中蓝连海设计研究院有限公司 江苏连云港 222000
摘要：在强夯置换加固软弱地基时，有效置换深度是一个非常重要的设计指标，本文总结了目前计算强夯置换深度的主要方法，分析了它们的合理性和适用条件。
关键词：强夯置换，有效置换深度，计算
1强夯置换法
强夯置换[1][2]是近年来在强夯的基础上发展起来的一种适用于处理高饱和度、低透水性黏性土的一种地基处理方法，利用强夯排开软土，夯入块石、碎石、砂或其他粗颗粒材料，最终形成块（碎）石墩，块（碎）石墩与周围混有砂石的夯间土形成复合地基。
大约在80年代初期[2]，强夯置换在国外渐渐推广。在我国，太原工业大学曾于1984年采用在夯坑中填砂石的办法处理新近堆积软土。该场地原为稻田，土质为软~流塑的粉质黏土，承载力60～70kPa。采用1610kN·m的强夯，边夯边填，夯后形成深度为4m的砂石墩，复合地基承载力200kPa。1987年山西机械施工公司等在武汉钢铁公司的龙角湖沼泽地试验强夯置换加固取得成功。此后，强夯置换法发展迅速已有一系列工程采用强夯置换处理软土或液化地基。涉及的工程类别有机场、工业厂房、原料堆场、油库、办公楼、公路路堤等。
强夯置换具有施工简单、快速、承载力高及经济效益明显（特别是填料来源充足近便时）等优点[3]。主要确定是噪声和振动，因此不宜在城镇区采用。
由于置换体的长度即置换深度是影响强夯置换加固效果的主要因素之一[4]，且与其它形式的散体材料桩的桩长基本可直接由施工控制不同，强夯置换碎石桩的桩长很难由施工过程控制，只能通过间接估算或夯后检测得到。而由于置换深度与被置换基础土体的土质条件（桩底土层承载力）、强夯选取的施工参数（单击能及锤径尺寸）及填充置换粗料等许多因素有关，因此，其估算既复杂又难于达到理想精度。为在理论上较好地解决这一问题，使工程设计人员在工作中有依据可遵循，研究人员在进行大量研究工作的基础上，先后提出了多种计算方法。
2强夯置换深度计算理论与公式
目前，现有的强夯置换深度计算方法可以分为经验预估法、拟静力法和波能传播理论法。
2.1经验预估法
经验预估法主要有两种形式[4]，即单参数回归预估法和多参数回归预估法。梅纳德修正公式是最常见的单参数回归预估法，其计算公式为[5]：
式中：W为夯锤重量（t）；h为落距（m）；K为小于1的修正系数，范围为0.35～0.7。对于黏性土K可以取0.5，对砂性土K取0.7，对黄土K可取0.35～0.5。我国《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）中规定：有效加固深度应根据现场试夯或当地经验确定。
刘惠珊，饶志华[3]在1995年提出了另一种单参数回归预估法。通过对工程 实践的总结提出夯击指与置换深度经验关系的平均值可表达为：
而夯击能下限为：
式中：E为夯击能量（kN·m）；E1为夯击能下限（kN·m）；d1为置换深 度（m）。
由于单参数回归预估法考虑的影响因素有限，不能反应被实践证明了的其他 影响因素，如土质条件和锤径尺寸等，因此，利用单参数回归预估法的计算结果与实际工程存在较大误差。
为了解决单参数法预估不准确的问题，很多学者通过一系列研究提出了多参 数法。
罗嗣海等[6]通过对搜集的若干工程实例，并考虑了夯锤直径、施工垫层厚度和收锤标准、被置换土层的土质条件、置换材料的性质等众多因素，拟合后得到如下计算方程（样本数n=10 相关系数γ=0.89）：
式中：W为单夯击能（kN·m）；f为欲加固深度范围内中下部土层容许承载力（kPa）；Hp为置换深度（m）；D为夯锤直径（m）。该式虽然将单锤夯击能、夯锤直径及土质参数作为自变量纳入到估算公式内，但因该式将单锤夯击能与夯锤直径及土层承载力的比值视为无量纲的等效变 量，未能分别考虑各自变量对因变量的影响权重，使估算成果与实测值的相关指数仍显不高。
滕凯[4]在总结前人工作的基础上，考虑了单锤夯击能、被置换土层底部承载 力及夯锤直径3个因素。其基本思路是1.考虑单锤夯击能及被置换土层土质条件与置换深度具有较好的相关性，将这两个变量作为建模函数的主变量，而将夯锤 直径作为模型的修正变量；2.考虑置换深度随夯击能逐次叠加的形成过程及最终趋于某一定值的发展趋势，将主值函数模型选定为值域面宽、替代性强的对数或指数函数。将修正系数选定为夯锤直径的反比例函数关系。根据分析提出了6个备选函数模型：
其中
式中：A，B，C，N，G，分别为待定系数和指数；Ki为修正系数；分别为强夯置换深度、夯锤单击能、夯锤直径和土层承载力经无量纲化处理的自变量，计算式为：
