強(qiáng)夯置換法軟土地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

文／焦廣昶 中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100098

引言：

我國(guó)沿海、沿江、沿湖地區(qū)廣泛分布著軟土，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑行業(yè)發(fā)展迅速，工程建設(shè)過(guò)程中常常會(huì)涉及到軟土問(wèn)題；軟土具有含水量大、滲透性弱、天然強(qiáng)度低、壓縮性高的特性，是近代水下沉積的飽和軟黏土；軟基處理成為工程建設(shè)必然要面臨的問(wèn)題。軟基處理主要處理的方法包括置換法、排水固結(jié)法、振密擠密法、加筋法、灌入固化物法等。對(duì)于大面積軟基處理，強(qiáng)夯置換是一種經(jīng)濟(jì)、快速、有效的處理手段。強(qiáng)夯置換是由強(qiáng)夯法改進(jìn)而來(lái)，因強(qiáng)夯法處理不適用于高含水量軟粘土或飽和軟土，通過(guò)對(duì)強(qiáng)夯法采取諸如增加排水通道或改變施工工藝等方法進(jìn)行改進(jìn)，強(qiáng)夯置換工藝產(chǎn)生，強(qiáng)夯置換不再通過(guò)強(qiáng)夯中夯錘的夯擊能來(lái)改變軟土密實(shí)程度和加速排水固結(jié)，而是利用夯錘下落將“填料”—即砂、石等粗顆粒料擠入軟土中，形成“填料軟土”的復(fù)合地基為上層構(gòu)筑物提供承載力。強(qiáng)夯置換相對(duì)于強(qiáng)夯，在加固軟粘土特別是高含水量或飽和粘土?xí)r，在沒(méi)有輔助排水設(shè)施如砂井等能夠起到較好的加固作用，也不易發(fā)生多次夯擊后“吸錘”、“橡皮土”等不利現(xiàn)象。在強(qiáng)夯置換過(guò)程中，動(dòng)力擠密、置換成墩、排水固結(jié)等機(jī)制相輔相成，形成復(fù)雜的整體加固效果[1]。強(qiáng)夯置換的應(yīng)用形式大致可歸納為三種：1） 單點(diǎn)夯擊置換形成獨(dú)立的墩置換體形式;2）有足夠間距的群點(diǎn)置換,形成有序排列的群墩復(fù)合地基的置換形式;3）密集布置的群點(diǎn)夯擊,形成整體置換的形式。根據(jù)其處理深度,強(qiáng)夯置換法乃屬于淺層地基處理的一種方法。根據(jù)己有工程經(jīng)驗(yàn),三種方法都有使用,但第二種形式應(yīng)用最為廣泛。強(qiáng)夯置換工藝在20世紀(jì)80年代，首先由法國(guó)公司將強(qiáng)夯置換作為軟弱土處理技術(shù)投入工程建設(shè)，強(qiáng)夯置換法在國(guó)內(nèi)最早于1985年在山西大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)樓地基處理中應(yīng)用,獲得成功后在國(guó)內(nèi)開(kāi)始廣泛使用。該處理方法在機(jī)場(chǎng)跑道、公路、鐵路、港口、民用建筑等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。本文以工程實(shí)例為依托，介紹強(qiáng)夯置換工藝在軟土中置換墩長(zhǎng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)其處理后隆起量進(jìn)行分析，并進(jìn)行了單墩靜載荷試驗(yàn)，為今后工程提供一些參考。

1、工程概況

本工程為湖北某機(jī)場(chǎng)，工程涉及到的軟土主要包含②-1淤泥層、②-2 淤泥層、②-3 淤泥質(zhì)黏土層、②-5 淤泥質(zhì)黏土層，其中②-1 層淤泥主要分布于湖塘底部，為浮泥，工程性能最差，地基處理需清除掉；②-2 層淤泥工程性能差，②-3 層淤泥質(zhì)粘土以及②-5 層淤泥質(zhì)粘土，低承載力，高壓縮性，功能性較差。軟土層厚度約為3.0 ～6.0m。本場(chǎng)地軟土具有高壓縮性，其正常固結(jié)壓縮系數(shù)約為0.5 ～1.5MPa-1，最大可達(dá)4.5 MPa-1，軟土的高壓縮性會(huì)導(dǎo)致地基沉降量大；具不均勻性，該地層在水平和垂直上分布不均勻，導(dǎo)致軟土地基的差異沉降；低強(qiáng)度，其不排水抗剪強(qiáng)度均在20kPa 以下，具觸變、流變和蠕變等特性，會(huì)導(dǎo)致軟土地基側(cè)向滑動(dòng)，或向基礎(chǔ)兩側(cè)擠出。對(duì)地基處理要求較高，若處理不當(dāng)，后期可能發(fā)生較大的沉降及不均勻沉降，影響機(jī)場(chǎng)的正常使用。該區(qū)典型剖面地層如下：0～1m 為②-1淤泥層，1～3.7m 為②-2 淤泥層，3.7～6.6m 為②-3 層淤泥質(zhì)粘土，6.6～8.7m 為⑤-2 粉質(zhì)粘土，再往下依次為⑥-1強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖和⑥-2 中風(fēng)化細(xì)砂巖。該軟土區(qū)域擬采用強(qiáng)夯置換工藝進(jìn)行地基處理，通過(guò)試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，判斷強(qiáng)夯置換的適用性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)是否可行。

