强夯法在填方区不均匀地基的应用探析

郭尧顺

(福建省华厦能源设计研究院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

随着现代畜禽业及标准化养殖的发展，动物防疫工作越来越受重视。畜禽养殖场常建在人烟稀少的深山里，很大程度上减少了动物疫病的传染。这类养殖场为解决用地问题，常是在深山里削坡填沟，平整场地作为建设用地。在场地内，常分布有较大厚度的填土层及削坡出露的风化岩层，该类岩土层相互间的岩土工程性质差异性大，以致整个场地的地基均匀性差。此外，畜禽养殖场的建筑往往以单层轻型建筑为主，具备建筑荷载小而占地面积大的特点，若采用桩基础，经济合理性欠佳。

强夯法作为一种重要的地基处理工艺，自20世纪70年代起，在我国得到广泛应用，它具有加固效果显著、适用性广、施工简便、工期短、地基处理费用低等优点，非常适用上述类似工程不均匀地基的加固与调节处理。

本文以漳州某养猪场为工程实例，根据其现场岩土层条件，从基础选型、加固设计、地基强度验算及基础沉降变形验算等方面着手，并结合现场检验、监测等验证手段，探讨强夯法在填方区不均匀场地、轻型建筑中应用的可行性与可靠性。实例表明，对工程地质性能差的填方区进行强夯加固处理，改善地基性能后，与天然岩层联合作为轻型建筑的浅基础持力层，经基础沉降调节，建筑基础沉降(沉降量、沉降差)，均可控制在规范允许范围内，并与桩基方案相比较具有良好的经济效益。在技术上可行，且经济合理，可供类似工程基础设计参考与借鉴。

1 工程实例

1.1 工程概况

本工程位于漳州市漳浦县官浔镇某养猪场，工程场地属剥蚀残山地貌，原为山凹地。四面环山，地势总体呈西高东低，整个建设场地由人工削坡回填平整而成，总用地面积约5.33 hm2，拟建养猪场育肥舍、保育舍、淋浴消毒间等十多栋单层建筑物。

本文选择其中1栋具代表性、其地基不均匀具典型性的育肥舍作为工程实例。拟建育肥舍1层，建筑高度5.6 m，长68.5 m×宽36.2 m，为钢筋混凝土框架结构，柱距6.0 m～7.7 m，单柱荷载211.2 kN～658.0 kN。拟建位置位于养猪场场地的西侧，正好处在场地削方、填方过渡段。受原地形的影响，育肥舍西端为削方区，碎块状强风化及中风化岩层直接出露地表，向东逐步过渡到填方区，填土层厚度逐步变厚。靠东端的填土层厚度最大，一般厚度6 m～8 m，无临空面，下卧层为碎块状强风化岩层。场地由西向东，出露地表的岩土层依次为中风化花岗岩层③、碎块状强风化花岗岩层②和素填土层①。素填土层①为新近回填土，以原山体削挖出来的坡残积砂质黏性土及风化岩回填为主，约含10%～30%碎块石等硬质物，碎块石粒径一般约5 cm～25 cm。该土层回填时未经分层碾压夯实，呈松散状态，土层性质很不均匀。据该工程勘察期的浅层平板载荷试验数据，素填土层①的地基承载力特征值60 kPa～85 kPa，换算的压缩模量3.0 MPa～4.3 MPa。场地地下水位埋深约4 m～6 m。场地典型工程地质剖面图如图1所示，各岩土层相关参数如表1所示。

图1 典型工程地质剖面图

表1 岩土层参数

1.2 基础选型

本工程为单层轻型建筑，具备荷载小而占地面积大的特点。若采用桩基础方案，工程造价相对较高，经济合理性差，宜考虑采用浅基础方案。

场地西端表层的碎块状强风化花岗岩层②和中风化花岗岩层③具有高承载力、低压缩性，且直接出露地表，无软弱下卧层，是良好的天然浅基础持力层。但场地东端表层的素填土层①为新近回填土，回填时未经密实处理，结构松散，强度低，属工程地质性能差的高压缩性土。此外，除了素填土层①自身的土层性质不均匀，与碎块状强风化花岗岩层②以及中风化花岗岩层③综合比较，场地内岩土层间的差异性更大，地基不均匀性更为凸显，为不均匀二级地基。故本工程若采用浅基础方案，应对场地表层的素填土层①进行加固处理。一方面是要提高素填土层①的地基承载力，另一方面是要降低其压缩性，尽量缩小与场地西端风化岩层的差异性，最大限度减小基础不均匀沉降，以便于基础沉降调节控制。

