魯傳恒，李廣平，許 韜

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 廣州510060）

0 引言

強(qiáng)夯法又稱動(dòng)力固結(jié)法，是利用大型履帶式強(qiáng)夯機(jī)將8～30 t的重錘從6～30 m 高度自由落下，對(duì)土進(jìn)行強(qiáng)力夯實(shí)，迅速提高地基的承載力及變形模量，形成比較均勻、密實(shí)地基的一種處理方法，在地基一定深度內(nèi)改變地基土的孔隙分布［1］。在地基處理中，由于其設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便、適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)易行和節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)而得到較廣泛使用，適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基。強(qiáng)夯法的有效加固深度和強(qiáng)夯的單位夯擊能量，應(yīng)根據(jù)地基土類別、結(jié)構(gòu)類型荷載大小和要求處理的深度等綜合考慮，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試夯確定［1］。

填土一般分為雜填土、素填土、沖填土和壓實(shí)填土［2］。壓實(shí)填土一般是為滿足特定工程使用要求而進(jìn)行的處理填土。另外3 種填土工程性質(zhì)則比較復(fù)雜，往往在工程還沒(méi)啟動(dòng)的情況下完成，存在著不均勻或松散情形，不宜直接作為工程地基使用。在需要作為工程地基使用時(shí)，均要進(jìn)行預(yù)先處理［3］。填土地基，特別是比較復(fù)雜的深厚填土地基，處理方法的選取及施工過(guò)程的控制極其重要［4］，需要慎重，否則很容易發(fā)生工程質(zhì)量事故。針對(duì)地基的土工程性質(zhì)和處理方式，也應(yīng)選用合理的檢測(cè)方法［5］，如載荷試驗(yàn)、動(dòng)力觸探、瑞雷波［6］等。

前期的工程地質(zhì)勘察資料和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠是填土處理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)對(duì)填土工程性質(zhì)和處理方法的充分認(rèn)識(shí)是地基處理有效的前提，施工過(guò)程的有效控制則是地基處理質(zhì)量的保證，檢測(cè)按規(guī)范要求合理進(jìn)行才能保證檢測(cè)數(shù)據(jù)有效，為工程設(shè)計(jì)和質(zhì)量把關(guān)，否則一旦某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤，都會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果，對(duì)工程的后續(xù)建設(shè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

本文的工程實(shí)例很好地說(shuō)明了人工填土強(qiáng)夯處理失效的一些關(guān)鍵因素，為今后的類似工程提供一些有益借鑒。

1 工程概況

某工程場(chǎng)地位于廣州北部的一個(gè)丘陵邊緣，規(guī)劃用地面積約40萬(wàn)m2，包括功能區(qū)、辦公生活區(qū)及相關(guān)的配套工程，總建筑面積15萬(wàn)m2，當(dāng)時(shí)總投資超5億元。

場(chǎng)地工程地質(zhì)條件復(fù)雜，場(chǎng)地西部為采石場(chǎng)舊址，東部為原采石場(chǎng)廢石土、雜土堆放區(qū)，場(chǎng)地中部及南部為由新近人工堆填而成的丘陵區(qū)，夾雜大量碎石、塊石及角礫。

勘察資料揭示，場(chǎng)地上部巖土層由第四系人工填土層、沖積層、殘積黏土層組成，下部基巖為灰?guī)r。人工填土層主要由黏性土、角礫、碎石及塊石組成，其中角礫、碎石及塊石含量20%～50%，最大塊石直徑可達(dá)1 000 mm，土層固結(jié)狀態(tài)差異大，多呈松散狀態(tài)，局部呈土柱狀，硬塑狀為主，土質(zhì)非常不均勻，厚度變化大，場(chǎng)地北側(cè)層厚0.4～19.5 m，平均厚度6.08 m，場(chǎng)地東側(cè)層厚1.5～27.5 m，平均厚度18.23 m，場(chǎng)地中部及西側(cè)層厚0.8～61.7 m，平均厚度25.47 m，場(chǎng)地西南側(cè)層厚32.5～67.3 m，平均厚度51.73 m。填土層下部為沖積層，主要由淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土組成，整個(gè)場(chǎng)地除南部丘陵外均有分布，呈流塑～可塑狀態(tài)，層頂埋深變化大，厚度小。典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 填土區(qū)典型工程地質(zhì)剖面Fig.1 Typical Engineering Geology Profile of Fill Area

