強夯置換技術的設計及應用

張 建 民

(賽鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

強夯置換技術是指利用強夯的沖擊力強行將碎石和建筑垃圾、礦渣等粗顆粒硬質骨料擠入軟土層中，從而使地基土的強度提高，壓縮性降低，改善地基土受力性能的地基處理辦法。根據加固機理和適用條件的不同，可分為動力固結法和動力置換法。

1 強夯置換的加固機理及適用條件

1.1 加固機理

1.1.1動力固結法

動力固結法也稱強夯半置換法，是指通過采用向夯坑內回填透水性好的粗顆粒硬質骨料，改善粘性土的透水條件，縮短孔隙水消散路徑，加快粘性土地基的固結。

其原理為：土中存在的微小氣泡使其具有壓縮性。在外部沖擊力的反復作用下，孔隙水壓力上升，當孔隙水壓力等于土的總應力時，土的抗剪強度喪失，地基發生液化，土的透水性增大。通過采用強夯置換建立排水通道，孔隙水就會快速消散，土層就會加快固結。

1.1.2動力置換法

動力置換分為整體置換和墩式置換。整體置換是采用強夯將碎石等擠入軟土中，使地基表面形成一層硬土層,作用類似于換填墊層；墩式置換是通過強夯將碎石等擠入軟土中，形成碎石墩。其作用機理類似于振沖碎石樁。墩體與樁間土共同作用，形成復合地基。

1.2 適用條件

1.2.1動力固結法

一般適用于飽和度較高的濕陷性黃土和一般粘性土地基。

1.2.2動力置換法

一般適用于對變形控制要求不嚴的高飽和度的粉土、軟塑～流塑的淤泥、淤泥質土、粘性土等。

2 強夯置換的設計

2.1 動力固結法

1)置換墩體深度應達到飽和土層處理深度的1/2～2/3。

2)單擊的夯擊能應通過現場試驗確定。

3)置換墩體材料可采用天然級配的碎石和建筑垃圾、礦渣等堅硬粗顆粒材料，填料中粒徑大于300 mm的顆粒含量不宜超過總重的30%。

4)夯點的夯擊次數應通過現場試夯確定。同時并應滿足下列條件：a.累計夯沉量為設計墩長的1.5倍～2.0倍；b.最后兩擊的平均夯沉量不應大于規范限值。

5)夯點間距和布點形式可按一般強夯設計。

6)墩頂應鋪設一層厚度不小于500 mm的墊層。墊層材料可與墩體材料相同，粒徑不大于100 mm。

2.2 動力置換法

1)強夯置換的墩體深度應根據土質條件確定，并應穿透軟土層，到達較硬土層上。當深度超過7 m時，應有充分的現場試夯經驗。為提高置換效果，應控制夯坑的深度。在高能級強夯置換中，夯坑深度一般不小于2 m，并最終以拔錘困難為準。若吸錘嚴重且夯坑深度達不到2 m時，應適當填料，待解決吸錘問題后再夯，以確保夯坑深度。

2)單擊夯擊能應通過現場試驗確定。在前期階段可按圖1進行預估。圖1為能級與置換深度統計圖。較適宜的夯擊能E=940(H1-2.1),夯擊能最低值Ew=940(H1-3.3)。H1即置換深度。從圖1中可看出在同一夯擊能作用下，三根斜線所對應的置換深度H1并不相同，這一差異與錘底靜壓力的大小、施工工藝等有關。置換深度較深時，宜選取靜壓力較大的錘型，并采用合理的施工順序、布點形式，嚴格控制填料質量、夯坑深度及累計夯沉量。

3)墩體材料可采用天然級配的碎石和建筑垃圾、礦渣等堅硬粗顆粒材料，且填料中粒徑大于300 mm的顆粒含量不宜超過全重的30%。因置換墩在形成過程中填料滲入土中與墩間土混合，使墩間土成為一種混合土，含水量與密實度都得到一定程度的改善，與墩體形成復合地基。填料在土體的混合中起到重要作用,因此填料粒徑應嚴格控制。

4)夯點的夯擊次數應通過現場試夯確定。并同時應滿足下列條件：a.墩底穿透軟弱土層，并達到設計墩長；b.累計的夯沉量應為設計墩長的1.5倍～2.0倍；c.最后兩擊的平均夯沉量不應大于規范限值。

5)布點形式應根據基礎型式采用等邊三角形、等腰三角形或正方形等布置。置換墩間距應根據上部荷載和原土的承載力選定。當采用滿堂布置時，夯點間距可取夯錘直徑的2.5倍～3.5倍；對獨基或條基，可取夯錘直徑的1.5倍～2.5倍。滿夯應采用低夯擊能進行夯擊，錘印搭接1/3。

6)墩頂應鋪一層材料與墩體材料相同的壓實墊層，厚度不小于500 mm ，粒徑不大于100 mm。當表層土質松軟、強夯能擊較大時，施工前場地表層應鋪填1.0 m～2.0 m厚壓實墊層，材料同墩體。以避免場地隆起過大使夯坑較深、拔錘困難，施工機械難以移動等。

