強夯置換法在多層建筑地基處理中的應用

李 勇

（四川樂城裝飾工程有限責任公司， 四川 成都 610000）

1 定義及適用范圍

強夯法定義：反復將夯錘提到高處使其自由下落，給地基以沖擊和振動能量，將地基土夯實的地基處理方法。

強夯置換法定義：反復將夯錘提到高處，使其自由下落下形成夯坑，并不斷夯擊坑內回填的塊石、砂石、碎石、鋼渣等硬粒料，使其形成密實墩體的地基處理方法。

強夯法的適用范圍：碎石土、砂土、非飽和細粒土、濕陷性黃土、素填土、雜填土等地基處理。

強夯置換法適用范圍：淤泥、淤泥質土、高飽和度的粉土、軟塑、流塑的粘性土等地基處理。

2 強夯加固原理

1、動力密度：強夯加固多孔隙、粗顆粒、非飽和土是基于動力壓密的概念，沖擊型動力荷載使土中土粒周圍的孔隙中的空氣被排出，土顆粒和顆粒間的液體受力變形重新排列，孔隙比發生變化，體積變小強度提高。

2、動力固結：

a.土體中孔隙水排出：在強夯力的反復沖擊下，土體中產生很大的應力，垂直向壓力在土體變形過程中產生很大的水平拉應力，使土體沿豎向、徑向、環向產生大量的細微裂縫，增加孔隙水的排出通道 ，增大滲透性，在高壓力下孔隙水沿通道逸出，加速土體固結。

b.土體中氣體適放：在強夯力的反復沖擊下，在地基中產生的沖擊能形成動應力，至使土顆粒發移動，部份沖擊能轉化成熱能，土中氣泡移動加速，可溶氣體從水中釋放出來從土面逸出，減小孔隙水移動阻力增大滲透性，進一步加速土體固結。

c.局部液化：在夯擊力反復作用下超孔隙水壓力不斷提高，導致土中有效應力減少，當超孔隙水壓力等于上覆土壓力和內聚力時土中的有效應力完全消失，土的抗剪強度為零，土顆粒處于懸浮狀態達到局部液化，土的滲透性大大增加，孔隙水迅速排出，超孔隙水壓力消散加速土體固結。

d.土的觸變恢復：飽和細粒土在強夯沖擊波的作用下，土中原來處于平衡狀態的土顆粒的定向排列被打亂，顆粒結構從原先的絮凝結構變成分散結構，顆粒間聯系消弱，強度降低。強夯后經過一定時間的休置后，土體顆粒、膠體顆粒、水又形成新的空間結構，土體又恢復和達到更高的強度。

3、動力置換：

動力置換分為整體置換和樁式置換。整體置換作用機理類似換土墊層法+動力密度；樁式置換作用機理類似強夯加密+碎石礅+排水井

3 強夯置換法特點

1、由于強夯置換法土體和孔坑中塊(碎)石等填料在外力作用下密實度改變，其加固原理是通過強夯后原有的天然強度地基在強夯振動作用下迫使填料本身和周圍土體發生變形，軸向應力和側向應力共同形成約束力，約束塊(碎)石體形成力系平衡的塊(碎)石墩體。

2、對于深厚飽和粉土、粉砂，墩下土在施工中密度變大，強度提高較大，在置換的過程中大量填料與墩間土混合，形成混合土，含水量與密實度改善很多，與墩體共同組成復合地基。因此承載力考慮墩體和樁間土共同受力。

3、對淺層淤泥或流塑的粘性土，采用整體置換時將塊(碎)石填料整體擠入淤泥中，其加固原理類似于換土墊層法。

4、對于淤泥、泥炭等粘性軟弱土層，采用樁式置換，置換墩應穿透軟土層，著底在較好的土層上，因墩底豎向應力較墩間土高。因此在計算地基承載力特征值時，可只考慮墩體不考慮墩間土的作用。

4 工程概況

貴陽市觀山湖別墅小區占地94.95畝，總建筑面積87239.44平方米，共40棟4層建筑物，獨立柱基，框架結構，設計要求地基承載力180Kpa，其中位于場地東側的19—25棟樓填土區較厚且填土是堆在原有廢棄的魚塘區域。因此委托貴陽建筑勘察設計有限公司對19—25棟樓區域進行詳細勘察。場地北側29棟-38棟所處位置的小山頭需要平山爆破，巖層質地較好是中風化硬質砂巖，平山爆破后石料正好可以用作填料，因地制宜就地取材。

