強夯作用下吹填軟土地基的現場試驗及數值模擬

劉俊慧

（廣州博昊勘測技術有限公司，廣東 廣州）

工程建設中經常會遇到軟土、凍土、濕陷性黃土等不良地質，如果處理不到位會發生地基不均勻沉降現象，對建筑工程的結構穩定和質量安全構成嚴重破壞。現階段常用的軟土地基加固處理方法有多種，如強夯法、換填法、CFG 樁法等。對比來看，強夯法具有操作簡單、成本較低、適用范圍廣、加固效果好等優勢，在吹填軟土地基加固中應用廣泛。在應用該方法進行軟土地基加固時，應根據現場情況進行試驗，確定最佳的夯擊次數、夯擊能量，科學布置夯點位置，從而達到理想的夯擊加固效果。

1 工程概況

擬建廠房位于濱海地帶，地勢低洼平攤，軟土地基面積75 114 m2。結合前期地質勘察結果，該地區屬于第四紀黃河三角洲沖積平原，地層自上而下分為5層，分別是素填土、粉土、淤泥質粉質粘土、粉質粘土、粉砂。地下水穩定水位埋深1.58～2.04 m，屬于第四系潛水。考慮到該地區軟土承載能力差、軟基分布面積大，為保證廠房建筑的穩定與安全，必須采取軟基加固措施。加固方法選擇強夯法，經過強夯處理后地基承載力應不低于130 kPa。

2 強夯作用下吹填軟土地基的現場試驗

2.1 試驗方法

本文設計的強夯處理方案為3 遍點夯與1 遍滿夯。點夯時，夯點為四邊形布置，相鄰2 個夯點之間的距離為6.0 m，第1 遍點夯的順序如圖1 中1、2、3；第2 遍點夯的順序如圖1 中的A、B、C；第3 遍點夯的順序如圖1 中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。測試內容包括地表沉降、水平位移、孔隙水壓力、地下水位4 項，各項測試的測點布置情況見圖1。

圖1 測試原件平面布置圖

2.2 測試內容

（1） 使用精密水準儀測量單點強夯時夯點周圍土體的地表垂直沉降值，同時記錄每遍施工強夯施工結束后地表沉降變化，測量結果精確到1 mm；（2）使用測斜儀測量地下某個深度的地層水平位移，據此分析不同夯擊能量下土體的側向擠出效應。選用BF5515 型測斜儀，分辨率0.05 mm/m，測量范圍-15°～30°；（3） 在夯擊點下方一定深度布置ZX-15 型振弦式壓力傳感器，測定孔隙水壓力[1]。傳感器與測斜管的徑向距離為4.0 m，分辨率為0.1 Hz，計算精度0.1 kPa。

2.3 測試結果與分析

2.3.1 地表沉降

在地表沉降測試中，夯坑沉降量與夯擊次數之間的關系曲線如圖2 所示。

圖2 第1 遍點夯時夯坑沉降量與夯擊次數的關系曲線

結合圖2 可知，在第1 遍點夯時隨著夯擊次數的增加，夯坑沉降量也呈現出上升趨勢，并且兩者之間表現為較好的線性關系。以夯點D 為例，在夯擊1 次后沉降量為33.7 cm，在夯擊3 次后累積沉降量為51.1 cm。橫向對比第1、2、3 遍點夯時的夯擊沉降量隨夯擊次數的變化曲線，可以發現變化規律基本一致，但是隨著點夯次數的增加，夯坑沉降量也相應上升，但是上升幅度有減小趨勢。這一測試數據表明隨著強夯遍數的增加，軟土地基的固結效果得到了改善[2]。

2.3.2 地層水平位移

在地層水平位移測試中，以強夯作用點作為中心，向四周布置4 根測斜管，用于檢測地層的水平位移數據。為了探明不同強夯能量對地層水平位移的影響，測試中分別設計了3 種強夯能量，第1 區為100 kN·m，第2 區為2 000 kN·m，第3 區為3 000 kN·m。不同強夯能量下水平位移隨深度的變化曲線如圖3 所示。

圖3 不同強夯能量下地層水平位移隨深度的變化曲線

結合圖3，從整體上看隨著深度的增加，地層水平位移量呈現出減小趨勢，這與測試區的巖土結構有關。淺層的素填土和淤泥質粉質粘土的孔隙率大、流動性強，在受到強夯荷載作用后更容易被壓縮，因此水平位移更加明顯；深層的粉砂硬度較高，在受到強夯荷載作用后壓縮效果不明顯，水平位移量較小[3]。橫向對比來看，強夯能量越大的情況下，同一深度的地層水平位移也越明顯。

