插板降水强夯置换法在处理砂混粘性土地基中的应用

范莹莹，朱洪涛，陈思周，赵 锦

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）



插板降水强夯置换法在处理砂混粘性土地基中的应用

范莹莹，朱洪涛，陈思周，赵 锦

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

摘要：对于介于软粘土和砂性土之间的砂混粘性土或粘性土混砂地基，因土体颗粒细、渗透性差，孔压消散慢，土体是否可以直接承受强夯施工，保证置换体形成足够强度是方案成败且达到较高加固标准的关键。设计通过进行试验区现场试验，得出打设塑料排水板＋降水强夯置换处理工艺可以取得比较好的加固效果，达到工程使用要求。

1 工程概况

某矿石堆场工程陆域总面积约50万m2，堆场按专业化矿石堆场设计，矿石最大堆高14 m，按平均容重25 kN/m3考虑，堆场中心最大均载约350 kPa。

1.1 地质情况

现有场地由港池疏浚土吹填形成，地面高程一般在3.44～6.92 m之间，上部吹填土层厚度一般在9.0 m左右，主要包括冲填土（粉砂）、冲填土（粉土）、冲填土（砂混粘性土）及冲填土（粘性土混砂）。吹填土层以下各单元土体主要为：①1粉砂、①3粉砂、②2粉砂、②3粉质粘土等。

拟建场地冲填土成分较为复杂，整个冲填土层以砂混粘性土以及粘性土混砂为主，其粉粒及以下的粒径含量很高，部分区域冲填土之下存在的①1粉砂层也处于松散且中度以上液化状态，以上土层均为需要地基处理的软弱土层。本文主要探讨砂混粘性土和粘性土混砂区域的地基处理方案。

根据地质勘察报告，典型区域地质条件自上而下为：

①粉土：灰色、灰褐色，稍密状，局部中密状，土质不均匀，含粘粒及碎贝壳。层厚约0.7 m，平均标贯击数N=3.8击。

②粘性土混砂层：软塑状，土质不均匀，以粘性土为主，混大量砂粒，层厚约4.0 m不等，平均标贯击数N<1.0击。

③砂混粘性土：松散状，土质不均匀，以砂为主，混大量粘粒，局部夹淤泥质土薄层。层厚约2.3 m，平均标贯击数N=1.3击。

④粘性土混砂层：软塑状，土质不均匀，以粘性土为主，混大量砂粒，层厚约4.0 m不等，平均标贯击数N<1.0击。

⑤粉砂：灰色、灰褐色，中密～密实状，局部稍密状，土质不均匀，含粘粒及碎贝壳，局部夹粘性土薄层。平均标贯击数N=31.5击。

1.2 地基加固处理的设计标准

本工程场地为吹填软土地基，考虑一次性按最大荷载标准进行场地地基处理代价极大，本次设计按周边既有专业化矿石堆场工程标准进行处理，即：保证轨道基础的稳定、承载力及变形要求，堆场区则以地基稳定为主要控制标准，堆场使用前期（约一年）要求适当分级限载，利用矿石堆载进一步提高地基强度，逐渐达到满载使用要求。考虑最终设计荷载作用下的变形及稳定要求，本工程堆场区场地初期地基承载力特征值达到200～250 kPa，经过矿石堆载进一步提高地基强度，逐渐达到350 kPa。轨道基础及辅建区场地使用期残留沉降300 mm、堆场使用期残留沉降控制在500 mm。

2 试验过程及地基加固处理方案的确定

2.1 地基处理方案的提出

针对砂混粘性土及粘性土混砂地基，土体含水量较大，强度低、压缩性高、渗透性弱，其性质介于软粘土和砂性土之间。堆载预压虽为此种含水量较高的土质的较稳妥的处理方案，但是缺点很多：当地缺乏堆载料，堆载强度无法保证；要达到较高的承载力要求后续还需叠加其它地基处理方案；需要分级加载预压时间长，不能满足工期要求等等。而强夯置换是利用强夯施工工艺在建筑场地上形成一定深度的夯坑，并在夯坑内回填高强度、低压缩性的置换材料，利用夯能打人软土层中，在地基中形成结构密实、有较高承载力的置换体；再通过满夯桩间土，使之充分排水固结，从而形成复合地基，改善软土地基的物理力学性能，提高地基承载力，它适用于高饱和度粉土与软塑～流塑的黏性土、湿陷性黄土等软土地基的处理，具有设备简单、施工速度快、加固效果好等优点[1~4]。如果可以顺利实施，则可以满足设计要求。

