强夯半置换法在地基处理中的应用

强夯半置换法在地基处理中的应用岳效宁（山西省机械施工公司，太原，030009）摘要：强夯从加固机理上分为动力密实、动力固结、动力置换，对应的施工工艺为强夯法（直接强夯法）、强夯半置换法、强夯置换法。本文以贵州某新建电厂为例，说明强夯半置换施工工艺的适用范围、处理深度、累计夯沉量、回填材料要求等关键技术，并分析预测该工艺的应用前景。关键词：动力密实；动力固结；动力置换；强夯半置换；处理深度；累计夯沉量1加固机理强夯法的加固机理一般分为三种，即动力密实、动力固结、动力置换。动力密实法：处理非饱和土，特别是孔隙多，大颗粒土中，巨大的夯击能产生的冲击波和动应力在土中传播，便颗粒间产生瞬间的相对移动，从而使孔隙中的气泡迅速排出，孔隙体积减小，土体变密实。适用于碎石土、砂土、非饱和的细粒土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基的处理。动力固结法：处理细粒饱和土时，巨大的冲击能量使土体局部产生裂缝，增加了排水通道，超孔隙水压力消散后，土体固结。适用于处理厚度较大，饱和度较高的湿陷性黄土、红粘土、一般粘性土和高饱和度粉土地基。动力置换法：处理透水性极低的饱和软土时，强夯使土体结构破坏，将碎石挤入土中，置换出软土，形成置换墩，靠碎石摩擦角和墩间土的侧限来维持桩体的平衡，并与墩间土起复合地基的作用。适用于处理适用于淤泥、淤泥质土、软塑~流塑状态的粘性土等。动力密实法、动力置换法即是《建筑地基处理技术规范》中所述的强夯法、强夯置换法。而单纯的动力固结法很长时间以来，只有理论意义而没有实际意义。在工程实践中，由于孔隙水消散时间长，或大面积施工时，排水路径被封死，而失去了实用价值，但利用动力固结原理，在夯坑中加硬质粗颗粒填料，建立排水通道，使得地基土在强夯过程中形成的孔隙水就近转移，加速土层固结。这就是强夯半置换法加固地基的原理（我公司2009年获得《强夯半置换施工工艺》发明专利）。强夯半置换与强夯置换的主要区别有两个，一是两者的适用土层不同；二是两者的处理深度不同，强夯置换墩的深度应穿透全部处理土层，而强夯半置换墩的处理深度应达到处理土层深度的1/2~2/3。2强夯半置换的应用在工程实际中，能直接采用强夯法（动力密实法）的地基类型仅是地基中的一部分，还有相当大的一部分地基不适用采用强夯密实法，我国南方大量红粘土地基、一般粘性土地基由于位于湿润多雨地区，地基土常年饱和，根本就无法采用强夯密实法。即便在我国北方地区，地势低洼的粘性土地基、新近沉积的湿陷性黄土地基，素填土地基也不宜采用强夯密实法，而需要进行强夯半置换处理。3应用实例3.1场地工程地质条件贵州某电厂为新建工程，一期建设2台600MW燃煤发电机组。拟建场地属峰丛溶丘洼地地貌，属喀斯特地貌。按岩溶发育程度、场平后基岩面埋深以及地形地貌等工程地质条件差异，将厂区场地划分为两个区。3.1.1红粘土地基场地内红粘土具上硬下软的特点，其表层裂隙发育，分布较广，随基岩面起伏厚度变化较大，为中压缩性土，属I类不均匀地基。3.1.2回填土地基场地基岩面起伏较大，场平后场地南侧、北东侧边缘地段将出现20～28m厚度较大的人工填土。3.2地基处理技术要求：(1)地基承载力特征值≥200kPa(2)红粘土地基压缩模量Es≥10Mpa(3)回填土地基压缩模量Es≥15Mpa3.3地基处理方案(1)对于回填土地基，一般采用4000kN.m能级，分层填筑，分层强夯，填筑厚度为7m，回填料为一定比例的土石混合料。(2)对于红粘土地基处理①直接强夯法，处理②层红粘土。用于场地地面较高处，排水条件好，施工机械可以正常运转的区域。②强夯半置换法，用于处理含水量较高的②层红粘土、②1层次生红粘土和粘性土地基。(3)强夯能级红粘土地基处理采用8000kN.m、6000kN.m、4000kN.m、3000kN.m能级。