勘察采用了鉆探、標(biāo)貫試驗(yàn)、取土做常規(guī)土工試驗(yàn)等常規(guī)勘察手段。人工填土層室內(nèi)土工試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所獲參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。勘察據(jù)此判定人工填土層為中壓縮性土，地基承載力特征值達(dá)260 kPa以上，經(jīng)強(qiáng)夯壓實(shí)處理后，可作為淺基礎(chǔ)持力層。

設(shè)計(jì)根據(jù)勘察報(bào)告的建議，采用了強(qiáng)夯地基處理方案。具體設(shè)計(jì)要求如下：

⑴強(qiáng)夯處理后的地基承載力特征值200 kPa，地基變形模量較強(qiáng)夯前提高70%。

⑵強(qiáng)夯法的單擊夯擊能為3 000 kN·m，點(diǎn)夯2遍，每遍4 擊，最后以低能量（1 000 kN·m）滿夯2 遍，每遍4 擊，夯印搭接1/4 錘印。夯擊收錘標(biāo)準(zhǔn)為最后2 擊的平均夯沉量不大于50 mm。

⑶夯擊點(diǎn)采用4 m×4 m 布置，2 遍夯擊之間間隔時(shí)間為3 d。

⑷強(qiáng)夯法的有效加固深度要求達(dá)到7.0～8.0 m。

⑸強(qiáng)夯施工過(guò)程中，夯坑內(nèi)或場(chǎng)地有積水時(shí)，應(yīng)及時(shí)排除。

⑹強(qiáng)夯施工前，選取一個(gè)代表性的試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行試夯，試夯結(jié)束1 周后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)平板試驗(yàn)檢測(cè)，確定強(qiáng)夯地基承載力特征值和強(qiáng)夯地基變形模量，通過(guò)標(biāo)貫試驗(yàn)或動(dòng)力觸探方法確定有效加固深度。

⑺強(qiáng)夯施工完畢1 周后，進(jìn)行竣工驗(yàn)收試驗(yàn)。采用平板載荷試驗(yàn)確定強(qiáng)夯地基承載力特征值及變形參數(shù)；采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)，推定強(qiáng)夯處理后的地基承載力，評(píng)價(jià)處理效果及有效加固深度。

①試驗(yàn)區(qū)檢測(cè)及竣工驗(yàn)收試驗(yàn)情況。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，建設(shè)方前后分別委托了4家檢測(cè)單位進(jìn)場(chǎng)開展標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)和平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)。

②試驗(yàn)區(qū)檢測(cè)結(jié)果。平板載荷試驗(yàn)：檢測(cè)單位采用0.5 m2圓承壓板，試驗(yàn)了3個(gè)點(diǎn)。3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)地基承載力極限值均≥400 kPa，承載力特征值取為200 kPa；變形模量E0=15.69～17.37 MPa；最大沉降量介于15.95～27.07 mm。3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)及試驗(yàn)區(qū)處理地基均滿足設(shè)計(jì)要求。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)：共進(jìn)行10 個(gè)點(diǎn)位的試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N最小為11.0 擊，最大為83.3 擊；檢測(cè)深度0.15～0.45 m的地基土承載力特征值為298.0 kPa，檢測(cè)深度1.60～1.90 m的地基土承載力特征值為397.0 kPa，檢測(cè)深度3.05～3.35 m的地基土承載力特征值為644.0 kPa，檢測(cè)深度4.50～4.80 m 的地基土承載力特征值大于680.0 kPa。本場(chǎng)地的處理地基土承載力特征值滿足設(shè)計(jì)要求。

③竣工驗(yàn)收檢測(cè)結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與試驗(yàn)區(qū)相同，處理后地基土承載力特征值介于298.0～680.0 kPa之間，滿足設(shè)計(jì)要求。

平板載荷試驗(yàn)經(jīng)招標(biāo)引進(jìn)第三家檢測(cè)單位。根據(jù)原招標(biāo)文件，采用1 m2承壓板做的6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中，只有1 個(gè)點(diǎn)滿足承載力設(shè)計(jì)要求，其余5 個(gè)均不滿足要求，試驗(yàn)得到的承載力特征值最小僅為75 kPa，最大沉降量均超過(guò)60 mm。為驗(yàn)證平板試驗(yàn)的可靠性，檢測(cè)單位采用2 m2承壓板繼續(xù)做了4 個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)。4 個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果顯示均不滿足設(shè)計(jì)要求，承載力特征值為160 kPa左右，單點(diǎn)最大沉降量均超過(guò)95 mm。以上結(jié)果表明本場(chǎng)地填土地基強(qiáng)夯處理沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

