浅析强夯置换法在软基处理中的应用

张磊 ZHANG Lei

（中交二公局第六工程有限公司，西安 710065）

1 工程概况

本合同段软土路基处理总长490m，主要为软塑粘土、粉质粘土，设计处理措施为清除换填，换填材料为素土和石渣，换填平均深度约为3m，换填面积约31499m2，其中挖除软土91872m3，回填石渣15312m3，回填素土76560m3。

原设计地质情况：根据地勘资料显示，地面表层主要为黏土：黄褐，湿软塑黄褐色、褐色、局部黑褐色，湿，切面光滑，韧性较低。表面杂草较多，含少量有机质土，工程性能差，下伏灰黄色粉质黏土及基岩。

2 原设计情况

此段软基原设计换填3m（其中2.5m素土，0.5m石渣），平均填土高度为11m。

3 现场实地情况

此段路基平均填土高度为11m，此段路基原地表为水稻田，土质为淤泥，常年积水，根据现场查勘情况，本区域表层主要为主要为黏土：黄褐，湿软塑黄褐色、褐色、局部黑褐色，湿，切面光滑，韧性较低。根据现场钻孔取样资料，此段淤泥厚度为1.8～4m不等，且此段常水位较高，换填2.5m素土后长期受地下水浸泡，路基整体稳定性较差，经与业主、设计、监理单位现场查勘，会商结果为此段落内软基处理采用强夯置换方案。

4 强夯置换方案

4.1 强夯置换简述

强夯方式：整体式强夯置换，主要是采用强夯机将片石整体打入软基中，其原理相当于整体换填。

4.1.1 加强深度

强夯的加强深度没有具体的规定，可认为：经强夯处理后，地基强度、变形等参数满足设计要求规定范围。根据CECS 279-2010《强夯地基处理技术规程》，强夯的加强深度可按照下式进行预估：

式中：

H——有效加固深度（m）；

M——夯锤重（t）；

h——落距（m）；

α——系数，须根据所处理地基土的性质而定，对软土可取0.5，对黄土可取0.34～0.50。

因强夯的加固效果影响因素较多，因此，强夯的加固深度应根据现场试验确定。在试验前，根据CECS 279-2010《强夯地基处理技术规程》，可根据表1进行预估。

表1 强夯有效加固深度表

4.1.2 夯锤和落距

单击夯击对粗粒土可取1000～3000kN·m/m2，对细粒土可取1500～4000kN·m/m2，一般采用的落距是8～25m。

4.2 施工方案

根据地质资料及夯击区土样，根据经验及计算资料，初步确定施工参数，具体如下：

强夯初步方案：平均填筑片石3m厚，先进行主夯、然后副夯、最后满夯一整套工艺。在施工完一遍夯击后，软土层厚度低的地方不再填补片石，软土层厚度高的地方再补充片石，填补片石完成后再进行整平碾压。主夯和副夯夯击能量均采用1600kN·m，满夯夯击能量采用800kN·m，夯击次数由实际夯击次数与夯沉量关系而定，最后两击平均夯沉量小于5cm。夯击点按照正三角形布置，处理宽度至路堤坡脚外3m处，主、副夯夯点间距为6m，满夯重叠1/4夯锤面积。

图1 主、副夯夯点间距

4.2.1 加强深度

主夯、副夯加强深度：

其中，软土地基a取值为0.5m，夯锤重16T，夯点间距为9.5m。

根据地勘资料，此段软基下地基承载力1.5～5.5m以下均能满足设计要求，强夯处理对此段路基进行加强。根据钻探资料，软土地基下地质情况较好，可以作为持力层。

满夯有效加固深度：

其中，软土地基a取值为0.5m，夯锤重16T，夯点间距为5.0m。

4.2.2 夯点间距计算

主夯与副夯中的距离按照夯锤直径的3倍控制，夯锤直径为2.6m，夯点间距为6m满足要求，正三角形布置，主、副夯夯点呈梅花形布置，能够有效对地基进行加固，满夯重叠1/4夯锤面积。

4.2.3 强夯施工线路

夯击时顺序为先夯击中间部位，再夯击两侧部位，这样可使软基向两侧挤压，可及早消散、及早板结，提高夯后质量。

图2 强夯施工夯击顺序路线图

4.2.4 夯沉量测设

为准确得知夯沉量，反映夯沉量与夯击次数等曲线关系，需测量前后夯击产生的沉降差，每夯击一次测量一次数据，在夯击次数完成后，再测量一段时间数据，然后对测量数据进行分析，看强夯后是否存在上拱现象。