5 場地巖土構成

場地內地層結構，主要雜填土、耕植土、淤泥質土、紅粘土及下伏基巖組成，上覆雜填土時間約為24個月，鉆探揭露地層特征自上而下依次敘述如下：

1、雜填土：主要成份為紅粘土夾少量白云巖塊，紅粘土成分85%以上，碎塊石塊徑1～5cm,堆填時間約24個月，結構松散，厚度3～5m，平均厚度約4m左右。

2、耕土：灰黑色，灰黃色，結構松散，分布于區域場地周邊，厚度0.30～0.50 m。

3、淤泥質土：灰黑、灰褐等色，濕～飽和，軟～可塑。其形成原因為原魚塘底部淤泥，在平整場地過程中經填方埋于地下。含腐殖質較高。厚度1.1～2.3m分布不均。

4、紅粘土：褐黃色，殘坡積成因，分布于整個場地，呈似層狀分布，局部裂隙發育（3～5條/米），屬塊狀結構。紅粘土厚度6.30～15.20m，允許承載力205kpa是復合地基的樁端持力層。

5、基巖：為三疊系安順組地層，巖性為灰～灰白色中厚層狀細-中晶白云巖，節理裂隙發育，節理裂隙面多見方解石脈充填，鐵質浸染，膠結一般，巖體總體較破碎，鉆探控制深度范圍為強風化層。

6 水文地質條件

場地位于觀山水庫南側，距觀山水庫約500.00m，其水源主要來源于降雨形成的地表坡流。 場地內地下水主要為雜填土、耕植土中上層滯水和基巖裂隙水。水質對砼及砼中鋼筋無腐蝕性。

7 不良地質現象

本次勘察施工122個鉆孔中，在土層中未發現土洞及塌陷現象，場地中巖面呈波狀起伏。

8 施工前準備

1、結合地勘報告和設計圖確定地基處理的范圍，設計地基處理深度7米，確定每邊超出基礎外邊線距離4m；

2、對照設計圖和地勘報告，按照墩間距中心點間隔2.4m繪制方格網，編制表格，根據上覆土和淤泥土的厚度初步估算每根石墩所需用塊石料，試夯后作調整；

3、設置場地四周的排水溝，排水溝距處理范圍外2米的位置，由于場地是西北側高東側低，所以在東側設兩處排水坑，東側排水溝在強夯范圍外3米，寬度1米挖至淤泥層與排污坑相連接，溝內填充大粒徑塊石形成排水通道；

4、測量場地強夯前的原地形標高，確定現場點位的平面控制點和高程控制點；

5、確定施工順序：從場地中間向兩側進行，隔行跳打，夯點按正方形布置；

9 試夯

1、根據設計提供的參數進行試夯，確定施工工藝和檢驗方法：選擇場地具有代表性的19號樓區域600平方米場地作為試夯區進行現場試驗，19號樓區域從強夯面到紅粘土層的厚度4.5至7米均有；

2、選用40噸履帶式起重機，起重高度20米，柱錘直徑1米，錘重15噸。最大夯擊能3000kn.m,填料選用級配良好的硬質砂巖最大粒徑控制在40cm以內，30cm粒徑的顆粒含量控制在30%以內。礅間距為2.4米，夯點距離4.8米。

3、單點夯擊結束標準：結合地勘報告對應點位累計夯沉量7m至11m,夯擊擊數不小于8擊至14擊（8擊對應4.5米礅長、15擊對應7米礅長）且夯擊能在3000KN.m的前提下，最后兩擊的夯沉量小于50mm；第一遍點夯和第二遍點夯夯擊間隔時間7天，所有點夯完成后，整平場地；

3、滿鋪塊石墊層厚度500mm，塊石墊層最大粒徑控制在100mm以內，塊石墊層用直徑2.0m、錘重10噸的夯錘以1000kn.m的夯擊能滿夯兩遍每遍3-4擊、滿夯搭接35cm、整平。用25噸的振動壓壓路機碾壓；

4、鋪設300mm厚石渣乳墊層，壓路機碾壓密度；

5、試夯完成后對復合地基的地基承載力進行了檢測試驗，試驗結果復合地基允許承載力滿足設計要求。

10 施工工藝

1、按照設計要求的標高清理、整平場地至起夯面標高。基礎埋置深度負1.5米，整平場地標高負1米；

2、場地平整以后，從北側小山頭取級配塊石在場地上滿鋪1.5米厚整平，塊石的最大粒徑控制在400m以內，300mm以內的嚴格控制在30%以內。給每個塊石礅準備5至8 m3塊石料，同時確保大型機械在場地上順利行駛；

