

張磊 ZHANG Lei

（中交二公局第六工程有限公司，西安 710065）

1 工程概況

本合同段軟土路基處理總長(zhǎng)490m，主要為軟塑粘土、粉質(zhì)粘土，設(shè)計(jì)處理措施為清除換填，換填材料為素土和石渣，換填平均深度約為3m，換填面積約31499m2，其中挖除軟土91872m3，回填石渣15312m3，回填素土76560m3。

原設(shè)計(jì)地質(zhì)情況：根據(jù)地勘資料顯示，地面表層主要為黏土：黃褐，濕軟塑黃褐色、褐色、局部黑褐色，濕，切面光滑，韌性較低。表面雜草較多，含少量有機(jī)質(zhì)土，工程性能差，下伏灰黃色粉質(zhì)黏土及基巖。

2 原設(shè)計(jì)情況

此段軟基原設(shè)計(jì)換填3m（其中2.5m素土，0.5m石渣），平均填土高度為11m。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地情況

此段路基平均填土高度為11m，此段路基原地表為水稻田，土質(zhì)為淤泥，常年積水，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘情況，本區(qū)域表層主要為主要為黏土：黃褐，濕軟塑黃褐色、褐色、局部黑褐色，濕，切面光滑，韌性較低。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣資料，此段淤泥厚度為1.8～4m不等，且此段常水位較高，換填2.5m素土后長(zhǎng)期受地下水浸泡，路基整體穩(wěn)定性較差，經(jīng)與業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理單位現(xiàn)場(chǎng)查勘，會(huì)商結(jié)果為此段落內(nèi)軟基處理采用強(qiáng)夯置換方案。

4 強(qiáng)夯置換方案

4.1 強(qiáng)夯置換簡(jiǎn)述

強(qiáng)夯方式：整體式強(qiáng)夯置換，主要是采用強(qiáng)夯機(jī)將片石整體打入軟基中，其原理相當(dāng)于整體換填。

4.1.1 加強(qiáng)深度

強(qiáng)夯的加強(qiáng)深度沒有具體的規(guī)定，可認(rèn)為：經(jīng)強(qiáng)夯處理后，地基強(qiáng)度、變形等參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求規(guī)定范圍。根據(jù)CECS 279-2010《強(qiáng)夯地基處理技術(shù)規(guī)程》，強(qiáng)夯的加強(qiáng)深度可按照下式進(jìn)行預(yù)估：

式中：

H——有效加固深度（m）；

M——夯錘重（t）；

h——落距（m）；

α——系數(shù)，須根據(jù)所處理地基土的性質(zhì)而定，對(duì)軟土可取0.5，對(duì)黃土可取0.34～0.50。

因強(qiáng)夯的加固效果影響因素較多，因此，強(qiáng)夯的加固深度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。在試驗(yàn)前，根據(jù)CECS 279-2010《強(qiáng)夯地基處理技術(shù)規(guī)程》，可根據(jù)表1進(jìn)行預(yù)估。

表1 強(qiáng)夯有效加固深度表

4.1.2 夯錘和落距

單擊夯擊對(duì)粗粒土可取1000～3000kN·m/m2，對(duì)細(xì)粒土可取1500～4000kN·m/m2，一般采用的落距是8～25m。

4.2 施工方案

根據(jù)地質(zhì)資料及夯擊區(qū)土樣，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算資料，初步確定施工參數(shù)，具體如下：

強(qiáng)夯初步方案：平均填筑片石3m厚，先進(jìn)行主夯、然后副夯、最后滿夯一整套工藝。在施工完一遍夯擊后，軟土層厚度低的地方不再填補(bǔ)片石，軟土層厚度高的地方再補(bǔ)充片石，填補(bǔ)片石完成后再進(jìn)行整平碾壓。主夯和副夯夯擊能量均采用1600kN·m，滿夯夯擊能量采用800kN·m，夯擊次數(shù)由實(shí)際夯擊次數(shù)與夯沉量關(guān)系而定，最后兩擊平均夯沉量小于5cm。夯擊點(diǎn)按照正三角形布置，處理寬度至路堤坡腳外3m處，主、副夯夯點(diǎn)間距為6m，滿夯重疊1/4夯錘面積。

