強夯法在濕陷性黃土填埋場地基處理的應用

張建軍 劉 寧

（中國瑞林工程技術股份有限公司）

黃土是一種第四紀沉積物，主要分布于中緯度干旱、半干旱地區［1］。在我國北方地區分布了面大域廣的黃土，其中具有濕陷性的黃土面積約為45萬km2，占我國黃土總分布面積的60%以上，主要分布在甘肅、青海、陜西、寧夏、山西和河南等省、自治區［2］，濕陷性黃土厚度也從幾米到一百多米不等。

我國的濕陷性黃土大多呈黃色、褐黃色或灰黃色，成分以粉土顆粒（粒徑為0.005～0.05 mm）為主，約占60%；顆粒中含有較多的可溶性鹽類，且一般具有肉眼可見的大孔，所以黃土又俗稱大孔土。

1 濕陷性黃土的結構性質

柔性填埋場是填埋固體廢棄物的大型堆場，主要由地基層、防滲層、滲濾液收集層和填埋廢物組成（圖1）。填埋場內的固體廢棄物從初始堆存到封場，廢物堆高可從十幾米到上百米，因此柔性填埋場地基基層需要有較好的穩定性。

濕陷性黃土是一種特殊性質的土，其土質一般較均勻、孔隙發育、結構疏松。一般在未受水浸濕時，其強度高、壓縮性小，具有保持土的原始基本單元結構形式不被破壞的能力。但在被水浸濕后結構改變而產生顯著的附加下沉，對于建（構）筑在其上的工程具有特殊的危害作用。受水浸濕只是濕陷發生所必須的外部條件，而黃土的結構特性及物質成分是其產生濕陷性的內在原因。

地處干旱、半干旱區域的黃土，在季節性短期雨水過程中，將其松散干燥的顆粒黏聚起來，長時間的干旱使土中的水分不斷蒸發，少量的水分連同可溶鹽都積聚在粗粉粒的接觸點處，并逐漸濃縮沉淀成膠結物。這些因素增強了土粒之間的抗滑移能力，阻止土體的自重壓密，形成了以粗顆粒為主體骨架的多孔隙結構。

黃土在受水浸濕以后，可溶鹽溶于水，土體骨架強度降低，土體在自重應力或附加應力與自重應力綜合作用下，自身結構遭到破壞，土粒之間的孔隙減少，黃土出現濕陷現象。

黃土的濕陷性和濕陷程度通過室內浸水壓縮試驗，由在一定壓力下測定的濕陷系數δs判定，判定標準見表1［3］。

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2 濕陷性黃土地基處理主要方法

濕陷性黃土地基處理的目的是為了改善黃土的性質和結構，減少黃土的滲水性和壓縮性，控制濕陷的發生，部分或全部消除它的濕陷性。濕陷性黃土地基處理方式有很多種，常用的處理方式有墊層法、強夯法、土狀擠密、預浸水法和樁基處理等。具體的處理方式選擇可根據地基濕陷的類型、等級以及結構物要求等條件選用。本項目將重點探討強夯法處理濕陷性黃土地基。

強夯法又名動力壓實法，是將8～40 t的重錘（最重可達200 t）起吊到10～20 m的高處（最大起吊高度可達40 m），而后自由下落，利用重錘的重力勢能產生的沖擊和振動能量，對土層進行反復的強力夯實，以提高地基承載力，降低土的壓縮性和消除其濕陷性，改善地基性能。強夯法處理地基是20世紀60年代末由法國梅那技術公司首創使用的，我國于1978年開始進行強夯法的試驗研究和工程實踐［4］。強夯法由于具有加固效果顯著、施工方便簡單、效率高、工期短和投資較低等優點，在全國各地得到了迅速推廣。強夯法根據國內使用記錄，在錘重力為100～200 kN、自由落下高度為10～20 m，錘擊遍數為2遍的情況下，基本可消除4～6 m范圍內土層的濕陷性。

3 強夯法主要技術參數和工藝流程

強夯法處理地基是利用夯錘自由下落后產生的沖擊波使下部一定深度范圍內地基得到有效密實，在夯錘整個自由下落的過程中，也是將重力勢能轉換成動能的過程。根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012）和《強夯地基處理技術規程》（CECS 279—2010），強夯法主要設計參數有夯擊能、夯擊次數、夯擊遍數、夯點布置和有效加固深度等。其中有效加固深度是反應強夯效果的重要參數，該參數受諸多因素影響，如錘重、落距、夯擊次數、錘底單位壓力、地基土性質、不同土層的埋深和地下水位等。強夯法創始人Menard提出以下公式粗估強夯的影響深度H：

式中，M為夯錘質量，t；h為落距，m。

鑒于強夯有效加固深度受諸多因素的影響，目前尚無成熟的設計計算方法，為確定達到預期的強夯處理效果，強夯設計的部分參數需根據現場試夯或實驗性的施工獲得，并最終確定適合現場土質條件的強夯設計參數。

