沖孔擠密碎石墩強夯回填土試驗

楊志強 曹 凈

（昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明650500）

0 引言

隨著城市的發展，主城區土地資源越來越少，城市建設慢慢地往郊區拓展。但城市郊區土地往往存在不同規模深厚回填區的情況。實際工程中常采用分層碾壓來保證回填土的工程特性。由于該施工方法工后沉降較大，通常采用樁基礎來徹底解決該問題，但對于一層廠房，采用樁基礎造價較高，不符合經濟性原則。采用獨立柱基，工后沉降較大，后期會影響廠房正常運轉，甚至產生安全隱患。因此，急需一種既經濟，又能通過提高地基土承載力特征值與變形模量來減小沉降的地基處理方法。

沖孔擠密碎石墩強夯是一種在柱錘沖擴樁的基礎上加以改進的地基處理方法，既能在20m 深度內達到很好的處理效果，又能快速施工且經濟。柱錘沖擴樁已經廣泛應用于地基處理工程中。屈耀輝等發現經柱錘沖擴樁處理后無需進行堆載預壓，即能滿足工后沉降的控制要求[1]；王恩遠等以工程實踐對柱錘沖擴樁加固機理進行了研究，總結了其側向擠密作用、鑲嵌作用、動力擠密固結作用、置換作用[2]；劉熙媛等根據相似理論對柱錘沖擴樁加固機理進行了室內模型試驗研究，得出橫向擠密影響范圍約為2 倍沖孔直徑，豎向夯實影響范圍約為2 倍孔深的結論[3]；陳穎輝等經工程實踐證明柱錘沖擴樁在云南紅土地基處理中符合建設要求[4]；郭紅梅等認為柱錘沖擴樁技術優點突出，經濟低廉合理[5]；張國利等以荷載傳遞法為基礎，推斷出柱錘沖擴樁有效樁長范圍[6]；劉志勇在處理液化地基中對柱錘沖擴樁聯合其它地基處理方法進行實踐研究[7]；張琦等對柱錘沖擴樁進行理論計算并與工程實際值對比，認為計算滿足工程要求[8]；金忠良對柱錘沖擴樁進行了深入研究，總結了沉降計算公式[9]。

目前，對于柱錘沖擴樁加固機理、有效樁長、施工工藝、檢測方法等方面的研究已較為成熟，但對于強夯回填土，由于土層密實度較大，柱錘沖擴樁難以成孔，于是，將其改進為沖孔擠密碎石墩強夯，采用子彈形夯錘沖擊成孔，平底錘夯擊填料成墩，成墩后在墩頂二次夯擊加強。基于某廠房回填土場地，結合現場載荷試驗研究沖孔擠密碎石墩強夯成墩后，墩頂夯擊形式與地基土承載力特征值、變形模量的提高程度的關系，為其在強夯回填土區域推廣應用提供一定的參考價值。

1 項目概況

擬建場地位于昆明市周邊，場地總體地勢西北高，東南低；部分區域已挖填整平，西北側原丘陵頂部挖除了約15.0m左右，而東南側原低洼地段回填了大量人工填土，填料即為挖方區的強～中等風化泥巖，回填最大厚度約21.0m。為控制回填土后期沉降量，提高填土層的地基承載力，增強地基的穩定性，填筑過程中已進行分層強夯地基處理。考慮東南側回填土層厚度較大，為進一步增強填土地基強度，擬對場地再次進行地基處理，由于是分層強夯填土，其密實度相對較高，采用柱錘沖擴樁法難以沖擊成孔，本次設計在獨立基礎底中心處，采用沖孔擠密碎石墩強夯進一步提高獨立柱基下填土的地基承載力和壓縮模量。

場地自上而下土層依次為：強夯填土（回填料為挖方區的強～中等風化泥巖）、粉質黏土、全風化泥巖、強風化泥巖、中風化泥巖，巖土層參數見表1。

2 沖孔擠密碎石墩強夯工法作用機理分析

沖擊成孔分段夯實擠密碎石墩強夯加固地基的原理：首先采用特殊錘體，用強夯法沖擊成較深夯坑，在夯坑內不斷填加碎石填料，強行夯入填料并排開軟土或回填土，在軟土地基或回填土中形成大于夯錘直徑的大顆粒墩，并在墩頂二次夯擊，這種工法稱為沖孔擠密碎石墩強夯工法，其施工過程如圖1所示。

圖1 沖孔擠密碎石墩強夯施工過程示意圖

這種工法一方面有置換作用，以碎石填料擠密置換回填土層；另一方面是對樁體周圍有強夯擠密作用，在對碎石強夯過程中，隨著碎石向下的不斷貫入，會使土層受到沖擊能的影響而得到加密，另外碎石墩有一個向四周的側向擠出，也使樁側的土層得到了二次加固；再者，碎石墩也起到了一個特大直徑排水井的作用，有助于加快土體的排水固結。