圖1 主、副夯夯點(diǎn)間距

4.2.1 加強(qiáng)深度

主夯、副夯加強(qiáng)深度：

其中，軟土地基a取值為0.5m，夯錘重16T，夯點(diǎn)間距為9.5m。

根據(jù)地勘資料，此段軟基下地基承載力1.5～5.5m以下均能滿足設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)夯處理對(duì)此段路基進(jìn)行加強(qiáng)。根據(jù)鉆探資料，軟土地基下地質(zhì)情況較好，可以作為持力層。

滿夯有效加固深度：

其中，軟土地基a取值為0.5m，夯錘重16T，夯點(diǎn)間距為5.0m。

4.2.2 夯點(diǎn)間距計(jì)算

主夯與副夯中的距離按照夯錘直徑的3倍控制，夯錘直徑為2.6m，夯點(diǎn)間距為6m滿足要求，正三角形布置，主、副夯夯點(diǎn)呈梅花形布置，能夠有效對(duì)地基進(jìn)行加固，滿夯重疊1/4夯錘面積。

4.2.3 強(qiáng)夯施工線路

夯擊時(shí)順序?yàn)橄群粨糁虚g部位，再夯擊兩側(cè)部位，這樣可使軟基向兩側(cè)擠壓，可及早消散、及早板結(jié)，提高夯后質(zhì)量。

圖2 強(qiáng)夯施工夯擊順序路線圖

4.2.4 夯沉量測(cè)設(shè)

為準(zhǔn)確得知夯沉量，反映夯沉量與夯擊次數(shù)等曲線關(guān)系，需測(cè)量前后夯擊產(chǎn)生的沉降差，每夯擊一次測(cè)量一次數(shù)據(jù)，在夯擊次數(shù)完成后，再測(cè)量一段時(shí)間數(shù)據(jù)，然后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，看強(qiáng)夯后是否存在上拱現(xiàn)象。

圖3 強(qiáng)夯后高程變化表

根據(jù)以上數(shù)據(jù)強(qiáng)夯后1-3d因應(yīng)力釋放有小的起拱，但整體不大，且觀測(cè)15d內(nèi)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，因此，在強(qiáng)夯后7d左右便可進(jìn)行下一步施工作業(yè)。為確保應(yīng)力消散，主、副夯完成后時(shí)間間隔7d后方可進(jìn)行滿夯施工。

圖4 標(biāo)高變化趨勢(shì)線

沉降差測(cè)量時(shí)為避免強(qiáng)夯震動(dòng)影響觀測(cè)精確度，在測(cè)量時(shí)水準(zhǔn)儀架設(shè)在距離夯擊點(diǎn)約80～100m處。

4.3 強(qiáng)夯（主夯）效果

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，此段路基填筑片石厚度3m，根據(jù)圖紙要求，最后兩此夯擊完成后沉降差小于5cm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，主夯、副夯夯擊12～15次后可達(dá)到最后兩擊沉降差小于5cm的要求，滿夯夯擊6～8下能達(dá)到沉降差小于5cm的要求。經(jīng)測(cè)量夯坑平均深度為1.7m。

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中選取3組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從數(shù)據(jù)分析得，夯擊每次沉降差都在減小，在夯擊12～15次后沉降差滿足要求，可夯擊密實(shí)。

圖5 單次夯擊沉降關(guān)系圖

4.4 沉降及位移觀測(cè)方案

圖6 總沉降差與夯擊次數(shù)圖

為保證軟基處理地基穩(wěn)定性，在路基填筑過程中需進(jìn)行沉降觀測(cè)及位移觀測(cè)，沉降觀測(cè)點(diǎn)埋置在軟基較厚地方，位移觀測(cè)點(diǎn)埋置在強(qiáng)夯區(qū)域外1m處。在路基填土過程中每3d進(jìn)行一次觀測(cè)，在填筑完成后每7d進(jìn)行一次觀測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

