强夯作用下吹填软土地基的现场试验及数值模拟

刘俊慧

（广州博昊勘测技术有限公司，广东 广州）

工程建设中经常会遇到软土、冻土、湿陷性黄土等不良地质，如果处理不到位会发生地基不均匀沉降现象，对建筑工程的结构稳定和质量安全构成严重破坏。现阶段常用的软土地基加固处理方法有多种，如强夯法、换填法、CFG 桩法等。对比来看，强夯法具有操作简单、成本较低、适用范围广、加固效果好等优势，在吹填软土地基加固中应用广泛。在应用该方法进行软土地基加固时，应根据现场情况进行试验，确定最佳的夯击次数、夯击能量，科学布置夯点位置，从而达到理想的夯击加固效果。

1 工程概况

拟建厂房位于滨海地带，地势低洼平摊，软土地基面积75 114 m2。结合前期地质勘察结果，该地区属于第四纪黄河三角洲冲积平原，地层自上而下分为5层，分别是素填土、粉土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉砂。地下水稳定水位埋深1.58～2.04 m，属于第四系潜水。考虑到该地区软土承载能力差、软基分布面积大，为保证厂房建筑的稳定与安全，必须采取软基加固措施。加固方法选择强夯法，经过强夯处理后地基承载力应不低于130 kPa。

2 强夯作用下吹填软土地基的现场试验

2.1 试验方法

本文设计的强夯处理方案为3 遍点夯与1 遍满夯。点夯时，夯点为四边形布置，相邻2 个夯点之间的距离为6.0 m，第1 遍点夯的顺序如图1 中1、2、3；第2 遍点夯的顺序如图1 中的A、B、C；第3 遍点夯的顺序如图1 中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。测试内容包括地表沉降、水平位移、孔隙水压力、地下水位4 项，各项测试的测点布置情况见图1。

图1 测试原件平面布置图

2.2 测试内容

（1） 使用精密水准仪测量单点强夯时夯点周围土体的地表垂直沉降值，同时记录每遍施工强夯施工结束后地表沉降变化，测量结果精确到1 mm；（2）使用测斜仪测量地下某个深度的地层水平位移，据此分析不同夯击能量下土体的侧向挤出效应。选用BF5515 型测斜仪，分辨率0.05 mm/m，测量范围-15°～30°；（3） 在夯击点下方一定深度布置ZX-15 型振弦式压力传感器，测定孔隙水压力[1]。传感器与测斜管的径向距离为4.0 m，分辨率为0.1 Hz，计算精度0.1 kPa。

2.3 测试结果与分析

2.3.1 地表沉降

在地表沉降测试中，夯坑沉降量与夯击次数之间的关系曲线如图2 所示。

图2 第1 遍点夯时夯坑沉降量与夯击次数的关系曲线

结合图2 可知，在第1 遍点夯时随着夯击次数的增加，夯坑沉降量也呈现出上升趋势，并且两者之间表现为较好的线性关系。以夯点D 为例，在夯击1 次后沉降量为33.7 cm，在夯击3 次后累积沉降量为51.1 cm。横向对比第1、2、3 遍点夯时的夯击沉降量随夯击次数的变化曲线，可以发现变化规律基本一致，但是随着点夯次数的增加，夯坑沉降量也相应上升，但是上升幅度有减小趋势。这一测试数据表明随着强夯遍数的增加，软土地基的固结效果得到了改善[2]。

2.3.2 地层水平位移

在地层水平位移测试中，以强夯作用点作为中心，向四周布置4 根测斜管，用于检测地层的水平位移数据。为了探明不同强夯能量对地层水平位移的影响，测试中分别设计了3 种强夯能量，第1 区为100 kN·m，第2 区为2 000 kN·m，第3 区为3 000 kN·m。不同强夯能量下水平位移随深度的变化曲线如图3 所示。

图3 不同强夯能量下地层水平位移随深度的变化曲线

结合图3，从整体上看随着深度的增加，地层水平位移量呈现出减小趋势，这与测试区的岩土结构有关。浅层的素填土和淤泥质粉质粘土的孔隙率大、流动性强，在受到强夯荷载作用后更容易被压缩，因此水平位移更加明显；深层的粉砂硬度较高，在受到强夯荷载作用后压缩效果不明显，水平位移量较小[3]。横向对比来看，强夯能量越大的情况下，同一深度的地层水平位移也越明显。

