浅谈强夯法在饱和软粘土软基处理的成功运用

浅谈强夯法在饱和软粘土软基处理的成功运用
饱和软粘土软基处理施工中，采取适应饱和软粘土动力固结加固的有效排水系统，运用塑料排水板插设在软粘土层中，起到有效的排水作用；或借助井点降水，有效的降低地下水位，然后严格控制强夯动力和夯击能，使软粘土中产生的超孔隙水压力不过快上升，维持在合理水平上，既不破坏软土结构，又能加速软土中孔隙水的快速排出，达到稳步加固饱和软粘土的目的，成功的运用动力排水固结强夯法加固饱和软粘土地基，打破了强夯法不能用于饱和软粘土软基处理施工的说法。

标签：强夯动力排水固结法饱和软粘土地基处理
1、引言
传统强夯法就是利用强大的夯击能给地基一冲击力，并在地基中产生冲击波，在冲击力作用下，夯锤对上部土体进行冲切，土休结构破坏，形成夯坑，使土体中的孔隙减小，土体变得密实，从而提高地基土强度。

一般只适用于碎石土、砂土、素填土、杂填土、低饱和度的粉土及粘性土。

但傳统的强夯法不适用于饱和软粘土，是因为饱和软粘土含水量高、渗透性差、强度低等特点，强夯作用下，软粘土不但结构破坏，而且渗透性大幅度降低，导致地基中孔隙水压力高而形成橡皮土。

从兰考至尉氏高速公路B07标段饱和软粘土软基处理施工中，我们摸索出一种适应饱和软粘土动力固结加固的有效排水系统，采取“先轻后重、逐级加能、少击多遍、逐层加固”的夯击方式，以不破坏土体结构为原则的收锤标准，形成一整套动力排水固结强夯法新工艺。

2、工程概况
兰考至尉氏高速公路B07标段位于河南省开封市通许县孙营乡、竖岗镇境内，起点桩号K88+000，终点桩号K97+000，路段长9Km，走向为东北至西南方向，地处黄河冲洪积平原泛滥区，河西南属黄河决口扇区，地势均较平坦。

路区内地下水埋藏丰富，埋深在0.3-8m左右。

K95+600～K96+800段（长1200米）处于低洼地，常年积水，在地基处理强夯影响深度范围内粉砂质粘土、淤泥粉质粘土，含水量为36% ～46%，粘粒含量高，粘性较强，基本承载力很低。

该段地基属于软基处理地段，并且该段为高填方路基，平均填土高度为10.3米。

原设计是采用传统强夯法施工，施工中出现严重橡皮土现象，施工两个月，工程一筹莫展。

最后不得不放弃传统强夯法施工，另辟蹊径。

经过我们多次试验，我们摸索出一种适应饱和软粘土动力固结加固的有效排水系统，采取“先轻后重、逐级加能、少击多遍、逐层加固”的夯击方式，运用动力固结排水强夯法施工，并在饱和软粘土软基处理施工中取得成功。

3、强夯试验段
兰考至尉氏高速公路B07标段饱和软粘土软基处理初步思路采取动力排水固结法，拟采用软粘土层中插设塑料排水板后强夯；或井点降水降低地下水位后再强夯两种方案。

试夯目的：
通过试夯试验，确定适合本地质条件的强夯各技术参数。

预测两种方案技术、经济效果。

试夯区试验设计：
强夯主要施工机具设备的选用：起重能力为40T履带式起重机，自动脱钩，保证自动脱钩要有足够强度，且施工灵活。

圆柱形夯锤重15T，直径为2.48m，设置4个上下贯通的气孔，孔径为250mm。

试夯区为K95+600～K95+700段，分Ⅰ、Ⅱ区。

Ⅰ区采用软粘土层中插设塑料排水板后强夯；Ⅱ区采用井点降水降低地下水位后强夯。

每个区又分为行车道和路肩及边坡。

强夯垫层材料及铺设，采用碎石土作为强夯垫层，最大粒径为10cm，含泥量小于20%。

试夯区首次铺设60cm，第二次铺设40cm，设计总厚度100cm。

试夯参数的确定：
有效加固深度应根据现场试夯或当地经验确定，也可按以下经验公式估算：
h=α√（Q×H） (1)
式中：h—有效加固深度（m）；
Q—锤重（t）；
H—有效落距（m）；
α—修正系数，可取0.5～0.8，若地基中设置排水通道时，α可适当提高。

