强夯法处理饱和填土工程实例-郭雄斌

强夯法处理饱和填土工程实例
郭雄斌
（中国有色金属工业西安勘察设计研究院中国西安710054）
摘要通过介绍ALUTRINT电解铝厂饱和填土强夯法处理试验过程，结合现场有关试验数据、原位测试及室内土工试验等分析处理效果，探讨一些问题，为强夯法处理类似工程提供参考。

关键词饱和填土；强夯；效果；分析
1．场地概况
ALUTRINT电解铝厂位于特立尼达岛南部的La Brea镇开发区内，北距世界上最大的沥青湖1km，南与Vessigny River相邻。

场地原始地形起伏较大，高程5～40m。

据岩土工程勘察报告书，地貌单元属丘陵区地貌。

厂区地层由素填土及第四纪更新世（Pleistocene）冲积成因的粘性土、粉土及粉细砂等组成。

素填土为开挖地势较高的土层回填于相对低洼的沟谷内，以粘性土为主，局部地段为粉土或细砂，含有褐煤块，偶见植物根茎，回填时有些地段的地表植被未被清除干净。

填土厚度多为5～7m，最大厚度约11m。

未进行分层碾压，场地整平标高约为15.3m。

据Golder公司的咨询报告，具有代表性的填土定量分析见表1。

2．地基处理方案选择
2.1 强夯方案选择
地基处理目的是减小或消除欠固结饱和填土对基桩的负摩阻力，减小浅基础地基变形的。

若采用换填垫层法进行处理，面积大（主要厂房约9万m2），换填工期长、造价高，且开挖降水、回填土土源、开挖弃土的堆放或晾晒利用等问题解决难度很大，加之可施工旱季不足6个月，换填垫层法不适用；采用水泥土搅拌法因为地下水的腐蚀性和对地下水的污染，也被否定。

综合以上因素，对各种地基处理方法的处理效果、工期、经济等因素对比，采用强夯法预处理饱和填土是最经济可行的。

2.2 强夯理论依据
强夯法，又称动力固结法，是反复将夯锤提到高处使其自由落下，给地基土以强大冲击和振动能量，使土中出现冲击波和冲击应力，迫使土体孔隙压缩，土体局部液化，在夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水和气体溢出，使土粒重新排列，经时效压密达到固结，从而提高地基承载力，降低其压缩性的一种有效地基加固方法。

强夯时在地基中产生体波和面波。

面波在地基表层传播，使土体表层产生松动，对地基压密不利。

对地基起加固作用的是纵波和横波。

纵波通过推拉运动，逐渐使孔隙水压力增加，使土骨架解体；而横波则使解体的土颗粒更加密实。

随着加固深度的增加，纵波强度衰减，而压密作用也逐渐减小。

3. 强夯试验
3. 1 强夯设计参数
依据现场填土厚度，在试验区采取3000 kN·m夯击能夯击，夯点按正三角形布置，夯点间距3.5m，夯击次数单点4击以上。

主夯一遍，满夯二遍，满夯夯击能1000 kN·m，
夯印彼此搭接部分为锤底面积的1/4。

强夯前场地地下水应降至理论影响深度7.0m。

强夯预期目标：地基承载力特征值150kPa，压缩模量8 MPa。

3.1 试验区地层
试验区位于电解车间北侧，处于原地形较开阔平坦的沟谷中上部，试验区东西长50m，南北宽20m，主要地层如下：
①层Q4ml：素填土，成份杂乱、松散。

东部以粘性土为主，硬塑状态。

中部以粘性土、粉土为主，含大量的褐煤，湿～饱和，软塑～可塑状态。

西部以粉土、粉细砂为主，湿～饱和，松散。

填土厚度为4.8～7.4m。

其中粘性土范围约占试验区1/4，粘性土和粉土混合区域约占1/2。

②层Q4al：粘性土，以灰色或褐色为主，局部含粉土或细砂。

最大揭露厚度为15.5m。

3.2 试验区降水试验
因试验区地下水位较高，据试夯施工方案，在试验区四周均匀布置降水井6口（W-1～W-6），井距30m，实测降水井布局及其他观测孔、原位测试孔见图1。

降水井、观测孔水位观测记录（填土厚度）见表2。

图1 实测试验区降水井及其他观测孔、原位测试孔布置图
试验区2月21日开始降水，降水10天后，水位降深δ介于1.11～1.46m之间。

施工人员结合原地形和现地形分析认为试验区北侧山坡下有一条积满雨水的长流水排水沟补给试验区，于是重新计算增加降水井DJ-3、DJ-4、W-7～W-9，增加观测孔G3、G4，具体位置见图1。

