桩式强夯置换法加固地基的探讨

王亚娟 胡晓明

（1.张家口市城洁废弃物处置有限公司，河北 张家口075000；2.秦皇岛市建筑设计院，河北 秦皇岛066000）

强夯法处理淤泥或淤泥质土、软塑至流塑的粘性土地基时，由于该方法为单纯的夯击作用，土中经常会产生超静水压力，但这类土本身渗透性极差，土中自由水根本无法排出，因而会产生“橡皮土”.为了解决这些问题，近年来在强夯法的基础上逐渐发展起来一种处理软土地基的方法，即强夯置换法.同其它地基处理方法一样，强夯置换法在实际中虽然时有应用，但理论落后于实践，加强对该方法的研究和探讨，对于指导工程实践有较为重要的意义.

强夯置换法按置换方式，分为两类，一类为单夯点或有一定间距的多夯点置换，置换点（即碎石墩体）与周围软土地基共同组成散体材料桩复合地基，称为桩式置换；另一类为由密集的点置换便形成线置换，甚至于置换体连成一片，与下部土层形成层状地基，称为整式置换.本文所探讨的相关内容，主要针对前一种，即桩式强夯置换法.

1 桩式强夯置换法加固地基的基本原理

桩式强夯置换法的实质为首先夯击形成夯坑，待夯击到一定程度（夯坑到一定深度），起锤困难时，向夯坑内推填石料、矿渣或建筑垃圾等粗骨料，而后对夯坑内的粗骨料再进行夯击，直至达到一定的控制标准，从而在夯坑内形成一个大直径的竖向碎石置换桩，置换桩与桩间土形成复合地基的一种处理地基的方法.其示意图如下：

图1 桩式强夯置换法示意图

桩式强夯置换法处理软土地基之所以能取得良好的效果，其基本原理为

1.1 置换增强作用

由上图1可知，置换墩分级夯实形成后，碎石墩强度很高.强夯置换法处理地基就是由这样一些强度很高的且在竖直方向上有一定的深度、在整个地基土中有一定的置换率的碎石墩与墩间土来组成复合地基.由于墩体直径一般较大，所以置换率较高，因此这一增强作用能大幅度的提高地基承载力，这也是置换的主要加固区域.其次，增强作用还表现在对墩体下部地基土的压密作用，这一区域的被加固作用与强夯法一致，先是置换成孔时上部土体被挤压入该区域，形成一冠形的挤压区，此时该区域的土体孔隙被压缩，密实度提高，当推填碎石料夯实墩体时，夯击能通过密实的墩体又传到已被压密的土体上，该土体又得到进一步的压密，压密区域的深度进一步向下发展，从而提高了地基承载力.

1.2 排水固结作用

由于强夯置换法采用了往夯坑内回填块石、碎石等粗骨料，用置换锤夯击形成强夯碎石置换墩，在地基土中形成排水通道，解决了饱和地基土中超孔隙水的消散问题.

1.3 挤密作用

在强夯置换过程中，也就是置换坑的形成过程中，土体有一侧向的挤密作用，另外，置换墩间的土在夯填过程中挤入很多粗粒填料而使组分改变，结构改善.这样整个置换碎石墩的墩间土也得到改善加固.

2 强夯置换法的施工程序及设计参数

2.1 施工程序

图2 强夯置换法施工程序图

2.2 有关设计参数

2.2.1 桩的布置方式、间距

桩的布置应根据建筑结构类型，地基土情况和要求的加固深度确定.一般来说，对大面积或饱和粘性土，采用“正方形插挡法”布置.这样会使孔隙水压力有充足的时间消散，不易形成“橡皮土”；对条形基础，采用“点线插档法”布置，这种布置方式效果好，速度快.各种基础布置及夯序如图3所示：

图3 基础布置及夯序

墩间距应根据荷载大小和原土的承载力选定，当满堂布置时可取夯锤直径的2～3倍.对独立基础或条形基础可取夯锤直径的1.5～2.0倍.墩的计算直径可取夯锤直径的1.1～1.2倍.

2.2.2 强夯置换加固深度

强夯置换墩的深度由土质条件决定，除厚层饱和粉土外，应穿透软土层，到达较硬土层上，深度不宜超过7m.

在前面提到的强夯置换法的加固机理中，强夯置换法的除了置换增强作用外，还有挤密作用，即置换墩下区域地基土的也有增强作用，由此可见强夯置换的加固深度，写成表达式为：

强夯置换加固深度＝置换墩长度＋墩底压密区的深度

一定土质条件下，强夯置换加固深度不仅取决于夯击的能量（主要是单点夯击能），也与锤径大小、被置换的土层性质有密切关系.置换深度的确定目前有三种方法：原位检测法，经验预估法，拟静力法、打桩波动方程法.

2.2.3 填料方式

为了提高强夯置换的效果，经常采用分层填料夯击的方法，具体做法为在置换坑形成后，在置换坑达到设计深度或拔锤困难时，往坑内分层推填骨料，而后进行夯击，直至达到控制沉降为止，如此反复，将夯坑填满.值得注意的是，在强夯置换过程中，一定要按照强夯置换点施工顺序图进行夯击，这样有利于提高地基处理效果.