建設(shè)單位選定上述檢測(cè)區(qū)進(jìn)行復(fù)夯，復(fù)夯顯示各夯點(diǎn)兩擊平均夯沉量均超過(guò)50 mm，夯沉量大過(guò)規(guī)范值，點(diǎn)夯滿足不了收錘標(biāo)準(zhǔn)。強(qiáng)夯處理失效，基礎(chǔ)部分只能做變更設(shè)計(jì)。

表1 填土層土工試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical Results of Geotechnical Physical and Mechanical Indexes

2 失效原因分析與對(duì)策建議

2.1 勘察因素

⑴從前述可知，本場(chǎng)地人工填土層固結(jié)狀態(tài)差異大，多呈松散狀態(tài)，意味著填土層存在大的孔隙比和高壓縮性。然而，勘察根據(jù)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)卻得出了“人工填土層為中壓縮性土”的自相矛盾結(jié)論。分析原因?yàn)榭辈煸谌⊥翗蛹白鍪覂?nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)時(shí)，囿于慣性做法，僅針對(duì)填土層中的“黏性土”進(jìn)行［7］?？辈煨枰獪y(cè)試的是填土的工程參數(shù)，而報(bào)告中的土工試驗(yàn)結(jié)果只是反映了填土中的“黏性土”的工程特性。因而土工試驗(yàn)得到的壓縮系數(shù)小于0.425 MPa-1，壓縮模量達(dá)到4.00 MPa以上，由此定義為“中壓縮性土”。但這個(gè)結(jié)論并不可靠，后續(xù)的施工和平板載荷試驗(yàn)結(jié)果均證明這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)的。

做工程前期勘察時(shí)，需要清楚工程的目的，不是為勘察而勘察。本項(xiàng)目勘察需要弄清楚填土層的工程特性，判斷其是否適合作為工程地基使用，同時(shí)為地基處理提供依據(jù)。如果勘察對(duì)象出了問(wèn)題，那后續(xù)將引起更為嚴(yán)重的問(wèn)題。

⑵勘察過(guò)程中采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)來(lái)推斷填土層的承載力，方法選用錯(cuò)誤［8-9］。本場(chǎng)地人工填土層中含有大量的角礫、碎石及塊石，顯然不適合采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)［10］。由于標(biāo)準(zhǔn)貫入器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)遇到較大顆粒巖石碎塊時(shí)，碎石將隨著貫入器一起向下貫入，貫入的阻力將大大增高，擊數(shù)將嚴(yán)重偏大，不能反映土層的真實(shí)力學(xué)特性。文獻(xiàn)［2］也明確規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)僅適用于砂土、粉土和一般黏性土。在勘察階段，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的結(jié)果推定的地基土承載力特征值就達(dá)到了260 kPa 以上，比設(shè)計(jì)要求還高，這嚴(yán)重誤導(dǎo)了設(shè)計(jì)和后續(xù)施工。

在這種填土條件下，應(yīng)當(dāng)采用重型或超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)［11-12］，其觸探器的錐形探頭可以把接觸到的碎石顆粒擠到側(cè)面而不影響探頭貫入，其擊數(shù)大小能真正反映土層的阻力，從而達(dá)到測(cè)試目的。

⑶勘察報(bào)告結(jié)論中“場(chǎng)地上部人工填土層經(jīng)強(qiáng)夯壓實(shí)處理后，可作為淺基礎(chǔ)持力層”的建議缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性。本項(xiàng)目中以夯實(shí)處理地基作為天然地基基礎(chǔ)的建議，則沒(méi)有很好地考慮到強(qiáng)夯處理的有效深度與本場(chǎng)地填土深度不匹配的問(wèn)題，即便使用單擊夯擊能高達(dá)6 000 kN·m 來(lái)夯擊，在含有巨粒碎石的填土層中，強(qiáng)夯處理深度也不過(guò)10 m［1］，而本場(chǎng)地填土平均厚度達(dá)25 m，意味著填土層不可能完全處理到，深部填土層仍將處于松散狀態(tài)。建筑基礎(chǔ)采用筏板型式，日后當(dāng)上部結(jié)構(gòu)荷載上來(lái)后，其板下應(yīng)力影響深度將超過(guò)處理深度，產(chǎn)生壓縮沉降，沉降量會(huì)隨填土厚度而變化，而報(bào)告卻沒(méi)對(duì)處理后可能的不均勻沉降提出警示或解決方法建議。

