大能量强夯在地基处理工程中的应用

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近年来随着施工机械和施工工艺的跨越式发展，强夯施工能量从3000kN.m提升到6000kN.m、8000kN.m，目前已经突破15000kN.m能级，强夯法处理地基深度也日益加大，有效加固深度超过15米的已不罕见，大能量强夯工艺处理工程地基范围越来越广，能级也越来越高。国民经济的迅速发展，带动了大批基础设施的建设，同时为了节约有限的土地资源，国内外不同程度地出现了开发荒山、滩头以保护耕地，“块石回填山沟”、“炸山填海”、“吹砂填海”等造地建设又推动了大能量强夯施工技术的发展。

1  工程概况及地质情况

1.1 工程概况

该工程位于广东省珠海市，地基处理面积约18万平方米，拟建油罐基础，夯前地基土为冲填砂土及块碎石回填层。大面积强夯施工前，通过试验确定了针对不同施工区域采取不同能级的施工参数。

1.2 地质情况

(1)碎石层：黄褐及灰白色，主要由花岗岩碎石堆积而成，结构松散，呈稍湿的松散状态。厚度0.5～12.8米，平均3.23米，属于不均匀的中等压缩性地基土。

(2)冲填土：灰色 、褐灰色，主要由粉细砂冲填而成，有较多的粘性土及贝壳碎片，结构松散，呈饱和的松散状态，厚度0.5～7.5米，平均厚度3.27米。

(3)块石层：主要由花岗岩块石及碎石堆积而成，黄褐及灰白色，厚度0.5～6.5米，平均均厚1.88米。

(4)第四系海陆交互相沉积层，包括：

②淤泥：深灰、灰色，含贝壳碎片，局部混少量粉细砂，偶见腐植物，呈饱和的流塑状态，厚度0.6～12.0米，平均3.25米。

⑥中风化层，黄褐及灰白色，中粗粒结构、块状构造，该层埋藏深浅不一，揭露厚度0.30～6.10米，平均揭露厚度2.08米。

2  地基处理技术要求：

(1)地基处理后的地基承载力特征值fak≥300KPa，压缩模量Es≥12MPa；

(2) 投产后1年沉降量≤20cm，其中：20000m3罐的差异沉降≤17cm，其它罐的差异沉降≤12cm；

(3)有效加固深度：从设计标高算起，中风化花岗岩埋深在12m以内，有效加固应至中风化花岗岩岩面，超过12m的有效加固深度应不小于15m；

(4)消除砂土层的液化性。

3  地基处理方案与试夯参数确定

3.1 施工目标与难点

(1)深层淤泥层的处理；

(2)满足加固深度不小于15米的要求；

(3)满足处理后承载力特征值fak≥300KPa，压缩模量Es≥12Mpa的要求。

3.2 总体规划：

根据不同工程地质情况进行分区处理，以先进设备和施工方法，结合丰富的施工实践经验保证加固效果，精心施工，科学管理，争创精品。

3.3 初步施工参数设想

根据工程地质勘察资料，以及拟建上部结构对于地基的力学技术要求，针对不同的基岩面埋深及淤泥、冲填土厚度等，将本项目地基处理的施工范围划分为三个处理区域：

(1)基岩埋深小于等于8米的区域，采取低能量强夯加固，拟采用单击能量为3000kN.m；

(2)基岩埋深大于8米、但不超过12米的区域，拟采用单击能量为6000kN.m～8000kN.m的中等能量级进行强夯处理施工；

(3)对于基岩埋深大于12米的区域，采取高能量级进行施工，拟采用单击能量为10000～14000 kN.m。

(4)为便于施工和提高作业效率，强夯点布置采取正方形布点，夯点间距根据夯击能量大小进行适当的调整，以取得最佳的处理效果,夯后辅以振动碾压。

4  强夯设计参数与强夯试验

综合考虑工程地质情况以及前述试夯参数设想，本强夯处理地基项目拟设置单击夯击能量分别为3000kN.m、6000kN.m、8000kN.m和10000～14000kN.m四个强夯试验区，各试验区拟定的设计施工参数以及欲处理深度范围如下。

