濕陷性黃土條件下的強夯法地基處理施工技術(shù)

王習(xí)淵，白立輝，曹鋮，黨智榮，黨靜茂

（1.中國建筑第四工程局有限公司西北公司西安分公司，西安 710000；2.陜西中機巖土工程有限責(zé)任公司，西安 710000）

1 引言

陜西省西安地區(qū)自重濕陷性黃土分布廣泛，濕陷性黃土層厚度通常在4～10 m，地基濕陷性等級一般為Ⅱ級～Ⅲ級，按GB 50025－2018《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）的要求，在濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行建筑工程建設(shè)，應(yīng)根據(jù)濕陷性黃土的特點、工程要求和工程所處水環(huán)境，因地制宜地采取以地基處理為主的綜合措施，防止地基濕陷對建筑物產(chǎn)生危害。本文以秦風(fēng)學(xué)校項目強夯法為例，介紹強夯法處理濕陷性施工技術(shù)。

2 工程概況

秦風(fēng)學(xué)校項目，凈規(guī)劃用地面積5.5×104m2，總建筑面積7.35×104m2，地上建筑面積4.4×104m2，地下建筑面積2.95×104m2，容積率0.78，綠地率35%；建設(shè)內(nèi)容包括中學(xué)部、小學(xué)部、室外操場、風(fēng)雨操場、行政樓、餐廳及宿舍樓、圖書館、報告廳、鍋爐房等14 個單體工程，地下室為整體車庫，地下結(jié)構(gòu)一層，局部設(shè)設(shè)備夾層。

項目基坑長190.7 m，寬160 m，場地南低北高，基坑深11.07～12.57 m；地下室結(jié)構(gòu)面積2.7×104m2；基坑底面積3.1×104m2；支護(hù)形式為樁索支護(hù)，護(hù)坡樁樁徑0.8 m，樁間距1.6 m，樁長17.07 m，冠梁高0.5 m，寬0.8 m。

3 施工重難點

1）該項目屬社會影響較大的重要公共建筑，設(shè)計對差異沉降要求很高，對地基基礎(chǔ)的強度及變形要求較高。

2）根據(jù)文物普探結(jié)果，擬建建筑場地內(nèi)分布著百余個古墓，這些古墓搶救性開挖時，均采用放坡開挖，發(fā)掘完成后遺留80 余個數(shù)米深的墓坑或空洞，嚴(yán)重擾動了此項目地基。這些墓坑與空洞范圍小、邊角多，為保證工程質(zhì)量，不能單個壓實回填。

3）地基土濕陷性強。根據(jù)土工實驗，按《標(biāo)準(zhǔn)》分別計算了擬建建筑的自重濕陷量Δzs和濕陷量Δs，并綜合評定擬建場地為自重濕陷性黃土場地，場地地基濕陷等級為Ⅲ級（嚴(yán)重）。

4 施工方案優(yōu)化設(shè)計

4.1 原地基處理方案

原地基處理方案為大面積開挖換填，需將整個場地下挖約13 m，重新分層壓實回填。因此，需挖土方4.16×105m3，挖運土方量極大。其間因召開十四屆全運會及受治污減霾、雨水及其他影響，工期幾乎無法保證；且施工期間正值高溫、炎熱與降雨劇強的夏秋季，施工質(zhì)量難以保證；同時由于外界政治任務(wù)的要求，環(huán)保壓力極大。

4.2 原方案可行性分析

4.2.1 工期目標(biāo)無法保證

工期目標(biāo)無法保證主要有以下原因：（1）本工程占地190.7 m×160 m，因場地有大量古墓，挖除之后基坑深12.57 m，土方挖運4.16×105m3，按8～10 臺挖機單機每日最大量1 000 m3計，至少需要60 d，并且不能有下雨、檢查及停工。（2）壓實回填（包括素土與1∶6 水泥土）1.86×105m3，每天最多4 000 m3，純理論計算至少需要46.5 d，2 個月能完成就算超速，否則質(zhì)量無法保證。（3）考慮支護(hù)施工時間及先支護(hù)后開挖的施工順序，春節(jié)前連基礎(chǔ)墊層都無法完成；因項目處在12 月份至次年1 月份，氣溫較低，存在表層凍土層，凍融之后，易沉降。所以，無論從保證換填施工質(zhì)量還是管委會制定的工期目標(biāo)來說，不調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計計劃無法完成工期目標(biāo)。

