以黏土和卵石土为主地基强夯效果试验研究

陈天骄，潘伟 （安徽万纬工程管理有限责任公司，安徽 安庆 246002）

0 前言

含水量较高黏土和卵石土为主的地基土强夯有效加固效果，不仅复杂而且难以控制。现阶段虽对加固效果的影响因素有一定的掌握，但需要进一步探明各影响因素对加固效果的影响程度，尤其是增大含水量、卵石和砾砂含量、不同锤径对承载力和深度的加固效果影响。为此，以实际强夯工程的试验，以及通过规范、理论计算公式加以验证。明确加固效果影响值的理念和数值。同时，对影响效果的主要因素采取强夯技术控制措施。

1 工程概况

1.1 工程场地情况

中国石化安庆800万吨/年炼化一体化工程，工程场地属于沿江剥蚀一堆积阶地地貌类型，场地地势起伏较大。场地地面原高程为23.52～63.40m，高差为39.88m。场地面积约66万㎡，按照挖填方均衡的原则进行场地整平后，在回填区域进行强夯，强夯处理面积约40万㎡。

1.2 土层分布

场地土层分为3层，自上而下为：

1.2.1 新近回填土层

土层开挖回填而成，回填以粉质黏土和卵石土为主，成分包含素填土、粉质黏土、卵石土及泥质砂岩，回填过程中局部土质混合造成填土粒径不连续且成分分布很不均匀。卵石和砾砂含量26%～65%，土层含水量23%～46%。层厚0～13.8m。

1.2.2 老素填土(Q4ml)

棕红色、灰白、深黄等色，稍密～中密，由黏性土、卵石及砾砂组成，以黏性土为主，卵石和砾砂含量15%～35%，局部含少量建筑垃圾。卵石粒径主要为4～5cm，少量7～10cm，次圆～圆形，母岩以石英砂岩为主，强度高，厚度约20cm。土层含水量65%～90%。厚度0～10.3m。

1.2.3 粉质黏土(Q4dl+pl)

褐黄色～黄褐色，硬塑～坚硬，土质不均，含少量砾砂、卵石，稍有光泽，无摇震反应，干强度中等，韧性中等。该层多有分布，部分地段缺失，层厚0～4.9m。

1.3 场地地下水

本场地地下水为孔隙潜水，场地地下水主要以大气降水的垂直入渗及周边区域地下水的径流补给。场地挖填后改变了原有的地下水渗流途径及地下水位的分布。受场地水文地质条件限制，场地地下水稳定水位起伏很大，场地地下水位埋深为0.15～9.10m。

2 试验方案

强夯3000kN·m能级区，选择三个试验区采用不同的施工参数。

试夯施工分四遍进行。第一遍和第二遍的单击夯击能均为3000kN·m，每遍夯击次数以最后两击的平均夯沉量不大于5cm控制，第二遍单击夯的夯点位于4个第一遍夯点的中心位置。第三遍与第四遍为满夯，夯击能级为2000 kN·m，每遍每点两击，夯印搭接1/4。各遍之间的施工间歇期不小于二周，强夯施工结束两周后进行夯后检测。

试验区一。主夯点6m×6m正方形布置，夯锤直径2.5m锤底静压力36kPa，场地表层为老素填土层，回填厚度5.9m。

试验区二。主夯点6m×6m正方形布置，夯锤直径2.5m锤底静压力36kPa，场地表层为新回填土层，回填厚度7.2m。

试验区三。主夯点7.5m×7.5m正方形布置，为避免吸锤，夯锤直径3.2m锤底静压力27.5kPa，场地表层为新回填土层,回填厚度7.0m。

3 方案实施

3.1 夯点击数比较

试验区一与试验区二各夯点最大击数汇总表 表1

试验区一吸锤前最大击数2～4击，夯击过程中易发生吸锤现象且强夯机频繁陷车，行走困难，夯坑周围地面出现较大隆起（20～35cm），最后两击平均夯沉量40cm左右，未达到停夯标准。试验区二夯击过程中强夯机陷车情况较少，第一遍点夯夯击数最大达到20击，通过第一遍点夯发现当夯击数在8～10击左右夯沉量达到最小，因此在第一遍与第二遍点夯过程中夯击数基本控制在8～10击左右，但最后两击夯沉量在9～30cm左右，仍未达到设计要求，吸锤现象偶有发生，但吸锤前的夯击数较高。试验区三基本未出现吸锤现象，两遍单击夯的夯击数在8～15击，最后两击夯沉量均在5cm，达到设计要求。

试验区一场地表层为原状素填土层，土质含水量高且以黏性土为主，是导致吸锤现象频繁发生且击数少的主要原因。试验区二表层土为新回填土，土体含水率、含水量相对较低（不能达到最优含水率），卵石和砾砂含量较大，所以吸锤前夯击数明显提高。试验区三为新回填土，周边排水措施到位，含水量接近最优含水率，卵石和砾砂含量较大，因此基本未发生吸锤现象。

含水量较大土的加固机理是基于动力固结理论。强夯时强大的夯击能破坏土体原本结构，使土体中产生裂隙和发生液化，这些裂隙连通后成为良好的通道，孔隙水就能从通道中排出。随着孔隙水的排出，超孔隙水压力会渐渐消散，土体开始慢慢固结，土体强度得到提高。经过多次夯击，土体重复着前述变化，土体密度、黏聚力和内摩擦角都会增大，所以土体强度得到增大。

被强夯的地基表层的材料性质和含水量对于地基强夯效果至关重要，影响因素较大，尤其对被强夯的地基为细颗粒或含水量较高的土层。本试验项目中，试验区一场地表层含水量是试验二的2～3倍。试验区二场地表层卵石和砾砂含量是试验一的1倍。试验区二最大击数是试验一的2～4倍。

