强夯法在采煤沉陷区湿陷性土中的应用

陈 轩 姜 波 李永祥

(上海电力设计院有限公司，上海 200025)

0 引言

过去几十年内，我国存在众多煤炭开采为主的资源型城市，由于过度开采造成了大面积的地面沉陷，形成了采煤沉陷区。在我国仅某省的一个矿区造成的采煤沉陷区，其受损的建筑面积就高达150万m2，波及6万多居民，我国每年对采煤沉陷区工程地基的治理耗费巨额资金。由于采煤沉陷区地基所处的应力环境更加复杂，采煤沉陷区建筑地基除受建筑物自身荷载产生的附加应力场作用外，还受到地表残余移动变形形成的附加应力场的影响。所以，采煤沉陷区地基应满足更加严格的强度条件和变形条件。

山西阳泉市煤炭资源丰富，煤炭资源开采多年，周边有众多矿区，整个地区已处于采煤沉陷区内。加之阳泉市地区地表普遍覆盖有湿陷性土，对地基变形十分不利，给该地区工程建设造成了不小的麻烦，亟需寻找一项安全高效且经济合理的地基处理措施，以保证工程建设的安全可靠，为该地区以及全国具有相似地质条件的区域提供借鉴指导。

1 工程概况

拟建山西阳泉市某工程位于阳泉市盂县路家村附近，工程场地位于阳泉市采煤沉陷区内。由于天然地基承载力、变形特征值不能满足设计要求，故对场地局部进行地基处理。

1.1 工程地质条件

根据工程地质勘查报告，拟建场地南部分布有较厚填土，以粉土为主要成分，地层填土情况如下：

①1杂填土，浅黄色～灰色，稍湿，松散，土质不均匀，主要由粉土构成，含有少量砖块、煤屑和顶部局部含植物根系，具高压缩性。场地内均有分布，一般厚度为0.30 m～1.00 m，在东南角分布较厚，厚度为8.3 m。

①2素填土，浅黄色，稍湿，稍密，土质均匀，主要由粉土构成，局部含有少量粉质粘土及角砾，具高压缩性，堆积时间不超过10年。其承载力低(fak=65 kPa)，湿陷系数δsi为0.022 3～0.063 3，平均值为0.043 3，具有湿陷性，湿陷程度为中等。总体趋势为由北向南填土厚度逐渐增大。

1.2 水文地质条件

拟建场地位于玉河南岸，但离河道远，约400 m，高出河床50 m，且玉河属季节性河流，勘探期间河床内干枯无水，因此拟建场区可不考虑河流冲刷影响。由于场地地势比周边建筑物及道路高且周边未见地表水分布，勘探期间，勘探深度范围(20 m)内未揭露地下水。

1.3 场地湿陷性

拟建场地南部分布的深厚①2素填土，通过现场鉴别及土工试验成果得知，该层素填土具有湿陷性。黄土湿陷性评价主要由室内试验评定，首先由人工开挖探井，从井壁刻取原状土样，经室内试验取得各级压力下的自重湿陷系数和湿陷系数，再按照DBJ 04/T312—2015湿陷性黄土场地勘察及地基处理技术规范中规定判定其湿陷类型和湿陷等级。

拟建场地内共开挖人工探井10个，深度为8.30 m～13.20 m，由野外鉴别和室内土工试验结果可知，本场区在勘探深度范围内所揭露的第①2层素填土在200 kPa下的的湿陷系数δsi为0.022 3～0.063 3，平均值为0.043 3，湿陷程度为中等，湿陷起始压力Psh在6.0 kPa～79.0 kPa之间，平均值为37.50 kPa，湿陷性土层最大厚度为10.80 m。①2层素填土以下土层的湿陷系数δsi为0.000～0.004，均小于0.015，均为非湿陷性。按DBJ 04/T312—2015湿陷性黄土场地勘察及地基处理技术规范，自重湿陷量计算值自场地地面标高算起，湿陷量计算值自基础底面算起，各探井湿陷性评价结果如表1所示。

表1 湿陷性评价结果

2 地基处理方案

场地南部地基土为第①2层素填土，其承载力低(fak=65 kPa)，未经压实，具湿陷性，不能直接作为地基持力层，若采用天然地基，必须进行地基处理。地基处理方案的选择需要考虑工程地质条件、水文地质条件、周围环境、施工安全等条件，本文结合地基情况对不同地基处理方案进行了对比。

1)换填法。

当软弱土层厚度不很大时，可将基础底面以下处理范围内的软弱土层部分或全部挖除，然后换填强度较大的土或其他稳定性能好、无侵蚀性的材料。此法处理的经济实用高度一般为2 m～3 m，如果软弱土层厚度过大，采用换填法会造成基坑开挖深度过大，同时增加弃方与取土方量，增大工程成本和施工难度。

2)打桩法。

采用桩基础直接穿透填土层，可解决地基强度不足，变形大的问题，从而达到满足上部结构需要，充分利用地下空间及减小沉降变形之目的。但采用桩基础施工工艺较为复杂，工期长，施工前需进行试桩，通且过现场载荷试验确定单桩竖向极限承载力等。此外，桩基成本高昂。