表1 巖土參數(shù)表

2、試驗(yàn)段設(shè)計(jì)方案

該工程試驗(yàn)區(qū)為Q4 試驗(yàn)區(qū)，位于湖區(qū)，強(qiáng)夯置換試驗(yàn)區(qū)能級(jí)4000kN·m，該試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)方案為：不清表層淤泥，采用施工墊層，單擊夯擊能4000kN·m，置換墩預(yù)估深度按最深6.0m 考慮。單點(diǎn)夯擊次數(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試夯確定，達(dá)到設(shè)計(jì)墩長(zhǎng)（如無(wú)法達(dá)到，以最后兩擊平均夯沉量小于100mm 為準(zhǔn)）。

Q4 強(qiáng)夯置換試驗(yàn)區(qū)復(fù)合地基處理技術(shù)參數(shù)：

（1）強(qiáng)夯置換采用柱錘沖擊成孔，強(qiáng)夯置換采用直徑1.3m，重量約15t的柱錘，夯擴(kuò)墩直徑2.0m，采用梅花型布點(diǎn)，間距5.0m×5.0m，強(qiáng)夯置換為2 遍點(diǎn)夯、點(diǎn)夯完成后進(jìn)行1 遍滿夯，滿夯夯擊能為1000kN·m。

（2）強(qiáng)夯置換填料應(yīng)采用級(jí)配良好的塊石、碎石等硬粗顆粒材料，粒徑10～30cm，粒徑大于30cm 的顆粒含量不宜超過(guò)30%，粒徑小于10cm 的顆粒含量不超過(guò)20%。

（3）強(qiáng)夯置換前應(yīng)先根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況鋪設(shè)碎石層，便于夯機(jī)施工。施工需從四面各處同時(shí)施工，不可從一側(cè)向另一側(cè)順序施工。施工完畢后，推平場(chǎng)地，采用單擊夯擊能1000kNm 進(jìn)行滿夯，錘印搭接不小于1/4。

（4）滿夯完成后，墩頂鋪設(shè)一層厚度不小于500mm厚碎石或山皮石,最大粒徑不大于10cm。

圖1 強(qiáng)夯置換墩平面布置圖

3、Q4 試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)施工情況

3.1 墊層鋪設(shè)

由于試驗(yàn)區(qū)表面較軟，無(wú)法上機(jī)械施工，首先鋪設(shè)施工墊層，Q4 試驗(yàn)段墊層總厚度約1.8m，進(jìn)入②-1 層深度約0.4m，試驗(yàn)區(qū)周?chē)倌嗦∑鸺s0.2m，墊層頂高于周?chē)倌鄬禹斆婕s1.4m。墊層厚度對(duì)置換體深度有影響,墊層厚度太小，機(jī)械施工安全無(wú)法保障，很可能出現(xiàn)機(jī)械傾覆的現(xiàn)象，而且易發(fā)生夯錘擊穿墊層導(dǎo)致掉錘丟錘現(xiàn)象，但是相同夯擊能量情況下, 塊石墊層相對(duì)薄者置換深度較大；墊層厚度大，置換深度就會(huì)小。

3.2 強(qiáng)夯置換施工

Q4 試驗(yàn)區(qū)開(kāi)始試夯施工，先進(jìn)行第一遍點(diǎn)夯施工，再進(jìn)行第二遍點(diǎn)夯施工，最后進(jìn)行滿夯施工，施工過(guò)程詳細(xì)記錄各擊夯沉量和填料量，夯坑隆起等都進(jìn)行了詳細(xì)的記錄。應(yīng)采取先小夯擊能量、后大夯擊能量施工工藝，可以取得良好的施工效果，能有效防止掉錘丟錘現(xiàn)象發(fā)生。

4、強(qiáng)夯置換現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)及檢測(cè)

4.1 墩長(zhǎng)檢測(cè)

為得到墩體置換深度，準(zhǔn)確判定強(qiáng)夯置換實(shí)際深度和加固影響深度，選取置換墩體，采用特殊鉆探工藝及專(zhuān)用鉆探器具進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。對(duì)完成的其中4 個(gè)置換墩進(jìn)行鉆芯檢測(cè)，鉆孔檢測(cè)結(jié)果為：墩長(zhǎng)從墊層頂算起，置換墩長(zhǎng)度約5.2m、4.9m、4.2m、5.2m。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)改變錘長(zhǎng)、增加錘重等方式改變?cè)囼?yàn)條件，置換墩長(zhǎng)度始終長(zhǎng)約5m，在墊層材料性質(zhì)和厚度確定的情況下 , 某一夯擊能量對(duì)應(yīng)一定的極限置換深度，當(dāng)單點(diǎn)夯擊數(shù)超過(guò)16 擊時(shí)，夯坑周邊開(kāi)始有明顯隆起，再增加夯擊次數(shù)對(duì)置換墩的深度影響很小，填料只會(huì)從置換墩兩側(cè)擠出，置換料很難向下移動(dòng)。夯擊能過(guò)大，會(huì)造成掉錘埋錘現(xiàn)象的發(fā)生。特定條件下，增大夯擊能、增加錘重、增加錘長(zhǎng)對(duì)夯擴(kuò)墩的長(zhǎng)度影響很小。