3月17日强夯开始时地下水位最深降至4.45m，各阶段观测孔水位见表3。

定降水效果。

详见表4，钻孔位置见图1。

加降水井并再持续降水相当长的时间。

规范《JG J 79-2002》6.3.3条和条文说明表明：降水的目的是在地表形成硬层，可以用以支承起重设备，确保机械设备通行和施工，又可加大地下水和地表面的距离，防止夯击时夯坑积水。

截至3月17日，地下水位最浅降至2.92m，基本能满足夯坑内不积水。

施工人员反复讨论认为试验区地层含水量和饱和度基本无变化且杂乱无章，毫无规律，且填土成分复杂、均匀程度差。

试验区强夯的目的就是为以后的工程夯提供施工参数，在和工程师沟通后，工程师下达强夯开始指令。

3. 4 强夯施工
试验区夯点间距3.5m，等边三角形布设，由北向南共布设夯点7排，每排夯点15/14个，夯点编号自北向南、自西向东递增。

夯锤直径2.4m，锤重16.7t。

3月17日强夯开始，最先进行强夯的是3-15夯点，该夯点以粘性土为主，采用3000 kN·m夯击能夯击，共夯击6击，夯坑深度2.12m，提锤困难；3-14夯点夯击6击，夯坑深度2.43m，提锤困难；3-13、3-12夯点逐渐过渡到粘性土和粉土的混合地带，均夯击3击，夯坑深度分别为1.66m、2.09m，提锤困难；3-11夯点仅夯击2击，就出现提锤困难。

以上5个夯点，夯击过程中夯坑周围隆起严重，且夯点间侧向坍塌，夯锤经常倾斜。

施工人员结合地层、水位、动触等资料分析认为粘性土和粉土范围最大，应以此为主调整强夯参数，同工程师沟通后将夯点间距调整为4.0m，夯击能调整为2000 kN·m。

强夯参数调整后，试验区夯点夯击击数2～6击，均出现提锤困难，其中2击夯点约占25％，3击夯点约占50％；夯坑深度1.23～2.95m，平均2.10m，夯坑周围有不同程度隆起（见图2、图3）。

间隔一定时间后，对夯击击数小于4击的夯点进行了二遍夯击。

图2
试验区粘性土区域夯坑周围隆起情况图
图3 试验区粘性土、粉土混合土区域夯坑周围隆起情况图强夯前埋设孔隙水压力计，跟踪监测孔隙水压力，确定两遍夯击之间时间间隔。

强夯时夯坑5-8出现浸水，观测孔水位上升见表4，孔隙水压力在7.0m、5.0m、3.0m 最高上升分别为47.9kPa、45.4 kPa、22.1 kPa，超孔隙水压力消散时间为7～10天。

4．强夯处理效果检验及分析
4.1 指标对比
强夯结束后，对试验区进行钻孔取样、动力触探、室内土工试验等方法进行强夯前后各项指标综合对比，以位于粘性土区数据较完整的钻孔ZK-3为例进行对比分析，详见图4～图7。

图4 ZK-3含水量随深度变化曲线图5 ZK-3饱和度随深度变化曲线
图6 ZK-3干密度随深度变化曲线图7 ZK-3压缩模量随深度变化曲线试验区粘性土区域强夯前后地基土指标变化明显，地基土压缩模量明显增大，地下水水位以上地层含水量明显减小，饱和度增大，说明孔隙比明显减小，地层被压密。

4.2 有效加固深度
根据试夯区不同填土成分重型动力触探试验对比曲线（见图8、图9，动触点位置见图1）可以看出：
图8 DPT-3强夯前后对比曲线图9 DPT-4强夯前后对比曲线
在3.0m～8.0m深度范围内夯后的锤击数一般均大于夯前的锤击数，密实度得
到了很大的提高；上部1.0m～3.0m的深度为夯坑深度范围，地基土经过严重扰动，满夯前又经过推压整平处理，且受到一场大雨的影响，增大了含水量，进而影响
到了上部土层的强夯效果。