2.2 設(shè)計(jì)因素

⑴對(duì)本場(chǎng)地人工填土層的工程特性和強(qiáng)夯處理方法認(rèn)識(shí)存在不足，過(guò)分依賴于勘察資料，沒(méi)能很好地做實(shí)地調(diào)查。本場(chǎng)地人工填土層多呈松散狀態(tài)，土質(zhì)非常不均勻，且含有碎石巨粒，厚度變化大，從不到1 m 到最深處60 m 以上，但設(shè)計(jì)仍然采用了強(qiáng)夯處理方式，并且設(shè)計(jì)單擊夯能僅為3 000 kN·m。這種強(qiáng)夯處理方式，其處理影響深度非常有限，在正常砂質(zhì)黏性土層中，處理深度最大也就7～8 m［8］，況且大粒徑碎石將對(duì)夯擊能產(chǎn)生消耗，深厚松散層也會(huì)降低加固程度。在本場(chǎng)地條件下，這樣的夯擊能，按試驗(yàn)結(jié)果，最大有效處理深度也不超過(guò)4～5 m，遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，場(chǎng)地的填土厚度變化巨大，填土薄的地方可能處理效果較好，而填土厚的地方則沒(méi)有完全處理到，日后的差異沉降將會(huì)十分明顯，將嚴(yán)重影響工程結(jié)構(gòu)安全。

當(dāng)確定采用填土地基作為建筑物基礎(chǔ)時(shí)，根據(jù)本場(chǎng)地條件，填土地基處理采用堆載預(yù)壓法應(yīng)該是不錯(cuò)的選擇。理由是本場(chǎng)地填土層主要由黏性土、角礫、碎石及塊石組成，含水率在30%以下，液性指數(shù)0.30左右，屬于非飽和土，只是土質(zhì)松散，在堆載預(yù)壓一段時(shí)間后，容易達(dá)到主固結(jié)。場(chǎng)地填土厚度變化大，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建筑物是單體分布，則堆載可以結(jié)合建筑物的分布和基礎(chǔ)大小分塊進(jìn)行。堆載時(shí)可以根據(jù)填土厚度和不均勻沉降情況調(diào)整堆載量，使其最終達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定均勻沉降。堆載預(yù)壓可能耗時(shí)較長(zhǎng)，但處理效果可以預(yù)見和保證。

⑵設(shè)計(jì)給出的檢測(cè)試驗(yàn)方法選擇錯(cuò)誤。試驗(yàn)區(qū)及竣工驗(yàn)收檢測(cè)試驗(yàn)中，均沿用了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法。如前所述，由于原地基及處理后的地基中大量巨粒碎石的存在，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)嚴(yán)重虛高，由此推定的承載力特征值極不可靠。

⑶對(duì)填土地基沉降變形認(rèn)識(shí)不足。在平板載荷試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)沒(méi)對(duì)試驗(yàn)用承壓板大小依地基處理深度提出相應(yīng)要求，只要求強(qiáng)夯地基承載力達(dá)到200 kPa，認(rèn)為試驗(yàn)可以不考慮地基變形值和影響深度，只要承載力能達(dá)到要求即可。這說(shuō)明設(shè)計(jì)并沒(méi)認(rèn)識(shí)到現(xiàn)場(chǎng)地基處理所需達(dá)到的主要目的不僅是承載力，還要考慮地基沉降變形問(wèn)題。根據(jù)勘察資料，本場(chǎng)地填土中的黏性土工程特性較好，其液性指數(shù)小于0.30，是硬塑、可塑土，其承載力不成問(wèn)題，并且填土中含有大量巨粒碎石，會(huì)使承載力更高，只是土質(zhì)松散，經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯和復(fù)夯處理，淺表承載力不成問(wèn)題，試驗(yàn)區(qū)的小平板試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。而出現(xiàn)問(wèn)題的恰恰是地基變形問(wèn)題，對(duì)日后的結(jié)構(gòu)安全會(huì)產(chǎn)生很大影響。