3)强夯法。

土层在巨大的冲击能作用下，土中产生巨大的压力和冲击波，致使土体孔隙压缩，夯击点周围一定深度内产生裂隙良好的排水通道，使土中的孔隙水(气)顺利排出，土体迅速固结。强夯后地基承载力可有一定的提高，压缩性可降低200%～1 000%。强夯法的处理深度一般为8 m～10 m，其施工机械简单，工期较短，同时强夯法还能够消除地基的湿陷性。

经过讨论分析，在场地南部的地质条件下，采用强夯法加固地基。需强夯加固的范围是一150 m×30 m的长方形区域，首先在强夯区域内选取一块区域进行试夯，试夯的范围为20 m×20 m，试夯后对处理后的地基土进行了标贯试验，结果如表2所示，可知在场地内标高7 m以下土层(砂层未计)标贯实测击数明显低于7 m以上土层，初步判断夯后有效加固深度不小于初始起夯面下7 m，满足设计要求。

表2 夯前夯后标贯击数对比

强夯锤质量采取30 t的铸钢，其底面形式采用圆形，直径2.0 m，锤的底面对称设置若干个与其顶面贯通的排气孔。施工机械采用带有自动脱钩装置的履带式起重机，臂杆端部设置辅助门架，防止落锤时机架倾覆。夯击点位置如图1所示。

首先采用点夯2遍，单击夯击能6 000 kN·m，每遍8击，再以低能量(1 000 kN·m)满夯2遍，每遍4击。满夯采用低落距锤多次夯击，锤印搭接1/4。夯点的夯击次数，可按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线进行调整。同时现场控制最后两击的平均夯沉量不大于50 mm，夯坑周围地面不发生过大的隆起。两遍夯击之间间隔3 d。第一遍夯击点间距取夯锤直径的2.5倍，即5 m，第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间，以后各遍夯击点间距不变，强夯施工工艺流程如图2所示。

3 地基检测结果与分析

采用地基平板载荷试验确定强夯加固效果，通过探井取土试样检测有效加固深度范围内地基土湿陷性消除情况。载荷试验点共9点，取土试样探井4个。检测点位置均为现场随机抽取。

3.1 检测试验方法

平板地基载荷试验的压板采用正方形压板，压板的面积为1.0 m2，承压板底面下铺设中粗砂找平层，厚度100 mm。试验采用慢速维持荷载法，加载分10级等量进行，由1 000 kN液压千斤顶施加压力，0.4级精密压力表测读加压值，荷载分级如表3所示。

表3 荷载分级

沉降观测由基准梁、量程100 MPa精度0.4级的压力表和百分表观测系统进行测读，基准梁为2根6 m长的工字梁，基准桩距试点的中点2.90 m，基准桩距压重平台支墩边的距离大于2.0 m，基准梁一端固定在基准桩上，另一端自由置于基准桩上，传感器放置于基准梁上，由数字百分表量测沉降量。每加一级荷载前后均各读记承压板沉降量一次，以后每0.5 h读记一次，当1 h内沉降量小于0.1 mm时，施加下一级荷载。当出现下列情况之一时，终止加载：

1)沉降急剧增大，土被挤出或压板周围出现明显的隆起；

2)承压板的累计沉降量已大于压板直径的6%；

3)或未出现上述两种情况，但加载值已达到最大加载量终止试验。卸载分5级等量进行，每卸一级，间隔0.5 h，读记回弹量一次，待卸完全部荷载后间隔3 h读记总回弹量。

3.2 检测结果

根据各试验点的试验数据分别绘制p—s曲线，图3列举了SZ1,SZ2,SZ5,SZ8共4个荷载点的p—s曲线，实线为加载曲线，虚线为回弹曲线。通过对9组复合地基载荷试验的p—s曲线进行分析，各试验点在最终加载值压力下，均没有达到极限破坏状态，且p—s曲线大致为平缓光滑曲线，拐点不明显。由于按相对变形s/d=0.01所确定的承载力特征值大于最大加载压力的一半，因此，取最大加载压力的一半作为各试验点的复合地基承载力特征值。在试验压力范围内，SZ1～SZ9试验点极差值不超过平均值的30%，因此确定在承压板下应力影响范围内地基承载力特征值为150 kPa。

第①2层素填土夯前具湿陷性，根据本次检测探井土室内试验结果，在200 kPa试验压力下各土样湿陷系数均小于0.015，说明强夯有效加固深度范围内浅层地基土的湿陷性已全部消除。根据载荷试验结果，各试验点的复合变形模量E0(MPa)可按下式计算：E0=I0(1-μ2)pd/s，强夯后承压板下应力影响范围内土的变形模量23.95 MPa～36.11 MPa，为低压缩性土。

4 结语

本文以阳泉市采煤沉陷区内某工程较厚新近填土的强夯处理为例，详细介绍了强夯处理施工过程和检测结果，完全达到了预期效果。根据地基静载荷试验结果，强夯后地基在承压板下应力影响范围内承载力特征值为150 kPa，满足设计要求。根据标贯试验结果，综合确定强夯有效加固深度不小于初始起夯面下7 m。强夯有效加固深度范围内浅层地基土的湿陷性已全部消除。夯后地基土为低压缩性土。

强夯加固具有高效、安全、环保、经济等特点，该工程在采煤沉陷区内处理地基得到的良好效果，为周边地区工程地基处理提供了良好的借鉴指导意义。