強夯法對雜填土地基處理效果的實例分析

李 浩， 劉東甲， 侯超群

（合肥工業大學 資源與環境工程學院，安徽 合肥 230009）

所謂雜填土［1］，是由于人類的生產和生活活動形成的地面填土層，其填筑物隨著地區的生產和生活水平不同而異，其性質與其組成和原地貌有關，回填的方法通常是任意堆放。

目前雜填土地基處理的主要方法是：① 機械振動壓實法；② 換上擴建層法；③ 重錘夯實法；④ 短樁處理；⑤ 擠密碎石樁復合地基；⑥ 素混凝土樁復合地基；⑦ 強夯法；⑧ 振沖擠密法；⑨ 灌漿法［2］。

本文屬于工程實際問題，該工程是咸陽市上林路K2＋420～K2＋560段雜填土地基處理。通過各種地基處理方法的比選，用強夯法進行地基處理，進行強夯法設計，由此論述了強夯法的具體施工過程，并對處理效果進行了檢驗，檢驗是否符合設計要求。

1 場地工程地質條件

該場地土層主要由第四系全新統及上更新統沖積細砂、中砂組成，大部分堆積較厚的生活垃圾與建筑垃圾混合物雜填土。其層序和各層土的特征如下：

（1）雜填土。灰黑色，成分混亂，磚瓦碎塊、煤碴、礦石、混凝土塊，夾有大量生活垃圾等，臭味濃烈，分布極不均勻。層底埋深0.4～12.6 m，層底標高372.2～385.6 m。

（2）細砂。灰黃色，上部局部夾有黃土狀土，主要成分為石英和長石，厚度為1.5～5.5 m，層底埋深為5.5～5.9 m，層底標高378.9～380.4 m。

（3）黃土狀土。灰黃色，具少量大孔隙，只分布在1號鉆孔處，厚度約為3.0 m，層底埋深5.6 m，層底標高380.4 m。

（4）中砂。黃褐色—黃色，主要礦物成分為石英、長石、和少量云母。本層顆粒上部細，向下變粗，上部夾粉土和粉細砂透鏡體。呈中密—密實狀態。該砂層未穿透，最大揭露深度20.0 m，揭露厚度達7.2 m。

由室內試驗土工實驗及野外原位測試結果，經數理統計獲得主要土層物理力學性質指標統計值，見表1、表2所列。由表1、表2統計結果，對主要地基土層的物理力學性質作如下評述：

（1）雜填土。主要由建筑垃圾及生活垃圾組成，分布不均勻，成分復雜，實測動探擊數2～8.7擊，平均值3.6擊，松散—稍密。工程性能差異很大，性質不穩定。

（2）細砂。實測標貫擊數為11～21擊，平均值16.6擊，稍密—中密。工程性能較好。

（3）中砂。實測標貫試驗擊數19～59擊，平均34.6擊，呈中密—密實狀態，工程性能好。

由土工試驗標貫及動探試驗原位測試結果，依據文獻［3－4］和地區建筑經驗確定各層地基土的承載力特征值，見表3所列。

表1 標準貫入試驗結果

表2 動探試驗結果

表3 地基承載力特征值 k Pa

2 地基處理方案的確定與設計

2.1 處理方案的選定

地基處理方法很多，每種處理方法都有一定的適用范圍、局限性和優缺點。排水固結法主要特點是理論成熟，但需要壓荷載而且預壓時間較長，對工期緊迫、缺乏壓載條件的工程是難以應用的；深層攪拌法適宜于加固飽和軟黏土，但對水質要求較高，而且會不同程度上造成環境污染；水泥土攪拌法不僅可以較大提高地基承載力，而且可以減少原地基沉降量的1／3～2／3，沉降較快趨于穩定，但是這種方法造價高，水泥用量很大；石灰樁法在生產石灰的地區是首選的方法，具有較強的區域性，這種方法目前的施工工具和施工工藝也還不能滿足要求，同時存在著環境污染的問題；振沖碎石樁法具有排水固結和置換擠密雙重作用，但軟土側向約束作用較差，透水性差，高靈敏的軟土被擠密后破壞了原來的結構，不能達到預期的加固目的；強夯法是一種施工簡單、經濟有效的地基處理方法，但這種方法施工中所產生噪音、振動會造成一定的環境污染。

在諸多地基處理方法中，強夯法所用設備簡單，原理直觀，適用范圍廣泛，可用于加固各種填土、濕陷性黃土、碎石土、砂土、一般黏性土、軟土以及工業、生活垃圾等地基，特別是對于非飽和土加固效果顯著。

