强夯置换+半置换方法地基处理效果分析

李凤岭，马永峰，周丁恒

1.北京城建设计发展集团股份有限公司杭州分院，浙江杭州100037

2.中国石油工程建设公司华东环境岩土工程分公司，山东青岛266071

3.中铁第五勘察设计集团有限公司，北京102600

强夯置换+半置换方法地基处理效果分析

李凤岭1，马永峰2，周丁恒3

1.北京城建设计发展集团股份有限公司杭州分院，浙江杭州100037

2.中国石油工程建设公司华东环境岩土工程分公司，山东青岛266071

3.中铁第五勘察设计集团有限公司，北京102600

以中国石油云南1 000万t/a炼油工程地基处理实践为例，介绍了强夯置换+半置换双层地基处理方法的施工过程，采用重型动力触探和超重型动力触探试验，检测了底层、顶层强夯半置换的效果；另外还采用复合地基和夯墩静载试验方法，对顶层强夯半置换处理效果进行了检测。结果表明：场地底层、顶层经强夯置换后，有效加固深度、地基承载力和压缩模量满足设计要求；依托工程地质条件下底层6 000 kN·m和顶层8 000、10 000 kN·m强夯能级有效加固深度分别不小于4、6.7、8 m；顶层强夯半置换有效加固深度大于底层强夯置换顶面，实现了加固深度的连续，克服了单层处理达到相等有效加固深度需更高能级的缺陷。

岩溶地基处理；双层强夯置换；效果检测

强夯置换法是由强夯法改进而来，利用重锤下落的夯击能将粒状骨料（碎石等）挤压入可压缩软土中，通过“填料-数次夯击-再填料”的工艺流程，形成大直径墩加固土体，是一种经济、快速的软弱土地基处理方式。一般认为，在强夯置换过程中，动力挤密、置换成墩、排水固结等机制相辅相成，形成复杂的整体加固效果。近年来，国内不少学者采用有限元分析[1-2]、现场试验或实测[3-6]、模型试验[7-8]及应用实例[9]等方法对强夯置换法进行了广泛研究，但主要针对单层强夯置换，对于双层强夯置换少有涉及。对于岩溶这种特殊地质条件来说，当地基深处有溶洞存在时，单层强夯或单层强夯置换无法满足有效加固深度的要求，则需要考虑双层强夯置换的可行性。双层强夯置换法处理地基施工顺序为：开挖、强夯置换、回填、强夯置换或半置换，其施工过程分为上、下层。先开挖地基土至软弱土层表面，在软弱层采用强夯置换对地基进行加固处理，待软弱地基土处理完成并通过检测后，在上层填土采用强夯置换或半置换加固地基直至设计标高。

1 场地工程地质条件

本文依托中国石油云南1 000万t/a炼油项目工程，场区地层分布自上而下依次为：素填土、耕土、粉质黏土、角砾、含砾黏性土、含黏土粗砾砂、含角砾粉质黏土、含有机质粉质黏土、残积土、黏性土夹砂（磷矿）、全风化泥岩及砂岩、强风化泥岩及砂岩、强风化白云岩及灰岩、强风化炭质砂岩、强风化石英砂岩、中风化泥岩、砂岩、中风化白云岩及灰岩、中风化炭质砂岩及中风化石英砂岩。根据《中国石油云南1 000万t/a炼油项目岩溶详细勘察报告》，该场地岩溶区的岩溶发育等级为强，有大规模隐伏溶洞群，不同形态、规模的溶洞在岩溶作用下形成大规模地下架空结构，破坏岩体完整性，降低岩体强度，增加岩石渗透性，致使下伏溶洞顶板坍塌，岩溶地下水突水、突泥和涌砂，地基不均匀沉降等不良地质作用，对工程建设产生严重危害，地基处理是工程建设成功与否的关键。