红粘土厚度大于7m的地段，采用6000-8000kN.m能级；红粘土厚度小于7m地段和石芽岩层埋藏浅的地段，采用4000kN.m能级；一般红粘土厚度采用3000kN.m能级。3.4工程试验3.4.1强夯试验分区（本文主要讨论红粘土地基强夯）红粘土基试验区：分两个试验区。一个直接强夯试验区，位于浅埋石芽区，红粘土覆盖厚度3－4m。（后因红粘土含水量较高，亦改为强夯半置换）；一个为强夯半置换试验区，位于红粘土覆盖厚度4m以上、地势低洼、易积水区域。表1原土基强夯试验区设置情况表试验区编号试夯能级（kN.m）面积（㎡）强夯法Ⅰ4000445.5直接夯Ⅱ4000445.5半置换注：Ⅰ试区因红粘土含水量高，也改为强夯半置换。3.4.2强夯试验检测结果表2原土基载荷试验成果汇总表试区编号试验点编号承载力特征值（kPa）变形模量（MPa）终载累计载沉降（㎜）Ⅰ120026．1417．14220019．7611．53320016．0110．11Ⅱ120014．3610．52220016．5411．61320015．5311．213.4.3试夯试验结果结论(1)红粘土强夯试验结果表明，由于红粘土区含水量偏高，直接夯击时起锤困难。强夯处理方法宜采用强夯半置换法。在夯坑中回填的粗颗粒硬质填料不宜少于50%。强夯半置换后的地基承载力特征值达到200kPa以上，变形模量平均值15.5MPa。(2)石芽岩层浅埋红粘土覆盖区采用强夯半置换处理后，大量石芽被击碎，地基承载力特征值达到200kPa以上，变形模量平均值20.6MPa。石芽间充填土处理后，密度和重型动力触探结果表明，地基土的密实度达到设计要求，场地地基均匀性良好。3.5施工中的关键技术(1)强夯半置换采用普通夯锤，锤底直径宜为2.0-2.5m，锤底接地压力不宜小于40kPa。(2)强夯半置换的墩体应达到饱和土层处理深度的1/2-2/3，处理土层厚度大于5m时取大值。处理厚度小于5m时取小值。(3)夯点的夯击次数应通过试夯确定，同时满足下列条件：①累计夯沉量应为设计墩长的1.5-2.1倍。②累计夯沉量不大于《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）6.2.2条的规定。(4)当地表为坚硬-硬塑土层时，可不铺设垫层，待夯击中夯坑深度达到设计墩长或起锤困难时，向夯坑中回填硬质粗粒料。当地表为可塑-软塑土层，应先铺设硬质粗粒垫层材料，再进行强夯施工。(5)垫层材料和夯坑回填料，土石比不宜大于4：6，不均匀系数Cu应大于5，曲率系数Cc＞1。3.6强夯施工情况工程夯施工时根据需要处理的红粘土厚度选择3000kN.m-8000kN.m能级进行强夯半置换处理，其中4000kN.m能级强夯技术参数如下：一、二遍主夯点夯能级4000kN.m，夯距5m，正三角形布点，单点夯击数≥15击，隔行分两遍完成，最后二击贯入度≤5cm。主夯点复夯能级2000kN.m，停夯收锤标准：最后两击贯入度≤5cm，且不小于8击。满夯能级1500kN.m，夯印搭接1/4，每点5击。工程夯完工后经中国水电八局科研设计院检测，各项指标达到了设计要求。4推广应用前景当前，我国的基本建设规模不断扩大，而建筑用地却越来越紧张，填海造地、搬山填沟是解决建筑用地的重要途径，在填海造地、搬山填沟的造地过程中，由于工程环境所限，填筑材料的选择余地很有限，会形成大量的高饱和的素填土地基。同时，填方区域的原土基加固，更多的也是高饱和度的粘性土地基。每年需要处理的高饱和粘性土地基、红粘土地基和黄土地基达到数千万平方米。这类地基如果采用碎石桩、振冲桩、换填法处理，不仅效果差，造价高昂，而且工期也很长。多年的工程实践已经证明，强夯半置换法是处理高饱和粘性土地基的有效手段。有着很大的实用价值和广阔的推广应用前景。作者简介：岳效宁（1970——）男，本科，工程师，国家一级注册建造师，联系地址：太原市胜利街1号（030009）参考文献：1张庆国，毕秀丽，强夯法加固机理与应用，山东科学技术出版社，2003.