珠海华发高新建设控股有限公司 广东珠海 519085
摘要：结合珠海市高栏港保税区道路软基处理工程实例，通过高能量强夯置换的现场试验，总结了该工艺在珠海地区软土处理应用中的一些有价值的设计及施工经验，并提出动态设计与施工模式，可作为其他类似工程应用参考。
关键词：高能量强夯置换；软地基加固；复合地基；承载力
自上世纪80年代强夯置换法成功用于处理软土地基以来，在饱和软土分布地区该技术得以广泛的开发和应用。高能量强夯置换法是指采用超过6000kN•m的夯击能冲击地基，将开山土石料夯入软弱土层，将其挤开，形成石碴桩，从而达到加固地基的效果。这种地基处理工法已运用多年，施工技术较为成熟，但其对地质条件有严格限制和要求，目前还未有统一的规程规范理论作为设计、施工的依据。
本文结合珠海市高栏港保税区道路软基处理工程，对高能量强夯置法换加固软土地基进行了现场试验研究及经验总结。
1.工程概况及地质条件
该项目地位于珠海经济技术开发综合保税区内。保税区规划总面积2.56km2，建设范围内共包括 9条道路，总长约18.5km。工程范围内地基大量分布淤泥及淤泥质土层，软土层总厚度超过25m，后经填筑形成陆域。填筑材料为开山土石料，粒径大小不一（大部分在2～80cm之间，部分最大粒径超过100cm），平均填筑厚度约4.86m。现状地基中存在的淤泥及淤泥质土层具有高孔隙比、高含水率、高压缩性、低强度等特性，若不进行地基处理而直接填筑路基，将会产生道路使用期工后沉降过大的问题，经初步验算不处理条件下的工后沉降其量在150～200cm左右。
本工程路基地质条件较为特殊，经对常用的软基处理方法进行可行性分析，采用堆载预压、真空联合堆载预压、管桩复合地基等均存在施工困难问题。而采用高能量强夯置换法，可直接利用工程场地表面的开山土石料填筑层，避免了翻挖或引孔，可实施性较强，具有造价低、工期短等特点。
2.研究目的与思路
2.1 研究目的
1）通过数值分析在达到设计要求的工后沉降标准时，最为合理的高能量强夯置换法相关设计参数（桩长、桩径、桩间距等）。
2）通过现场试验，确定本工程场地地质条件下的施工参数（夯击能、夯击 工序、收锤标准等），为工程后续的设计、施工及质量检测提供参考依据，以达到技术可行、经济节约、施工安全的目的。并评价施工过程中对周边建构筑物的影响程度，并提出相应的保护措施。
3）根据现场试验结果反馈分析，为现场施工监督、检测要求及工程验收标 准提出合理化建议。
2.2 研究内容与思路
1）现场地质资料分析（验证性勘察，掌握现场工程地质条件）→针对不同桩长、桩径、桩间距条件下地基变形（沉降、工后沉降）进行数值分析→确定现场试验方案并选择具有代表性的区域进行现场试夯试验→施工过程监测及分析→桩体检测（物探、平板载荷试验等）、评估成桩效果→根据现场试验结果反馈分析，最终确定大面积施工设计参数、现场施工监控要求及工程验收标准。
3.数值分析
3.1计算断面及方案
根据现场查勘情况结合地质资料及工程可研报告，在拟定的试验区选取两个地质断面作为计算分析断面。所选道路分别为35m宽城市主干路（设计时速50Km/h，双向6车道）、18.5m宽城市次干路（设计时速40Km/h，双向4车道），均采用水泥砼路面，路面设计年限：30年（主干路）、20年（次干路），路面设计荷载：100KN双轮组单轴，设计年限内累计当量轴次：1800万次（主干路）、1200万次（次干路），工后沉降按设计年限内不超过50cm控制。
根据岩、土样试验参数，结合地质资料及类似工程的经验，提出可能适合于该项目场地采用高能量强夯置换法进行地基处理的7组强夯石渣桩参数（桩长、桩径、桩间距）。并将计算断面、道路设计条件和地基处理条件进行组合，制定了10组计算断面方案，具体石渣桩参数及计算断面方案详见表2。
图1 计算简图
3.2应力应变分析
1）计算方法及有限元模拟
计算模式采用土体剪胀性和剪缩性的“南水”双屈服面弹塑性模型，计算原理为比奥固结理论，通过南水模型的应力应变关系模式结合几何方程式、平衡微分方程及土的水流连续方程，得到比奥固结理论的求解方程式，并按平面应变进行有限单元离散。