4.1 3000kN.m强夯区

本能级强夯拟有效处理深度4～6m，强夯加固分三遍进行。第一、第二遍为3000kN.m点夯，夯点间距5.0m，呈正方形布置。夯点的夯击次数暂定8～10击，夯点的收锤标准以最后两击的平均夯沉量小于5cm控制。最后一遍为1500kN.m能级的满夯，每夯点夯击2～3击，要求夯锤的底面积彼此塔接1/3。

4.2 6000kN.m强夯区

本能级强夯拟有效处理深度6m～8m，强夯加固分四遍进行。第一、第二遍为6000kN.m强夯施工，夯点的间距为8.0m，正方形布置夯点。每夯点的夯击数暂定10～12击，夯点的收锤标准以最后两击的平均夯沉量小于10cm控制。第三遍为3000kN.m强夯施工，夯点位置为第一遍、第二遍相临夯点的中间位置，夯击数8击，夯点的收锤标准以最后两击的平均夯沉量小于5cm控制。最后一遍为2000kN.m能级的满夯，每点夯两击，要求夯锤底面积彼此搭按1/3。

4.3 8000kN.m强夯区

本能级强夯拟有效处理深度8m～12m，强夯加固分四遍进行。第一遍和第二遍的夯击能均为8000kN.m，夯点间距为9.0m，正方形布置夯点，夯击数暂定为12～15击，实际夯击数以最后两击平均夯沉量不大于15cm控制。第三遍的夯击能为4000kN.m，夯击数暂定为10击，实际夯击次数以最后两击的平均夯沉量不大于5cm控制，第三遍夯点在第一、二遍四个相邻主夯点的中间插点。第四遍采取满夯施工，夯锤底面积彼此搭接1/3，籍此夯实坑底以上的回填土。

4.4 10000～14000kN.m强夯区

综合考虑各种因素，最终以10000kN.m单击夯能进行试验。本能级强夯拟有效处理地基土深度12m～16m，强夯加固分四遍进行。第一遍和第二遍的单击能均为10000kN.m，夯点间距为9.0m，正方形布点，夯击数暂定为15～20击，实际夯击数以最后两击平均夯沉量不大于20cm控制。第三遍夯击能为6000kN.m，夯击数暂定为12击，实际夯击次数以最后两击的平均夯沉量不大于10cm控制。第四遍满夯施工，能级为2000kN.m，每点夯两击。

试验区主夯最佳夯击的次数通过单点夯击能试验确定，强夯施工之后按规定进行振动碾压处理。

5  强夯主要施工设备

强夯试验施工配备的主要机械设备为强夯机以及强夯锤、推平、振动碾压等为常规设备。

单击夯击能在3000kN.m及以下的,采用W200A型履带式起重机作为强夯机，扒杆接长23米，夯锤重量160kN，直径2.2米，锤底静压力42.11kPa；

单击夯击能在4000～6000kN.m的,采用W200A型履带式起重机作为强夯机，扒杆接长23～26米，附带高度26米的龙门架，夯锤重量320kN，直径2.4米，锤底静压力70.77kPa；

单击夯击能在8000～10000kN.m的,采用W200A型履带式起重机作为强夯机，扒杆接长26～28米，附带高度28～30米的龙门架，夯锤重量400kN，直径2.4米，锤底静压力88.46kPa。

6  试验区强夯施工

在本工程的四个强夯区分别选择地质情况较差、处理深度最大且有代表性的区域进行试验， 3000kN.m能级强夯试验区，强夯试验区面积20m×20m；6000kN.m能级强夯试验区，强夯试验区面积32m×32m；8000kN.m能级强夯试验区，强夯试验区面积32m×32m；10000KN.m能级强夯试验区，强夯试验区面积32m×32m。

由于场地上部回填土的非均质性以及下部地基土的变异性，各工程试验区通过进行单点夯击能试验来确定和验证前期策划，对设计参数进行校验。

强夯夯击能试验时，夯坑周围地面不应发生过大的隆起；不因夯坑过深而发生提锤困难；各区夯击点的夯击数，应使试验区土体竖向压缩量最大，而发生侧向位移最小为原则。

由于本工程10000kN.m以上能级夯坑深度较大，推平回填后对夯坑中回填土须进行原点加固，即在填料推平后在原10000kN.m夯点位再进行6000kN.m能级加固夯，击数5-8击，最后两击的平均夯沉量小于10cm控制（不同于策划10000～14000kN.m能级试验区中的第三遍夯击）。正式施工中应予以充分注意。

