强夯置换在软弱地基处理中的应用

强夯置换法在软弱地基处理中的应用李小霞（中铁十五局集团第六工程有限公司）摘要：简单论述了强夯法与强夯置换法的地基加固机理，并结合精伊霍铁路DK213+500~DK214+600段软弱地基处理的工程实例，介绍了强夯置换法在地基处理中的应用。

关键词：强夯、强夯置换、加固机理1 概述强夯是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，又称动力固结法，是利用起吊设备，将10～25吨的重锤提升至10～25米高处使其自由下落，依靠强大的夯击能和冲击波作用夯实土层。

可提高地基土的强度（一般地基强度可提高2-5倍）、降低土的压缩性（压缩性可降低2-10倍）、增加密实度（可到达90%以上）、加固影响深度可达到6-10米、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。

同时，夯击能还可提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降。

我国于1978年首次由交通部一航局科研所及其协作单位在天津新港三号公路进行了强夯法试验研究。

在初次掌握了这种方法的基础上，于1979年8月又在秦皇岛码头堆煤场细砂地基进行了试验并正式使用，效果显著。

此后，强夯法在全国各地迅速推广。

强夯法经过30余年的发展，已广泛应用于一般工业与民用建筑、仓库、油罐、公路、铁路、飞机场跑道及码头的地基处理中，主要适用于加固砂土和碎石土、低饱和度粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。

对于饱和粘性土地基，近年来发展了强夯置换法，即利用夯击能将碎石、矿渣等材料强力挤入地基，在地基中形成碎石墩，并与墩间土形成碎石墩复合地基，提高地基承载力和减小地基沉降。

具有加固效果显著、施工工期短和施工费用低等优点。

强夯置换法适用于高饱和度的粉土与软塑一流塑的粘性土等地基上对变形要求不严的工程。

强夯置换法在设计前必须通过现场试验确定其适用性和处理效果。

2 加固机理强夯法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，土体结构破坏，形成夯坑，并对周围土进行动力挤压。

目前，强夯法加固地基有三种不同的加固机理：动力密实、动力固结和动力置换，它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。

1.1动力密实采用强夯加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密实的机理，即用冲击型动力荷载，使土体中的孔隙减小，土体变得密实，从而提高地基土强度。

非饱和土的夯实过程，就是土中的气相(空气)被挤出的过程，其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。

实际工程表明，在冲击动能作用下，地面会立即产生沉降，一般夯击一遍后，其夯坑深度可达0.6～1.0m，夯坑底部形成一层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高2～3倍。

非饱和土在中等夯击能量1000～2000kN·m的作用下，主要是产生冲切变形，在加固深度范围内气相体积大大减少，最大可减少60%。

1.2 动力固结用强夯法处理细颗粒饱和土时，则是借助于动力固结的理论，即巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结构，使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利逸出，待超孔隙水压力消散后，土体固结。

由于软土的触变性，强度得到提高。

动力固结理论可概述为：1.3动力置换动力置换可分为整式置换和桩式置换。

整式置换是采用强夯将碎石整体挤入淤泥中，其作用机理类似于换土垫层。

桩式置换是通过强夯将碎石填筑土体中，部分碎石桩(或墩)间隔地夯入软土中，形成桩式(或墩式)的碎石墩(或桩)。

其作用机理类似于振冲法等形成的碎石桩，它主要是靠碎石内摩擦角和墩间土的侧限来维持桩体的平衡，并与墩间土起复合地基的作用。

3 强夯置换法应用实例3.1工程概况精伊霍铁路位于新疆西部博乐塔拉蒙古自治州和伊犁哈萨克自治州境内，是连接中亚地区一条交通大动脉，是新疆向西开放的第二条国际铁路通道。

由中铁十五局集团承建的精伊霍线S8标起讫里程为DK181+950～DK242+100，线路长度60.146千米。

主要在伊宁市境内，线路基本走行于丘陵区、伊犁河谷北侧丘陵和平原地带，线路经过的天山山前丘陵区大部为粘质黄土、砂质黄土，层厚5～20m；伊犁河冲积平原为第四系冲、洪积地层，地表多以细颗粒粘性土、砂类土为主，下伏卵石土、圆砾土。

部分地段存在湿陷性黄土、软弱地基等。

DK213+500~DK214+600段地表为砂质黄土，为III级非自重湿陷性黄土，砂质黄土土层厚度为3.0~4.6米，天然含水量在13%～17%，地基软弱，原地面地基承载力为80～110Kpa，设计要求地基承载力不小于150 Kpa。

为满足设计要求的地基承载力，该段地基采用强夯置换处理。

3.2主要设计要求根据设计图纸及设计技术交底要求，DK213+500~DK214+600采用强夯置换法进行地基处理，主要设计要求及初步设计参数如下3.2.1 强夯处理范围：路基边脚2.0米范围内；3.2.2 强夯加固深度：2米；3.2.3 强夯垫层：垫层材料采用级配碎石，粒径大于300mm的颗粒含量不宜超过全重的30％。

强夯垫层设计总厚度为1.0m，分两次铺设，第一遍点夯前铺设50cm，第二遍点夯前铺设50cm。

3.2.4 夯点布置及夯击次序：如图一所示：图一强夯夯点布置及夯击次序示意图注：①表示第一遍点夯夯击点，②表示第二遍点夯夯击点3.2.5 强夯遍数：点夯两遍，满夯一遍。