从重型动力触探试验结果分析认为：强夯的有效加固深度达到8.0m。

4.3 地基承载力
试验区强夯后进行了3处载荷试验，承压钢板直径100cm，试验结果见表5。

载荷试验的影响深度在1.5～3.0倍的承压板直径或宽度范围内，这个深度范围是地基土受破坏最严重的深度范围，属于满夯加固的深度。

从理论上讲，满夯加固的深度范围加固作用是均匀的，加固后的地基土性质应也是均匀，但从载荷试验结果看出，强夯地基的承载力变异性非常大，产生这种现象的主要原因如下：
1、上部粘性土和粉土的混合土土层经强夯破坏结构丧失，经过反复的破坏、压密，形成“橡皮土”。

建议强夯施工将满夯夯印彼此搭接调整为锤底面积的1/3，增加上部土层的平均单位夯击能，增强加固效果。

2、地基土本身土性的不同造成强夯后承载力的不同。

4.4 变形模量
根据载荷试验结果，按《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001）中地基土变形模量计算有关公式，试验区3处载荷试验下地基土的变形模量E0的范围值为9.2～12.5MPa，平均值为10.0 MPa。

4.5 压缩模量
根据夯后所取土样的试验成果，试验区土层的压缩模量大小各剔除10%后统计结果列于表6，强夯后回填土压缩模量Es的变异系数均大于0.40，变异性很高。

5. 分析评价
5.1 夯击能
由于场地回填土疏松、饱和且土质不均，按规范《JGJ 79-2002》表6.2.1反查的3000kN·m夯击能夯击，夯沉量过大，夯坑周围隆起、吸锤和埋锤现象严重，所以将主夯点单击夯击能量降低为2000kN·m，据孔隙水压力计测试数据，地基土中超静孔隙水压力未达到上覆土重。

5.2 夯点最佳夯击数
选择夯点的最佳夯击数，规范中指导性的给出应同时满足的三个条件，根据本工程试验区施工过程，疏松的饱和填土，根本不可能达到“最后两击的平均夯沉量不大于50mm”条款，而要依据后两条控制夯点夯击数，同时为了避免地基土被反复破坏，施工时增加“后击夯沉量大于前击夯沉量”作为停锤标准。

施工前曾专门召开了一次专家研讨会，专家建议先采用1000kN·m低能级夯击能对表层地基土少击多遍进行加固处理，然后增加夯击能，逐步达到要求加固的深度，同时增加排水通道。

照此方案，强夯区需增加砂井或塑料排水带，但现场无相应设备，若增加降水井，工期和投资均不允许，即使增加了降水井，按照少击多遍施工，总工期也无法满足业主要求。

5.3影响强夯效果的因素分析
据试验区强夯检测结果，强夯未达到预定处理效果，综合分析，有两个关键因素：一个是土质，一个是地下水。

Golder公司对现场填土进行详细的定性和定量分析，但施工人员未到过现场，对现场土没有感官认识，对其间夹杂的褐煤形成的渗流通道和粘土形成的上层滞水缺乏认识，乐观地认为填土成分复杂，没有压实，孔隙、裂隙为良好的降水通道。

现场填土野外描述初步判定的粉土，颗分判定是砂土，塑性指数>10。

Golder
公司定义为含砂粘土（见表1），这种土在力学性能方面更多表现为粉土，渗透系数却相当小，近似于粘性土。

5.4强夯处理方案调整
根据项目工期和成本目标要求，技术人员根据实际情况及时修正方案，大胆在后续的建（构）筑物地基处理中采用强夯置换法，利用表层地基土作为墩体填料，不仅将夯击能提高到2500kN·m，夯击数均提高到8击以上，而且不影响桩基施工，不用更换设备。

6. 结束语
强夯法处理饱和填土，可以取得比较理想的效果，主要是因地制宜、灵活多变，采取合适的工艺方法。

利用表层地基土进行强夯置换是ALUTRINT电解铝厂地基处理最经济、最有效
的方法，也是思维模式最大的转变和突破，更是项目取得成功的关键。

项目地处国外，施工设备、工艺难以更改，或更改的代价太高，在进行方案调整时，首先考虑的因素就是成本，而成本的第一要素又是工期。

在正确处理成本、工期、质量关系时不但要立足实际，实事求是，还需要有丰富的专业知识，更需要有果敢的魄力和创新精神。

参考文献：
〔1〕左名麟，朱树森《强夯法地基加固》中国铁道出版社，1990
〔2〕徐至均，张亦农《强夯和强夯置换法加固地基》北京机械工业出版社，2004 〔3〕杨顺安，冯晓腊，张聪辰《软土理论与工程》地质出版社，2000
〔4〕《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002）
〔5〕《强夯技术在地基处理中的作用》有色冶金与研究2004。