3.2 动探击数比较和影响深度

图1 试验区二夯前动探击数曲线

图2 试验区二夯后动探击数曲线

从图1和图2分析可得，2.8～7.5m范围内动探击数明显提高，从夯前平均4.1击提高到夯后平均6.9击，提高68.3%，加固效果明显。有效加固深度可取7.5m。

图3 试验区三夯前动探击数曲线

图4 试验区三夯后动探击数曲线

从图3和图4分析可得，2.2～7m范围内动探击数明显略有提高但不明显，夯前平均6.0击提高到夯后平均8.0击，提高幅度33.3%，加固效果比较明显，但相对于试验区二提高幅度较小。有效加固深度可取6m。

在同级夯能区，相同的夯击遍数、夯型、夯点布置、夯点间距、填土厚度，强夯的效果受锤底静压力(夯锤直径）影响较大。对比试验区二与试验区三的动探数据，可以看出采用两个试验区均得到比较明显的加固，采用锤底静压力较小的夯锤施工，处理效果相对较好，但有效加固深度相对较小。

在相同能级不同直径夯锤强夯时，对夯锤点近处土体动应力影响较大，锤径小的产生的竖向动应力峰值较小，远处土体动应力影响较小。锤径小可以很好地集中冲击力，小直径夯锤对浅层回填土竖向加固优于大直径夯锤，但水平方向加固范围较小，而大直径夯锤水平方向加固范围较大。

夯锤直径2.5m增大28%至3.2m，锤底静压力36kPa减少23.6%至27.5kPa，有效加固深度减少1.5m。

3.3 承载力特征值

试验区一进行了一组平板载荷试验检测，承载力特征值为85kPa，与夯前无变化。对于含水量较大黏性土在未进行含水量减少的情况下不应采用强夯处理地基。

平板载荷试验检测结果 表2

图5 试验区二频散曲线

图6 试验区三频散曲线

试验区三与试验区二相比，夯锤直径2.5m增大28%至3.2m，锤底静压力36kPa减少23.6%至27.5kPa，承载力特征值提高38.6%。

3.4 瑞利波测试加固效果比较

利用瞬态法的瑞利波测试。从图5及图6可以看出，试验区二波速为100m/s～150m/s,试验区三的面波速度介于150m/s～250m/s之间，回填土层属于松散状态，到老土层后波速逐渐提高，但试验区三的加固效果优于试验区二。

4 理论计算和规范的影响深度与实际比较

太原工学院考虑锤底面积大小影响，提出D=5.1022+0.0008595WH+0.0009361E。试验二区：Z=8.25m,试验三区：Z=8.03m。

试验二、三区D=0.45×17.3=7.78m。

试验二区：Z=6.20m,试验三区：Z=5.19m。

查《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012），强夯的有效加固深度为6m～7m。

五种不同方法的加固影响深度与实际值比较 表3

采用规范经验统计值较为准确，考虑土层颗粒及饱和性因素的加固影响深度比考虑实夯参数因素大。土层含水量较大时，没有考虑含水量影响的公式推算值偏大。土层含水量不大时，宜按L.Menard修改系数法及太原工学院公式进行计算。

5 控制含水量和加垫层技术措施

控制含水量和加垫层对含水量较高的饱和土强夯加固作用明显，是直接效果关键的因素，也是顺利施工的有效措施。针对饱和黏性土，根据场地条件、土层性质、土层厚度、技术要求等情况，应选择至少下列两个综合措施加固强夯效果。

5.1 减少或增加含水量

①有条件时，将地下水位降低至坑底面以下2m，强夯施工邻近区域通过开挖积水坑或积水井，或采用潜水泵抽水将地下水位降低至可能夯坑深度以下。②坑内或场地积水应及时排除，阻止雨水和地表水进入土层。③对于回填土层，含水量高的土料尚应采取钩松、晾晒、风干措施降低含水量；或根据排水径向和面积在回填层底部设置排水盲沟。④插设塑料排水板和埋设软式透水管排水。⑤当地基土的含水量低，影响处理效果时，进行增湿。

5.2 土层上铺置一层垫层

①铺设2.0m或更厚的粗颗粒土层。②铺设1-2m砂石层。③夯坑填砂石置换。④砂石挤密桩置换。

6 结论

强夯有效加固深度是强夯土性条件、施工工艺等诸多因素综合作用的结果。通过试验的验证分析，可以得出以下结论。

对于含水量较大黏性土在未进行含水量减少的情况下不应采用强夯处理地基。

在强夯土层上覆盖一定厚度含水量适中透水性较好的新回填土则可大大改善提高加固效果，被强夯的场地表层的材料性质和含水量对于地基强夯效果影响因素较大。场地表层含水量减少2～3倍，场地表层卵石和砾砂含量增加1倍。吸锤前最大击数增加了2～4倍。

锤的底面直径对强夯加固效果有较大影响。在相同夯击能及满足最后两击夯沉量的情况下，锤底直径越小，锤的贯入度大，有效加固效果较好。锤底直径越大锤的贯入度小，有效加固深度越浅。夯锤直径增大30%，承载力特征值提高了38.6%，但有效加固深度减少了20%。

采用《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）的强夯影响深度较为准确，在选用公式进行推算时，宜考虑各种因素影响。

对于含水量较大的以黏土或卵石夹黏土为主的素填土的地基表层强夯，夯击能相同，其加固效果主要影响的因素依次为含水量、卵石含量、层厚、锤底面积、夯击数、夯击遍数。在制定试验方案前相关因素均应予以考虑。

强夯饱和黏性土层加固效果的必要措施是减少或增加被加固土层的含水量至最佳含水率，在被加固土层上铺置一层垫层。