強(qiáng)夯置換法加固軟土地基幾點(diǎn)探索

0 引言

隨著沿海地區(qū)的開(kāi)發(fā)建設(shè)速度不斷加快，軟土地基加固方面的研究和實(shí)踐迅速增多，由于軟土地基承載力小、含水量大，難以滿足施工要求[1]。傳統(tǒng)的軟土地基處理措施包括排水固結(jié)法、振沖置換法以及換填墊層法等，但多由于施工周期長(zhǎng)、操作流程復(fù)雜以及耗費(fèi)資源較多等難以得到大范圍推廣使用，因此軟土地基加固一直以來(lái)是工程領(lǐng)域常見(jiàn)的難題之一。強(qiáng)夯置換法通過(guò)采用強(qiáng)夯法將粗顆粒料（碎石、塊石等）夯擊進(jìn)土層中形成柱狀體，大幅度提升置換部分強(qiáng)度，使天然土部分在排水固結(jié)作用以及擠密作用下提高強(qiáng)度，從而使得軟土復(fù)合地基整體強(qiáng)度得到提升。強(qiáng)夯置換法能夠通過(guò)碎石對(duì)軟土地基進(jìn)行加固保護(hù)，提高軟土層的牢固性和穩(wěn)定性，有效提升其承載力。但該工藝在推廣應(yīng)用過(guò)程中，由于施工人員對(duì)其加固機(jī)理、適用范圍和容易引起的工程地質(zhì)問(wèn)題等研究不夠深入，常會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。因此為有效改善地基物理性質(zhì)、提高其承載力，本文對(duì)于強(qiáng)夯置換法進(jìn)行深入探索。

1 強(qiáng)夯置換法加固厚層淤泥質(zhì)軟土

工程實(shí)例1：

某基地?cái)M新建食堂為2層框架結(jié)構(gòu)，有斜坡屋面閣樓，設(shè)計(jì)要求地基承載力特征值為180kPa。擬建場(chǎng)地位于濱海養(yǎng)蝦池回填區(qū)域，其巖土層分布情況和特征如下：

①人工填土層：層厚1.40～2.10米，雜色，稍濕～飽和，呈松散狀。主要由砂土、粉土、碎石、塊石和建筑垃等組成，成分均勻性差，自重固結(jié)未完成。

②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層：層厚7.40～8.10米，深灰～灰黑色，飽和，軟塑，粘性較弱。主要由粉土和黏性土組成，含大量腐植質(zhì)。承載力特征值fak=70kPa。

其下伏巖土層為粗砂層、粉質(zhì)黏土層、粗礫砂層、粉質(zhì)黏土混砂層、碎石層，承載力特征值均大于180kPa?；鶐r花崗巖埋深26.7～28.5米。

由于基巖埋藏深，使用樁基礎(chǔ)工程造價(jià)大，但采用動(dòng)力置換法不能滿足《地基處理手冊(cè)》[2]第三版設(shè)計(jì)要點(diǎn)“軟弱層厚度小于7米”“對(duì)淤泥、泥炭等粘性軟弱土層，置換墩應(yīng)穿透軟弱土，著底在較好土層上，以免產(chǎn)生較多下沉”的要求，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比，我們最終決定采用強(qiáng)夯置換法。夯擊能為2000kN·m，夯點(diǎn)間距3.6米，每個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)1個(gè)主夯點(diǎn)，主夯點(diǎn)周圍梅花狀布置4個(gè)副夯點(diǎn)。夯后采用載荷試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)和面波測(cè)試三種方法進(jìn)行檢測(cè)，加固后地基土承載力滿足設(shè)計(jì)要求，承載力特征值達(dá)到180kPa的地基土經(jīng)檢測(cè)不小于3米，其下軟弱土層一定深度內(nèi)也得到了一定程度的加固，承載能力有較大提高。該建筑物建成3年來(lái)，使用正常，未出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，總沉降量不大于10mm。（3#試驗(yàn)點(diǎn)載荷試驗(yàn)和面波測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。）

圖1 載荷試驗(yàn)成果曲線

表1 面波測(cè)試成果

工程實(shí)踐證明，強(qiáng)夯置換法可以加固厚層（大于7米）的淤泥質(zhì)類土層，但要適當(dāng)控制夯點(diǎn)的布置和間距，夯點(diǎn)間距可取1.5～2.0倍夯錘直徑。

2 強(qiáng)夯置換的有效加固深度和加固范圍研究

工程實(shí)例2：

1024工程特種車庫(kù)，2層大框架結(jié)構(gòu)，獨(dú)立基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)要求地基承載力特征值為200kPa。擬建場(chǎng)地位于濱海鹽場(chǎng)回填區(qū)域，其巖土層分布情況和特征如下：

