高能級強夯法在地基加固處理中的應用與探討

梁雪梅 王連軍

1 工程概況

本工程為10萬m3/d污水處理廠地基加固項目，處理面積約3.3萬m2。場地屬海岸地貌單元，后經回填整平，地層由上至下分為:①碎石素填土()。②黏性土素填土()。③淤泥質粉質黏土()。④粉細砂()。⑤細砂()。⑥礫碎石()。

設計要求處理后的地基承載力特征值 fak≥200 kPa，變形模量應大于18 MPa。

2 強夯參數的確定

2.1 夯擊能

根據地勘資料，整個場地分3個區，夯擊能的確定參考了文獻[1]～[3]:A區加固深度8.0 m～11.2 m，平均為10.2 m，采用8 000 kN?m。目前強夯法尚未有成熟的設計計算方法，在夯擊能方面，主要參考文獻[1]中的表6.2.1進行設計，該表給出了夯擊能8 000 kN?m以下的有效加固深度預估值，本工程要求處理的最大深度達17.5 m，根據文獻[2][3]給出的經驗公式:

其中，α為修正系數;Z為加固深度，m;M為夯錘重，kN;h為落距，m。

根據地質情況，取α=0.4，B區加固深度為11.6 m～13.5 m，平均為12.9 m，C區加固深度為14.2 m～17.5 m，平均為15.9 m，夯擊能分別采用12 000 kN?m和15 000 kN?m。

2.2 夯點間距

本工程采用的夯錘有兩種，A區和B區夯錘直徑為2.50 m，C區夯錘直徑為2.80 m，根據文獻[1]，第一遍夯點間距分別可取8.75 m和9.98 m。施工采用的第一遍夯點間距為:A區和B區10 m，C區12 m。

2.3 夯擊遍數

采用點夯3遍，第1遍點夯，夯點間距為:A區和 B區10 m，C區 12 m，正方形布點。第 2遍點夯、第 3遍點夯，第4遍為滿夯，錘印搭接錘徑的1/3，由于本工程的地基土顆粒較粗，滲透性好，并經試夯中的孔隙水壓力測試，可連續進行夯擊。

2.4 夯擊次數

本工程主要以強夯影響深度為關鍵性指標，對最后一擊點夯的夯沉量和最后兩擊點夯的平均夯沉量進行控制，并根據現場實際夯沉量情況動態確定，但必須保證最低夯擊次數。綜上所述，強夯施工參數見表1。

3 強夯效果檢測

1)經過強夯處理后的地基承載力fak=220 kPa(未加載到地基的極限荷載，實際承載力可能更高些)，高于設計要求的180 kPa。

表1 強夯施工參數匯總表

2)動力觸探(標貫)檢測結果見表2。

檢測結果表明:經強夯處理后，地基承載力和地基加固的有效深度均達到了設計要求。需要說明的是:施工前后的測試結果表明②，③層土較地勘報告結果要好。

表2 各土層強夯前后DPT(SPT)統計結果對比表

4 關于高能級強夯的幾點討論

4.1 錘底靜接地壓力如何取值

關于錘底靜接地壓力值的選擇問題，規范規定“可取25 kPa～40 kPa”，但對于高能級強夯已經不再適用。目前，實際施工實踐中，高能級強夯所用夯錘直徑比較多的介于2.0 m～3.5 m，夯錘重量在400 kN～800 kN之間，錘底接地靜壓力值介于60 kPa～135 kPa之間。相關研究表明:錘底接地靜壓力是影響有效加固深度的重要影響因素，且在夯擊能相同的條件下，靜壓力越大，加固深度越大。目前，隨著工程地基加固深度要求的不斷提高以及強夯設備大型化發展，有必要重新認識錘底接地靜壓力，既不要由于超出規范的范圍而在應用中畏手畏腳，也不要認為越大越好，而應該根據需要加固的地基土質、加固深度來選擇合適的錘底接地靜壓力。可以考慮在夯擊能難以再增大的情況下，選用錘底靜接地壓力較大的夯錘來達到有效加固深度增大的效果。建議在規范修訂時將該取值范圍進行修改，以適應工程實踐的發展變化。

4.2 如何確定夯點間距

文獻[1]規定“第一遍夯擊點間距可取夯錘直徑的2.5倍～3.5倍，……，第一遍夯擊點間距宜適當增大。”但如何“適當增大”，并沒有明確的規定，基本上是根據經驗和現場試夯確定。查閱了相關文獻，大多是對不同間距的強夯處理效果進行了對比分析，給出一些工程實例的參考，但對如何確定合適的夯點間距，沒有明確結論。

