排水板強夯置換復合工藝處理軟基試驗研究

吳其泰

(福建巖土工程勘察研究院有限公司上海福巖工程勘察分公司，上海 201103)

0 引言

軟土地基因其承載力低、孔隙比大、含水量高、抗剪強度低、滲透性小、易壓縮變形等特點，在附加使用荷載作用下易產生較大沉降變形，同時因其排水固結時間長，無法在較短時間內完成排水固結而使建設工程產生較大工后沉降[1]。因此，軟土必須進行加固處理，提升地基承載力并改善土體的物理力學性質參數以控制工后沉降變形，方可作為建筑物地基安全使用前提。

根據軟土地基特點，在采用強夯等動力作用加固時，由于作用時間短、滲透性差，土體內的水無法快速排出而形成超孔隙水壓力且難以快速消散，因而土體抗剪強度大大降低，在此情況下連續夯擊加固，則軟土必然形成“橡皮土”[2]。因此，在軟土土體內進行強夯加固時，可設置排水通道以在連續夯擊加固過程中能快速消散超孔隙水壓力[3]，加快軟土地基固結，保證軟土地基處理后的承載力和變形控制在要求范圍。

針對單純強夯法加固軟土地基存在的不足和問題[4]，一種軟基處理的綜合方法被提出，即排水板工藝和強夯置換工藝綜合運用的軟土地基處理復合工藝，并成功應用于湖州某物流園場區軟基處理項目。

1 工程概況

1.1 項目概況

擬建某物流園項目位于浙江湖州工業園區內，主要分為A，B，C，D 4個庫區及卸貨平臺區域。倉庫為單層輕型門式剛架，層高11.4m，地下短柱為現澆鋼筋混凝土框架結構，柱基礎下采用PHC管樁(見圖1)。倉庫內地坪標高±0.000，即絕對高程5.100m，倉庫外道路標高3.800m，內外高差1.300m。地坪使用荷載30kPa。

圖1 平面布置

地坪原設計擬采用攪拌樁進行加固處理，水泥攪拌樁在工程樁及柱基礎施工完成后開始施工。在工程樁施工過程中，同時組織水泥土攪拌樁試樁施工，因場地土質太差，表層承載力嚴重不足，無法形成有效的復合地基，最終水泥土攪拌樁處理工藝無法滿足地坪沉降控制要求，需重新選擇其他工藝進行加固處理，結合場地內不同區域的地層特點，針對A，B區域，地基處理深度范圍內主要土層為淤泥土回填土，處理深度約5m。

1.2 地質條件

本項目倉庫區域的場地內主要土層自上而下簡述如下：①層淤泥土回填土：灰黃色、灰色，結構松散，土質不均，高壓縮性，全場地分布，主要是淤泥土回填土，回填1～2年；④1亞層粉土夾粉質黏土：灰色，松散～稍密狀，飽和，干強度低，韌性低，搖震反應較快，中等壓縮性，含少量云母、貝殼碎屑，局部夾粉質黏土，部分場地分布；④2亞層粉土：灰色，中密狀，飽和，干強度低，韌性低，搖震反應較快，中等壓縮性，含少量云母、貝殼碎屑，部分場地分布(見表1)。

表1 地基土層物理力學參數

地下水位埋深1m左右，主要為潛水。

1.3 倉庫地坪下地基處理要求

1)承載力控制要求：表層承載力≥100kPa。

2)處理深度范圍(①層淤泥土回填土)內的土體復合壓縮模量≥8MPa。

2 排水板強夯置換設計及試驗

根據本項目的地基土層特點及地基處理要求，考慮本場地回填土土質較差且含水量較高，針對淤泥土回填土進行強夯加固處理時，主要考慮超靜孔隙水壓力消散，避免形成“橡皮土”，另外在淤泥質土體中形成復合地基，快速提高土體的壓縮模量及承載力等物理力學參數，保證地基處理效果。初步設計方案為排水板結合多遍強夯置換軟基處理復合工藝。

排水板設計間距1m×1m，長6m，強夯置換能級3遍點夯，2遍滿夯，第1遍點夯能級為800kN·m，柱錘施工，錘徑1.2m，間距4m×4m，正方形布點；第2遍點夯能級為1 200kN·m，柱錘施工，錘徑1.2m，為第1遍夯點中間插點；第3遍點夯能級為1 500kN·m，平錘施工，錘徑2.4m，為第1，2遍原點加固夯；第4，5遍為滿夯施工，滿夯能級為1 000kN·m，搭接1/4。強夯施工前表層鋪填1層20～30cm厚硬質骨料，施工過程中對夯坑補填硬質骨料。

在排水板施工完成后，根據強夯設計能級及間距等參數進行點夯試驗，獲取強夯置換試驗施工時土體超靜孔隙水壓力、不同位置的深層土體水平位移、強夯夯擊次數與沉降變形量規律、夯擊過程中夯坑補填硬質骨料情況等。

現場分別對柱錘點夯能級進行單點夯試驗，選擇單點夯試驗能級600，800，1 000，1 200kN·m(見圖2)。

圖2 單點夯試驗監測布置與剖面(單位：m)