2.3.3 孔隙水壓力

強夯荷載作用下，不同深度土層孔隙水壓力的分布特征見表1。

表1 孔隙水壓力隨深度的變化規律（單位：kPa）

由表1 可知，本次測試中分別設計了3 種強夯作用點距離分別為0 m、2.75 m、5.5 m。測試數據表明，同一距離下的空隙水壓力，會隨著測點深度的增加呈現出先增加、后減小的變化趨勢。以距離強夯作用點5.5 m 的測試點為例，在土層深度小于4 m 時，隨著深度的增加孔隙水壓力也相應上升，在深度為4m 時達到最大值，為13.7 kPa；當土層深度超過4 m 后，深度繼續增加，孔隙水壓力降低，并且在深度達到12 m時降低為0.6 kPa，這一數值變化與強夯荷載作用下土體豎向應力的分布規律一致。橫向對比來看，強夯作用點距離越小，孔隙水壓力的變化越明顯，說明適當縮短強夯作用點的距離能夠改善強夯加固效果。

3 強夯作用下吹填軟土地基的數值模擬

3.1 模型的構建

FLAC 3D 是巖土工程領域的一款專業三維分析軟件，可以對巖石、土質等材料的三維力學性能展開仿真模擬和計算分析。本文選擇FLAC 3D 軟件構建數值計算模型，并分析土體地表位移變化情況。結合工程實踐可知，強夯加固軟土地基時，自由下落的重錘在接觸軟土地基時會向地基土體施加瞬間、巨大的沖擊能量，使土體內部孔隙減少，達到壓實擠密、提高承載力的效果[4]。本文構建的模型為50 m×50 m×25 m 的長方體，經過網格劃分后共有124 000 個單元，并對模型做如下假設：（1） 數值模擬過程中只考慮重力影響；（2） 軟土地基為均質各向同性的半無限空間體；（3） 夯錘為剛體，且夯擊時夯錘底部始終保持水平。

3.2 土層參數與計算參數的選擇

如前文所述，該區域地層自上而下分為5 層，選擇具有代表性的第2 和第3 層作為模擬對象。土層2為粉土，土質較均勻，含云母及氧化鐵，厚度1.51～3.35 m，平均壓縮模量3.03 MPa，標準貫入試驗擊數平均值為4.2（擊/39 cm）；土層3 為淤泥質粉質粘土，夾薄層粉土，干強度中等，厚度3.11～3.85 m，平均壓縮模量3.41 MPa，標準貫入試驗擊數平均值為2.9（擊/30 cm）。土層參數見表2。

表2 土層參數

計算參數方面，強夯沖擊能設定為2 000 kN·m，夯錘直徑為2.4 m，強夯載荷周期為0.05 s，最大接觸應力為3/6 MPa。

3.3 邊界條件的設定

強夯加固的目的是讓軟土地基產生不能恢復的塑性變形。當土體受到較大的沖擊荷載后，如果達到土體的屈服應力會使土體進入塑性狀態；通過繼續增加沖擊次數，塑性范圍會以夯擊點為中心向周圍擴展，形成塑性區。塑性區的最大深度即為強夯加固深度。在數字模擬中，設定邊界條件如下：夯錘為扁平狀剛體，半徑為d，重量為m，自由下落高度為h，夯錘落地時瞬時速度為v。則夯錘向軟土地基施加的載荷（P）可通過下式求得：

3.4 數值模擬結果

觀察強夯荷載作用結束后地基表面沉降云圖可以發現，形成了以夯擊點為圓形的規則圓形，圓心處地基表面位移最明顯，達到了64.6 cm；從圓心向外擴展，地基表面位移逐漸減小，至距離圓形4.7 m 處，地基表面位移無明顯變化。在數值模擬中，通過調整夯錘作用時間，探究土體位移隨深度的變化情況[5]。分別設定了3 種夯錘作用時間，分別是0.025 s、0.035 s、0.045 s，土體位移與深度的對應關系見表3。

表3 土體位移隨深度的變化（單位：mm）

由表3 統計數據可以看出，在同一夯錘作用時間內，土體位移隨著土層深度的增加而減小；橫向對比來看，夯錘作用時間越長，同一深度下土體位移變化量越大，說明夯擊加固效果越好。在地表下7 m 處，土體位移縮小到1 m 以內，強夯對軟土地基的加固效果可以忽略不計。由此可得，吹填軟土地基上采取強夯法進行地基加固時，對于7 m 以內軟土地基的加固效果較好。

4 結論

在常用的吹填軟土地基加固方法中，強夯法利用重錘從高空自由落體產生的沖擊能量，改變了軟土的物理性質，達到了降低軟土含水率和孔隙率，提高軟土地基承載力與密實度的效果。在應用該方法時，應開展現場試驗確定強夯作業的各項參數，為軟土加固施工提供技術指導，從而以較低成本達到更好的加固效果。