強夯法的操作工藝流程見圖2。

4 工程實例

項目位于蘭州市紅古區郊區的黃土殘塬溝壑中，場地地形地貌屬黃土殘塬溝壑及黃土山坡臺地，該區域具有明顯的溫帶大陸季風氣候特征，降水偏少，日照充足，熱量比較豐富，蒸發量大，氣候干燥，晝夜溫差大。場地范圍內地層自上而下主要為素填土、馬蘭黃土、古土壤、離石黃土、強風化泥巖及中風化泥巖，并揭露場地黃土的埋深處于20～50 m。整個場地中馬蘭黃土層具有濕陷性，其下土層基本不具備濕陷性。場地地基土（粉土）的濕陷等級為自重濕陷性Ⅳ級（很嚴重），場地的濕陷量類型屬于自重濕陷性場地，濕陷性土層下限深度為11.0～53.0 m，濕陷性土層下限深度主要分布于30.5～45.5 m，自重濕陷量為417.0～4 164.6 mm，自重濕陷量主要分布于2 280.0～4 164.6 mm，總濕陷量為906.7～4 956.9 mm，總濕陷量主要分布于1 470.9～4 956.9 mm。

柔性填埋場屬于構筑物，消除地基部分濕陷量的最小處理厚度要求可參照配套建筑物的等級要求。根據《濕陷性黃土地區建筑標準》（GB 50025—2018）［5］中的要求，建筑物地基基底部分濕陷量的最小處理厚度不小于12 m。該項目地基處理面積大、工期短，且地處缺水區域。墊層法一般適用于消除基底下1～3 m濕陷量，處理深度較淺；強夯法根據根據強夯能級，在土層含水量處于13%～18%，最大處理深度一般能達到7.5～8.5 m；土狀擠密和樁基一般直接作用于建筑物基礎下部，地基處理成本高，不適合大面積范圍的柔性填埋場；預浸水法宜用于處理自重濕陷性黃土層厚度大于10 m，且自重濕陷量不小于500 mm的場地，但耗水量大，浸水時間長，不適合工期時間短、地處缺水區域的項目。為提高施工效率，節約施工成本，該柔性填埋場的地基處理方式擬采用強夯法。

為滿足規范要求的消除地基部分濕陷量的最小處理厚度要求，擬在該場地選擇臨近的2塊20 m×20 m區域進行強夯試驗。在強夯試驗前，鑒于現狀馬蘭黃土層天然含水率處于8.0%左右，低于該土層的最優含水率15.1%，試驗擬對原狀土和最優含水率2個工況下進行強夯試驗。在同等夯擊能、夯擊次數的條件下，對比分析兩者處理濕陷性黃土地基的效果，具體強夯參數見表2。

試驗區域選擇在馬蘭黃土層平均厚度在30 m深的場地上，試驗范圍均為20 m×20 m。夯擊點間距取決于基礎布置、加固土層厚度和土質條件等因素［5］，夯點梅花形布置，夯點中心距離為5 m。試驗采用單點強夯，夯坑內進行人工取樣，取樣深度為7 m，取樣結果見圖3。

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從圖1可以得出：①強夯法處理濕陷性黃土地基效果明顯，在地基處理的有效加固深度范圍內自重濕陷性系數δs＜0.015，黃土的濕陷性已消除；②在同等夯擊能和夯擊次數的情況下，地基的有效加固深度受土體的含水率影響很大。

為保證地基濕陷性處理厚度滿足規范要求，可采用加高夯擊能的方式對地基進行處理。但隨著夯擊能的提高，強夯設備性能要求更高，施工成本也將大大增加。在綜合考慮施工成本、工期和常用設備等因素，可對現狀地基面進行開挖一部分，通過對原狀土和回填土的2次強夯，實現規范要求的處理深度。該方式處理簡便、成本低，但考慮回填土的工后沉降，該方式也有一定的局限性。

考慮強夯的有效加固深度，在處理濕陷性黃土地基中，強夯法更多地應用在有效加固深度滿足規范要求處理厚度的工程。對于處理厚度要求更高的地基，則需選擇其它的處理方式。同時，針對濕陷性黃土，在地基得到有效處理后，仍需要做好地基的防水，才能保證上部建筑物的安全。

5 結 語

強夯法在處理濕陷性黃土地基中因處理效果明顯、施工方便、工期短和造價低等優勢在工程中廣泛應用。針對不同地域，濕陷性黃土的濕陷程度、濕陷性質、顆粒組成和土體含水率等因素的不同，對強夯設計中相關參數應根據現場試夯結果確定。本次采用的強夯設計和施工技術對濕陷性黃土地基處理，取得了理想的效果，也節省了成本和工期，對于類似工程有較好的參考意義。