沖擊壓實法在典型軟土地區中的應用

黃偉明，孫 興

（溫州設計集團有限公司，浙江 溫州 325000）

0 引 言

沖擊壓實工藝自上世紀90年代傳入我國后，現已被廣泛應用于建筑、交通、水利、機場等各類工程中的土基處理及填土壓實，具有效率高、綜合成本低等優點。

采用沖壓法進行動力固結具有獨特的優勢。首先，沖壓施工相當于一種連續的夯拍過程，具有波浪起伏及周期間歇等特點，這種間歇周期可以通過合理劃分作業面積等手段很容易與土基的孔壓消散周期相協調,使孔壓消散持續地發生在最有效的消散階段，保證動力固結過程持續高效進行。相比于傳統強夯法,沖壓法可更有效地利用沖擊能，并大大縮短固結周期。其次，沖壓的應力作用方式兼具揉、擠、沖擊等多種作用，在這種作用下很容易使土體中產生大量的微裂隙，而這些裂隙的存在可大大加速地基土中孔隙水的排出以加速土體固結。沖壓相當于小能量的強夯，而在動力固結理論中，固結過程應該是由表層至深層逐漸發生的，這種低能量的強夯對淺層固結，即處理硬殼層是十分有效的。溫州市地質表層就屬于這種情況，本文以溫州市濱海大道工程作為實例，分析沖擊壓實工藝在典型軟土地區的應用前景。

1 概 述

1.1 工程概況

溫州市濱海大道工程用地基本為農田，其地質屬濱海淤積平原，地形平坦。根據地質勘察報告，擬建場地地基土可劃分為6個工程地質層：表部為人工填土及“地表硬殼層”粘土，其下依次為含砂淤泥、淤泥、淤泥質粘土和角礫；場地除巨厚的軟土外,未見其他不良地質現象，場地總體穩定性較好。

溫州市濱海大道工程填方路基頂面一般高于原地面0.5～3.0 m，考慮動荷載以及地下水位變化等因素,采用分層總和法計算最不利情況下地基總沉降量為37.5～44.4 cm；施工期按3個月考慮，工后沉降量達33～40 cm，不能滿足規范[1]最小30 cm的要求，需進行地基處理。

1.2 地基處理方法

針對本工程地形、地質條件和工期要求，擬采用淺層動力固結聯合堆載預壓方法。

淺層動力固結主要采用三邊型沖壓機對原土基進行沖擊壓實，達到加厚硬殼層、提高土基強度、減少工后沉降的目的。硬殼層加厚后可以大大減少因土基受荷時的側向變形而引起的瞬時沉降。同時土基沉降主要發生在淺層，在沖擊壓實的作用下，一定深度范圍內地基土將在動力條件下固結，達到一定程度的超固結狀態，即相當于對后期的固結沉降進行了預處理，從而達到減少工后沉降的目的。另外，淺層動力固結可使一定深度范圍內的土基密度增加，強度提高，這對調整地基的均勻性，減少不均勻沉降也是十分有效的。在淺層動力固結后，結合處理情況進行堆載預壓，可進一步減少土基沉降至滿足最終沉降要求，確保工程質量。

2 沖壓施工

2.1 沖壓參數

為達到質量好、工期快、投資少的目的，沖壓施工采用32 kJ三邊形沖壓機，沖壓8、12、16、20、24、28、32遍。

2.2 施工程序

場地清理→測量場地標高→采用小于30 cm粒徑的宕渣填筑至設計標高（厚度約1.20 m)→沖壓→沖壓合理間歇后再沖壓→測量沖壓后標高→地基檢測→施工質量驗收→進入下一道施工工序。

沖壓施工采用輪跡交錯法進行，即行進中輪隙交錯推進，直至覆蓋完整處理區域為一遍，依次完成設計遍數。

2.3 施工監測[2]

在沖壓施工的整個過程中，進行了孔壓監測，在沖壓至第8遍后每隔4遍進行沉降觀測以及干密度檢測，以期通過沖壓過程中的檢測、監測來了解動力固結的發展變化規律以及有效處理深度等相關數據，以便選擇合理的施工及控制參數。