①人工填土層：層厚1.20～1.40米，雜色，稍濕～飽和，呈松散狀。主要由砂土、粉土、碎石、塊石等組成，成分級(jí)配良好但均勻性差，為新近回填土。

②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層：層厚2.40～3.10米，深灰～灰黑色，飽和，軟塑，粘性較弱。主要由粉土和黏性土組成，含大量腐植質(zhì)。承載力特征值fak=70kPa。

其下伏巖土層為粉質(zhì)黏土層、粗砂層承載力特征值均大于180kPa?；鶐r埋深22.7～23.5米。

我們結(jié)合該工程強(qiáng)夯動(dòng)力置換試夯，通過(guò)測(cè)試對(duì)強(qiáng)夯置換加固軟土地基的夯擊能選擇、有效加固深度和夯后地基承載力確定進(jìn)行了初步研究。

試夯采用的夯擊能分別采用1500kN·m、2000kN·m、2500kN·m、3000kN·m，夯錘直徑2.0米，填料為碎石土；夯點(diǎn)間距3.6米，每個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)1個(gè)主夯點(diǎn)（基礎(chǔ)中心位置），主夯點(diǎn)周圍梅花狀等距布置4個(gè)副夯點(diǎn)。

按規(guī)范和強(qiáng)夯置換原理，強(qiáng)夯置換的根本點(diǎn)在于主副夯點(diǎn)加固形成一個(gè)基本連續(xù)的置換體（半固結(jié)、超密實(shí)粗顆粒墩體）；加固形成厚度不小于3.0米且承載力特征值大于200kPa的超密實(shí)置換體稱作有效持力層，建筑物荷載通過(guò)基礎(chǔ)傳遞到該墩體，應(yīng)力擴(kuò)散范圍小于三維墩體邊界，已達(dá)到“浮筏效應(yīng)”。其下土層承載能力雖有一定提高，但幅度并不是太大。

強(qiáng)夯置換按先打正方形中心的主夯點(diǎn)，后打副夯點(diǎn)和先打四周的副夯點(diǎn)，最后打中心主夯點(diǎn)兩種方式試夯。我們采用載荷試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)方法分別在夯點(diǎn)中心，距中心1.0米、1.5米、2.0米、2.5米進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試深度以巖土承載力提升小于原強(qiáng)度30%的深度加以控制。以摸清夯點(diǎn)和整個(gè)置換體加固范圍、承載能力變化情況。

對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得出如下結(jié)論：

①?gòu)?qiáng)夯置換加固后，承載力特征值達(dá)到200kPa以上的地基土厚度隨夯擊能（由1500kN·m～3000kN·m）的變化不大，厚度為3.0～3.5米，其下伏軟弱土層承載能力有較大幅度的提高。很多工程實(shí)例均是如此。

②單夯點(diǎn)形成置換體厚度大于3米且承載力特征值達(dá)到200kPa以上，其加固半徑范圍為夯錘直徑的1.5～2.0倍，所以夯點(diǎn)間距不宜大于夯錘直徑2倍，否則加固效果會(huì)受到較大影響。

③夯點(diǎn)夯擊順序不同，對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)地基土的加固效果亦不同。主夯點(diǎn)周圍呈正方形按梅花狀布置4個(gè)副夯點(diǎn)，如按先打四周的副夯點(diǎn)，最后打中心主夯點(diǎn)，打完副夯點(diǎn)后，會(huì)形成桶狀置換體帷幕，位于中心的軟土擠不出去，經(jīng)重型動(dòng)力觸探測(cè)試，承載力特征值達(dá)到200kPa以上的土層厚度不足2.50米。而按先打正方形中心的主夯點(diǎn)，后打副夯點(diǎn)則承載力特征值達(dá)到200kPa以上的土層厚度均大于3.50米。所以強(qiáng)夯置換要注意按先中心后四周的順序施工。

3 對(duì)強(qiáng)夯置換墩體上載荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

工程實(shí)例3：

在青島奧克生物開(kāi)發(fā)有限公司擬建的二～六層辦公樓，實(shí)驗(yàn)樓工程和青島佳明光電科技發(fā)展有限公司擬建的三層車間和五層綜合樓工程的地基加固均采用強(qiáng)夯置換施工工藝，強(qiáng)夯置換施工竣工后，采用淺層平板載荷在10個(gè)置換墩體上進(jìn)行承載能力測(cè)試。青島佳明光電科技發(fā)展有限公司三層車間和五層綜合樓載荷試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表2。

表2 載荷試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

奧克生物開(kāi)發(fā)有限公司辦公樓、實(shí)驗(yàn)樓載荷試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表3。

表3 奧克生物開(kāi)發(fā)有限公司辦公樓、實(shí)驗(yàn)樓載荷試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

經(jīng)對(duì)10個(gè)強(qiáng)夯置換墩體的載荷實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析認(rèn)為：