2 地基处理方案设计

本工程共有8个区域地基处理采用了底层强夯置换+顶层强夯半置换，本文以产品罐区汽油罐组（二）、（三）为主，对双层强夯置换法处理进行详细分析。汽油罐组（二）区域地基处理采用双层强夯（半置换）工艺，底层为6 000 kN·m强夯置换，顶层为10 000 kN·m强夯半置换，该区域底层处理后实际完成面平均标高为+1 895.70 m，顶层处理后实际完成面平均标高为+1 903.70 m。汽油罐组（三）区域地基处理采用双层强夯（半置换）工艺，底层为6 000 kN·m强夯置换，顶层为8 000 kN·m强夯半置换，该区域底层处理后实际完成面平均标高为+1 897.00 m，顶层处理后实际完成面平均标高则为+1 903.70 m。

2.1 参数设计

（1）底层6 000 kN·m能级强夯置换。第1、2遍为强夯置换块石墩施工，夯锤直径2.3～2.5 m，单击夯击能6 000 kN·m，第1遍夯点按4.5 m× 4.5 m布置，第2遍夯点布置在第1遍夯点相邻4个点的中心处，两遍夯点整体呈梅花形。夯击2～3次，同时应满足累计夯沉量和填料量分别≥45 mm和20 m3，最后两击平均夯沉量不大于100 mm。块石墩直径≥2.5 m、墩长≥3.0 m。每一次夯击数3～5击，当夯坑深度超过2.5 m且起锤困难时停止夯击，回填石料后再次夯击。当最后2击平均夯沉量小于100 mm时停夯，累计夯击数15～20击。第3遍满夯，单击夯击能1 500 kN·m，夯印搭接1/3布点，夯点击数3击。

（2）顶层8 000 kN·m能级强夯半置换。第1、2遍单击夯击能8 000 kN·m，第1遍夯点6 m×6 m布置，第2遍夯点布置在第1遍夯点相邻4个点的中心处，两遍夯点整体呈梅花形，每遍夯击次数以最后两击平均夯沉量不大于150 mm控制或不少于15击。第3遍点夯单击夯击能4 000 kN·m，4.24 m× 4.24 m布置，夯点布置在第1、2遍夯点每4个呈方形布置的夯点中心处，夯击次数以最后两击平均夯沉量不大于50 mm控制或不少于12击。当夯坑深度超2.0 m且起锤困难时停止夯击，回填石料后再次夯击。第4遍满夯，单点夯击能2 000 kN·m，夯印搭接1/3布点，夯点击数3击。

（3）顶层10 000 kN·m能级强夯半置换。第1、2遍单击夯击能10 000 kN·m，第1遍夯点6 m×6 m布置，第2遍夯点布置在第1遍夯点相邻4个点的中心处，两遍夯点整体呈梅花形，每遍夯击次数以最后两击平均夯沉量不大于200 mm控制或不少于15击。第3遍点夯单击夯击能6 000 kN·m，4.24 m× 4.24 m布置，第3遍夯点布置在前2遍夯点每4个呈方形布置的夯点中心处，夯击次数以最后两击平均夯沉量不大于150 mm控制或不少于15击。当夯坑深度超2.0 m且起锤困难时停止夯击，回填石料后再次夯击。第4遍满夯，单点夯击能3 000 kN·m，夯印搭接1/3布点，夯点击数3击。

2.2 处理效果要求

汽油罐组（二）。底层6 000 kN·m能级强夯置换有效加固深度不小于4 m（且不小于①层耕植土及其以上的回填土层合计深度），顶层10 000 kN·m能级强夯半置换有效加固深度不小于8 m（且大于上层厚度），底顶层处理后地基承载力特征值fak和压缩模量Es不小于250 kPa和16 MPa。

汽油罐组（三）。底层6000kN·m能级强夯有效加固深度不小于4m（且不小于①层耕植土及其以上的回填土层合计深度），顶层10000kN·m能级强夯半置换区域有效加固深度不小于6.7m（且大于上层厚度），底顶层处理后fak和Es不小于220kPa和14 MPa。