當今，強夯法是當前最經濟而簡便的地基加固方法之一［5－6］，廣泛應用于房建、橋涵、道路、港口、碼頭、機場、大型設備基礎等工程，顯示出其蓬勃的生命力，投資節省和加固速度快是其主要優勢所在，見表4所列。

表4 幾種主要地基處理方法單位面積造價時間比

2.2 強夯法設計

強夯法在工程中得到了廣泛的應用，但至今尚無一套成熟的設計計算方法。目前通常是針對具體工程根據經驗初步選定設計參數，再通過現場試驗的驗證和必要修改后，最終確定適合于現場土質條件的設計參數。強夯法的主要設計參數包括：有效加固深度、夯擊能、夯擊次數、夯擊遍數、間隔時間、夯擊點布置和處理范圍等。

2.2.1 地面設計承載力估算

根據“上林路市政工程施工圖設計文件”，可知該路規劃紅線寬50 m，道路紅線外兩側各控制5 m寬綠化帶，道路斷面為三塊板型式，其中，機動車道 23 m，隔離帶2×2.5 m，非機動車道2×5 m，綠化帶2×3 m，人行道2×3 m。路面結構設計如下。

（1）機動車道路面結構，各層厚度如下。

面層：AC－16Ⅰ型中粒式瀝青混凝土5 cm。

下面層：AC－30Ⅰ型粗粒式瀝青混凝土7 cm。

噴灑乳化瀝青透油層：1.0 kg／m2。

基層：二灰碎石（石灰、粉煤灰、碎石的配比為7.5∶17.5∶75）23 cm。

底基層：石灰土（含灰量10%）30 cm。

（2）非機動車道路面結構，各層厚度如下。

面層：AC－16Ⅰ型中粒式瀝青混凝土5 cm。

噴灑乳化瀝青透油層：1.0 kg／m2。

基層：二灰碎石（石灰、粉煤灰、碎石的配比為7.5∶17∶75）20 cm。

底基層：石灰土（含灰量10%）30 cm。

（3）人行道路面結構，各層厚度如下。

面層：面磚采用200×100×60彩色通體透水磚6 cm。

座漿層：M7.5水泥砂漿3 cm。

墊層：C20混凝土6 cm。

基層：石灰土（含灰量10%）15 cm。

由此可計算公路基礎自重約為：G＝2.37×0.13＋2.05×0.23＋2.15×0.3＝1.42 t／m2，即設計荷載為14.2 k Pa。

根據文獻［7］可知輪胎接地壓強p為700 k Pa，見如表5所列，取擴散角為35°，則輪胎接地壓強作用于地基上的荷載為：

表5 標準軸載計算參數

所以基底附加應力為基礎自重與輪胎接地壓強的和，即40 k Pa，小于雜填土的承載力特征值。由此可知地基強度條件滿足下文處理地基變形條件。

2.2.2 確定有效加固深度

強夯法的有效加固深度是指起夯面以下，經強夯加固后，土的物理力學指標已達到或超過設計值的深度。根據不同的地層和加固目的，有效加固深度的判別標準和檢驗方法也不相同。對軟土地基，主要是提高地基承載力和減少沉降量；對飽和砂土和粉土，主要是消除液化趨勢；對黃土及新近堆積黃土主要是消除濕陷性、提高地基承載力。對不同的土質條件和不同的工程應采用不同的標準。

地基土的壓縮是由外界壓力在地基中引起的附加應力所產生的。在理論上，附加應力可深達無窮遠，但實際計算地基土的壓縮量時，只須考慮某一深度范圍內土層的壓縮量，這一深度范圍內的土層就稱為“壓縮層”。在水利工程中通常按豎向附加應力σz與自重應力σs之比確定。對于一般黏性土，當地基某深度的附加應力σz與自重應力σs之比等于0.2時，該深度范圍內的土層即為壓縮層；對于軟黏土，則以σz／σs＝0.1為標準確定壓縮層的厚度［8］。

由勘查報告可知，需要處理的地基的長l＝140 m，寬b＝50 m。經過承載力估算確定該地基受均布荷載40 k Pa，若取壓縮深度z＝10 m，據此可求地基中心點處的附加應力，因l1＝l／2＝140／2＝70 m，b1＝b／2＝50／2＝25 m，則l1／b1＝70／25＝0.8，z／b1＝10／25＝0.4。由文獻［8］查得應力系數，所求的附加應力和自重應力為：

則σz／σs＝39.062 4／200＝0.195 312＜0.2，所以壓縮深度取10 m，即有效加固深度為10 m。

2.2.3 選取夯錘與落距

單擊夯擊能等于錘重乘以落距，由處理深度根據修正后 Menard公式［9］確定單擊夯擊能E，即則E＝Mh＝（H／a）2×10＝（10／0.8）2×10＝1 563 k N·m。其中，H為加固深度；M為錘重；h為落距；a為小于1的修正系數，變動范圍為0.35～0.80，飽和軟土取0.45～0.50，一般黏土取0.50，砂性土取0.70，填土取0.60～0.80，黃土取0.35～0.50。

