强夯法在湿陷性黄土填埋场地基处理的应用

张建军 刘 宁

（中国瑞林工程技术股份有限公司）

黄土是一种第四纪沉积物，主要分布于中纬度干旱、半干旱地区［1］。在我国北方地区分布了面大域广的黄土，其中具有湿陷性的黄土面积约为45万km2，占我国黄土总分布面积的60%以上，主要分布在甘肃、青海、陕西、宁夏、山西和河南等省、自治区［2］，湿陷性黄土厚度也从几米到一百多米不等。

我国的湿陷性黄土大多呈黄色、褐黄色或灰黄色，成分以粉土颗粒（粒径为0.005～0.05 mm）为主，约占60%；颗粒中含有较多的可溶性盐类，且一般具有肉眼可见的大孔，所以黄土又俗称大孔土。

1 湿陷性黄土的结构性质

柔性填埋场是填埋固体废弃物的大型堆场，主要由地基层、防渗层、渗滤液收集层和填埋废物组成（图1）。填埋场内的固体废弃物从初始堆存到封场，废物堆高可从十几米到上百米，因此柔性填埋场地基基层需要有较好的稳定性。

湿陷性黄土是一种特殊性质的土，其土质一般较均匀、孔隙发育、结构疏松。一般在未受水浸湿时，其强度高、压缩性小，具有保持土的原始基本单元结构形式不被破坏的能力。但在被水浸湿后结构改变而产生显著的附加下沉，对于建（构）筑在其上的工程具有特殊的危害作用。受水浸湿只是湿陷发生所必须的外部条件，而黄土的结构特性及物质成分是其产生湿陷性的内在原因。

地处干旱、半干旱区域的黄土，在季节性短期雨水过程中，将其松散干燥的颗粒黏聚起来，长时间的干旱使土中的水分不断蒸发，少量的水分连同可溶盐都积聚在粗粉粒的接触点处，并逐渐浓缩沉淀成胶结物。这些因素增强了土粒之间的抗滑移能力，阻止土体的自重压密，形成了以粗颗粒为主体骨架的多孔隙结构。

黄土在受水浸湿以后，可溶盐溶于水，土体骨架强度降低，土体在自重应力或附加应力与自重应力综合作用下，自身结构遭到破坏，土粒之间的孔隙减少，黄土出现湿陷现象。

黄土的湿陷性和湿陷程度通过室内浸水压缩试验，由在一定压力下测定的湿陷系数δs判定，判定标准见表1［3］。

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2 湿陷性黄土地基处理主要方法

湿陷性黄土地基处理的目的是为了改善黄土的性质和结构，减少黄土的渗水性和压缩性，控制湿陷的发生，部分或全部消除它的湿陷性。湿陷性黄土地基处理方式有很多种，常用的处理方式有垫层法、强夯法、土状挤密、预浸水法和桩基处理等。具体的处理方式选择可根据地基湿陷的类型、等级以及结构物要求等条件选用。本项目将重点探讨强夯法处理湿陷性黄土地基。

强夯法又名动力压实法，是将8～40 t的重锤（最重可达200 t）起吊到10～20 m的高处（最大起吊高度可达40 m），而后自由下落，利用重锤的重力势能产生的冲击和振动能量，对土层进行反复的强力夯实，以提高地基承载力，降低土的压缩性和消除其湿陷性，改善地基性能。强夯法处理地基是20世纪60年代末由法国梅那技术公司首创使用的，我国于1978年开始进行强夯法的试验研究和工程实践［4］。强夯法由于具有加固效果显著、施工方便简单、效率高、工期短和投资较低等优点，在全国各地得到了迅速推广。强夯法根据国内使用记录，在锤重力为100～200 kN、自由落下高度为10～20 m，锤击遍数为2遍的情况下，基本可消除4～6 m范围内土层的湿陷性。

3 强夯法主要技术参数和工艺流程

强夯法处理地基是利用夯锤自由下落后产生的冲击波使下部一定深度范围内地基得到有效密实，在夯锤整个自由下落的过程中，也是将重力势能转换成动能的过程。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）和《强夯地基处理技术规程》（CECS 279—2010），强夯法主要设计参数有夯击能、夯击次数、夯击遍数、夯点布置和有效加固深度等。其中有效加固深度是反应强夯效果的重要参数，该参数受诸多因素影响，如锤重、落距、夯击次数、锤底单位压力、地基土性质、不同土层的埋深和地下水位等。强夯法创始人Menard提出以下公式粗估强夯的影响深度H：