3、堆填塊石料平整后，用白灰在場地上標出第一遍塊石墩夯點位置，用水平儀測量每個夯點的標高并整理成表格作好記錄；

4、施工順序和打夯方式：由于本工程的基礎是獨立柱基，主軸線間距為7.2米，結合技術規程和試夯效果強夯布點按2.4米間距矩形布點，隔行跳打。從場地中間部位向兩側進行；

5、置換墩用40t夯機,夯錘15噸，夯機開至夯點位置，夯錘置于夯點位置；220型反鏟挖機，開至夯點一側位置，確保隨時補料；

6、測量夯錘高度，確保每一次夯錘提升高度20m，記錄每一擊后夯坑下沉深度。當夯坑深度基本同錘高時（或提錘有困難時）停時夯擊，挖機向坑內填料至平坑口然后斷續夯擊，結合地勘報告對應點位累計沉降量大于7-11m并且最后兩擊的夯沉量小于50mm,單墩夯擊結束；

7、第一遍點夯完成之后，隔7天進行每二遍點夯擊，仍然是隔行跳打從中間部位向兩側進行，直至所有的礅點夯擊完成；

8、對比每一個墩坑夯點附近夯前和夯后的標高對比，計算隆起高度，核算石礅夯擊完成后地面標高和平均標高的變化，確定平整后是否還需要補料；

9、推平場地，鋪設0.5米的級配塊石墊層，最大粒徑控制在100mm內以，50mm以上的顆粒含量不少于60%，粘粒含量不超過5%。夯錘直徑2米，錘重10噸，夯錘提升高度10米，滿夯兩片，每遍3-4擊、滿夯搭接35cm，第一遍和第二遍間隔7天，夯完后整平場地，25噸的振動壓路機分層碾壓密實。并測量夯后場地高程；

10、強夯工作完成后，在塊石墊層頂部再鋪設300mm厚的石渣乳墊層，碾壓機碾壓密實；

11、強夯過程中排出的水和部份淤泥，用專用車輛運輸至指定地點傾倒。

11 質量檢測和驗收

1、過程中的質量檢驗：（1）夯錘落距嚴格控制在正負300mm以內；（2）錘重偏差控制在正負100kg以內；（3）夯擊的遍數，嚴格按照試夯確定的參數執行，如發現與試夯偏差大，應暫停強夯匯同設計監理現場分析后再斷續進行；（4）夯點距離偏差控制在正負500mm以內；

2、復合地基的承載力檢驗：強夯完成28天后進行現場荷載試驗，現場1147根置換塊石墩，共抽取12個點位作荷載試驗，配置2.4米*2.4米大型鋼筋混凝土承載板，分10級加載，穩定標準0.1mm/h,累計沉量為15mm。結果復合地基承載力大于215kpa，滿足設計要求。

3、重型動力觸探：根據檢測單位進行的重型動力觸探檢測，置換墩著底情況良好，承載力與密度隨深度變化已滿足要求。

12 小結

1、由于本項目下層淤泥質土的厚度不是均勻的，因此每個石墩的置換填料的實際使用量和施工準備期的估算值存在差異，同時隨著夯擊數量的增多，下沉淤泥質土被擠密已對置換填料數量產生影響，因此在實際施工中每一個夯點一定要對查閱地勘報告，對照試夯確定的夯擊數、總夯沉量以及最后兩擊的下沉量三個條件共同分析；

2、原魚溏淤泥上層的覆土本身石粒含量較高，在置換夯擊過程中，水的排了比較明顯，同時由于在場地低側設置排水溝，淤泥層的自由水通過排水溝進入集水坑內的數量已較多，說明對下層軟弱淤泥層的擠密效果還是比較明顯；

3、通過整平后起夯面標高、鋪填塊石厚度、夯擊完成后標高計算出場地的平均夯沉量為2.2米，和通過土的壓實系數計算沉降量基本一致，說明加固效果較好；

4、場地周周300米范圍內無建筑和基礎設施，因些在實際施工是并未挖設抗震溝，但在施工過程中30米左右范圍的震感還是比較明顯；

5、原計劃置換填料的最大粒徑為800mm，但通地試夯發現小直徑的夯錘在大塊石上夯擊時能量損失較大，特別是第一擊，在后續的試夯點上最大料徑控制在400mm以內效果就好很多；

6、相比于樁基等處理方法造價低，施工簡單，操作方便，施工速度較快，特別是強夯置換墩由于有就地取材的優勢，減少平山爆破后石料的外運棄置，節約費用。

7、通過本工程施工后的效果分析，強夯置換技術處理淺層軟弱地基的效果較好，對下臥軟弱層的固結作用明顯，對上層土的動力密實效果已較好，地基承載力能滿足多層建筑物的地基承載力要求，通過后期的變形和沉降觀測分析，經過處理后的地基能達到要求。