综合各类地基处理工艺、场地条件、基础造价等因素，本工程选择对场地表层的素填土层①进行强夯加固处理，有效提高其地基承载力并降低其压缩性、改善地基性能后，与场地西端的碎块状强风化花岗岩层②以及中风化花岗岩层③联合作为拟建育肥舍的浅基础持力层。基础采用钢筋混凝土独立基础，基础埋深取1.5 m。

1.3 地基加固设计

基础施工前，本养猪场在场地内具代表性的填方区选取2个30 m×30 m试夯区，经试夯前、后检验数据对比可知，试夯区地基加固效果明显。试夯确定的各项参数，作为本养猪场整个场地强夯的设计依据。

依据试夯确定的参数及规范[1]，以及兼顾强夯费用节支。本工程按各区域的填土层厚度，有针对性地选用不同的点夯夯击能E。拟建育肥舍靠西侧的填土层厚度约1 m～3 m,点夯夯击能选用1000 kN·m；育肥舍东端的填土层厚度约8 m,点夯夯击能选用6000 kN·m；两端中间段的点夯夯击能按填土层厚度进行内插取值，即填土层厚度每增加1 m,点夯夯击能增加1000 kN·m。夯点按7 m×7 m正方形布置，点夯二遍，第二遍的夯点布于第一遍夯点中间，每夯点5击，点夯夯击能E<4000 kN·m的最后2击平均夯沉量不大于5 cm，点夯夯击能E介于4000～6000 kN·m之间的最后2击平均夯沉量不大于10 cm。点夯后，整个场地以低能量进行满夯二遍，满夯夯击能采用2000 kN·m，每夯点2击，锤印搭接1/4。每两遍夯击之间的间隔时间为3 d，强夯处理范围每边超出基础外边缘5 m。夯点布置示意图如图2所示。

强夯施工基本步骤：定位放线、平整场地、标出第一遍夯点位置、测量高程→第一遍点夯施工→就地推平夯坑、测量场地高程→第二遍夯点施工→就地推平夯坑→第一遍满夯→第二遍满夯。夯坑周围地面不应发生过大隆起，夯坑不宜过深，必要时应对施工能级及击数根据实际施工情况进行一定调整。要求强夯处理后的素填土层①地基承载力特征值不小于120 kPa，压缩模量Es不小于6 MPa，以现场静载荷试验及重型圆锥动力触探试验确定。

图2 夯点布置示意图

1.4 基础平面布置

图3 基础平面布置图

1.5 浅基与桩基造价对比

本文依据工程建设期间的漳浦县材料综合价格及福建省机械台班费，分别进行浅基方案、桩基方案的基础造价估算。拟建育肥舍采用强夯地基浅基础方案，66个独立基础造价加上场地的强夯费用，预估育肥舍基础总造价约19.6万元(经竣工结算，基础实际总造价19.32万元)。拟建育肥舍填方区48个框架柱，若采用冲孔灌注桩基础方案，以中风化花岗岩层③作为桩端持力层，单柱单桩，桩径ф800 mm，单桩桩长约6 m～10 m，总桩长约400 m，加上桩基承台造价以及削方区18个独立基础造价，预估育肥舍基础总造价约49.6万元。

对比发现，拟建育肥舍采用强夯地基浅基础方案比采用桩基础方案的基础造价节省约30万元。延展到整个工程项目，预估基础造价可节省约350万元，经济效益十分明显。

1.6 地基验算

本文以拟建育肥舍在填方区具一定代表性的⑨轴交E轴的柱下独立基础DJ02为例，进行地基承载力验算、基础沉降变形验算等。DJ02独立基础底面边长b=l=2.7 m。根据规范[2]，强夯加固并经深度修正后的素填土层①地基承载力特征值fa=137.5 kPa，碎块状强风化岩层及中风化岩层的地基承载力特征值不修正。

1.6.1 承载力验算

由结构设计软件计算，标准组合时上部结构传至DJ02独立基础顶面的竖向力Fk=652.2 kN，基础自重及基础上的土重Gk=218.7 kN，作用于基础底面的力矩值Mkx=16.8 kN·m，Mky=5.1 kN·m。

