管夯深層加固方法的軟基現場工藝試驗

唐建輝， 李 平， 王新浪， 金奕潼

(河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室； 土木與交通學院， 南京 210098)

強夯法是一種經濟有效的地基處理方法，是由Menard等[1]提出的，已在碎石土、砂土、濕陷性黃土、雜填土以及低飽和度黏土或粉土等地基的加固中得到了廣泛應用[2-5]，但仍存在局限性.具體表現在：一是對于軟土地基(特別是淤泥質土)的加固效果尚存在爭議，夯后超靜孔隙水壓力能否快速消散是決定強夯法加固成敗的關鍵因素[6-7]；二是強夯的有效加固深度一直是困擾軟土地基深層加固的主要問題[8-9].為此，工程技術人員將強夯法與其他地基加固技術聯合使用，例如降水聯合強夯法[10]、強夯置換法[11]、電滲強夯法[12]和砂井-強夯法[13]等.此外，也有學者利用高能級強夯置換法加固飽和軟土地基[14-15].雖然這些聯合處理方法取得了很大進展，但對于我國沿海工程建設中經常遇到的深層軟土，這些方法的處理效果欠佳，其主要原因是深層軟土的超靜孔隙水壓力消散慢、加固困難.因此，本文提出了一種管夯深層加固方法，將傳統強夯工藝中采用的由地基表層向下夯實改為由地基縱向深層夯起，通過由深到淺的逐層夯實達到了深層加固的效果.管夯深層加固方法不僅適用于滲透系數較高的土質(吹填砂和夾層粉砂等)，而且適用于滲透系數較低的軟土(淤泥質土和粉質黏土等).為了探究其在加固軟土過程中的最佳施工工藝、加固效果及影響因素等，本文在福建省某軟土地基處理項目中開展了現場工藝試驗，以期為管夯深層加固方法在大面積軟土地基加固處理中的應用提供參考.

1 管夯深層加固方法

1.1 管夯深層加固工藝設備及加固原理

管夯深層加固方法所用設備包括起重吊鉤、振動錘、脫鉤器、夯錘、真空吸水管和夯管等，如圖1所示.其結構工作原理：將夯管與振動錘相結合，在夯管兩側設置真空吸水管、上部設置進料口、內置管夯錘，利用脫鉤器的張開和閉合而使管夯錘起吊和脫落，以達到所需的夯擊能.在夯擊過程中，一邊夯擊一邊抽水，以使夯擊產生的超靜孔隙水壓力快速消散.對于不能夯擊的流塑狀淤泥或黏性土，則可通過灌入粗粒填料進行夯擊置換.

圖1 管夯工藝設備結構示意圖Fig.1 Structure of the platform equipment

管夯深層加固方法是建立在夯管振動、深層降水和強夯置換基礎上的，其加固原理概述如下：

(1) 振動擠密.將夯管在振動錘作用下打入土層深部，在擠密夯管周邊土體的同時，利用高頻振動來破壞軟土的原狀結構，使得軟土產生水平狀裂隙，從而打通或擴大地下水的滲透通道，增強其滲透性.

(2) 深層排水固結.利用真空吸水管降低夯管周邊地下水位，快速消散夯擊過程中土體產生的超靜孔隙水壓力，加速土體的固結.

(3) 強夯置換.在夯管內灌入質量較好的土料或砂石料，通過夯擊每層填料，以對軟土層進行強夯置換，并在夯管位置形成密實墩體，促使軟弱地基土壓實、固結.

圖2 管夯現場施工圖Fig.2 Site construction

1.2 施工工藝

圖2所示為管夯現場施工圖.管夯深層加固施工工藝及要點：

(1) 夯管入土.將夯管套入預埋的夯尖，夯錘吊在夯管底部距夯尖靴約20 cm的位置.開啟振動錘，將夯管打入所設計的夯管入土深度.

(2) 深層降水.連接夯管兩側的真空吸水管，開啟真空泵，對夯管周邊進行深層降水.

(3) 提升夯錘灌料.將夯錘提升至進料口以上，從進料口灌入粗粒填料，隨后，放下夯錘并將其頂在砂石料上；提升夯管2～3 m，隨著夯管上提，夯尖打開，夯管內砂石料下落.

(4) 第1級夯擊.提升夯錘2～3 m，將灌入的填料與涌入的泥土進行擊密夯實，在滿足夯沉量的條件下，再次提升夯管2～3 m，進行下一級填料夯擊.

(5) 最后一級夯擊.提升夯管至地表面，停止振動，然后，提升夯錘2～3 m并夯實，單根填料管夯擊完成.

將管夯深層加固工藝用于大面積施工時，如果在外圍設置密封墻、內層布置井點降水或管井降水網格并輔以淺層動力固結方法，則能夠滿足不同層厚、深度和地質條件的復雜軟土地基加固處理條件.