為驗(yàn)證強(qiáng)夯置換墩體置換深度，準(zhǔn)確判定強(qiáng)夯置換實(shí)際深度和加固影響深度，選用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)強(qiáng)夯置換進(jìn)行檢測(cè)，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)主要目的是檢驗(yàn)置換墩著底情況和擴(kuò)徑大小，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地條件（置換墩中心準(zhǔn)確位置），將鉆孔的置換墩作為地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)對(duì)象，相互驗(yàn)證。檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，置換墩墩底實(shí)際埋深與地質(zhì)雷達(dá)判讀結(jié)果基本吻合。本試驗(yàn)使用直徑1.3m 的夯錘，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)圖像判斷，置換墩直徑可達(dá)到2m 左右。

圖2 墩長(zhǎng)檢測(cè)

4.2 夯坑隆起監(jiān)測(cè)

對(duì)Q4 試驗(yàn)區(qū)選取9 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行夯坑隆起監(jiān)測(cè)，在強(qiáng)夯置換墩附近布置影響范圍監(jiān)測(cè)點(diǎn)，確定置換墩施工過(guò)程對(duì)周?chē)馏w的影響范圍。夯坑隆起監(jiān)測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)圖3夯坑隆起量記錄表。通過(guò)對(duì)Q4 區(qū)9 個(gè)夯點(diǎn)周邊隆起數(shù)據(jù)的測(cè)量分析，強(qiáng)夯置換對(duì)周邊土體的影響范圍為6 米左右，最大隆起65cm。夯坑周?chē)畲舐∑鹆恳话銥?0～60cm。

圖3 夯坑隆起量記錄表

4.3 單墩靜載荷試驗(yàn)

選擇置換墩進(jìn)行單墩平板靜力載荷試驗(yàn)，承壓板采用2.0m 圓板。試驗(yàn)加載量每級(jí)加載量120KN。

表2 Q-s、s-lgQ 曲線

根據(jù)靜載試驗(yàn)的荷載-沉降曲線所示：樁加載至1440kN，本級(jí)歷時(shí)210min，累計(jì)沉降40.06mm，達(dá)到終止加載條件，故取其前一級(jí)1320kN 為極限荷載，其承載力特征值為660kN，累計(jì)沉降量為22.82mm。強(qiáng)夯置換后，置換墩體與墩間土間存在明顯的不均性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮到強(qiáng)夯置換后地基土的不均勻性。

結(jié)語(yǔ)：

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可得出如下結(jié)論：墊層厚度對(duì)置換體深度有影響 , 墊層厚度太小，機(jī)械施工安全無(wú)法保障，很可能出現(xiàn)機(jī)械傾覆的現(xiàn)象，而且易發(fā)生夯錘擊穿墊層導(dǎo)致掉錘丟錘現(xiàn)象，但是相同夯擊能量情況下, 塊石墊層相對(duì)薄者置換深度較大；墊層厚度大，置換深度就會(huì)小。強(qiáng)夯置換開(kāi)始施工時(shí)先采用小能級(jí)，否則同樣會(huì)造成強(qiáng)夯錘埋沒(méi)入軟土中，很難提上來(lái)的情況發(fā)生，甚至?xí)l(fā)生夯錘下沉較深，無(wú)法找到的現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)單點(diǎn)夯擊數(shù)超過(guò)16 擊時(shí)，夯坑周邊開(kāi)始有明顯隆起，再增加夯擊次數(shù)對(duì)置換墩的深度影響很小，填料只會(huì)從置換墩兩側(cè)擠出，置換料很難向下移動(dòng)。使用直徑1.3m的夯錘，采用單擊夯擊能4000kN·m，置換墩直徑可達(dá)到2m 左右。置換墩長(zhǎng)入泥平均深度約為3.5m，且和能級(jí)關(guān)系不大，能級(jí)過(guò)大，會(huì)造成埋錘現(xiàn)象的發(fā)生，錘長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，錘不容易站立，易發(fā)生傾覆，不利于施工安全；最后兩擊夯沉量普遍在15～30cm 之間。強(qiáng)夯置換對(duì)周邊土體的影響范圍為6 米左右，最大隆起65cm。夯坑周?chē)畲舐∑鹆恳话銥?0～60cm。通過(guò)對(duì)強(qiáng)夯置換墩進(jìn)行單墩靜載荷試驗(yàn)得出承載力特征值為660kN，累計(jì)沉降量為22.82mm。