2.1 柱錘單點夯試驗夯擊數、夯沉量及填料監測

1)試夯能級為600kN·m，強夯擊數共8擊，夯坑深度為169cm，過程中未填料，累計夯沉量為169cm，夯后夯坑補填料。

2)試夯能級為800kN·m，強夯擊數共10擊，過程中填料2次，共計填料4.9m3。累計夯沉量為369cm。

3)試夯能級為1000kN·m，強夯擊數共9擊，過程中填料3次，共計填料5.5m3。累計夯沉量為492cm。

4)試夯能級為1 200kN·m，強夯擊數共10擊，過程中填料2次，共計填料6.8m3。累計夯沉量為451cm。

其中，各能級累計夯沉量與夯擊擊數關系曲線如圖3所示。

圖3 各能級累計夯沉量與夯擊擊數關系曲線

2.2 孔隙水壓力監測

每個單點夯試驗均布設1組孔隙水壓力監測孔，埋設4個孔隙水壓力計，埋設深度為2，4，6，8m。監測點布設如圖2所示。

分別在設有排水板區域和未設置排水板區域進行1 200kN·m能級單點夯試驗，在相同深度處對孔隙水壓力進行監測，并監測單點夯試夯完成后48h為止。孔隙水壓力監測值變化曲線如圖4所示。其他能級單點夯試驗在設置排水板區域進行，孔隙水壓力監測值總體變化趨勢同1 200kN·m能級B組試驗孔隙水壓力監測值。

圖4 孔隙水壓力變化曲線

通過對孔隙水壓力監測值及對比組試驗結果分析如下：①1 200kN·m能級強夯置換有效加固深度能達到6m，加固影響深度可至6～8m；②設置排水板能明顯加快強夯置換引起的淤泥土回填土體中超靜孔隙水壓力消散，為連續強夯施工提供依據同時可避免形成“橡皮土”。

2.3 深層土體水平位移監測

分別在各單點夯試驗點正交方向上(2，4，6，8m)布設2組深層土體水平位移監測點，監測深度為16m。監測點布設如圖2所示。

在強夯置換施工過程中進行深層土體水平位移監測，其中1 200kN·m能級單點夯試驗監測結果如圖5所示。

圖5 深層土體水平位移監測值

1 200kN·m能級強夯置換單點夯對周邊土體水平位移監測值分析如下：①1 200kN·m能級強夯置換有效加固深度為5～6m，加固影響深度為7～8m；②1 200kN·m能級強夯置換對周邊土體的加固擠密作用范圍約2m，超過4m后區域的加固擠密作用明顯減弱。

2.4 試驗結果分析

1)通過各能級強夯置換夯沉量與夯擊擊數關系，在6～8擊后基本能趨于收錘要求，施工過程中補填硬質骨料，填料深度不宜超過夯坑深度的1/2。

2)通過設置排水板能有效加快超靜孔隙水壓力消散，超靜孔隙水壓力消散在試驗完成后達到峰值水平，并在試驗后2h的超靜孔隙水壓力消散約60%，遠大于未設置排水板時20%左右的消散水平，同時超靜孔隙水壓力在24h左右基本能消散完成。設置排水板可有效提高施工效率，避免出現“橡皮土”。

3)通過孔隙水壓力和深層土體水平位移監測，1 200kN·m能級強夯置換的有效加固深度約6m。

4)通過深層土體水平位移監測，柱錘強夯置換對周邊土體有效擠密加固范圍約2m。

3 大面積施工及監測

根據各能級單點夯試驗及結果分析，按原設計參數施工能滿足本場地地基處理要求，在施工過程中嚴格控制各能級施工參數及填料量[5]。

大面積施工完成分別采用靜荷載平板載荷試驗檢測承載力，分別對夯墩采用重型動力觸探[6]、夯間土采用取土及土工試驗進行檢測和綜合分析加固深度范圍內土體的復合壓縮模量參數。靜荷載平板載荷試驗檢測典型p-s曲線如圖6所示，重型動力觸探平均擊數N63.5與深度關系曲線如圖7所示。

圖6 靜荷載平板載荷試驗檢測典型p-s曲線

圖7 重型動力觸探平均擊數與深度關系曲線

根據設計、施工參數組織施工并對靜荷載平板載荷試驗檢測結果分析，最終場地承載力≥120kPa，滿足≥100kPa要求；根據對夯墩的重型動力觸探測試和對夯間土取土及土工試驗結果分析，場地內加固深度范圍土體的復合壓縮模量≥12MPa，滿足≥8MPa的要求。

4 結語

1)針對淤泥土回填土中采用排水板結合強夯置換進行處理，排水板能快速有效地消散土體中超靜孔隙水壓力，使強夯置換能有效處理淤泥土回填土，證明排水板強夯置換復合工藝適合軟土地基處理。

2)淤泥土回填土采用排水板強夯置換復合工藝進行處理后，處理深度范圍土體的物理力學參數明顯提高，地基承載力特征值≥120kPa，復合壓縮模量≥12MPa。

3)通過單點夯試驗監測，獲取各能級柱錘強夯置換有效加固深度、范圍、參數及填料量等參數，且大面積處理場地經檢測效果明顯提升。