下面嘗試導出夯點間距公式。強夯時，夯點下的土體被夯擊壓縮到夯錘底部的土體，在夯錘底下一定深度內的土體被加密，形成一個梨形加密土體，且周圍的土體被不同程度的擠密(見圖1)。以側向擠密的土體的范圍最大半徑所處橫剖面得圓，在夯擊數、夯擊能等其他條件相同的情況下，與加固土體的φ密切相關。土體被向下壓縮和側向擠密時，既要克服底部向上的阻力，也要克服側向土體的剪應力，而剪應力與土體的φ值密切相關，因此確定側向被有效擠密的土體范圍半徑，就可以確定夯點間距。

設需要加固的土體深度為Z，加固土體的內摩擦角為φ(以主要被加固的土體的內摩擦角φ值為主，綜合考慮被加固土體的整體 φ值)，夯錘直徑為D，夯錘底部夯擊形成的梨形加密土體的橫剖面圓的有效半徑為 R，則 R與φ相關，有:

由于梨形加密土體相切處的應力較小，密實效果差，所以可以令:

則理論夯點間距:

在式(4)的右邊再加上 kD，k為夯點間距修正系數，取值范圍根據經驗為 0～1，加固深度 Z大時取大值，Z小時取小值;加固土體內摩擦角φ大時取大值，φ小時取小值;錘底接地靜壓力大時取小值，小時取大值。同時，在點夯過程中會形成不同深度的夯坑，所以，還需要對 Z進行修正，用 Z-ΔZ代替，ΔZ為夯坑深度。一般的，當夯坑大于2 m時，應將夯坑填平后再繼續夯擊，所以ΔZ可取值0 m～2 m，這樣就得到比較實用的夯點間距公式:S=(Z-ΔZ)tanφ+(1+k)D (5)

式(5)中考慮了夯點間距與夯錘直徑、強夯加固土體的深度、土體內摩擦角以及夯坑深度等因素，如果把式(1)中確定的Z代入式(5)中，則得出與夯擊能相關的夯點間距公式:

據文獻[11]工程地質條件，查文獻[3]取 φ=20°，取 k=0.5，取ΔZ=2 m，查經驗系數表得α=0.45，分別代入式(5)，式(6);據文獻[12]工程地質條件，查得 φ=21°，取 k=0.5，ΔZ=2 m;查得α=0.35，分別代入式(5)，式(6);對本工程，取 φ=30°，取 k=0.8，ΔZ=2 m，α=0.40，分別代入式(5)，式(6)。計算后統計結果表明:文獻[11]中的案例處理效果較差。

與文獻[11]對比，文獻[12]中采用的夯擊能、夯擊遍數和夯擊次數是比較合理的。值得指出的是，在測量單擊夯沉量時應考慮每次起錘后夯坑周圍的土塌落到夯坑內對夯沉量的影響。

通過以上數據對比，并對加固效果進行了分析，結果表明兩公式是值得在今后的工程實踐中參考使用的。但對于如何在今后的實際應用中，根據工程實際情況合理的選擇相關的 φ值、k值和α值是能否確定合適的夯點間距的關鍵。

4.3 關于有效加固深度

1)在設計要求一致的情況下，相同夯擊能對不同土質的有效加固深度是不一樣的，有時可能差別很大，要區別對待。

2)在相同條件下，被加固土質對夯擊能的吸收和傳遞對強夯有效加固深度的影響是明顯的，這方面有待進一步深入的研究。

3)建議在進行規范修訂時對表6.2.1增加高能級強夯部分。

影響強夯加固效果的因素很多，在具體的工程實踐中，應根據不同的工程地質條件、設計要求、上部建筑物對地基承載力和變形要求等具體問題具體分析，采取針對性的、合適的加固參數。

5 結語

1)根據工程實際條件，結合設計要求的地基加固指標來確定高能級強夯施工參數，是達到良好加固效果的關鍵。2)本工程中滿足設計要求的，夯擊能為 8 000 kN?m，12 000 kN?m 和15 000 kN?m的強夯有效加固深度分別達到:10.5 m，13 m和16 m。3)在工程實際中，錘底接地靜壓力值可取25 kPa～135 kPa，在不發生起錘困難的條件下，可適當的取大值來增加強夯加固深度。4)夯點間距式(5)和式(6)可供今后的工程實踐參考使用，根據工程實際選擇合適的φ值、k值和α值是確定合適的夯點間距的關鍵。

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