2.3.1 孔壓監測

孔壓監測自開始沖壓施工開始，分別讀取施工過程中的瞬間消散量、孔壓峰值及沖壓12、16、20、24、28遍時的消散周期。

在沖擊壓實施工過程中，分別讀取各遍施工中各點傳感器的瞬間消散量，將各組傳感器的瞬間消散量匯總后，繪制間隔4遍沖壓的瞬間消散量曲線，如圖1所示。

圖1 沖壓的瞬間消散量曲線

由圖1可知，隨沖壓遍數增加，瞬間消散量整體呈下降趨勢，2 m埋深傳感器讀數的最大消散量為15 kPa，最小消散量為5 kPa；埋深為2 m傳感器的瞬間消散量明顯大于埋深4 m傳感器的瞬間消散量，說明隨深度增加,動力固結效果減弱，在4 m處其動力固結效果已不十分明顯。

孔壓峰值讀數為沖壓各遍施工過程中的孔壓相對穩定值，即不包含瞬間消散的孔壓值。將各組傳感器的孔壓峰值匯總后繪制間隔4遍沖壓的孔壓峰值曲線，如圖2所示。

圖2 沖壓過程中孔壓峰值曲線

由圖2可知，各埋深孔壓變化規律一致，整體呈上升趨勢，2 m處孔壓明顯高于4 m處孔壓。另外，在第28遍施工吋埋深2 m傳感器的孔壓峰值已達25 kPa，為上覆土自重的62.5%。

在沖壓施工中,根據孔壓消散、天氣狀況及作業安排等因素，共經歷了3個間歇期及第28遍施工結束后觀測期。其中第12遍沖壓結束后間歇時間為32 h，16遍沖壓結束后間歇期為6 d，第24遍沖壓結束后間歇4 d，第28遍沖壓結束后經歷了6 d觀測期。將第16、24、28遍沖壓結束后間歇期的各次孔壓讀數匯總后繪制間歇期孔壓記錄曲線，如圖3所示。

圖3 各間歇期孔壓記錄曲線

由圖3可知，各間歇期孔壓變化趨勢一致,在間歇初期孔壓均有小量反彈，即孔壓不降反升，第16遍間歇期孔壓消散相對較大，隨遍數增加孔壓消散趨于困難。28遍后的觀測期孔壓幾乎不發生消散。

在間歇初期孔壓的上升可以理解為：在沖壓過程中產生的部分裂隙是逐漸閉合的，隨著裂隙的逐漸閉合土體排水通道關閉，導致此階段孔壓上升。

2.3.2 沉降觀測

在沖壓過程中，每隔4遍平整場地并進行標高測量，將觀測資料整理列于表1。

表1 沉降觀測結果

由表1可以看出：總的趨勢是，隨沖壓遍數的增加，沉降量逐漸減少；累計沖壓沉降量趨于穩定，沖壓20遍后表面累計沉降37.9 cm,28遍后表面累計沉降27.4 cm。

2.3.3 沖壓遍數與壓實度檢測

沖壓過程中每間隔4遍沖壓進行墊層干密度和壓實度檢測，沖壓遍數與墊層干密度及壓實度關系見表2。

表2 沖壓遍數與墊層干密度及壓實度關系

由表2可以看出，墊層干密度隨沖壓遍數增加整體呈上升趨勢，在第20、28遍時壓實度大于93%。

另外，墊層干密度在20遍時最大，24遍時反而降低。其原因是，前20遍沖壓效果較好,但由于連續沖擊，強度過大，排水通道被破壞，使土基孔壓普遍升高，即大面積出現“彈簧土”，造成沖擊20遍后的間歇期中，土基在超孔隙水壓力下反彈隆起，表現為表面沉降量為負，墊層干密度降低。28遍施工結束后的孔壓消散也表現為消散異常困難，長時間維系較高孔壓水平。

由此可見，在一定程度上，施工工藝是動力固結處理地基成敗的關鍵，不合理的施工不僅達不到處理目的，反而適得其反，造成土基破壞，費時費力，嚴重影響工程質量，甚至必須采用大面積換填，造成巨大浪費。