式中，M为夯锤质量，t；h为落距，m。

鉴于强夯有效加固深度受诸多因素的影响，目前尚无成熟的设计计算方法，为确定达到预期的强夯处理效果，强夯设计的部分参数需根据现场试夯或实验性的施工获得，并最终确定适合现场土质条件的强夯设计参数。

强夯法的操作工艺流程见图2。

4 工程实例

项目位于兰州市红古区郊区的黄土残塬沟壑中，场地地形地貌属黄土残塬沟壑及黄土山坡台地，该区域具有明显的温带大陆季风气候特征，降水偏少，日照充足，热量比较丰富，蒸发量大，气候干燥，昼夜温差大。场地范围内地层自上而下主要为素填土、马兰黄土、古土壤、离石黄土、强风化泥岩及中风化泥岩，并揭露场地黄土的埋深处于20～50 m。整个场地中马兰黄土层具有湿陷性，其下土层基本不具备湿陷性。场地地基土（粉土）的湿陷等级为自重湿陷性Ⅳ级（很严重），场地的湿陷量类型属于自重湿陷性场地，湿陷性土层下限深度为11.0～53.0 m，湿陷性土层下限深度主要分布于30.5～45.5 m，自重湿陷量为417.0～4 164.6 mm，自重湿陷量主要分布于2 280.0～4 164.6 mm，总湿陷量为906.7～4 956.9 mm，总湿陷量主要分布于1 470.9～4 956.9 mm。

柔性填埋场属于构筑物，消除地基部分湿陷量的最小处理厚度要求可参照配套建筑物的等级要求。根据《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB 50025—2018）［5］中的要求，建筑物地基基底部分湿陷量的最小处理厚度不小于12 m。该项目地基处理面积大、工期短，且地处缺水区域。垫层法一般适用于消除基底下1～3 m湿陷量，处理深度较浅；强夯法根据根据强夯能级，在土层含水量处于13%～18%，最大处理深度一般能达到7.5～8.5 m；土状挤密和桩基一般直接作用于建筑物基础下部，地基处理成本高，不适合大面积范围的柔性填埋场；预浸水法宜用于处理自重湿陷性黄土层厚度大于10 m，且自重湿陷量不小于500 mm的场地，但耗水量大，浸水时间长，不适合工期时间短、地处缺水区域的项目。为提高施工效率，节约施工成本，该柔性填埋场的地基处理方式拟采用强夯法。

为满足规范要求的消除地基部分湿陷量的最小处理厚度要求，拟在该场地选择临近的2块20 m×20 m区域进行强夯试验。在强夯试验前，鉴于现状马兰黄土层天然含水率处于8.0%左右，低于该土层的最优含水率15.1%，试验拟对原状土和最优含水率2个工况下进行强夯试验。在同等夯击能、夯击次数的条件下，对比分析两者处理湿陷性黄土地基的效果，具体强夯参数见表2。

试验区域选择在马兰黄土层平均厚度在30 m深的场地上，试验范围均为20 m×20 m。夯击点间距取决于基础布置、加固土层厚度和土质条件等因素［5］，夯点梅花形布置，夯点中心距离为5 m。试验采用单点强夯，夯坑内进行人工取样，取样深度为7 m，取样结果见图3。

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从图1可以得出：①强夯法处理湿陷性黄土地基效果明显，在地基处理的有效加固深度范围内自重湿陷性系数δs＜0.015，黄土的湿陷性已消除；②在同等夯击能和夯击次数的情况下，地基的有效加固深度受土体的含水率影响很大。

为保证地基湿陷性处理厚度满足规范要求，可采用加高夯击能的方式对地基进行处理。但随着夯击能的提高，强夯设备性能要求更高，施工成本也将大大增加。在综合考虑施工成本、工期和常用设备等因素，可对现状地基面进行开挖一部分，通过对原状土和回填土的2次强夯，实现规范要求的处理深度。该方式处理简便、成本低，但考虑回填土的工后沉降，该方式也有一定的局限性。

考虑强夯的有效加固深度，在处理湿陷性黄土地基中，强夯法更多地应用在有效加固深度满足规范要求处理厚度的工程。对于处理厚度要求更高的地基，则需选择其它的处理方式。同时，针对湿陷性黄土，在地基得到有效处理后，仍需要做好地基的防水，才能保证上部建筑物的安全。

5 结 语

强夯法在处理湿陷性黄土地基中因处理效果明显、施工方便、工期短和造价低等优势在工程中广泛应用。针对不同地域，湿陷性黄土的湿陷程度、湿陷性质、颗粒组成和土体含水率等因素的不同，对强夯设计中相关参数应根据现场试夯结果确定。本次采用的强夯设计和施工技术对湿陷性黄土地基处理，取得了理想的效果，也节省了成本和工期，对于类似工程有较好的参考意义。