式中，Hi，WHi，Di及fi分别为第i处强夯置换工程的置换深度、单锤夯击能量、夯锤直径及土层承载力；分别为平均置换深度、平均单击能量、平均夯锤直径及平均土层承载力，n为样本数量。
采用非线性最小二乘法完成各待定系数的拟合求解，对每个函数模型采用进退估计法逐次计算使置换深度的残差平方和S最小为止。比较6个残差平方和S，使S值最小的拟合式即为所选取的置换深度计算公式。
该方法能较好反映单锤夯击能，夯锤直径及土质对置换深度的影响程度及效果趋势，拟合精度较高。但是该方法计算过程较为复杂，由于各地工程条件不同，要想获得高拟合度的计算公式就要搜集大量不同地区和不同地质条件的相关资料。
2.2拟静力法
吴忠怀等[7]提出了拟静力法确定置换深度的计算模型。假定置换体加深的条件为：置换体端部HP处满足
式中，为置换体端部的附加动应力；为桩体容重；
为置换体端部被置换土层的极限承载力。
以夯锤为研究对象，计算出锤-土接触面上的峰值应力为：
式中，A为夯锤的底面积；为重力加速度；为锤‐土接触时间，建议取0.04s。
置换体端部的应力可采用基于静力试验的结果计算：
式中，P为接触应力；r为柱体半径；z为深度；??为参数。
同时，也可采用下式计算：
式中，为一待定参数；W为锤重，H为落距。
以上两式取即可得出。综合上述各式，可得置换深度
应满足：
式中，为置换体端部被置换土层的极限承载力。
该方法估算置换深度时可考虑单击夯击能、夯锤锤径和土质条件的影响，较仅从单击夯击能来估算的方法更为合理与接近实际但在实际工程中很难确定，建议取0.04s有很强的主观性；其中v和等参数的选取也不准确，与实际工程还有一定差距。
2.3 波能传播理论法
曾庆军，李茂英等[8]提出了基于波能传播理论置换深度的计算模型。以碎石为置换填充体，设定碎石桩体为圆柱体，圆柱体截面半径为r，长度为h（即为最终置换深度）。初始波能强度为
为夯锤半径。设与碎石桩体底面相切的波阵面上的波能强度为I，则
由以上两式得：
式中，为夯击能综合效率系数，取为0.8；为土的能量吸收系数，取定区间为0.0875～0.115。取最后一击时，碎石桩底面的下沉量为。设加固区下部软弱土层容许承载力为，安全系数为K，则极限承载力为，需克服阻力做功,而碎石桩底部波所提供的能量。由得，带入有
解得
该方法以波能传播理论为基础，计算简单，理论基础可靠。但因推导过程是在假定碎石桩柱体底面的下沉量情况下求得的，而在实际工程中，因受土层承载力和夯击能参数等多种条件影响，且该参数对公式成果精度的影响较大，统一取为0.04mm缺少理论根据。而土的能量吸收系数??和夯击能综合效率系数??随土质及其它条件的不同，其值域变化范围也较大，取值具有人为性。
3小结
强夯置换的置换深度计算是一个极为复杂的问题，其计算方法还有待于进一 步的研究。现有的计算方法和计算模型均有其局限性或不合理的地方，应用范围不是十分广泛，但这些方法对某些特定工程条件下的拟合精度能符合一定工程应用，可以作为设计时的参考。
参考文献:
[1] 罗嗣海, 潘小青等. 置换深度估算的一维波动方程法[J]. 地球科学——中国地质大学学报, 2002, 27(1): 115-119
[2] 《地基处理手册》（第二版）编写委员会.地基处理手册[M]. 第二版. 北京：中国建筑工业出版社, 2000: 275-277
[3] 刘惠珊, 饶志华. 强夯置换的设计方法与参数[J]. 地基基础工程, 1996(2): 6-13
[4] 滕凯. 关于强夯置换深度估算公式的评价及改进[J]. 岩土工程学报, 2008, 30(7): 994-998
[5] 魏新江. 地基处理[M].杭州：浙江大学出版社, 2007: 36-45
[6] 罗嗣海, 潘小青, 黄松华 等. 强夯置换深度的统计研究[J]. 工程勘察, 2001(5): 38-42
[7] 吴忠怀, 吴武胜, 龚晓南. 强夯置换深度估算的拟静力法[J]. 华东地质学院学报, 2001, 24(4): 306–308
[8] 曾庆军, 李茂英, 李大勇. 强夯置换深度的估算[J].岩土工程学报, 2002, 24(5): 608-611
论文作者:何振兴
论文发表刊物:《防护工程》2018年第5期
论文发表时间:2018/6/22
标签：深度论文; 土层论文; 承载力论文; 土质论文; 参数论文; 直径论文; 系数论文; 《防护工程》2018年第5期论文;