7  试验检测(10000kN.m强夯区)

为了验证当初强夯试验施工参数策划，检验检测地基试验加固效果，强夯试验过程中以及夯后进行了地面变形和土体孔隙水压力监测、夯后超重型动力触探、瑞雷波、静载试验等，通过检测确定地基承载力、压缩模量是否满足设计要求。最大加载量按设计要求地基承载力特征值的2.4倍加载。

7.1孔隙水压力监测

1046#超孔隙水压力历时曲线

从监测数据来看,整个施工过程中,超孔隙水压力变化很小。

7.2夯后动探击数综合密实度分层表

从表中数据看出，地面以下20 m范围内，0～14.0m地基承载力特征值≥300kPa。

7.3瑞雷波测试

从夯前夯后频散曲线图可知，本区域地层15m以内地基加固效果显著。

7.4 静载荷试验

(1)试验点J-1#的静载试验基本情况表：

序号

试验

点号

位置

载荷板面积

最大

加载量

最终

沉降量

1

J-1#

夯间

2.0㎡

1440kN

16.02mm

(2)试验点J-1#静载试验Q-S曲线

(3)试验点J-1#静载试验S-lgt曲线

(4)试验点J-1#静载试验s-lgQ曲线

7.2试验结果分析：

(1)试验点J-1#，Q-s曲线没有出现陡降，s-lgt曲线也未出现明显弯折，试验点在最大荷载作用下均未达到破坏。

(2)试验点J-1#，s/b=0.01对应承载力为622.5kpa，按规范建议的变形标准判断，该点的承载力特征值不小于360kpa，满足设计要求。

(3)按规范公式：E0=I0（1-μ2）pd/s计算，试验点J-1#的变形模量为106.4MPa，满足设计要求。

(4)按照一般施工经验以及强夯地基处理过程的土力学模型分析，夯点的加固处理效果将优于夯点间位置，据此我们有理由认为本次强夯试验取得了预期的加固效果。

(5)工程大面积施工时合理安排施工时间，孔隙水压力对工程施工的影响较小，理论上可以连续施工。但对由于雨后和地下水位较高而使得夯坑中积水时，应基本清理夯坑积水才能进行施工，条件允许时应待夯坑中土体含水量基本接近最佳含水量时再开始夯。

(6)为达到加固地基深层的目的，应在条件许可的情况下尽可能选择锤底静压力较大的夯锤。

8  大面积强夯加固地基处理施工

本工程在大面积施工中严格执行试验确定的施工参数，工程业主单位委托监理单位进行全过程的施工监理质量、安全监督。

施工中对于夯能过渡区应予以高度重视，应对照地质情况和设计图纸进行核实，发现问题及时向有关方面进行反馈联系。为了保证地基加固效果，过渡区强夯能量应偏于采取大能量参数组织施工。

针对项目所处地理位置、工程地质情况、地下水对施工产生的不良后果，施工中专门安排有专业水平的施工队伍进行排水施工。

大面积强夯施工时，为保证施工安全，采取了在满足设计施工参数的情况下，尽量地降低强夯机扒杆接长及龙门架高度。

9  结  语

本工程采用的强夯参数基本是合理的，施工工艺也是可行的，强夯设计方案为处理类似地质概况提供了参考和依据。

工程采用大能量强夯工艺，与其他地基处理施工工艺相比节约了工程造价、缩短了工程建设工期。

由于大能级强夯施工技术发展迅速，我们国家的工程机械制造技术与发达国家相比还有距离，再加上成本因素，目前大能量强夯施工大多采用小吨位起重机配套龙门架（小吨位相对于大能量），施工中必须对机械安全、作业人员的安全给予高度重视，加大安全投入。另外施工效率还比较低，有待于改进和提高。

当然也有报道称设备制造业市场出现了专门针对大能级强夯的新型施工设备，这些设备比较昂贵，对施工场地和操作技术的要求都比较高，其普及应用还受到种种条件限制。

我们相信随着国家科技的发展，目前的这些问题终将迎刃而解