预成孔置换强夯法在软土地基中的试验研究

赵永祥，刘 波，高玉杰，王 智

(1.中交一公局集团有限公司，北京 100024； 2.中化岩土集团股份有限公司，北京 102600； 3.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007； 4.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222)

1 研究背景

强夯置换法是一种常用的地基处理方法，适用于高饱和度的粉土与软塑-流塑的黏性土地基上对变形要求不严格的工程[1]。在工程应用中，起重机械将柱锤提升至一定高度后自由落下，通过柱锤将碎石等挤压入地基，以形成置换体，并与原地基共同作用，从而形成复合地基。

强夯法适用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基[1]。近年来，随着我国机械制造能力的提升，强夯能级有了大幅提高，目前最大能级达到18 000 kN·m(试验能级达到25 000 kN·m)，有效加固深度得到大幅提升。高能级强夯在开山造陆、山区高填方、大厚度湿陷性黄土等场地得到广泛应用。

水伟厚[2]提出了强夯置换区别于强夯的4个条件，并对强夯置换墩长度进行了实测。宜庐峻等[3]进行了强夯置换法与动力固结排水法的对比试验，得出了覆盖层较薄且下部分布软土层时宜采用动力固结排水法的结论。徐玉胜[4]对比了夯击能、锤径、垫层厚度等参数对置换深度的影响程度。马永峰[5]进行了不同能级强夯置换现场对比试验。从施工工艺特点来看，强夯置换法存在置换能级低、地基处理深度小、置换墩不能着底、工后沉降大等缺点，导致强夯置换法的应用受到较大限制[6-9]。强夯法采用平锤施工，具有施工能级高、有效加固深度大的优点，但在软土地基中应用效果不佳[10-12]。

综合分析两种方法的优缺点，在国内首次采用了预成孔置换强夯法，该方法采用预先成孔，再在孔内填满石料，最后在地面进行平锤高能级强夯，通过高能级强夯作用将填料挤密。该方法通过预先成孔，有效解决了强夯置换法置换墩不着底、工后沉降大的问题；通过采用平锤高能级强夯，大幅提高了地基处理深度。该方法在青岛海业摩科瑞油品罐区工程中得到成功应用。

2 工程概述

青岛海业摩科瑞油品罐区工程距离海岸线约500 m，库区场地总面积约47万m2，包括3个20 000 m3储罐、24个100 000 m3储罐及相应的辅建配套区。根据上部建构筑物情况，要求处理后的场地：100 000 m3储罐区地基承载力特征值≥280 kPa，变形模量≥25 MPa；20 000 m3储罐区地基承载力特征值≥250 kPa，变形模量≥25 MPa。

3 场地地质条件

拟建场地地貌单元属海岸带地貌，场地典型区域为大面积回填海域区，地势低，地形较平坦，该场地原为海水养殖塘，后进行了人工回填，但局部仍然可见未回填的养殖塘。场地覆盖层依次为人工回填土，残积、海相沉积成因的淤泥质黏土混砂层。地下水埋深2 m。地层依自上而下顺序分层如下。

⑤花岗岩(k1)：花岗岩层厚度较大，连续分部，局部可见风化程度不等的黑云母变粒岩。按花岗岩不同的风化程度可以细分为1、2、3亚层。图1为典型工程地质剖面图。

图1 典型地质剖面图Fig.1 Typical geological profile

4 可行性试验研究

4.1 试验区的设置

为对比施工效果，在场地内共进行了4组对比试验，分别为A1试验区(柱锤强夯置换试验区)、A2试验区(预成孔填料柱锤强夯置换试验区)、A3试验区(平锤强夯置换试验区)、A4试验区(预成孔填料平锤强夯置换试验区)。A1、A2试验区均采用工程中常用的柱锤进行施工，锤径为1.2 m；A3、A4试验区采用平锤施工，锤径为2.5 m。试验区尺寸均为24 m×24 m。

经过强夯试验发现，A1、A3试验区采用柱锤/平锤强夯置换，完全依靠柱锤/平锤下落冲击填料，使填料逐步向下从而完成松散与软土层的置换，夯后动力触探试验结果表明置换墩体着底不良。A2、A4试验区处理效果较理想，置换墩均与底部岩体良好接触。受篇幅所限，本文仅对预成孔填料平锤强夯置换试验区(A4试验区)的施工及检测结果进行分析。

4.2 试验参数

根据场地地质条件、主夯夯击能及需达到的有效加固深度，将强夯分5遍进行施工。第1—第4遍均为点夯，第1遍夯点按正方形进行布置，夯点间距8 m，第2遍夯点位于第1遍点正方形中心，第3、第4遍夯点位于第1、第2遍点间，点夯能级为12 000 kN·m。收锤标准：最后两击平均夯沉量不应超过25 cm，且击数至少25击。第5遍为满夯，每点夯2击，锤印搭接宽度≥1/4锤径，夯击能为1 500 kN·m。试验过程中进行孔隙水压力监测，根据试验时孔隙水压力消散情况确定两遍点夯之间的间歇时间，一般为7 d。试验区的夯点布置见图2，试验过程具体施工参数见表1。

图2 夯点平面布置Fig.2 Plan arrangement of drop points

表1 试验参数

4.3 施工工艺流程

预成孔置换强夯法施工流程如下：场地整平→测放孔位→振动沉管→成孔机械就位→成孔→孔内填料→振动拔管→场地整平→测放夯点→点夯施工→满夯施工→场地整平[13]。

在试验区夯点点位预先成孔，成孔深度应达到持力层顶面，本次试验成孔深度约为8.0 m。孔内填料最大粒径≤400 mm，且粒径>300 mm的石料含量不超过30%，含泥量不超过5%，石料级配良好。