图3 强夯后高程变化表

根据以上数据强夯后1-3d因应力释放有小的起拱，但整体不大，且观测15d内数据较为稳定，因此，在强夯后7d左右便可进行下一步施工作业。为确保应力消散，主、副夯完成后时间间隔7d后方可进行满夯施工。

图4 标高变化趋势线

沉降差测量时为避免强夯震动影响观测精确度，在测量时水准仪架设在距离夯击点约80～100m处。

4.3 强夯（主夯）效果

根据设计图纸，此段路基填筑片石厚度3m，根据图纸要求，最后两此夯击完成后沉降差小于5cm。根据现场实测数据，主夯、副夯夯击12～15次后可达到最后两击沉降差小于5cm的要求，满夯夯击6～8下能达到沉降差小于5cm的要求。经测量夯坑平均深度为1.7m。

从现场实测数据中选取3组数据进行分析，从数据分析得，夯击每次沉降差都在减小，在夯击12～15次后沉降差满足要求，可夯击密实。

图5 单次夯击沉降关系图

4.4 沉降及位移观测方案

图6 总沉降差与夯击次数图

为保证软基处理地基稳定性，在路基填筑过程中需进行沉降观测及位移观测，沉降观测点埋置在软基较厚地方，位移观测点埋置在强夯区域外1m处。在路基填土过程中每3d进行一次观测，在填筑完成后每7d进行一次观测，根据实测数据进行稳定性分析。

沉降观测点及位移观测点按以下标准进行设置：

①观测断面：沉降板1块，位移边桩2根，布置于全软基路段。每隔50m一个观测断面。

②观测频率：施工期间每三天观测1次。路基填筑完成后，第一个月1周1次，2～3个月内2周观测一次，3个月后每月观测一次，半年后每月观测一次，完成后交验后停止观测。（图7）

图7 沉降观测断面及平面布置图

沉降观测：沉降观测板在软基处理后，路基填筑前埋设完毕。沉降板底座采用50cm×50cm×0.5cm的钢板，测杆为钢管，最底部的测杆与沉降板焊为一体。套管为直径较大的钢管（防止挤压变形），路基高程不断升高，测杆与套管需不断接长，每节长度一般为100cm，为预防施工过程中机械碰撞，在套管外面贴反光标志，以做警戒。埋设时，沉降板底槽平整，其下铺设砂垫层。

位移观测：位移边桩在软基处理前埋设完毕，位移桩采用钢筋制作，长度不小于1.0m，直径为2cm，桩顶克十字丝用作对中，开挖埋设深度不小于0.9m，四周用混凝土浇筑固定。位移观测点布置于强夯区域外1m处。

5 承载力计算

5.1 路堤自重应力情况

根据路基荷载应力分布情况，路基整体荷载在强夯顶面处的应力为：根据《路桥施工计算手册》（人民交通出版社，周水兴、何兆益、邹毅松等编著，2001.5出版），地基内任一深度Z对应点M处的垂直应力σz是由地基的自重和路堤荷载组成。

γ—土的有效重量，kN/m3；

σ′z—路堤填土荷载在深度Z处产生的附加应力，kPa；

取Z=0，即强夯顶面处应力深度；

K—应力系数；

q—填土荷载，等于填土的重量与填土高度乘积；

根据土的性质及查表可知，γ=18.7kN/m3，应力系数K取值0.5，路堤填土高度h=11m；

图8 地基中任意点垂直应力图

5.2 强夯作用后地基承载力情况

软土地基在强夯置换后承载能力整体提高，参考《强夯作用下地基承载力的预测研究》（天津市津勘岩土工程有限公司，高梓旺，2012），对强夯后地基承载力进行计算：

式中，P为强夯后地基承载力，kPa；N为点夯击数；W为点夯击能，kN·m；

N取值14，W取值1500kN·m

路基应力σ=205.7kPa＜P=341.8kPa，强夯后地基承载力满足要求。

6 结束语

通过强夯置换整个施工过程，我项目软基处理采用强夯置换施工工艺满足设计和施工要求，适应与我合同段现场实际情况，能够安全、连续、高效的完成软基处理，按照以上施工工艺，完全可以满足设计施工要求，并做到外美内实，此工艺在类似项目中可大力推广指导软基施工。