2.3 检测方案及布置

底层强夯置换后，进行了夯间土重型动力触探和夯墩超重型动力触探试验；顶层强夯半置换后，进行了夯间土重型动力触探、夯墩超重型动力触探试验及复合地基和夯墩静载荷试验，具体方案列于表1中。

表1 地基处理后检测方案/点位

3 加固效果分析

3.1 产品罐区汽油罐组（二）

（1）底层6 000 kN·m强夯置换效果。底层6 000 kN·m强夯置换后的夯间土重型、夯墩超重型动力触探试验经修正后击数N随深度分布曲线如图1所示，夯间土动力触探击数差异不大，但夯墩动力触探击数部分深度超过8击。根据相关规范及手册经验，由重型动力触探试验结果可计算出地基承载力特征值和压缩模量，得到0～4 m范围内地基承载特征值均为250 kPa，压缩模量大部分为16 MPa，少部分为17或18 MPa，满足处理要求。

（2）顶层10 000 kN·m强夯半置换效果。顶层10 000 kN·m强夯置换后的夯间土重型、夯墩超重型动力触探试验经修正后击数N随深度分布曲线如图2所示，根据相关规范及手册经验，由重型动力触探试验结果可计算出地基承载力特征值和压缩模量，得到0～8m范围内地基承载特征值均为250kPa，压缩模量大部分为16MPa，少部分为17MPa，满足处理要求。

顶层处理后进行了2个点位的复合地基静载试验和2个点位的单墩静载试验，静载荷试验曲线如图3所示。由JGJ 79-2002《建筑地基处理技术规范》对于复合地基静载试验和GB50007-2011《建筑地基基础设计规范》对于浅层平板载荷试验的规定，可得出相应的承载力特征值，静载试验结果列于表2中，复合地基和夯墩承载力特征值分别为250 kPa和350 kPa，变形模量均超过35 MPa。

（3）处理效果综合分析。底层6 000 kN·m能级强夯置换和顶层10 000 kN·m能级强夯半置换有效加固深度不小于4 m和8 m，满足设计要求。底层和顶层强夯有效加固深度范围内承载力特征值及压缩模量同样满足设计要求。

图1 底层6 000 kN·m强夯置换动力触探数N分布曲线

图2 顶层10 000 kN·m强夯置换动力触探数N分布曲线

图3 产品罐区汽油罐组（二）静载试验曲线

表2 顶层夯后静载试验结果

3.2 产品罐区汽油罐组（三）

（1）底层6 000 kN·m强夯置换效果。底层6 000 kN·m强夯置换后的夯间土重型、夯墩超重型动力触探试验经修正后击数N随深度分布曲线如图4所示，综合动力触探试验所有测试结果，根据规范和手册可知：检测深度0～4 m范围内地基承载特征值均为220 kPa，压缩模量大部分为14 MPa，少部分为15 MPa，满足处理要求。

（2）顶层10 000 kN·m强夯半置换效果。顶层10 000 kN·m强夯置换后夯间土重型、夯墩超重型动力触探试验经修正后击数N随深度分布曲线如图5所示，不同点位的夯间土、夯墩动力触探击数差异不大。综合动力触探试验所有测试结果，根据规范和手册可知：检测深度0～6.7 m范围内地基承载特征值均为220 kPa，压缩模量大部分为14 MPa，少部分为15 MPa，满足处理要求。

顶层强夯半置换后进行了6个点位的复合地基静载试验和6个点位的单墩静载试验，根据双层强夯置换后静载试验实测结果，绘制p-s（荷载-沉降）试验曲线，静载荷试验曲线如图6所示，静载试验结果列于表3、表4中。

（3）处理效果综合分析。底层6 000 kN·m能级强夯置换和顶层8 000 kN·m能级强夯半置换地基处理有效加固深度不小于4 m和6.7 m，底层和顶层强夯有效加固深度范围内承载力特征值及压缩模量同样满足设计要求。