5 夯后效果检验

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)[1]要求，在强夯置换施工完成28 d后进行夯后检测。夯后检测采用平板载荷试验和重型动力触探试验两种检测手段，从不同角度对场地夯后效果进行检验，对地基加固效果进行综合分析评价，现分别叙述如下。

5.1 平板载荷试验

平板载荷试验(Plate Loading Test，PLT)是在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载，进而获得地基土的压力与变形特性的原位测试方法。它反映承压板下1.5～2.0倍承压板直径或宽度范围内地基土的强度、变形的综合特性[14]。

本次地基承载力检测分别对置换墩与墩间土进行平板载荷试验，共3组6个检测点。置换墩平板载荷试验承压板面积应等于置换墩截面积，墩间土平板载荷试验承压板面积为2 m2。要求置换墩的承载力特征值应达到500 kPa，墩间土承载力特征值应达到150 kPa，最大试验荷载应不小于设计承载力特征值的2倍。然后根据公式，把置换墩、墩间土的承载力特征值转换为复合地基承载力特征值，即

fspk=[1+m(n-1)]fsk。

(1)

式中：fspk为复合地基承载力特征值(kPa)；m为面积置换率；n为复合地基桩土应力比；fsk为处理后桩间土承载力特征值(kPa)。

置换墩及墩间土试验检测结果见图3。所有平板载荷试验最终结果见表2。

图3 载荷试验p-s曲线Fig.3 Curves of p-s of static load test

表2 载荷试验检测结果

由图3可以看出，置换墩、墩间土载荷试验曲线均为缓变型，承载力满足设计要求。试验过程中，置换墩、墩间土的最大加载量虽然达到了设计承载力特征值的两倍，但尚未达到极限荷载，地基的极限承载力高于或远高于上述承载力特征值的两倍。复合地基承载力达到280 kPa。

5.2 重型动力触探试验

圆锥动力触探(Dymamic Penetration Test，DPT)是通过落锤击打探杆，从而将与探杆相连接的探头打入土中，根据探头贯入土中的难易程度来测求土的工程性质的一种试验方法。

本次试验在夯前与夯后分别随机选取了3个点进行重型动力触探试验。然后根据试验的动探击数绘制出动探点夯前及夯后的动探击数曲线，图4为获得的典型重锤动力触探试验曲线。从图4可以看出：采用预成孔置换强夯法施工的试验区石料触底情况良好，碎石墩体密实，施工区域有效加固深度范围内夯后动探击数较夯前均有显著提高，土体得到了明显加强。

图4 重型动力触探试验曲线Fig.4 Curves of heavy dynamic penetration test

统计重型动力触探试验击数平均值如表3所示，从表中可以看出，在预成孔置换强夯法处理深度范围内，试验区夯前动探击数大部分在4.0～6.0击之间，夯后动探击数均有大幅提高，最小击数为17.5击，大部分在20击以上，绝大部分较夯前提高了260%以上，并且加固深度达到基岩，证明着底情况良好。

表3 置换强夯前后重型动力触探结果

6 储罐基础充水试验

平板载荷试验、动力触探试验结果表明，采用预成孔置换强夯法进行软土地基处理是可行的。随之采用该方法在场地内进行了大面积施工，在油罐基础及罐体安装完成后对储油罐进行了充水试验。

我国常见的原油储罐通常有10 000、20 000、30 000、50 000、100 000 m3几种规格，其对应的罐体直径分别为28.5、40.0、46.0、60.0、80.0 m。本项目原油储罐均为100 000 m3浮顶罐，罐体直径D为80.0 m，罐体高度为21.8 m，充水高度为20.2 m，基础底面压力约为250 kPa，罐体对基础的不均匀沉降敏感。根据《钢制储罐地基基础设计规范》(GB 50473—2008)[15]：在储罐充水预压和投产使用期间，应对储罐技术的地基变形进行观测。本储罐基础最大沉降量不应>280 mm(0.003 5D)，储罐基础相邻测点沉降差允许值ΔS≤0.002 5l(l为储罐周边相邻测点的间距(mm))，即ΔS≤24 mm。沉降观测点数量应为26个，沿罐基础周边均匀布置。图5为沉降观测点平面布置，表4为沉降观测结果。

图5 沉降观测点平面布置Fig.5 Plan arrangement of settlement observation points

表4 储罐基础沉降观测结果

从表4可以看出，储罐基础沉降观测点沉降值大部分在70～90 mm，最大值为93 mm，远小于规范要求；相邻测点沉降差最大值为16 mm。通过储罐基础沉降观测结果可以看出，储罐基础沉降符合相关规范要求，采用预成孔置换强夯法处理的地基达到了预期效果。

7 结 论

通过平板载荷试验、重型动力触探试验及充水试验可以看出，采用预成孔置换强夯法处理软土地基是成功的，并得出以下结论：

(1)采用预成孔置换强夯法进行施工，所形成的置换墩单墩承载力达到500 kPa，墩间土承载力达到150 kPa，复合地基承载力达到280 kPa，满足上部结构对地基承载力的要求。

(2)采用预成孔置换强夯法进行施工，夯后动探击数均有大幅提高，绝大部分提高了260%以上。并且加固深度达到基岩，证明着底情况良好，从而可以保证场地更小的工后沉降。

(3)采用预成孔置换强夯法进行施工，储罐基础沉降最大值为93 mm，相邻测点沉降差最大值为16 mm，远小于规范要求。

综上所述，采用预成孔置换强夯法处理的软土地基达到了预期效果。