強夯法和換填法在某海外工程中的比較與應用

張 蕾 李 鵬

(中國機械設備工程股份有限公司，北京 100055)

強夯法和換填法在某海外工程中的比較與應用

張 蕾 李 鵬

(中國機械設備工程股份有限公司，北京 100055)

以某海外工程為例，對強夯法和換填法常用的兩種軟弱地基處理方法的定義進行了介紹，并從施工方法和費用兩個角度探討了兩種方法的優缺點，為建筑工程選擇經濟有效的地基處理方法提供了依據。

軟弱地基，強夯法，換填法

0 引言

在工程項目施工過程中，常常會遇到軟弱地基土層，這種土質的特性是天然含水量高、孔隙比大、抗剪強度低、壓縮系數高、滲透系數小。地基承載力低，在外荷載作用下會造成地基的整體沉降和不均勻沉降，從而對建筑物或構筑物造成破壞。因此遇到這種軟弱土時，一定要進行處理才能作為工程的地基使用。

對于地基處理，有很多種方法，其中強夯法與換填法都是兩種常用的地基處理方法。在我國都有著廣泛的應用，本文以某海外工程為例，對這兩種施工方法進行優劣比較和分析。

1 兩種地基處理方法

1.1 強夯法

定義：強夯法是法國梅那技術公司1969年創立的一種地基加固方法，亦稱動力固結法。這種方法通常是用8 t～40 t的重錘，以5 m～40 m的落距讓其自由落下，夯錘對地基強烈的沖擊作用使地基內出現強大的應力波，引起土體內土顆粒發生位移、孔隙比減小、密實度增加，使土體結構重新排列，從而達到加固地基的目的。優點：速度快，工期短；施工設備工藝簡單，施工質量容易控制。強夯設備見圖1。主要的設備有門架，履帶吊，夯錘。并且門架和夯錘都是固定在履帶吊車上的，一臺設備就可以完成主要的施工作業。所以效率較高，夯完后的地面進行平整即可。缺點：施工噪聲大；施工時，土壤中會產生過大的孔隙水壓力，因此不適用于飽和的細膩土壤，如淤泥和地下水位以下粘土，因為這種土質需要較長時間孔隙水壓力才會消散。注意事項：由于強夯法的工藝特點，因此要特別注意施工安全。此外，由于夯擊的能量會在濕潤的表層土消失，所以在雨季可能不適用。

1.2 換填法

定義：換填法是挖去地表淺層軟弱土層或不均勻土層，回填堅硬、較粗粒徑的材料，并夯壓密實，形成墊層的地基處理方法。缺點：該方法用于暫時堆放回填土體的場地可能比較難找。由于夯實之后土壤體積變小，整個場地的地平水準可能要降低。注意事項：整個施工需要機具設備不復雜，但是涉及挖掘機、運輸車以及夯土機(或壓路機)的交叉作業，交通組織需要提前考慮，另外，不宜在雨天進行作業。

2 根據某實際海外工程分析比較兩種方法

以上兩種方法各有利弊，下面以某海外工程為例進行分析比較。

2.1 工程簡介

某海外工程場地面積1 km2，原屬于丘陵地帶，有一些小的山丘，海拔高度從10 m～35 m不等，臨近有一條河流叫Vessigny河，在場地的南部，大約海拔5 m的高度。該場地曾經進行過平整，平整后平均海拔高度為14.7 m。經了解，在場地平整期間并未按照要求對于回填的土壤每200 mm進行夯實(從而保證土壤壓實度達到95%以上)。經過地質勘查，也確認該場地的填方區土質屬于二類雜填土，并未經過處理。設計要求地基承載力要達到100 kPa，經過計算，需要進行處理的土壤為765 000 m3，覆蓋面積為198 000 m2，填土深度平均為3.9 m。

2.2 施工方法比較

1)換填法。在該場地內取三個土樣，并對這三個土樣進行了試驗，具體結果見表1，由此可知，當土壤壓實度達到95%以上時，剪切強度是可以達到100 kPa的。

表1 現場土樣測試結果

用換填法對該場地進行施工的具體步驟：先用挖掘機將填土挖出來，用裝載卡車運到一個臨時存放的區域，隨后將這些挖出來的土再逐層回填到挖開的區域內，回填的過程中每層用推土機平整，并且用夯土機夯實，直至土壤的壓實度達到95%以上，每次回填土的厚度不應超過200 mm。盡管經過地質勘查發現地下水位在3 m左右，開挖深度有可能超過地下水位，但是由于現場自然土體為粘土，且其滲透性很低，所以降水就不再需要了。

經過計算全場需要換填的土方量大約為765 000 m3。

2)強夯法。對于強夯法，每一次錘擊都會形成一個錐狀的影響范圍(如圖2所示)。這些錐狀的影響深度取決于錘擊所給予的能量(錘重和下落高度)。這些錐狀的影響范圍應該是重疊的以保證土壤改進的均衡性，所以錘擊點之間的距離是根據重錘的大小、能夠產生的作用、填土的深度以及能量在土中的分散情況

來進行設計的。錘擊的數量取決于對土體改進等級的要求。因此，第一遍我們使用一定間隔的大能量強夯來改進填土底部的密實性。將夯坑重新填滿之后，再用低能量的夯擊(可以用同樣的夯錘降低起吊高度的方法，也可以直接采用小點的夯錘的方法)來改進中間層土體的性能，緊接著再用輕型的錘進行一遍“熨斗式”的拍夯，從而達到改善表層土的效果。