沉降觀測(cè)點(diǎn)及位移觀測(cè)點(diǎn)按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置：

①觀測(cè)斷面：沉降板1塊，位移邊樁2根，布置于全軟基路段。每隔50m一個(gè)觀測(cè)斷面。

②觀測(cè)頻率：施工期間每三天觀測(cè)1次。路基填筑完成后，第一個(gè)月1周1次，2～3個(gè)月內(nèi)2周觀測(cè)一次，3個(gè)月后每月觀測(cè)一次，半年后每月觀測(cè)一次，完成后交驗(yàn)后停止觀測(cè)。（圖7）

圖7 沉降觀測(cè)斷面及平面布置圖

沉降觀測(cè)：沉降觀測(cè)板在軟基處理后，路基填筑前埋設(shè)完畢。沉降板底座采用50cm×50cm×0.5cm的鋼板，測(cè)桿為鋼管，最底部的測(cè)桿與沉降板焊為一體。套管為直徑較大的鋼管（防止擠壓變形），路基高程不斷升高，測(cè)桿與套管需不斷接長(zhǎng)，每節(jié)長(zhǎng)度一般為100cm，為預(yù)防施工過程中機(jī)械碰撞，在套管外面貼反光標(biāo)志，以做警戒。埋設(shè)時(shí)，沉降板底槽平整，其下鋪設(shè)砂墊層。

位移觀測(cè)：位移邊樁在軟基處理前埋設(shè)完畢，位移樁采用鋼筋制作，長(zhǎng)度不小于1.0m，直徑為2cm，樁頂克十字絲用作對(duì)中，開挖埋設(shè)深度不小于0.9m，四周用混凝土澆筑固定。位移觀測(cè)點(diǎn)布置于強(qiáng)夯區(qū)域外1m處。

5 承載力計(jì)算

5.1 路堤自重應(yīng)力情況

根據(jù)路基荷載應(yīng)力分布情況，路基整體荷載在強(qiáng)夯頂面處的應(yīng)力為：根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》（人民交通出版社，周水興、何兆益、鄒毅松等編著，2001.5出版），地基內(nèi)任一深度Z對(duì)應(yīng)點(diǎn)M處的垂直應(yīng)力σz是由地基的自重和路堤荷載組成。

γ—土的有效重量，kN/m3；

σ′z—路堤填土荷載在深度Z處產(chǎn)生的附加應(yīng)力，kPa；

取Z=0，即強(qiáng)夯頂面處應(yīng)力深度；

K—應(yīng)力系數(shù)；

q—填土荷載，等于填土的重量與填土高度乘積；

根據(jù)土的性質(zhì)及查表可知，γ=18.7kN/m3，應(yīng)力系數(shù)K取值0.5，路堤填土高度h=11m；

圖8 地基中任意點(diǎn)垂直應(yīng)力圖

5.2 強(qiáng)夯作用后地基承載力情況

軟土地基在強(qiáng)夯置換后承載能力整體提高，參考《強(qiáng)夯作用下地基承載力的預(yù)測(cè)研究》（天津市津勘巖土工程有限公司，高梓旺，2012），對(duì)強(qiáng)夯后地基承載力進(jìn)行計(jì)算：

式中，P為強(qiáng)夯后地基承載力，kPa；N為點(diǎn)夯擊數(shù)；W為點(diǎn)夯擊能，kN·m；

N取值14，W取值1500kN·m

路基應(yīng)力σ=205.7kPa＜P=341.8kPa，強(qiáng)夯后地基承載力滿足要求。

6 結(jié)束語

通過強(qiáng)夯置換整個(gè)施工過程，我項(xiàng)目軟基處理采用強(qiáng)夯置換施工工藝滿足設(shè)計(jì)和施工要求，適應(yīng)與我合同段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，能夠安全、連續(xù)、高效的完成軟基處理，按照以上施工工藝，完全可以滿足設(shè)計(jì)施工要求，并做到外美內(nèi)實(shí)，此工藝在類似項(xiàng)目中可大力推廣指導(dǎo)軟基施工。