3 沖壓結束后檢測

3.1 物理力學指標試驗

在沖擊壓實處理完成后，間歇5 d后通過鉆機取樣，進行了室內物理力學試驗，試驗結果見表3。

對照地勘場地土室內試驗數據可以看出：地基土在經過沖擊壓實動力固結處理后，干密度增加，孔隙比降低，壓縮模量提高，各項指標均有所提高。第一層土效果最為明顯，干密度由1.51 g/cm3提高至1.57 g/cm3,壓實度達99%，壓縮模量由5.83 MPa提高為7.30 MPa,但處理效果隨深度增加而逐漸減弱。

表3 場地各土層的主要物理力學性質指標

3.2 墊層顆粒分析試驗

根據相關資料，沖壓機具有較大的沖擊能，其作用于粗顆粒填料時，在一定程度上可使填料顆粒破碎，級配改良。

在沖壓施工結束后取場地墊層填料進行了沖壓后顆粒分析試驗，將試驗結果繪制成沖壓后墊層填料顆粒級配曲線，如圖4所示。

圖4 沖壓后墊層填料顆粒分析曲線

由級配曲線計算得：墊層填料在沖壓處理后，不均勻系數Cu=25.5,曲率系數o=3.16；對比沖壓前顆分數據，處理后填料不均勻系數明顯增大，級配改良。

3.3 面層回彈模量

計算所得各區未經原點修正的回彈模量值見表4。

表4 承載板法回彈模量統計表

由承載板法回彈模量結果可以看出，處理后土基面層回彈模量最小值為66.78 MPa,滿足設計要求。

4 沉降分析

經淺層動力固結處理后,一定深度內土層固結程度增加，可壓縮性降低，局部土層處于超固結狀態。其固結壓力若與上部附加荷載相近或更大的話，則附加荷載施加過程主要是處理回彈再壓縮變形,該過程可在較短時間內完成。而工后沉降主要發生于固結程度較低的土層在工后仍在進行的固結過程之中。

4.1 處理后的沉降量

通過沖擊壓實試驗的表面沉降觀測可知，在沖壓面層處理后總共沉降了27.4 cm，其中墊層的壓密沉降量通過其密度變化換算成體積壓縮,得出墊層壓密沉降量約為18.0 cm,則下伏土體經沖擊壓實的淺層動力固結作用發生沉降9.4 cm，在沖壓第20遍后，計算原地面處理沉降近20 cm。說明淺層動力固結起到了一定作用。

4.2 工后沉降計算

經過沖壓處理后,場地原土基在一定深度范圍內的土體密度增加，孔隙比減小，壓縮模量增加，可壓縮性降低，按分層總和法計算的總沉降量為28.3～39.7 cm.根據單面排水固結理論計算其工后沉降為22.64～27.79 cm,滿足設計要求。經過處理，硬殼層厚度增加，土體由側向變形引起的瞬時沉降大為減小，這對于減小工后沉降十分有利。

由于動力固結只作用于原土基淺層，而本場地存在著巨厚的軟土層，根據應力計算其壓縮層厚度大于30 m,動力固結是無法達到該深度的，因此應結合堆載預壓方法，對于較深的下伏土層進一步處理沉降，并在沉降速率滿足設計要求后進行下步施工，以確保工程質量。

5 結論與建議

（1）地基土在經過沖擊壓實動力固結處理后，干密度增加，孔隙比降低，壓縮模量提高，各項指標均有所提高。處理效果隨深度增加而逐漸減弱。

（2）經沖壓處理后填料不均勻系數明顯增大，級配改良。

（3）經沖壓處理后土基強度提高，均勻性增加，可滿足設計要求。

（4）沖擊壓實的淺層動力固結作用是有效的。

（5）為保證工程質量，應嚴格進行沖壓施工控制，必要時在全場區布置孔壓監測點。

（6）在沖壓施工過程中應加強現場監控，在觀察到地面出現“彈簧”、“翻漿”等現象后立即停止沖壓，在合理間歇后再進行沖壓施工。

（7）在沖壓過程中，應盡量避兔對掉頭轉角等位置的連續沖壓次數,可通過交錯施工，調整作業順序的方法解決；在場地由于沖擊遍數增加而不平整時，應進行推平后再繼續沖壓施工。

（8）動力固結只作用于土基淺層，當場地存在著巨厚的軟土層時應結合堆載預壓的處理方法，對于較深的下伏土層進一步處理沉降，直至工后沉降滿足設計要求。