強夯對于處理砂質土壤有著非常好的效果，由于該土質有非常好的滲透性，所以在夯擊后產生的孔隙水壓力能夠非常快的消散掉。但不太適用于飽和的細膩土壤，如淤泥和地下水位以下粘土。就現場的土質來說，存在滲透率很差的粘土，造成孔隙水壓力的消散較慢，從而可能影響強夯的效果。所以為了強夯的效果，就需先進行降水，或者安裝塑料排水帶(PVD)，以加快孔隙水壓力的消散。

綜上所述，經過現場的勘查，強夯施工方案設計如下：因為需要改進的填土深度為5 m，所以用7 m來做計算，以保證最大的改進深度是在5 m處；需要處理的土壤面積達到198 000 m2；重錘重量為20 t，直徑為2.5 m。若采用鑄鐵，錘高為0.55 m，若采用混凝土澆筑，錘高為1.7 m；重錘將被提升到20 m的高度然后自由落下，落點之間的距離為4 m。該強夯的夯擊能為4 000 kN·m，影響深度為5 m～7 m，故若遇到填方深度超過7 m的地區，應該先進行開挖然后強夯，待回填后再次強夯一遍，以確保強夯效果。

2.3 施工費用比較

1)換填法。該工程所在國家挖方4美元/m3～5美元/m3，換填夯實5美元/m3～6美元/m3。所以按照挖填方764 270 m3計算，預計需要花費688萬美元～841萬美元，且不考慮降水費用(我們期望地下水對于挖填方不產生影響)。

2)強夯法。該工程所在國家強夯的單價為16美元/m2～21美元/m2，但不含降水。所以用當地費率來計算，強夯預計花費317萬美元～416萬美元，加上塑料排水板(PVD)的安裝費用(間距1.5 m)為132萬美元，強夯期間的地質勘查費用應為20萬美元。故整個花費應該在469萬美元～568萬美元之間。

2.4 施工工期比較

1)換填法。

如果空間和堆場之間距離能夠最小化，那么按照1臺挖掘機，4臺自卸式卡車，1臺推土機，和1臺夯土機，每臺班可以處理1 200 m3～1 600 m3。如果按照現場使用兩套以上設備進行施工，那么每天處理2 400 m3～3 200 m3，整個項目需要40周～53周的時間(不考慮下雨等因素，每周工作6 d)。

2)強夯法。

假設：每套吊車設備每臺班完成400次夯擊(包括夯擊位置的移動)；每天每套吊車設備一個臺班；4套吊車設備；4周孔隙水壓力可以消散。

要用強夯達到所需的地基處理的目標，預計共需17周。

2.5 結論

表2 強夯法與換填法比較表

通過表2比較我們不難發現，強夯法相對更為經濟，且施工周期較短。但是由于現場粘土的低滲透性，地下水位以下土壤在強夯中所產生的孔隙水壓力消散需要一定時間，故強夯法效果還取決于施工現場。另外，安裝排水塑料板PVD或者降水的方法可以加快或者避免孔隙水壓力消散所需的時間，但是可能增加施工周期。

換填法費用有一定的不確定性，可能相對較高，另外施工周期較長。但是換填方法施工機具簡單，工程質量較為可靠，且在施工期間，可以交叉進行其他的施工，所以如果施工流水組織合適或者增加更多臺套設備，也不會影響整體工程的施工周期。

3 實際工程應用

在實際工程中，首先采用了強夯法進行施工，4套強夯設備，2臺推土機。強夯前進行了降水施工，整個降水施工持續了8周，強夯計劃施工為17周，整個工程計劃為25周。

在施工中，由于當地土質的特點，降水勉強在8周內完成，但是強夯施工僅僅持續了4周，完成強夯面積100 500 m2。由于場地周圍的居民認為振動較大受到影響而被停止。后改為換填法施工，由于場地面積開闊，當地機械設備充足，故最終投入6臺挖掘機，12臺自卸式卡車，4臺推土機，4臺壓路機，經過16周的施工，完成所有剩余的地基處理施工。

后經過地質勘查實驗，以上兩種方法處理的地基均達到設計要求。故在海外進行施工時，需要充分考慮各種影響因素，除了技術，設備，費用，工期等因素之外，還需要考慮安全，環保，以及當地周邊的適用性等因素。

[1] GB 50007—2002，建筑地基基礎設計規范[S].

[2] JGJ 79—2002，建筑地基處理技術規范[S].

[3] Geotechnical Investigation Report for Alutrint Smelter Complex，Golder Associates Inc.

Analysis and evaluation of dynamic compaction and remove & replace method in an oversea ground improvement project

Zhang Lei Li Peng

(ChinaMachineryEngineeringCorporation,Beijing100055,China)

Taking some overseas project as the example, the paper introduces the definitions for the two common weak foundation treatment methods, the dynamic method and the replacement method, and explores the advantages and disadvantages of the two methods from the construction methods and cost, so as to provide some reference for the economical and effective foundation treatment methods.

weak foundation, dynamic method, replacement method

2015-03-05

張 蕾(1982- )，女，工程師； 李 鵬(1980- )，男，工程師

1009-6825(2015)14-0071-02

TU472

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