(3)依照以上方法，对育肥舍全部66个独立基础进行承载力验算，地基承载力均满足规范[2]要求。

1.6.2 基础沉降变形验算

表2 沉降量计算过程表

依照以上方法，并考虑刚性下卧层对上覆土层的变形增大系数βgz后，计算育肥舍全部66个独立基础的地基最终沉降变形量为0 mm～40.4 mm，满足柱基沉降量不大于120 mm的要求。另外，育肥舍柱距6.0 m～7.7 m，要求相邻柱基的基础沉降差不大于12.0 mm～15.4 mm。场地西端①轴的6个独立基础位于中风化花岗岩层③中，中风化岩层视为不可压缩层，地基最终沉降变形量为0 mm。②轴、③轴的12个独立基础位于碎块状强风化花岗岩层②中，地基最终沉降变形量为2.8 mm～7.9 mm。④轴～轴的48个独立基础的地基最终沉降变形量为18.6 mm～40.4 mm，由④轴向东至轴，场地填土层厚度逐步变厚，地基最终沉降变形量也相对逐步增大。66个独立基础经逐个核对，相邻柱基的沉降差均满足规范[2]要求。同时，在①轴～③轴强度高的持力层上铺垫一定厚度的褥垫层，在基础持力层差异较大的③轴、④轴之间设置后浇带等构造措施，相邻柱基的沉降差得到进一步改善。

2 现场检测

2.1 重型圆锥动力触探试验

根据强夯地基土层性质，无法采取原状土样进行室内土工试验，因此，本工程选用重型圆锥动力触探试验(简称“动探”)方法，进行强夯地基的均匀性及承载力检验，并进行强夯前后对比。强夯前对比点和强夯后检验点数量均按每400 m2不少于1个的要求，在场地内随机均匀布置。

拟建育肥舍强夯处理面积约3000 m2，共布置强夯前对比点8个、强夯后检验点8个，分别进行动探检验，检验深度为基础底面以下至填土层底。每贯入10 cm计1次击数，经杆长修正后的动探试验数据对比详见表3。由表3可知，强夯后的地基土动探最小击数增幅达到175%，最大击数也相应程度增大，击数极差及变异系数均有一定程度减小，击数标准值增幅达到114%。说明地基土内部薄弱部位得到明显补强，均匀性得到较大程度改善，地基土强度得到明显提高。

依据地质手册[3]查表可知，强夯后的地基土承载力特征值不小于160 kPa，压缩模量不小于6.5 MPa，满足地基加固设计要求。

表3 动探试验数据对比表

2.2 浅层平板载荷试验

地基强夯完成后，该工程采用浅层平板载荷试验方法进行强夯地基承载力检验，并计算变形模量。检验点数量每个建筑地基不少于3个，在场地内选择代表性位置相对均匀布置，试验位置位于基础底面标高处。

拟建育肥舍在强夯处理范围内共布置3个浅层平板载荷试验检验点，方形承压板尺寸1.0 m×1.0 m，承压板面积1.0 m2，最大试验荷载加至240 kPa，分8级加载，每级加载量30 kPa，试验成果数据及变形模量如表4所示。3个载荷试验的p-s曲线均为缓变曲线，典型p-s曲线如图4所示，地基承载力特征值取最大试验荷载的一半，即取120 kPa。

表4 载荷试验成果

图4 载荷试验p-s曲线(S3点)

由此可见，强夯后的地基土承载力特征值不小于120 kPa，且根据变形模量与压缩模量的关系[4]计算土的压缩模量Es=7.7～10.1 MPa>6.0 MPa，满足地基加固设计要求。

2.3 沉降观测

该工程在育肥舍四角及沿外墙每隔1根框架柱的柱基上，布置1个沉降观测点，共设置18个沉降观测点。根据施工期及竣工后连续观测，各观测点的总沉降量0.3 mm～35.6 mm，目前已沉降稳定，沉降观测值与设计计算值基本吻合。该养猪场建成后，已使用两年多时间，未见建(构)筑物基础沉降、结构破坏等问题而影响正常使用的情况，目前养猪场运营良好。

3 结语

(1)经现场检测，场地表部素填土层①经强夯处理后的地基承载力特征值由60～85 kPa提高到至少120 kPa，压缩模量由3.0～4.3 MPa提高到至少6.0 MPa。素填土层①的地基性能及其均匀性得到有效改善，地基加固效果明显。

(2)素填土层①经强夯处理后，在一定程度上缩减与场地西端的碎块状强风化花岗岩层②及中风化花岗岩层③之间的差异性。三者联合作为单层育肥舍基础持力层的浅基础方案，经地基强度及沉降变形验算，并经现场检测、监测等手段验证，以及基础造价对比，表明本工程单层育肥舍采用浅基础方案，在技术上可行且经济合理。

(3)强夯法虽在各类工程中得到广泛应用，但每个工程场地的岩土条件各不相同，目前对不同岩土场地，还没有一套成熟且有针对性的强夯加固设计计算方法。在地基强夯处理前，应通过现场试夯确定其在拟处理场地的适用性和处理效果，并确定各项强夯参数。强夯处理后的地基承载力特征值及其均匀性应通过现场静载荷试验、其它原位测试和室内土工试验(若能取原状土样)等方法综合确定和检验。