2.3 施工因素

施工按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，但在施工過(guò)程中沒(méi)將出現(xiàn)的異常情況及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)。施工記錄中，場(chǎng)地不同位置的夯沉量差異很大，在夯擊5次的情況下，最大的接近1.50 m，最小的只有0.4 m；有的地方最后兩擊平均沉降量達(dá)不到小于50 mm 的收錘標(biāo)準(zhǔn)而提前停止了夯擊。最為重要的是施工現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)能做好排水措施［13］。初夯是在年底少雨季節(jié)進(jìn)行，隨后的春節(jié)開始即進(jìn)入雨季，強(qiáng)夯施工一直延續(xù)到5月，期間場(chǎng)地一度被水浸泡。檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，試坑底仍可見積水。強(qiáng)夯后的填土經(jīng)水一泡，變得軟化，有些地方成了橡皮土。

在地基處理中，做好場(chǎng)地的排水措施是一項(xiàng)基本要求。施工方錯(cuò)誤地以為是在少雨季節(jié)施工，忽視了排水要求，在施工延期后，也沒(méi)進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)救，致使強(qiáng)夯后的地基一度被水浸泡許久，地基土的壓實(shí)度逐漸耗散減小。后期復(fù)夯時(shí)，夯沉量竟比初期還大。復(fù)夯現(xiàn)場(chǎng)情況如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)復(fù)夯情況Fig.2 The Result of Second Ramming

2.4 檢測(cè)因素

從勘察到竣工驗(yàn)收，均采用了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)地基的承載力或處理效果，針對(duì)本場(chǎng)地的地質(zhì)條件，竟沒(méi)人提出質(zhì)疑，作為專業(yè)檢測(cè)人員，對(duì)方法和規(guī)范都是熟悉的，這只能說(shuō)明試驗(yàn)人員的責(zé)任心不夠，當(dāng)任務(wù)來(lái)完成。而試驗(yàn)區(qū)的平板載荷試驗(yàn)則更離譜，在檢測(cè)中竟然采用了0.5 m2圓承壓板，明顯地不符合文獻(xiàn)［16］要求。承壓板下應(yīng)力影響深度不足2 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的處理深度［14］，況且填土層含有大量碎石顆粒，加上強(qiáng)夯后淺表固結(jié)效應(yīng)，致使試驗(yàn)結(jié)果地基承載力極限值均≥400 kPa，變形模量E0＞15 MPa。這嚴(yán)重誤導(dǎo)了設(shè)計(jì)和后續(xù)施工，造成了不可挽回的損失。

對(duì)于處理土地基的檢測(cè)，需要結(jié)合場(chǎng)地的實(shí)際情況和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行［15］。檢測(cè)處理地基承載力和變形參數(shù)時(shí)，一般采用平板載荷試驗(yàn)，但試驗(yàn)承壓板的大小一定要與處理深度相匹配，最小應(yīng)不小于2.0 m2，同時(shí)試驗(yàn)還要滿足承載力與變形雙控標(biāo)準(zhǔn)［16］。檢測(cè)強(qiáng)夯置換處理地基的施工質(zhì)量或推定地基承載力時(shí)，則適宜選用圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)方法，避開標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的不適用。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述分析，以下幾點(diǎn)值得借鑒：

⑴填土不同于風(fēng)化土、沉積土，其多為混合土，成分復(fù)雜，顆粒大小分布無(wú)規(guī)律，工程性質(zhì)隨場(chǎng)地條件而變化。

⑵填土現(xiàn)場(chǎng)勘察需要根據(jù)實(shí)際情況，合理選用勘察手段和測(cè)試方法，對(duì)于巨粒土不宜采用標(biāo)貫試驗(yàn)，建議采用重型或超重型圓錐動(dòng)力觸探。

⑶勘察人員對(duì)填土地基處理手段要有一定的認(rèn)識(shí)，給設(shè)計(jì)的建議需嚴(yán)謹(jǐn)，不能生搬硬套。

⑷設(shè)計(jì)人員對(duì)填土的不均勻性要有足夠認(rèn)識(shí)，所采用的處理方法和參數(shù)要經(jīng)過(guò)充分論證和試驗(yàn)，選用最優(yōu)方案。

⑸地基處理施工中，做好場(chǎng)地排水措施是一項(xiàng)基本要求，不可忽視。

⑹合理選用適用的檢測(cè)方法，出現(xiàn)異常時(shí)，要及時(shí)分析并對(duì)錯(cuò)誤結(jié)果予以糾正，對(duì)于深厚填土，平板載荷試驗(yàn)承壓板的面積不宜過(guò)小。