①最大壓力400kPa時(shí)，累計(jì)沉降量2.04～14.25mm

②P-S曲線均未出現(xiàn)比例界限點(diǎn)，屬正常壓密階段。

③用“強(qiáng)度控制法”確定地基土承載力特征值。

當(dāng)P-S曲線上有明顯的直線段時(shí)，一般采用直線段的終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值為比例界限，取該比例界限所對(duì)應(yīng)的荷載值為承載力特征值，以此標(biāo)準(zhǔn)確定強(qiáng)夯置換墩體的承載力特征值達(dá)400kPa[3]。

④根據(jù)強(qiáng)夯置換加工地基的工程實(shí)踐和測(cè)試結(jié)果，認(rèn)為對(duì)中小基礎(chǔ)和單柱承載力要求不高的建筑物，獨(dú)立基礎(chǔ)下設(shè)置一個(gè)強(qiáng)夯置換墩作基礎(chǔ)承重體就能滿足要求。依據(jù)是：

1）強(qiáng)夯置換墩體很密實(shí)，物質(zhì)組成為碎塊石，承載力特征值可達(dá)300～400kPa。

2）強(qiáng)大的沖擊動(dòng)應(yīng)力擴(kuò)散作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)應(yīng)力擴(kuò)散作用：正常情況下基礎(chǔ)中心位置之下的地基土受力最大。強(qiáng)夯置換墩3.5～4.0m范圍內(nèi)N63.5≥10擊。工程實(shí)踐證明，對(duì)于獨(dú)立基礎(chǔ)底面積4.0～4.5m2。設(shè)計(jì)要求承載力特征值不大于180kPa的中小工程，一個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)底面下設(shè)置一個(gè)強(qiáng)夯置換墩就可滿足設(shè)計(jì)要求[4]。

說(shuō)明：

①有效加固面積：2.50m2×3.1416=19.40m2（圓面積）

②加固厚度：

1）從夯錘邊外擴(kuò)散0.5米范圍內(nèi)，其厚度3.0～4.0米。

2）從行錘邊外擴(kuò)1.0～1.5米范圍內(nèi)，其厚度為2.4～2.2米。

③夯擊能為2000.0kN·m。夯錘直徑為2.00m。

④劃分有效加固標(biāo)準(zhǔn)為N63.5≥6擊。因N63.5=6擊時(shí)，其地基承載特征值已達(dá)到240kPa。

⑤強(qiáng)夯置換墩體的承載力特征值fak≥300kPa。

4 結(jié)論

結(jié)合近幾年采用強(qiáng)夯置換處理軟弱地基的實(shí)踐，本文針對(duì)以上工程實(shí)例進(jìn)行分析，簡(jiǎn)要總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

①深入了解強(qiáng)夯置換法原理及優(yōu)勢(shì)。

施工前首先要了解強(qiáng)夯置換法技術(shù)原理及強(qiáng)夯置換法與傳統(tǒng)地基處理方法相比所具有的優(yōu)勢(shì)，從整平、放線、工程參數(shù)、工程類型的填料、質(zhì)量及安全需求等方面來(lái)強(qiáng)化促進(jìn)強(qiáng)夯置換法在軟土地基中的應(yīng)用，以有效提高軟土層的抗壓性及穩(wěn)定性。

②明確相鄰建筑物地基土受力狀態(tài)，確定加固范圍。

強(qiáng)夯置換原則上距已建建筑15米以上且不擾民的前提下是安全可行的，但強(qiáng)夯置換前一定要準(zhǔn)確掌握相鄰建筑物的受力狀態(tài)，若已建建筑基礎(chǔ)非樁基礎(chǔ)且地基已達(dá)到或接近極限受力狀態(tài)，不宜采用強(qiáng)夯法加固地基，同時(shí)要適當(dāng)控制夯點(diǎn)的布置和間距，夯點(diǎn)間距可取1.5～2.0倍夯錘直徑。

③強(qiáng)夯置換法必須明確加固深度和加固范圍。

強(qiáng)夯置換加固后，承載力特征值達(dá)到200kPa以上的地基土厚度隨夯擊能變化不大，厚度為3.0～3.5米，其下伏軟弱土層承載能力有較大幅度的提高。夯點(diǎn)間距不宜大于夯錘直徑2倍，試夯前須先了解基底高程，加固后的強(qiáng)夯置換體的頂面通常要比基底高0.1～0.2米。

④飽和的細(xì)粒土強(qiáng)夯置換施工要密切注意孔隙水壓力的變化。

強(qiáng)夯置換法加固厚層淤泥質(zhì)軟土。強(qiáng)夯置換法可以加固厚層（大于7米）的淤泥質(zhì)類土層，但要適當(dāng)控制夯點(diǎn)的間距，夯點(diǎn)間距可取1.5～2.0倍夯錘直徑，以便形成厚度不小于3.0米且承載力特征值不小于180～200kPa的有效持力層。