4.2.2 換填質(zhì)量無法保證

1）上部地基土的含水量?。á趯拥鼗梁?.4%～26.8%，平均值為15.9%），距最佳含水量18%差距較大；又時值炎熱的夏天，控制不好換填土的含水量，就不易控制換填質(zhì)量；下雨后太濕，含水率過大，換填后易形成橡皮土。

2）場地受限。填土厚（6 m）、分層太多（按0.3 m 一層，需20 層）；面積太大（190.7 m×160 m=30 512 m2）、分區(qū)太多（按50 m×50 m=2 500 m2，需分12 片），各種分層接茬、分區(qū)接茬很多（12 段×20 層=240 段接茬）；雨季期間施工，質(zhì)量無法保證。

3）工后沉降大。根據(jù)長期沉降觀測，大厚度回填土的工后沉降無法避免，其總沉降量約為回填厚度的1/10。據(jù)此計算，工后總沉降量將約達(dá)60 mm，如此大的總沉降量，其差異沉降將會超過相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，建筑物會因差異沉降而應(yīng)力集中，產(chǎn)生拉裂破壞現(xiàn)象。

4.2.3 工期緊、回填厚，建筑易拉裂破壞

根據(jù)以往項目長期觀測數(shù)據(jù)，回填土的工后沉降主要發(fā)生在填土完成后的20 d 內(nèi)，占總沉降量的90%以上。由于學(xué)校項目時間節(jié)點十分明確，施工進(jìn)程安排緊湊，交叉作業(yè)，出現(xiàn)工后沉降引起的破壞現(xiàn)象概率較大。

綜合以上觀點可以看出，換填法不是最優(yōu)施工方案。

4.3 優(yōu)化設(shè)計方案

本著“安全可靠、經(jīng)濟合理、施工易行”的原則，根據(jù)規(guī)范規(guī)程及已有成功經(jīng)驗，對于墓坑、較大厚度自重且濕陷性強的黃土場地，常用方法有：（1）換填法：范圍較小、厚度不大；（2）夯實法：范圍較大、厚度較大（10 m 之內(nèi)）；（3）擠密法：厚度太大（大于10 m）；（4）穿透法：承載力要求很高；（5）注漿或旋噴法：淺部、荷載小、要求低（路基、肥槽），根據(jù)本場地的地質(zhì)情況，采用夯實法——強夯法最好。

4.3.1 方案選型依據(jù)

強夯法方案選型主要依據(jù)DBJ 61-9—2008《強夯法處理濕陷性黃土地基技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）以及《標(biāo)準(zhǔn)》，見表1、表2。

表1 《規(guī)程》中不同強夯能級的夯實厚度

表2 《標(biāo)準(zhǔn)》中不同強夯能級的夯實厚度

由此選定強夯能量為4 000 kN·m，夯擊6～8 遍。

4.3.2 強夯法施工間距選擇

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)程，夯點中心距一般取1.2～2.0d（d為夯錘直徑），據(jù)此計算，夯間距應(yīng)為2.88～4.8 m；根據(jù)成功經(jīng)驗及地基土的擴散角理論，夯間距取3.5 m，正三角形布置，滿夯1 000 kN·m，縱向搭接1/2 夯痕、橫向搭接1/3 夯痕。

4.4 優(yōu)化方案可行性分析

4.4.1 質(zhì)量對比：雨季施工階段強夯質(zhì)量效果好

換填地基：恰逢雨季施工階段，分層分段施工，素土壓實系數(shù)達(dá)到0.97 且保證不均勻，沉降比較困難。

強夯地基：規(guī)范施工，雨季質(zhì)量控制比土方好。

4.4.2 工期對比：強夯節(jié)約工期

換填地基：開挖60 d，換填90 d。

強夯地基：單機單日可夯擊60 個夯點，30 d 即可完成；開挖30 d，強夯30 d，換填30 d。

4.4.3 經(jīng)濟對比：強夯節(jié)省造價

換填地基：土方開挖及換填按照方量計算，少挖5 m 深。

強夯地基：無論是點夯還是滿夯，按照平方米計算，考慮措施費，均比換填節(jié)省造價。

5 強夯法施工

5.1 施工區(qū)域劃分

根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)狀，將基坑分為4 個施工作業(yè)區(qū)域，整體施工順序由西向東進(jìn)行。安排兩臺機械同時由東往西施工，兩臺機械分別從C 區(qū)和B 區(qū)開始施工，待C 區(qū)和B 區(qū)施工完成后，分別再去D 區(qū)及A 區(qū)施工。