根据前面数值计算分析结果，分别选取桩长10、12、8、10m，桩径3、3、4、4m，桩间距10、10、10、10m等4组石碴桩参数，并结合地质条件和高能量强夯置换法的施工工艺及设备制定试夯参数如下：
1）夯点间距10m，正方形布置，第二遍夯点位于第一遍夯点中间差点（如夯点布置图4所示）；
2）点夯能级分别为8000~15000KN•m，夯锤有柱锤（重量45-50T，锤底直径在1.2-1.5m）、平锤（重量60-65T，锤底直径2.5m）两种；
3）满夯能级为2000KN•m，采用重量12-15T、锤底直径2.5m的平锤。
4.2监测与检测方案
根据实验目的，分别对试验夯点进行了水位观测、孔隙水压力监测、地面变形观测、沉降观测等。试桩完成后，进行了单桩和桩间土静载荷试验，并对置换体的成桩质量进行了地质雷达检测。
4.3现场成果分析
4.3.1夯沉量和用料量
本次现场试验共施工13各夯点，根据夯点试验分析，同一夯锤同一能级，夯击次数越多，最后两击平均夯沉量越小，所用的石料方量越多；相同夯击次数，夯击能越大，最后两击平均夯沉量越大，所用石料方量越多。
根据每根石碴桩需满能量夯击数20 击左右，最后两击平均夯沉量可控制在20cm左右。所用土石料为130～180m³，平均约150m³。
4.3.2孔隙水压力
通过孔隙水压力监测，判定孔隙水压力的消散情况，确定两遍点夯之间的时间间隔，监测点位布置在夯间；试验区高能量强夯施工前，选取适当的石碴桩间位置按照试验方案埋设三
组孔压，每组孔压个数分别为2只、3只和4只。由于高能量强夯这种工法夯击能很大，在地基中影响范围较大且不易控制，埋在软土中的孔压计在夯击过程中极易被破坏，成活率较低。
图5 孔压变化曲线
从图5中可看出，强夯施工过程中，初始阶段夯击能较低，影响范围小，孔压变化沿深度衰减较大；随着夯击次数增多和夯击能的增大，影响深度和范围不断扩大，夯击过程中下部孔压随之明显增大。从孔压变化曲线中可看出，现有场地条件下高能量强夯影响深度超过 12m。
4.3.3强夯振动影响分析
选择8000kN•m、10000kN•m、12000kN•m、15000KN•m共4个不同能量级进行振动影响范围试验，满锤夯击下分别测试4～8锤，大多数为6锤，重点测试振动速度，另外还测试了2组振动加速度。针对有无隔振沟，每组强夯同时布置2条测线，共9组试验，18条测线，216个测点。为排除场地离散性，重点分析后6组，即测线3～测线18，不同能级下最大振动速度幅值列于表3。
根据表3，并结合各组强夯振动速度衰减曲线，得到以下规律：
1）8000kN•m、10000kN•m能级下同一位置处的振动速度变化不大。当能级增加到12000kN•m时振动速度增加较为明显，平均增加42%。但当能级增加到15000kN•m时振动速度与12000kN•m能级下相近，变化不大。8000kN•m与10000kN•m能级、12000kN•m与15000kN•m能级分别为同一锤型，这说明该场地振动速度与强夯锤锤型相关性较高，与相同锤型下的能级相关性较弱。
2）距强夯点较近的前两个测点振动速度衰减明显，尤其是设置隔振沟情况下，无隔振沟时前两个测点振动速度衰减 34%～41%，平均37%，有隔振沟时衰减60%～75%，平均68%。距强夯点35m之外，衰减趋于平缓。距强夯点65m之外，衰减趋于稳定。这说明设置隔振沟，对强夯时的隔振效果作用明显。
3）选取典型测线进行振动位移分析，最大振动位移幅值小于5mm，且随距离衰减较快，在30m位置振动位移幅值1mm左右，振动位移幅值较小，对周边建构筑物影响不大。
4.3.4成桩效果
结合工程实际情况，对探地雷达探测结果进行了分析，测线1～测线5探测结果分别列于表4所示。