3.2.6 夯击能设计：点夯夯击能2000R/kJ，满夯夯击能为800R/kJ。

3.2.7 大面积强夯置换前应该按设计初步确定的夯实参数，在有代表性的场地上进行试夯。

通过夯实前后测试数据的对比，检验夯实效果，确定强夯置换的单击夯击能、单点夯击次数等工艺参数。

3.3 工艺性试夯试验3.3.1 试夯区试验设计3.3.1.1 试夯区位置选择DK214+570~DK214+600段，面积约900平方米。

3.3.1.2 试夯机具为W1001-25型履带式吊车，自动脱钩，夯锤质量15.5t，直径2.4m，圆柱形混凝土锤，带有四个排气孔。

3.3.1.3 强夯垫层材料及其摊铺，采用级配碎石作为强夯垫层，粒径大于300mm的颗粒含量不宜超过全重的30％。

试夯区首次摊铺厚度为50cm，末次摊铺厚度50cm，设计总厚度为1.0m。

3.3.1.4 试夯参数的选择，根据铁道第一勘察设计院关于精伊霍铁路DK213+500~DK214+600段强夯置换施工方法的技术交底及相关施工图；选择以下试夯参数：3.3.2 试夯区施工方法及其控制3.3.2.1 清理并平整施工场地，根据设计图纸及设计技术交底要求，在路基边脚2.0米范围内原地面铺设50cm的级配碎石。

3.3.2.2 点夯设计从线路中心线起，分别向两侧按隔点不隔行跳打原则组织施工。

按照图纸夯点布置进行放线，每个夯点中心用灰点标识。

3.3.2.3 强夯机就位，龙门架安放稳定，准确对点。

3.3.2.4 测量人员测量夯击前锤顶高程，并做好记录。

3.3.2.5 强夯机挂好夯锤，提升至预定高度（落距13.8米），而后夯锤自动脱钩，按自由落体落至夯点上。

测量人员再次测量锤顶高程，并做好记录，计算夯沉量。

3.3.2.6 重复5，直到最后两击平均夯沉量不大于50mm停止该点点夯。

3.3.2.7 移动强夯机，到下一点位置重复4、5、6步骤，完成第一遍点夯。

3.3.2.8 第一遍夯击完成后，间隔20天左右，将地面推平，再铺设50cm的垫层材料，按夯点布置及夯击次序图，重复4、5、6、7步骤，进行第二遍点夯。

3.3.2.9 第二遍点夯完成后，间隔15天左右，将地面推平，用低能夯将整个处理区满夯一遍，满夯时要相求邻夯点重叠不小于1/4夯锤直径。

3.3.2.10 满夯完成28天后，对试夯区的地基承载力进行检测。

强夯加固地基两米范围内的承载力应符合设计要求，即不小于150KPa，检验方法：动力触探。

将强夯后地面进行整平碾压，用K30检测地基系数，不小于110MPa/m。

3.3.3 试夯试验数据分析通过试夯试验得到以下观测数据，见表二表二点夯试验观测记录表次后，相邻夯点沉降量均小于50mm，满足设计要求；强夯结束28天后，做动力触探及K30试验测得地基承载力及地基系数结果如表三所示：由表三的试验结果得出以下结论：按照试夯试验设计的参数进行该段软弱地基处理后，地基承载力均超过150KPa，地基系数K30均超过110MPa/m，满足设计要求。

3.4 大面积强夯施工本段路基大面积强夯置换施工对强夯参数、施工工艺在试夯试验基础上做了相应的调整。

3.4.1 大面积强夯施工参数选择如下：3.4.2.1 点夯分两遍完成，隔点不隔行，单点击数一次完成，满夯一次完成。

3.4.2.2 点夯停夯标准，原则上夯8击，夯坑深度不足1.0m时夯10击，以确保能量，再辅以最后两击平均夯沉量不大于50 mm控制。

3.4.2.3 控制间歇时间，两遍夯击的间歇时间不少于20天，点夯与满夯的间歇时间不少于15天。

3.4.2.4 夯垫料铺筑，分两次摊铺，第一次摊铺厚度为50±5cm，第二次摊铺厚度为50±5cm。

3.4.2.5 每次铺料前强夯后均要适度碾压，以减少能量损失。

3.4.3 施工注意事项3.4.3.1 施工时技术人员要认真检查夯钩及脱钩器，保证夯锤处于可控状态。

夯点布置及放线严格按设计图纸进行，并做好二次复核，做到准确无误。

3.4.3.2 夯锤自由下落时，方圆20米内不得有人，夯击点可视度较高时方可进行测量等作业。

3.4.3.4 所有施工人员必须配戴安全帽，非施工人员严禁进入施工区域。

4 结束语：工程实践表明，强夯法具有施工简单、加固效果好、使用经济等优点，对各类土强夯处理都取得了十分良好的技术经济效果。

参考文献[1] 张国庆，毕秀丽. 强夯法加固机理及应用. 山东科学技术出版社，2003[2] TB 10414-2003 铁路路基工程施工质量验收标准；中国铁道出版 2003。