图4 底层6 000 kN·m强夯置换动力触探数N分布曲线

图5 顶层10 000 kN·m强夯置换动力触探数N分布曲线

图6 产品罐区汽油罐组（三）静载试验曲线

表3 顶层夯后复合地基静载试验结果

表4 顶层夯后单墩静载试验结果

4 双层强夯统计分析

采用底层强夯置换+顶层强夯半置换双层处理的区域共有8个，底层采用重型动力触探试验、超重型动力触探试验2种方法检测，顶层则采用重型动力触探试验、超重型动力触探试验及复合地基和夯墩静载试验检测，每种方法有多个测点。对其他6个区域的检测结果进行综合分析与统计，表5给出了地基处理后检测结果统计分析。由表5可知：底层强夯置换有效加固深度、地基承载力及压缩模量满足设计要求，顶层强夯半置换有效加固深度、地基承载力及压缩模量也均满足设计要求。

表5 底层强夯置换+顶层强夯半置换双层地基处理检测结果统计分析

5 结论

（1）场地经过双层强夯置换处理后，土体工程特性得到了改善，有效加固深度范围内地基承载力和压缩模量达到设计要求，因此，底层强夯置换+顶层强夯半置换方法对本工程条件下地基处理是可行有效的。

（2）基于大量实测数据，提出本工程地质条件下底层6 000 kN·m和顶层8 000、10 000 kN·m强夯能级有效加固深度分别不小于4、6.7、8 m，顶层强夯半置换有效加固深度大于底层强夯置换顶面，实现了加固深度的连续，克服了单层处理达到相等有效加固深度需更高能级的缺陷。

（3）本文中双层强夯置换加固效果检测仅局限在设计要求的深度范围内。实际上，若要科学判定加固效果，需进行加固处理前后的地基土承载力和土体特性变化的实测，而且还需要在更深的深度内进行多种试验，如多道瞬态面波测试、标准贯入试验等，从而得出更为精确的有效加固深度。此外，还需要对不同能级的强夯置换或强夯半置换进行对比分析，希望在未来的工作中可以完善这些研究工作。

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Foundation treatment effect analysis ofdynamic replacement plus half-replacement

LIFengling1，MAYongfeng2，ZHOU Dingheng3
1.Beijing Urban Construction Design&Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100037，China
2.Eastern China Environmental Geotechnology Branch，China Petroleum Engineering&Construction Corporation，Qingdao 266071，China
3.China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600，China

Based on the foundation treatment of PetroChina 10 million t/a oil processing project in Yunan Province，with the methods of heavy dynamic penetration test and super-heavy dynamic penetration test，the compaction effect of bottom-layer or top-layer replacement is analyzed； With heavy dynamic penetration test， super-heavy dynamic penetration test and static load test for composite foundation and single pier，the compaction effect of top-layer half-replacement is analyzed.Conclusions are as following:Firstly，the reinforcement depth，bearing capacity and compression modulus have reached the design standard after bottom-layer dynamic replacement.Secondly， the reinforcement depth，bearing capacity and compression modulus have reached the design standard after top-layer dynamic half-replacement.Thirdly，the effective reinforcement depth of 6 000 kN·m dynamic replacement and 8 000 kN·m and 10 000 kN·m dynamic half-replacement are larger than 4 m，6.7 m and 8 m respectively.The effective reinforcement depth after top-layer half-replacement is deeper than the top surface of bottom-layer dynamic replacement，so the continuity of reinforcement depth is realized and the problem of requiring higher energy level in single layer treatment to reach the same effective reinforcement depth is overcome.

karst foundation treatment；two-layer dynamic replacement；effect test

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.018

李凤岭（1984-），男，安徽亳州人，工程师，2009年毕业于同济大学结构工程专业，硕士，主要从事地下工程设计工作。

2016-12-16

中国石油工程建设公司科学研究与技术开发项目（CPECC2011KJ22）。

E-mail：lifengling8302@163.com。