强夯法处理软土地基中的降排水施工技术探讨

强夯法处理软土地基中的降排水施工技术探讨
摘要曹妃甸装备制造基地土地整理项目二期工程中，地基软弱，无法承载强夯机施工。

通过开挖明渠、机械振扰、降排水对软弱地基表层进行处理，实现了软基表层土体的快速固结，达到可承载重型机械并进行施工的目的。

实践和监测数据显示，此法对软土地基的强夯处理具有一定的指导作用。

关键词明渠开挖；机械振扰；降水；强夯；软土地基
1工程概况
曹妃甸水深岸陡，不冻不淤，岛前500米水深即达25米，海槽深部达36米，-30米水深岸线东西长约6公里。

由曹妃甸向渤海海峡延伸，有一条水深27米、宽5公里的天然水道直通黄海。

水道与深槽的天然结合，构成曹妃甸建设40万吨级以上大型深水泊位的天然港址。

“面向大海有深槽，背靠陆地有浅滩”，曹妃甸岛后方滩涂广阔且与陆域相连，可开发浅滩面积达1400多平方公里，通过围海造地形成陆域为临港产业和城市开发建设提供广阔的空间。

随着近年曹妃甸工业区建设步伐的加快，造地项目结束后土地整理，基建设施项目的投入加大，许多二期项目的上马与一期造地施工结束间隔时间不过半年，不少项目采用边施工，边开发的流水作业模式。

曹妃甸装备制造基地土地整理项目二期2标围填造陆总面积74万m2，为新近吹填砂，土地处理要求承载6吨。

因造地时间短，吹填土层无法充分固结，地下水位线高。

在地下水尚未充分消散的情况下，吹填土层的工程力学性质较差、承载力低，施工机械无法上行。

须采取有效的降排水措施，提高土层强度，以便于下一步施工计划的开展。

工程前期，在典型软土区进行“真空预压浅层加固”试验，降水效果明显，土体表层强度有明显改善，但是恒载时间较长，且单价较高，无法满足交地要求。

通过对曹妃甸工业区内土地整理项目强夯施工实例的经验总结，在软土地基区域采用“开挖明渠+机械振扰+强降排水”的施工方法，对降低地下水位，提高土层承载力有明显效果，为重型机械的上行施工创造了条件。

现对此施工方法进行经验总结，以求对类似的特例工程起一定的借鉴作用。

2工程地质、场地条件
2.1工程地质
施工场址为吹填造地形成，造地时间短，地质条件如下：
1）新近吹填砂：厚度2～4m，粉细砂夹杂较多贝壳碎片，吹填管口位置粘粒颗粒含量较多，局部有较厚的淤泥质土。

土层较松散，由于沉积时间短，水力尚未消散，土层自重固结不充分，该层土天然地基承载力不足40kPa，为液化较
严重土层。

2）淤泥及淤泥质粉质粘土（Q4m）：灰色及灰褐色，含云母，贝壳屑，混多量分细砂，分布厚度不大，钻孔揭示，分布厚度在0.20～2.10米之间。

为新近沉积土层，呈流塑状，土质强度较低。

3）粉土（Q4m）：灰色、灰褐色，含云母，混砂，局部呈透镜体状产出，分布厚度在1.6～6.8米之间。

该土体一般呈中密、湿状，土质力学指标差，压缩性中等。

4）粉细砂（Q4m）：灰色，含云母，混夹不规则粘性土，局部含粉土，分布不连续，局部呈透镜体状产出，层底起伏较大，在-0.16～-11.24之间，分布厚度在1.1～10.7米之间。

一般呈松散至稍密状。

5）粉土（Q4m）：灰色、灰褐色，夹薄层粉细砂及粘性土，局部混砂较多，含云母，腐殖质等，前半段分布较连续，后半程呈透镜体状分布，分布于标高-5.0米以下，土层厚度在1.90～6.20米之间，厚度不均，该土体多呈湿，中密状，局部密实状。

6）粉土（Q4m）：灰色、灰褐色，夹薄层粉细砂及粘性土，含云母，腐殖质等，分布于标高-15.00米以下，土层厚度在1.50～8.70米之间，厚度不均，该土体多呈湿，中密状，强度一般，压缩性中等。

2.2场地条件
该陆域形成为先围后填，吹填过程中海水直接赋存于吹填层内，地下水位埋深为0.5～1.2m，含水层为粉细砂层，颗粒较细，粘粒含量多，其力学性质主要体现为强度低、压缩性大、渗透性小，地下水必须在外力的扰动下才能渗出。

由于水力分选的作用以及砂土来源不一致，造成填区平面方向上土层结构的不均匀性。

一般而言，吹填管口处沉积的土体颗粒较粗，远离管口方向逐渐变细，在吹填区泄水口位置最细，一般为饱水、呈软流塑的淤泥质粉质粘土。

砂粒含量较大的区域，含水量小，透水性良好，排水效果佳；吹填尾水下游区域，淤积粉细颗粒较多，孔隙比大于2.0，天然含水量一般大于液限，该土体中的毛细管水在重力作用下很难自由排出，土体天然承载力无法保证强夯机械的上行施工。