在單擊夯擊能相同的情況下，實踐表明，增加錘重W比增加落距h更有效，但錘重越大，對起吊設備要求越高［9－10］。所以選擇錘重為12 t，落距為13 m。夯錘用圓形，直徑為2.5 m。

2.2.4 夯擊遍數及次數的確定

強夯中，夯擊次數是強夯設計中的一個重要參數。對于碎石土、砂土、低飽和度的濕陷性黃土和填土等地基，夯擊時夯坑周圍往往沒有隆起或雖有隆起但其量很小，這種情況下，應盡量增多夯擊次數，以減少夯擊遍數。但對于飽和度較高的黏性土地基，隨著夯擊次數的增加，土的孔隙體積因壓縮而逐漸減小，但因這類土的滲透性較差，孔隙水壓力將逐漸增長，并促使夯坑下的地基土產生較大的側向擠出，引起夯坑周圍地面的明顯隆起，此時若繼續夯擊，并不能使地基土得到有效的夯實，而造成浪費。

在施工場地選取一個地質條件有代表性的試驗區，平面尺寸為28 m×32 m［11］。在試驗區內進行詳細的原位測試，采取原狀土樣測定有關數據。根據擬定的試驗方案進行現場試夯施工。施工中應做好現場測試和記錄。測試內容包括：夯點沉降觀測（測出每個夯點的每一擊夯沉量及總夯沉量）、夯坑周圍隆起、振動影響范圍、飽和軟黏土孔隙水壓力的增長和消散情況等。試夯結束后1～4周進行試夯效果檢驗，并與試夯前的數據進行對比。檢驗試夯前后的檢測資料，分析試夯效果是否符合要求。如果不符合要求，應補夯或調整強夯參數后再進行試驗。如果符合要求，則由夯沉量與夯擊數關系曲線確定最佳夯擊數，并正式確定強夯施工所采用的其他技術參數。

根據現場試夯畫出夯擊次數N與每擊沉降量Δs的關系曲線，當Δs－N曲線趨于穩定接近常數時，且滿足最后2次平均沉降量不大于50 mm；夯坑周圍地面沒有發生過大的隆起；不因夯坑過深而起錘困難3個條件時，可取相應的夯擊次數為最佳夯擊數［12］。

夯擊遍數是指將整個強夯場地中同一編號的夯擊點夯完后算作1遍。夯擊遍數應根據地基土的性質確定。一般來說，有粗顆粒土組成的滲透性強的地基，夯擊遍數可少些；由細顆粒土組成的滲透系數小的地基，夯擊遍數要求多些［13］。根據日本資料報導，對于碎石、砂礫、砂質土和垃圾土，夯擊遍數為2～3遍；粉性土為3～8遍，泥炭為3～5遍。最后在對全部場地進行輕量級夯擊，使表層土得以夯實。

根據現場試驗，本次強夯法的強夯次數確定為9次，強夯遍數確定為2遍。最后再以35 t壓路機振動碾壓一遍，其目的是將松動的表層土碾壓密實。

2.2.5 夯擊點布置及間距

當基礎面積較大時，可按正方形布置夯擊點的平面位置。夯擊點間距的確定一般根據地基土的性質和有效加固深度要求確定。細顆粒土為了便于超靜孔隙水壓力的消散，夯點間距不宜過小。當要求加固深度較大時，第1遍的夯點間距更不宜過小，以免夯擊時，在淺層形成密實層而影響夯擊能往深層傳遞。此外，若夯點間距太小，在夯擊時上部土體易向側向已夯成的夯坑中擠出，從而造成坑壁坍塌、夯錘歪斜和傾倒，以致影響夯實效果。這一點已被實踐所證明。根據國內經驗第1遍夯擊點間距可取夯錘直徑的2.5～3.5倍，對處理深度較深或單擊夯擊能較大的工程，第1遍夯擊點間距應適當增大。第2遍夯擊點位于第1遍夯擊點之間。又由于強夯夯擊時，應力向外擴散，因此，夯擊點必須間隔5～9 m夯距。若夯點緊接，應力疊加，效率降低。經綜合考慮取夯擊點間距為7 m，如圖1所示。