2.3.3 孔隙水压力

强夯荷载作用下，不同深度土层孔隙水压力的分布特征见表1。

表1 孔隙水压力随深度的变化规律（单位：kPa）

由表1 可知，本次测试中分别设计了3 种强夯作用点距离分别为0 m、2.75 m、5.5 m。测试数据表明，同一距离下的空隙水压力，会随着测点深度的增加呈现出先增加、后减小的变化趋势。以距离强夯作用点5.5 m 的测试点为例，在土层深度小于4 m 时，随着深度的增加孔隙水压力也相应上升，在深度为4m 时达到最大值，为13.7 kPa；当土层深度超过4 m 后，深度继续增加，孔隙水压力降低，并且在深度达到12 m时降低为0.6 kPa，这一数值变化与强夯荷载作用下土体竖向应力的分布规律一致。横向对比来看，强夯作用点距离越小，孔隙水压力的变化越明显，说明适当缩短强夯作用点的距离能够改善强夯加固效果。

3 强夯作用下吹填软土地基的数值模拟

3.1 模型的构建

FLAC 3D 是岩土工程领域的一款专业三维分析软件，可以对岩石、土质等材料的三维力学性能展开仿真模拟和计算分析。本文选择FLAC 3D 软件构建数值计算模型，并分析土体地表位移变化情况。结合工程实践可知，强夯加固软土地基时，自由下落的重锤在接触软土地基时会向地基土体施加瞬间、巨大的冲击能量，使土体内部孔隙减少，达到压实挤密、提高承载力的效果[4]。本文构建的模型为50 m×50 m×25 m 的长方体，经过网格划分后共有124 000 个单元，并对模型做如下假设：（1） 数值模拟过程中只考虑重力影响；（2） 软土地基为均质各向同性的半无限空间体；（3） 夯锤为刚体，且夯击时夯锤底部始终保持水平。

3.2 土层参数与计算参数的选择

如前文所述，该区域地层自上而下分为5 层，选择具有代表性的第2 和第3 层作为模拟对象。土层2为粉土，土质较均匀，含云母及氧化铁，厚度1.51～3.35 m，平均压缩模量3.03 MPa，标准贯入试验击数平均值为4.2（击/39 cm）；土层3 为淤泥质粉质粘土，夹薄层粉土，干强度中等，厚度3.11～3.85 m，平均压缩模量3.41 MPa，标准贯入试验击数平均值为2.9（击/30 cm）。土层参数见表2。

表2 土层参数

计算参数方面，强夯冲击能设定为2 000 kN·m，夯锤直径为2.4 m，强夯载荷周期为0.05 s，最大接触应力为3/6 MPa。

3.3 边界条件的设定

强夯加固的目的是让软土地基产生不能恢复的塑性变形。当土体受到较大的冲击荷载后，如果达到土体的屈服应力会使土体进入塑性状态；通过继续增加冲击次数，塑性范围会以夯击点为中心向周围扩展，形成塑性区。塑性区的最大深度即为强夯加固深度。在数字模拟中，设定边界条件如下：夯锤为扁平状刚体，半径为d，重量为m，自由下落高度为h，夯锤落地时瞬时速度为v。则夯锤向软土地基施加的载荷（P）可通过下式求得：

3.4 数值模拟结果

观察强夯荷载作用结束后地基表面沉降云图可以发现，形成了以夯击点为圆形的规则圆形，圆心处地基表面位移最明显，达到了64.6 cm；从圆心向外扩展，地基表面位移逐渐减小，至距离圆形4.7 m 处，地基表面位移无明显变化。在数值模拟中，通过调整夯锤作用时间，探究土体位移随深度的变化情况[5]。分别设定了3 种夯锤作用时间，分别是0.025 s、0.035 s、0.045 s，土体位移与深度的对应关系见表3。

表3 土体位移随深度的变化（单位：mm）

由表3 统计数据可以看出，在同一夯锤作用时间内，土体位移随着土层深度的增加而减小；横向对比来看，夯锤作用时间越长，同一深度下土体位移变化量越大，说明夯击加固效果越好。在地表下7 m 处，土体位移缩小到1 m 以内，强夯对软土地基的加固效果可以忽略不计。由此可得，吹填软土地基上采取强夯法进行地基加固时，对于7 m 以内软土地基的加固效果较好。

4 结论

在常用的吹填软土地基加固方法中，强夯法利用重锤从高空自由落体产生的冲击能量，改变了软土的物理性质，达到了降低软土含水率和孔隙率，提高软土地基承载力与密实度的效果。在应用该方法时，应开展现场试验确定强夯作业的各项参数，为软土加固施工提供技术指导，从而以较低成本达到更好的加固效果。