因此对此类土层强夯处理前，必须首先进行场内强降排水施工。

3施工方法
施工时对软土地基区域采用“开挖明渠、机械振扰、强降排水”的方法进行预排水初步固结处理，便于强夯施工的开展，下面对其进行详细介绍。

3.1开挖明渠
施工机械采用链轨式水陆两用挖掘机，放样后，场地内按50×50m的网格开挖主排水沟，沟宽2.5～3.0m，沟深2.0m。

明渠开挖目的在于：
1）形成排水通路网络。

以现场地势为依托，纵横划分处理分区，通过主排水沟的互通连接，使渗出的地下水得以导向低洼处，无法在场地内形成积水和反渗。

2）缩短地下水渗透排出时间。

在上层填土的压载及含水土层自重作用影响下，含水土层孔隙水压力得以部分消散，侧向产生渗流，初步达到排水效果。

3）密集施工和有效深度的开挖也是一项针对软弱土层的排水处理措施。

明渠中的软弱土体，在翻挖、堆载过程中，通过晾晒蒸发了大部分赋存水分，已经初步得到加固。

须注意的是，流塑性粘土的开挖易发生坍塌，主沟不易成型，多次开挖，适当加宽开挖面后便可达到预期效果。

3.2机械振扰
因饱和软弱土层渗透系数小，地下水靠重力作用完全排出需时较长，场内形成排水系统通路后，可对处理区域进机械振扰，缩短地下水渗透时间，加快排水速度。

其工作原理为：利用机械抖臂振动形成的周期性外力，加大饱和土体中的孔隙水压力，从而抵消含水层土体颗粒间的有效应力，降低土体的抗剪强度，使其趋于液性状态。

液化后的土体颗粒通过自重及压载重新排列，密实度增加，赋存的地下水将渗透出地表得以排出。

实施办法：挖掘机挖铲插入土中，操作机臂小范围前后抖动，抖动幅度在1m为宜，通过扰动土体，使地下水排出，施工时长为10min，然后挪机，进行下一点位施工，每扰动点施工同向间距控制为10m。

同时根据场地地势，进行二级排水明沟开挖，将涌上地表的地下水导向低洼处流入主沟，汇总在出水口后用水泵抽出，排出场地。

3.3强降排水
经机械振扰，排出大部分地下水的土体表层已有一定承载力，挖掘机具备上行条件，可在场区内进行来回的震动碾压。

利用挖掘机的自重和反复碾压，可进一步消散孔隙水压，将残存水分强行挤出，同时压实土体表层，提高其密实度。

碾压完成后，将主沟内余水抽尽排出，经过晾晒后的表层土体即可达到夯机上行施工的承载要求。

4施工效果分析
实践证明，采用开挖明渠、机械振扰、强降排水施工方法进行表层土体的硬化，使处理场区具备强夯施工的条件，效果明显，与其他地基处理方法对比，此法优势在于：
1）施工机械易寻，技术原理简单：开挖明渠，形成有效排水通路；机械振扰，加速地下水排出，使土体机构更紧致，密实度得以提高；强力碾压，使地下水充分排出，进一步固结表层土体，形成重型机械上行施工条件。

2）该方法能有效控制施工工期。

真空预压浅层加固处理法需要较长恒载时间才能满足机械承载要求；采用挖沟、强排、晾晒形式处理表层土体，短期内就可以达到夯机上行施工的效果，且表层土体前期加固后反弹小，密实度稳定。

3）节省成本。

此法操作易，速度快，效果佳，工料消耗少，对比真空预压工艺，拥有成本造价上的优势。

表1为明渠强降排水法与真空预压降水法的经济性对比表。

4）通过对强排水处理后的地基进行强夯加固（夯击能1200kN·m），如表2显示，对比处理场区夯前夯后的物理力学指标，加固后土体的含水量、液性指数、孔隙比均大幅度降低，说明现场开挖明渠、强降排水施工可明显提高新近吹填砂的强度。

根据表3各项指标显示，明渠强降排水法与真空预压排水法前期处理后再进行强夯施工对比效果差异不大，且明渠强降排水处理能在短期内解决机械进场施工难的问题。

5结语
新近吹填砂土因自重固结时间短，表层含水量大，无持力层，给施工机械的上行带来一定难度。

而常规的软基处理工艺存在耗时长、单价高等制约因素，影响工期，增大成本还或具有一定的安全风险。

为提高吹填土体强度，减少压缩性，改善土体抵抗振动液化能力并消除其湿陷性，采用开挖明渠、强降排水的方法可以有效排出赋存在含水土层的地下水，重整表层吹填土的结构，使其固结紧密，快速达到机械上行施工的承载要求。

通过工程实践及监测数据表明，针对软弱土层的明渠强降排水法预加固处理具有良好的操作性，且时间短，造价低，效果佳，配合后期强夯处理，能较好地满足设计土体的承载要求。

参考文献
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注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。