7)確定軟粘性土中地基承載力特征值時，可只考慮墩體而不考慮墩間土，承載力特征值應通過現場單墩載荷試驗確定；確定飽和粉土地基承載力特征值時可按復合地基考慮，其承載力可通過現場單墩復合地基載荷試驗確定。

3 強夯置換技術的應用

3.1 工程概況及場地地質條件

工程項目為沿海地區港口儲罐區工程，占地面積約6萬m2，對處理后地基承載力特征值的要求是不小于180 kPa。

場地為填海造地，地質情況較為復雜。

在鉆孔深度范圍內揭露的土層依次如下：

①素填土：干燥，松散～中密。主要由中風～微風化石英巖碎石組成，碎石呈棱角形，一般粒徑18 mm～80 mm，含量在40%～80%，分布不均，其余為角礫和粉土。結構松散，新近回填形成，分布范圍6.0 m～3.4 m。

②素填土：以軟塑～可塑狀粉質粘土、板巖風化物為主，含石英巖、板巖碎石、角礫，含量最高可達50%以上。標貫擊數為3擊/30 cm～13擊/30 cm。

③沖填土：主要以角礫、礫砂為主，局部混有粉細砂和粉質粘土，分布無規律。砂土多為稍密～中密狀態，粉質粘土多為軟塑狀態。分布范圍3.4 m～-11 m。標貫擊數為4擊/30 cm～14擊/30 cm。

④碎石：飽和，中密～密實。主要以石英碎卵石為主，碎石一般粒徑25 mm～60 mm，碎石含量50%～70%，分布不均，混礫砂與可塑～硬塑粉質粘土充填，多為半膠結狀態。分布標高范圍-8.8 mm～-13.4 m。

⑤強風化板巖：褐黃色，碎塊、片狀，易碎，層理清晰。

從以上描述可以看出，加固土層主要為素填碎石土、素填粉質粘土和沖填土。地質特點：軟土層較厚，最大厚度11 m,平均厚度9 m左右。含水量大，部分地段處于飽和狀態，含水層埋深淺，平均為地面下0.8 m～1.2 m。

3.2 地基處理要求

1)加固后的地基承載力特征值不小于180 kPa；

2)加固后的地基回彈模量不小于60 MPa；

3)使用期內最終沉降量不大于30 cm。

3.3 強夯試驗

經分析決定采用主夯6 000 kN·m能級強夯置換處理方案。主夯錘重300 kN，落距20 m，3 m×3 m正三角形布點。滿夯為1 500 kN·m，夯印彼此搭接1/3d。主夯控制要求為δ≤100 mm。鋪填1.5 m厚碎石，單點擊數以現場觀測為準。試夯區面積800 m2。

試夯效果較好。夯擊點數在15擊～45擊之間，填料次數在3次～7次之間，填料量也差別較大，場地隆起值在20 cm～100 cm之間。試夯選取用夯錘直徑1.2 m，錘重30 t。

施工過程中監測和施工后檢測表明：夯擊后超孔隙水壓力明顯增加，隨時間逐步消散。強夯有效影響深度約為9 m。夯擊后10 d孔隙水壓力消散量達90%以上。夯點處動探和夯間處動探、標貫檢驗結果表明土層強度有較大提高。試驗結果表明夯點及夯間地基承載力均大于180 kPa。回彈模量均大于60 MPa。

3.4 強夯施工

本工程強夯置換處理面積6萬m2。施工工藝及參數在試驗的基礎上調整如表1所示。

表1 6 000 kN·m強夯置換施工工藝及參數

3.4.1加固效果檢驗

夯點處動探檢驗見表2。

表2 碎石土以下各土層動探檢驗一覽表

6.0 m以上素填碎石土層強度較高，平均擊數18擊/10 cm。通過以上各夯點處動探檢驗統計結果，深度8 m內土質強度提高較大。夯間處動探、標貫檢驗見表3。

通過以上夯間土檢驗結果，深度8 m內夯間土各土層土質強度有所提高。

3.4.2地基靜載荷試驗

試驗結果表明各夯夯點和夯間地基承載力均大于180 kPa，滿足設計要求。

3.4.3地表沉降

經測量，由于受施工填料的影響，施工前、后標高變化不大。

3.5 結論

綜合上述各項指標，采用強夯置換加固地基后，結果達到了

設計要求。

表3 夯間土各土層動探、標貫檢驗一覽表

4 結語

強夯置換技術在實際工程中的應用擴展了強夯技術的使用范圍。尤其是在高飽和度粉土和淤泥質土等軟土地基地區增加了一種可行的造價相對經濟的地基處理措施。若建構筑物對變形控制較嚴時，還可采用強夯置換與CFG樁或鋼筋混凝土灌注樁相接合的地基處理方案等。