3 沖孔擠密碎石墩強夯試驗

3.1 強夯試驗

本項目處理范圍為廠房每個獨立柱基底中心處，為驗證施工工藝和提供設計參數，在場地選取代表性的東南角區域進行沖孔擠密碎石墩強夯試樁。試樁總共為3 根，按正三角形布置，間距9.0m，試樁樁長均為20.0m，每根試樁成墩過程相同，成墩后墩頂夯擊形式不相同，成墩過程如下：先采用直徑1.25m，長度17m，重量48t子彈形夯錘沖擊成孔，成孔深度小于設計墩長1.0m，成孔直徑不小于1.5m。成孔后換直徑1.0m，重量11t 平底錘在孔底夯5 擊，再分層填料、夯實至墩頂，形成Ф1.8m碎石墩。

各試樁沖孔、回填、成墩如圖1 所示，成墩后墩頂強夯形式如下：

（1）試樁1頂部采用單點夯,如圖2所示，夯擊能采用2000kN·m，夯點布置在碎石墩中心處，夯擊數4擊。

圖2 墩頂單點夯示意圖

（2）試樁2相較于試樁1，僅夯擊數由4擊增加到12擊。

（3）試樁3 采用單點夯+滿夯，如圖3 所示，夯擊能采用2000kN·m，先在試樁頂部單點夯擊12 擊，然后滿夯一遍，滿夯時錘印搭接1/3 夯錘直徑，夯點布置在碎石墩中心處及四周。

圖3 墩頂單點夯+滿夯示意圖

試樁結果需達到如下要求才能滿足該工程設計指標：場區處理后地基承載力特征值fspk≥250kPa，壓縮模量Esp≥40MPa。

3.2 淺層平板載荷試驗

對試樁區進行淺層平板載荷試驗。三棵試樁承壓板尺寸均為2.0m×2.0m，整個加載過程均未出現沉降急劇增大、土被擠出或承壓板周圍出現明顯的隆起等現象，且承壓板的累計沉降量均小于其寬度6%（即0.06×2000=120mm），因此試驗點極限承載力均取最大加載。試驗點承載力特征值取s/b等于0.01 所對應的壓力與極限承載力一半兩者中的小值。

試樁1 區域試驗點極限承載力為650kPa，相對變形s=0.01×2000=20mm 對應的壓力為324kPa，其值小于極限承載力的一半650/2=325kPa,取該試驗點承載力特征值為324kPa；同理，試樁2 區域試驗點承載力特征值為325kPa，試樁3 區域試驗點承載力特征值為375kPa。

根據試驗點數據繪制s-lgp曲線分析拐點，繪制ps曲線計算變形模量，取該拐點對應變形與應力數據帶入《巖土工程勘察規范》（2009 年版）[10]10.2.5-1 節的公式計算各試驗點變形模量如下：試樁 1 區域為 40.1MPa；試樁 2 區域為 72.1MPa；試樁 3 區域為91.9MPa。各試樁載荷板沉降結果見表2，載荷試驗結果見表3。

表2 各試樁載荷試驗沉降結果（單位:mm）

表3 復合地基載荷試驗結果

在加載過程中，隨著加載的增加，載荷板的沉降逐漸增大；卸載過程中，隨著荷載減小，載荷板的沉降逐漸減小。各試樁區域試驗點沉降總體保持一個比較低的水平，p-s曲線成平緩的光滑曲線，為緩變型。累計沉降量最大的是試樁1 區域（72.34mm），最小的是試樁3 區域（18.37mm）；承載力特征值最大的是試樁3 區域（375kPa），最小的是試樁1 區域（324kPa），相差51kPa；變形模量最大的是試樁3 區域（91.9MPa），最小的是試樁1 區域（40.1MPa）。由此可知：對于該場地情況下進行沖孔擠密碎石墩強夯施工，成墩后墩頂強夯形式采用單點夯結合滿夯處理，相較于僅采用單點夯，不僅能更大程度提高地基土承載力特征值與變形模量，同時能更大程度減小沉降。

試樁1 區域地基土承載力特征值（324kPa）超過設計要求值（250kPa），變形模量（40.1MPa）剛好達到設計要求值（40MPa），由此可知：沖孔擠密碎石墩強夯在沖孔擠密成墩后，墩頂強夯形式采用單點夯，且夯4 擊即能滿足設計要求。

試樁2 區域相較于試樁1 區域雖然承載力特征值無明顯變化，但變形模量提升明顯，從40.1MPa 提升到72.1MPa，由此可知：沖孔擠密碎石墩強夯在沖孔擠密成墩后，墩頂強夯形式采用單點夯，夯擊次數從4 擊增加到12 擊，能有效提高地基土變形模量，但對承載力特征值無明顯增強。

4 結束語

本文通過對沖孔擠密碎石墩強夯回填土進行淺層平板載荷試驗，得出如下結論：

（1）在沖孔擠密成墩后，墩頂再采用單點夯4擊即能滿足設計要求，若夯擊次數從4擊增加到12擊，能顯著提高地基土變形模量，但對承載力特征值無明顯增強。

（2）成墩后墩頂強夯形式采用單點夯結合滿夯進行處理，相較于僅采用單點夯處理能更大程度提高地基土承載力特征值與變形模量。

（3）用沖孔擠密碎石墩強夯的方法來處理20m 深度內的回填土，能達到滿意的效果，可為類似深厚回填區廠房項目提供一定的參考。