根据静力载荷试验成果，计算复合地基承载力特征值。高能量强夯石碴桩这种工法在本场地形成的石碴桩置换率约为0.2，桩间土承载力取60kPa，桩体承载力300kPa时，复合地基承载力特征值约为110kPa；桩体承载力240kPa时，复合地基承载力特征值约为96kPa。结合本场地道路及市政管线建设，建议本场地复合地基承载力特征值不小于100kPa。
4.3.6隆起影响因素分析
强夯过程中，测定了各夯点施工过程中地表隆起程度，经对统计成果进行分析：高能量强夯过程中，夯坑周边隆起与夯击能、锤型和上部填石层厚度等因素有关。上部填石层厚度越大，夯坑周边隆起量越小，采用柱锤比平锤强夯时的周边隆起量大，主要原因是柱锤底部受力面积小，接触点受力不平衡导致锤体歪斜，造成周边隆起偏大。二遍夯点隆起量略大于一遍夯点隆起量，但影响不大，反映出试验区桩间距取值较为合理。
5.结论
根据现场试验高能量强夯施工过程、过程监测、检测成果，结合设计所提出需求，得出结论如下。
1）本工程场地作为规划市政道路用地，工后沉降和差异沉降是地基处理所需考虑的首要问题，影响沉降的因素有设计路宽、桩长、桩径、地质条件等。结合试验区检测成果进行分析，桩长达到10m时，工后沉降基本可控制在 50cm 以内，桩间和桩顶5m距离差异沉降可控制在3cm以内。
2）高能量强夯置换这种地基处理方法，土石料的用量占总费用的比重很大，在设计阶段较为准确的计算土石料的方量尤为重要，通过对现场试验结果的分析，采用柱锤、平锤成桩时，充盈系数分别取1.2、1.3，较为合适。
3）大面积施工时需布置的监测内容有夯沉量监测和周边土体隆起监测及夯击击数和能级；场地施工结束后应布置沉降观测点，对间歇期的地表沉降进行观测；对周边一定范围内建构筑物进行变形、位移监测，部分重要管线与道路之间需布设深层土体水平位移监测点。
4）考虑该工法的特殊性，结合以往类似工程案例和本次试验成果，需进行的检测项目有：物探、钻孔取芯、载荷试验、重型动力触探、瑞利波检测、桩间土检测，这些检测项目单个均具有局限性，检测结果可能存在离散性偏差，但各检测项目所取得成果之间是有内在联系的，应将现场检测成果反馈给设计，有设计综合判断所施工的石碴桩及复合地基是否满足要求。
5）鉴于试验区虽具有较强的代表性，但不排除工程场地地质条件出现较大起伏变化等特殊情况。另一方面，高能量强夯置换法这种 地基处理工法受人为因素影响较大，需使用具有丰富经验的施工队伍和制定严格的现场管理制度。故建议在采用高能量强夯置换法进行地基处理的施工过程中，采用动态设计与施工模式，具体如下：①施工队伍进场按设计分段施工前，需进行工艺性试桩并进行监测和检测，将试桩结果及意见反馈给设计，由设计对施工图设计中的参数进行复核和调整；②施工过程中，如遇到特殊地质条件等情况，及时与设计沟通，如有必要可临时召开讨论会，业主、
设计、监理、施工、第三方监测等共同分析。并由设计提出具体解决方案。
6）根据强夯振动影响分析结果，采用柱锤进行高能量强夯施工比采用平锤进行高能量强夯施工振动影响小，无隔振沟时影响范围范围基本在40～50m。以本工程为例，建议隔振保护措施如下：建构筑物和管线距离施工范围80m以外的，可不采取隔振措施；距离施工范围50～80m，可不采取隔振措施，应设置振动影响观测点；距离施工范围30～50m的，应采用隔振沟，沟内可填砂防止坍塌，并应设置振动影响观测点；距离施工范围30m以内的，应采用其它方法进行地基处理。
参考文献：
[1]徐玉胜.大能量强夯置换法处理深圳地区软土地基的应用研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2009.
[2]刘天韵.强夯置换法加固地基试验研究[J].西部探矿工程，2007（6）.
[3]冯守中.公路软基处理新技术[M].北京：人民交通出版社，2016.
[4]徐至钧.强夯和强夯置换法加固地基[M].北京：机械工业出版社，2014.
论文作者:舒亚健
论文发表刊物:《基层建设》2018年第4期
论文发表时间:2018/5/23
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