Ⅰ区试夯段降排水设计和施工方法及其控制
Ⅰ区试夯段排水设计
动力排水固结法的关键是改善路基土的排水条件，因此可设置垂直方向和水
平方向排水体。

垂直排水体塑料排水板设置间距为1.0 ～1.2m，深度以穿透软土层为准，初步确定为6m。

水平排水体由砂垫层、排水盲沟和集水井组成。

在路基施工范围外5 米处挖设排水明沟，明沟深1.5 米，底宽1 米，边坡1：2，可以堵死外水源，也可以将施工区内排水排至外围。

间隔10～15m和30m纵横向开挖盲沟和明沟，确保地表水不滞留在施工区内。

在排水盲沟角点处设集水井，将井内水抽至场外，尽量降低地下水位。

4、强夯发在施工段的施工方法及其控制
Ⅰ区试夯段施工方法及其控制
点夯分两遍完成，隔点不隔行，单点击数一次完成，第二遍点夯在推平第一遍点夯坑前提下进行。

满夯也分两遍完成，先夯间满夯，再普夯，见图1。

点夯停夯标准，夯坑深度达1.0m，或最后两次平均夯沉量不大于5～10cm 时，可以停夯。

实际施工时试夯区第一遍强夯单点击数3～4遍，夯坑深度1.0～1.1m，现场均已停夯，此时强夯机严重陷车，起锤也相当困难。

Ⅰ区试夯段实际试夯参数见表2。

控制间歇时间，两遍点夯以孔隙水压力消散大于70%为准，一般间歇时间不少于20天。

点夯与满夯以孔隙水压力消散大于50%来确定，一般间歇时间不少于15 天。

为使表层地基反应模量各指标满足设计要求，最后一遍满夯时将表层20～40cm深推，耙松晾晒后，再推平碾压，最后补铺40cm碎石土。

Ⅱ区试夯段降排水设计和施工方法及其控制
Ⅱ区试夯段排水设计在路基施工范围外 5 米处挖设排水明沟，明沟深 1.5 米，底宽1 米，边坡1：2，区域明沟相互贯通。

在路基施工范围外3米处设置外围封闭管，外围封闭管与明沟一样要求相互贯通，外围封闭管井点管间距为2 米。

并放置水位观测孔和孔隙水压力计。

井点降水管分深浅两种井点管（深管为5～6m，浅管为2～3m），井点管卧管间距为5m，井点管间距为4m，深管、浅管间隔布置，见图2。

降水完成拆除后进行强夯。

井位布置：按井位设计平面图安置抽水机组、总管。

成孔：水冲法成孔，外径约110mm。

下井管：孔深度达到设计要求才能下管，管顶外露约200mm。

填滤砂：采取动水投砂，当成孔逐步澄清，即投中砂在管井周围均匀回填，孔口50cm 用淤泥封死。

设备安装：井点管与总管、真空泵机组连接后，进行运行调试，检查是否有漏气及死管的情况，发现问题及时采取措施进行补救。

抽水运行：真空泵机组安装真空表，注意真空度情况的变化，出水应先浊后清。

进行24 小时水位跟踪观测，水位下降达到设计要求后，方可拆除，进行强夯。

Ⅱ区试夯段施工方法及其控制
第一次降水地下水位降至地面以下 2.5m，拆除小区内降水管，外围封闭管继续抽水，然后进行第一遍强夯。

施工时宜从一侧向另一侧施工，确保强夯后的孔隙水压力的释放。

第一遍夯能及夯点间距，行车道区夯能采用1000～1500KN·m，夯点间距4.0×4.0m梅花状布置。

路肩及边坡位置夯能采用800～1000KN·m，夯点间距3.5×4.0m梅花状布置。

第一遍点夯停夯标准，原则上夯4～6击，具体情况根据试夯确定，现场控制标准：