2 現場工藝試驗

2.1 工程概況

試驗場地位于福建省沿海區域，場地原為濱海灘涂地，經過長期吹填及人工回填平整，場地地形相對平坦，場區地下水位離地表 0.6 m.根據地質勘查資料，場地地層自上而下可分為：① 素填土；② 淤泥質土；③ 粉質黏土；④ 殘積黏性土；⑤ 全風化花崗巖，其主要的力學性能參數見表1.

表1 各土層的力學性能參數Tab.1 Physical and mechanical indexes of soil strata

2.2 試驗分區與儀器布置

現場試驗分為A、B區域，共計200 m2.試驗區平面圖見圖3.A區為填料管夯區，B區為無填料管夯區，面積均為100 m2.根據填料用量及降水條件將A區分為區域A1、A2、A3、A4，其中區域A1、A2、A3的填料用量分別為 3.5、5.0、6.0 m3，且均為無降水區，區域A4的填料用量為 5.0 m3，為降水區.根據降水條件將B區分為區域B1(無填料、無降水區)和區域B2(無填料、降水區).

圖3 試驗分區(m)Fig.3 View of test area (m)

試驗所用填料為現場廢棄、含泥量(質量分數計)為30%～50%的中粗砂，試驗區管夯點布置形式均為 2.0 m×2.0 m的梅花型.試驗中，為便于機械作業及增強降水效果，在管夯點周邊布置了輔助井點降水點，如圖4所示.現場試驗包括填料區夯點周邊土體豎向位移、孔隙水壓力的測試.試驗中，在區域A4(距離夯點中心 1.0 m)埋設了一組孔隙水壓力計，埋設深度分別為4、7、10、13、16、19 m；在試驗A區的4個區域設置了夯點周邊土體的豎向位移的測量標點，其中測量標點1號和4號距離夯點中心 0.5 m，2號和5號距離夯點中心 1.0 m，3號和6號距離夯點中心 1.5 m.試驗中，孔隙水壓力、豎向位移監測點的具體位置見圖5(夯點周邊土體豎向位移的正值代表土體隆起，其負值代表土體沉降).

圖4 管夯點及輔助井點降水點的布置Fig.4 Layout of tamping point and auxiliary well point

圖5 測試儀器布置(m)Fig.5 Layout of testing equipment (m)

3 結果與分析

根據試驗場地的地質資料，本文試驗設計的地基處理深度為 10 m，并根據不同的填料用量確定不同的夯擊級數，其中區域A1共進行3級夯實，區域A2、A3、A4共進行4級夯實.

3.1 夯點周邊土體的沉降量

通過監測不同填料用量下管夯點周邊土體豎向位移的變化情況，并結合降水與不降水工藝進行對比分析，從而得到管夯施工的最佳填料用量.在區域A3的管夯試驗過程中發現，當填料用量 6.0 m3時管夯點周邊土體豎向位移超過10 cm，考慮到工程造價及后期的表層壓實，不宜采用這種工況，故圖6示出了區域A1、A2和A4夯點周邊土體的豎向位移(d)變化情況.由圖6可以看出，當夯管入土深度(H)為 10 m以下時，由于夯管對土體的側向擠壓作用而使周邊土體隆起、豎向位移增大，而且位移變化量沿夯點中心向外逐漸減小，對周邊土體的水平影響范圍為 1.5～2.0 m.

圖6 管夯各級填料施工階段夯點周邊土體豎向位移的變化情況Fig.6 Vertical displacement around tamping points

由圖6(a)和(b)可見：在夯管入土深度為 10～5 m 時，向夯管內共投料 3.0 m3，在區域A1和區域A2，夯點周邊土體的豎向位移變化不大，說明此時的投入填料量與土層置換量基本平衡；在夯管入土 5 m至地表層段，土質大多為素填土，在管夯填料過程中極易產生土體擠壓的豎向位移，且在填料用量達到 5.0 m3時的豎向位移較大，最大豎向位移為 6.3 cm；第1級夯擊時的周邊土體豎向位移比夯管入土和第2級夯擊時的豎向位移小，表明此時的周邊土體有所沉降，這是由于夯管的真空吸水管及夯點附近的井點在管夯作業過程中不斷抽取地下水的緣故.

另外，在灌入相同填料量(5.0 m3)條件下，無降水區填料夯點周邊土體出現了隆起(見圖6(b))，而降水區填料夯點周邊土體產生了沉降(見圖6(c))，表明填料管夯并結合降水的施工工藝對深層軟土起到了較好置換效果.

現場試驗還發現，采用夯管直徑600 mm，夯管入土深度 10 m，其成孔后的豎向增強體直徑可以達到800 mm.在這種最佳工藝條件下，以成樁半徑為計算條件，采用等價體積指標確定最佳的填料置換量，記單根樁的填料用量為V，成樁半徑為R，則V=πR2H，計算可得V= 5.0 m3，可見，與實際情況相吻合.