3 强夯加固效果检验

包括施工过程中的质量检验及竣工后加固效果的检验.

3.1 施工过程中，应及时检测各测试数据和施工记录，不符合设计要求时应补夯或采取其他有效措施.强夯置换施工中可采用超重型或重型圆锥动力触探检查置换墩着底情况.

3.2 强夯置换后的地基竣工验收时，承载力检验除应采用单墩载菏试验检验外，尚应采用动力触探等有效手段查明置换墩着底情况及承载力与密度随深度的变化，对饱和粉土地基允许采用单墩复合地基载荷试验代替单墩载荷试验.竣工验收承载力检验的数量，应根据场地复杂程度和建筑物的重要性确定，对于简单场地上的一般建筑物，每个建筑地基的载荷试验检验点不应少于3点；对于复杂场地或重要建筑地基应增加检验点数.强夯置换地基载荷试验检验和置换墩着底情况检验数量均不应少于墩点数的l%，且不少于3点.

3.3 强夯处理后的地基竣工验收承载力检验，应在施工结束后间隔一定时间方能进行，对于碎石土和砂土地基，其间隔时间可取7～14d；粉土和粘性土地基可取14～28d.强夯置换地基间隔时间可取28 d.

除此之外，在置换试验完成后，孔隙水压的消散情况及场地置换后隆起状况进行检测.在对孔隙水压消散情况进行检测时，值得注意的是：测试数据采集时，一般为在强夯置换后，首先立即对其孔隙水压进行数据采集，一个星期后进行第二次采集，以后在第2个星期、第4个星期、第6个星期分别进行孔隙水压数据的采集，以了解孔隙水压消散情况.

在隆起状况检测前，对处理后的场地应进行平整，应注意只是对表层散落的碎石进行清理，保留原地表土层不被铲削掉，以保证测量时，地面隆起高度的真实性.

4 实例分析

4.1 场地条件

某市郊区要开发建设一个多层框架结构的厂房，地下水位在地表下20m左右，冻深为2m，拟建场地地层分布较均匀，从上至下分布如下：

第1层为杂填土，厚度为2.5m左右，fak＝120 kpa；

第2层为软塑状态的粘性土，分布均匀，厚度3.8m左右，fak＝100 kpa；

第3层碎石土，褐黄色，碎石为石英岩碎块，中风化，厚度不详，fak＝180 kpa

由于上部结构为多层框架，层数较低，且场地较为均匀，从造价及技术角度综合考虑，基础采用筏型基础，拟采用桩式强夯置换法对地基进行处理.

4.2 强夯置换

4.2.1 布桩方式及桩间距

采用正方形布桩，桩间距取夯锤直径的2～3倍，填料前夯坑直径为1.8m.

4.2.2 有效加固深度的确定

按照梅纳（Menard）公式的系数修正法公式确定有效加固深度，反算得到采用100t·m能量级，即采用15t置换锤，落距7m，成孔后分层填料.公式中的α，参考有关资料，100t·m能量级α取值0.75，但施工时必须严格按照成孔后分层填料的方法进行施工.

4.2.3 施工方法

置换墩成孔夯击数平均6击，平均夯坑深度2.57m，在分层填料时，每层填料为1铲车，高度为1.2 m左右，填料量约为3.3左右.每层夯击时，每个置换坑前3次填料夯击都能将夯坑夯至第一次填料前的深度，也就是前三次的填料基本上都挤入坑底土层或侧向桩间土中.

4.3 加固效果分析

置换墩体长度6.5m，基本上穿过软粘土层.经测试，第2层软塑状态的粘性土fak达到330kpa，置换墩下部粉细砂的情况为：6.3～8.0m，fak达到264kpa，8.0～9.8m，数值为fak达到，185kpa，可见，本例的有效加固深度为7.2m，超过置换墩体长度6.5m.

通过分析孔隙水压力消散曲线，施工后第28天，孔隙水压力消散已达80%以上，对墩间土又进行原位重型动力触探试验，试验数据统计数值平均为4.1击，比试验前2.4击增长1.7击.同时对场地置换后隆起状况进行了检测，均符合要求.

进综上所述，采用桩式置换墩强夯置换法处理饱和软粘土地基，不仅具有置换增强、还具有挤密、排水固结的效果.

5 结论和建议

5.1 强夯法的适用范围为碎石土、砂土、素填土和杂填土等，但对软粘土，效果不佳.强夯置换法适用范围为高饱和度的粉土、软塑一流塑的的粘性土、湿陷性黄土、素填土、杂填土等，可见，强夯置换法对含水量较大的待处理地基土，尤其是成分复杂的软粘土，较强夯法有优势.

5.2 强夯置换法布桩方式视基础的类型采用“正方形插挡法”、或“点线插档法”.强夯置换法的有效加固深度，包括置换墩长度与置换墩以下一部分区域.为了提高置换的有效加固深度，施工过程中应确定合适的夯击能，并采用分层填料夯实的方法进行置换.

［1］《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002）

［2］《土工试验方法标准》（GB／T50123-1999）