以现场最后一击，坑边0.5m处隆起量小于20cm确定最大夯能。

夯坑深度达1.0m，或最后两次平均夯沉量不大于5～10cm时，可以停夯。

第一次强夯结束后推平后，需立即进行第二次插管降水，加速强夯后孔隙水压力的消散。

第二次降水水位降至地面以下3.0～3.5m 后，拆除施工区域内井点管，保留外围封闭管，进行第二遍强夯。

第二遍夯能及夯点间距，行车道区夯能采用1500～1800KN·m，夯点间距4.0×4.0m梅花状布置。

路肩及边坡位置夯能采用1000～1350KN·m，夯点间距3.5×4.0m梅花状布置。

第二遍夯点与第一遍夯点呈梅花状错位布置，击数暂定6 ～8击，具体根据试夯确定，标准同第一遍。

Ⅱ区试夯段实际试夯参数（见表2）。

控制间歇时间，两遍点夯以孔隙水压力消散大于70%为准，由于采用人工井
点降水，一般间歇时间6～7天。

點夯与满夯以孔隙水压力消散大于50% 来确定，一般间歇时间4～5天。

Ⅰ区试夯段与Ⅱ区试夯段试夯结果比较
点夯间超孔隙水压力消散大于70%以上所需的间歇时间，Ⅰ区试夯段一般为21 ～28天，Ⅱ区试夯段一般为6～7天；点夯与满夯间超孔隙水压力消散大于50%所需间歇时间，Ⅰ区试夯段一般为14 ～16天，Ⅱ区试夯段一般为4～5天。

Ⅰ区试夯段施工工期比Ⅱ区试夯段要长。

Ⅰ区试夯段施工成本比Ⅱ区试夯段低。

Ⅰ区试夯段强夯影响深度比Ⅱ区试夯段大。

动力排水固结法夯击时土体强度提高过程示意
夯击能量转化（瞬间t≈0）→夯击能量E（土体压密，沉降ΔS；土体变形瞬间转化内挤压力ΔP=ΔU）→土体液化（土体结构破坏，强度降低；强度P→O）→排水固结、土体密实→主固结（t≈几星期，时间T上升孔隙水沿裂缝排水，孔隙水压力ΔU 下降）→颗粒间距缩小→土体强度提高→次固结（t≈几个月，部分自由水又变成薄膜水，土体结构重新组合）→强度再次提高。

结语：由于项目工期紧，任务重，经比较，最后采用井点降水降低地下水位后，再实施动力排水固结强夯法施工方案。

动力排水固结法严格控制强夯动力和夯击能，使软粘土中产生的超孔隙水压力不过快上升，以确保软粘土不变为橡皮土，克服了传统强夯法用于软粘土的致命弱点。

动力排水固结法利用塑料排水板或井点降水，大大提高强夯的影响深度，用于加固深厚软土成为可能。

动力排水固结法采取严格控制强夯动力反复、逐步增强作用于软土，使软土中的超孔隙水压力维持合理的水平上，既不破坏软土结构，又能加速软土中孔隙水的快速排出，达到快速、稳步加固软土的目的，这是传统强夯法无法做到的。

参考文献
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[2] 路桥集团第二公路工程局，路基，北京：人民交通出版社，2003。

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[5] 蒋家龙；刘长平；张正；特殊环境条件下某滑坡地质灾害治理方案研究
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刘泽君男（1974-）本科高级工程师主要从事路桥工程管理。