由于應力擴散作用，夯擊點范圍應大于建筑物基礎范圍，每邊超出基礎外緣的寬度，宜為設計處理深度的1／2～2／3，但不宜小于3 m。本工程取6 m。

圖1 夯點平面布置圖

2.2.6 2遍夯擊的間歇時間

間歇時間是指2遍夯擊之間的時間間隔。間歇時間取決于土中孔隙水壓力的消散時間。對于砂性土，孔隙水壓力的消散時間只有3～4 min，故可連續作業；對于細粒土，當缺少實測資料時，可根據地基土的滲透性確定；對排水條件差的飽和粉土和黏性土地基，一般不少于3～4周［14］。本工程取間歇時間為7 d。

3 施 工

3.1 施工設備

強夯法的施工設備主要包括夯錘、起重機、脫鉤裝置等。需要注意的是，由于履帶式起重機空車停置時對地面的壓力為80～100 k Pa，空車行駛時為100～190 kPa，起重時為170～300 k Pa。因此，為保證起重機正常施工，要求在地基先鋪設厚度為0.5～2.0 m的粗粒料墊層，用推土機推平并來回碾壓，以形成一層稍硬的表層作為施工場地的通道，以支承超重設備［15］。

3.2 施工程序

（1）試夯后清理并平整施工場地，進行場地測量放線，平整范圍應大于基礎外圍輪廓線，每邊外伸6 m。

（2）標明第1遍夯點位置。對每一夯點，用石灰標出夯錘底面外圍輪廓線，并測量場地高程。

（3）起重機就位，夯錘對準夯點位置，位于石灰線內，測量夯前錘頂高程。

（4）將夯錘起吊到預定高度，自動脫鉤，使夯錘自由下落夯擊地基，放下吊鉤，測量錘頂高程。若因坑底傾斜造成夯錘歪斜時，應及時整平坑底。

（5）重復步驟（4），按設計規定的夯擊次數即9次，及控制標準，完成一個夯點的夯擊。

（6）重復步驟（3）～（5），按設計強夯點的次序圖，完成第1遍全部夯點的夯擊。

（7）用推土機將夯坑填平，并測量場地高程。標出第2遍夯點位置。

（8）按規定時間間歇7 d，待前一遍強夯產生的土中孔隙水壓力消散后，再按上述步驟，逐次完成全部夯擊遍數，本工程遍數為2遍。最后采用低能量滿夯，本工程采用35 t振動壓路機碾壓，以將場地表層松土壓實，并測量場地夯后高程。

4 施工注意事項及處理效果檢驗

4.1 施工注意事項

（1）強夯施工所產生的振動，對鄰近建筑物或設備產生有害影響時，應采取防振措施。強夯法振動的主要影響范圍一般為10～15 m，在此范圍內應采取防振措施，如設充填溝，溝底寬一般大于50 cm，溝深應大于鄰近建筑物基礎底面標高。

（2）夯擊前要查明強夯范圍內的地下構筑物及各種地下管線的位置及標高，并采取必要的防護措施，以免因強夯施工而造成損失。

（3）強夯前要做好場地平整，周圍作好排水溝，按夯點布置測量放線確定夯位。地下水位較高時，要采取降低地下水位后再夯擊。

（4）應按規定的起錘高度、錘擊數量的控制指標施工，也可采用試夯后確定的沉降量控制。

（5）地基中的含水量對強夯加固效果有直接影響，一般當土體的含水量越接近塑限時強夯效果越好，若表土過干應采取加水等相應措施，適當增加含水量。若地基土含水量過多，可能會形成橡皮土，可通過鋪設砂墊層或采用人工降低地下水位等措施進行處理。

（6）夯錘上部排氣孔如遇堵塞，應立即疏通。

（7）強夯時有石塊、土塊等飛擊，應注意安全。

（8）雨季施工，夯擊坑內或夯擊過的場地內有積水時，必須及時清除。

4.2 處理效果檢驗

本工程在施工結束2周后對強夯地基進行了質量檢測。檢測采用6組重型動力觸探和3組平板載荷試驗以檢驗地基處理效果，試驗數據見表6、表7所列。

表6 重型動力觸探擊數N強夯處理前后對比

表7 路基頂面平板載荷試驗數據

動力觸探試驗表明強夯處理后各土層承載力得到很大提高，路基土的物理力學性質得到較大改善。文獻［7］規定土基回彈模量值應大于30 MPa。該場地經強夯法處理后回彈模量為46.33 MPa，承載力為214.67 k Pa，滿足了市政道路對路基的承載力要求。

5 結 論

強夯法施工原理簡單，經濟效益明顯，但施工時產生較大的振動，對周圍的構筑物有較大影響。強夯理論不成熟，需現場試夯才能確定夯擊參數。該工程經強夯處理后，土基回彈模量提高了165%，承載力提高了168%，證明其處理效果良好。

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