3.2 孔隙水壓力

對填料降水區域A4進行為期24 h的孔隙水壓力監測.在逐級填料夯擊后，對不同土體深度處孔隙水壓力的變化情況進行分析.完成監測點管夯作業后，停止施工，間隔1～2 h測試1次孔隙水壓力的變化情況，所得不同土體深度下區域A4的孔隙水壓力(p)隨填料夯擊級數和時間的變化情況如圖7所示.

由圖7可見：在夯管入土并進行第1級夯擊后，當土體深度大于等于13 m時，孔隙水壓力均出現了明顯增加，說明夯管入土時產生的振動及夯擊對土體產生的擠壓作用明顯；管夯深層加固方法的超靜孔隙水壓力隨著夯擊級數的增加而減小，這與傳統強夯法施工中超靜孔隙水壓力隨夯擊級數增加而增加的結果[6]相反.這是因為在逐級填料夯擊的過程中，夯管兩側的真空吸水管不斷抽水而降低了水位，使夯擊產生的超靜孔隙水壓力得以快速消散.另外，在管夯作業完成后，超靜孔隙水壓力經過1 d左右即消散，這是由于降水的作用以及填料管夯形成的砂樁對軟土滲透性的改善作用的緣故.

圖7 管夯作用下區域A4的孔隙水壓力變化情況Fig.7 Variation of pore water pressures under tamping point A4

3.3 靜力觸探測試結果分析

在管夯施工前后分別對填料試驗區進行了靜力觸探試驗，測點均選自管間土中，針對②層淤泥質土的試驗結果見表2.可以看出：加固前，主要的測試土層為淤泥；加固后，淤泥中含中粗砂，由于管內夯擊作用而使得填料向周圍擠壓，對管間土起到了一定的置換作用；加固后，土體的錐尖阻力和錐側阻力均成倍增長.隨著填料用量增加，錐尖阻力和錐側阻力逐漸增大，表明由填料管夯對管間土的“側向擠密”、“顆粒填充”和“置換”等聯合作用而產生了顯著的加固效果；對比區域A2與區域A4，在相同的填料用量情況下，降水區土體的錐尖阻力和錐側阻力的增幅大于無降水區，即降水施工加固的優勢較為明顯.

表2 管夯加固前后的靜力觸探試驗結果對比Tab.2 Results of static cone penetration test before and after ground treatment

3.4 靜荷載試驗結果分析

對于填料管夯區而言，管夯后形成的豎向增強體與管間土相結合而組成類似于散料樁復合地基.因此，本文在填料管夯區A進行復合地基增強體單樁的靜載荷測試試驗，在無填料降水區B2進行淺層平板載荷測試試驗.試驗壓板面積為1 m×1 m，檢測結果見表3.由表3可知：填料管夯區地基土的承載力特征值明顯大于無填料區；對比填料管夯無降水區A1～A3的測試結果，其地基土承載力特征值并非一直隨著填料用量的增加而增加，而在 6.0 m3的填料區A3的承載力特征值比 5.0 m3的填料區A2的小，其原因在于所形成的豎向增強體的承載能力主要取決于填料的性質和夯擊能的大小.在本文的試驗中，每次填料后進行管內強夯的夯擊能和夯擊級數相同，所以填料用量過大時的夯擊效果減弱，但增加填料用量可使樁頂沉降變形減小，對控制后期沉降有利.在填料用量均為 5.0 m3的情況下，填料降水區域A4的承載力比填料無降水區域A2的承載力有所提高，其地基土承載力可達120 kPa.可見，降水對承載力的提高具有較強輔助作用.

表3 靜荷載試驗結果Tab.3 Results of static loading test

4 結論

(1) 在本文的試驗條件下，采用管夯深層加固方法加固軟土的最佳施工工藝參數為夯管直徑600 mm，夯管入土深度 10 m，其成孔后的豎向增強體直徑可達800 mm.在這種工藝條件下，以成樁半徑為計算條件，采用等價體積指標確定最佳的填料置換量，可以達到最佳處理效果.

(2) 與傳統強夯法相反，采用管夯加固方法夯擊產生的超靜孔隙水壓力隨著填料夯擊級數的增加而減小，單點管夯施工累計形成的孔隙水壓力在約1 d即可消散.

(3) 在淤泥質土中填入粗粒填料加固后，地基土體的錐尖阻力和錐側阻力均成倍增長，且其在降水區的增幅大于無降水區.

(4) 填料管夯區的地基土承載力特征值明顯大于無填料區，且降水對承載力的提高具有較強的輔助作用.采用管夯深層加固方法進行大面積施工時，如果輔以淺層動力固結，則可達到更好的加固效果.