5.2 施工部署

整體施工分為2 個階段，第一階段為強夯試驗，第二階段為強夯施工。根據(jù)現(xiàn)場情況及總工期，將現(xiàn)場試夯分為6 個區(qū)域，即原狀土與墓坑回填土區(qū)分別設(shè)計3 個試驗區(qū)，每個試驗區(qū)約15 m×15 m，試夯安排1 臺機械進(jìn)行施工。

5.2.1 強夯工藝參數(shù)

1）夯錘錘底直徑2.4 m，夯錘重量20 t，落距為20 m。

2）主夯夯擊能為4 000 kN·m。

3）采用點夯，正三角形布點，夯點間距為3.5 m；第一次夯擊點距可取7 m，第二遍夯擊點位于第一遍夯擊點之間。

4）夯點的夯擊次數(shù)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求以及現(xiàn)場試夯的夯擊次數(shù)和夯沉量確定，最后兩擊平均夯沉量不大于50 mm，且夯擊次數(shù)不小于9 遍[1]。

5）點夯完成后，應(yīng)以低能量滿夯1 遍（1 500 kN·m），滿夯時縱向（基坑?xùn)|西向）彼此搭接1/2 夯痕，橫向（基坑南北向）彼此搭接1/3 夯痕，夯印平整。

5.2.2 強夯施工操作步驟

1）清理并平整施工場地。

2）標(biāo)設(shè)強夯點位置，并測量起夯面高程。

3）起重機就位，使夯錘中心對準(zhǔn)夯點位置。

4）測量夯前錘頂標(biāo)高。

5）將夯錘起吊到預(yù)定高度，開啟脫鉤裝置，待夯錘脫鉤自由下落后，放下吊勾鉤，測量夯錘頂高程，若發(fā)現(xiàn)因坑底傾斜而造成夯錘歪斜時，應(yīng)及時將坑底整平[2]。

6）重復(fù)步驟5），完成一個夯點的夯擊。

7）換夯點，重復(fù)步驟3）～6），完成第一遍全部夯點的夯擊。

8）用推土機將夯坑推平，并測量場地高程。

9）第2 遍同上，按上述步驟依次完成全部夯擊遍數(shù)。

10）第3 遍用低能量滿夯，將場地表層松土夯實，并測量夯后場地高程。

5.3 施工工藝要點

1）每遍夯點位置放線，必須依據(jù)平面坐標(biāo)控制點準(zhǔn)確施放。

2）夯擊時，落錘應(yīng)保持平穩(wěn)；若夯點錯位或夯坑底面傾斜過大，需填土整平后，重新繼續(xù)夯擊。

3）在夯擊過程中，夯錘排氣孔不得被泥土堵塞。

4）每夯點在夯擊過程中，應(yīng)按實際測量記錄夯點的每擊夯沉量、累計夯沉量及最后兩擊平均夯沉量；每夯點的連續(xù)夯擊數(shù)及最后兩擊平均夯沉量必須符合設(shè)計要求。

5）冬季施工必須在地基土未凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行；冰雪凍土必須清除。雨季施工應(yīng)在雨前將夯坑推填整平；如條件允許可采用塑料膜或彩條布覆蓋待夯區(qū)域，并設(shè)置良好的排水設(shè)施，不得積水，保證雨后短時間內(nèi)能繼續(xù)施工；浸水區(qū)地基土含水量過大時，應(yīng)晾曬或換土后繼續(xù)施工。

6 結(jié)語

本文以秦風(fēng)學(xué)校項目地基處理為例，在施工過程中靈活采用強夯法地基處理方案，有效提高了施工效率，解決了濕陷性黃土條件下復(fù)雜地形地基處理中施工跨度長、基坑開挖深度大、土方外運方量大、換填質(zhì)量無法保證等問題，實現(xiàn)了降本增效，縮短了施工工期，可為類似工程施工提供借鑒。