因本工程土体颗粒细、渗透性差，孔压消散慢，且加固标准高，土体是否可以直接承受强夯施工，保证置换体形成足够强度是方案成败的关键。为确定如何进行强夯置换及强夯置换在本工程地基情况的适用性及施工参数，在砂混粘性土及粘性土混砂区域选取试验区进行强夯置换试验研究。

2.2 试验过程

2.2.1 A、B试验区

本工程前期设置了2个试验区：A区及B区，面积均为30 m×30 m。

A试验区采用强夯置换法进行施工，为更好消散孔压，A区设计置换点夯3遍，第一遍夯击能2 000 kN·m，第二、三遍夯击能3 000 kN·m，最后600 kN·m满夯2遍。

B试验区采用真空降水强夯置换法进行施工，其由真空降水与强夯两道工序组成，采用人工降低水位，可使地表形成硬层，以支撑设备重量，确保机械设备通行和施工，同时又可加大地下水位与地表面的距离，防止夯击时夯坑内积水，以及降低上部土体含水量，改善能量传递效果，以提高强夯处理效果。B区设计置换点夯2遍，第一遍夯击能2 500 kN·m，第二遍夯击能3 000 kN·m，最后600 kN·m满夯2遍。

图1 A区强夯置换点布置/m

图2 B区强夯置换点布置/m

两个试验区具体施工时，处理过程较为困难，处理效果不甚理想：

1）直接强夯置换区因场地表面土层较为松软，且地下水位较高，虽在施工表层回填了一定厚度的施工垫层，强夯置换施工时仍出现周边隆起严重，甚至于没锤。

2）降水强夯置换区夯沉量过大，无法达到收锤标准，每次夯击1～2击锤就因夯坑深度大而需要填料，而每次新填料后因其松散导致后续夯沉量较大，始终无法通过夯击达到收锤标准。采取将新填料初步密实措施再继续夯击，仍出现一击夯沉量很大的现象。

3）夯坑周边地面隆起严重，原土挤密程度差，整个场地地面弹软。

4）场地地基严重不均匀，不同区域夯沉量差异较大。

通过试验区现场观察及施工中监测数据，发现试验区处理效果不佳的最根本的问题是排水不畅，深层地基土含水量过高而无法有效排出，导致夯击出现“橡皮土”现象，达不到挤密或置换的效果。从理论上讲，真空降水强夯置换方法是处理砂混粘性土或粘性土混砂地基合理有效的方法，但是由于不同区域土质的差异，如何在试验阶段验证降水措施有效性以及最合理的夯击能控制，是试验区能否成功的关键性因素。

2.2.2 C1、C2试验区

在临近类似地质条件的区域采用相对保守的击密参数，增加小能量排水夯，并对比增加塑料排水板排水方案，重新开展强夯置换试验区施工，在进一步改善排水条件的前提下，再试验叠加强夯置换复合地基处理方法，以求最终达到专业化矿石堆场的处理标准。

新布置两个试验区为真空降水强夯置换区（C1）和打设塑料排水板真空降水强夯置换区（C2），置换点布置型式同B试验区，C2区在布设真空管之前打设塑料排水板，增加竖向排水通道，提高排水及加固的效率，排水板间距1.0 m，正方形布置，打设至底标高-5.0 m。为有效降水，在打设塑料排水板及真空降水后，在强夯置换之前先采用振动压路机碾压多遍和小能量满夯协助排水，小能量满夯夯击能两遍，第一遍600 kN·m，第二遍1 000 kN·m，要求在满夯结束1周以上再进行强夯置换点夯施工。

夯击前采用真空降水，可降低地下水位、减小被处理土体的含水量和饱和度等，使上层吹填土的重度由浮重度变成湿重度，在表层形成一预压荷载作用在下层土上，控制降水后地基土体的含水率，振动碾压及小能量满夯使地基对土体进行激振，地下水位以上土体可产生较大的压缩变形，地下水位以下土体可减小土体中的超孔隙水压力，使地基土体的孔隙比减小，同时根据现场情况开挖排水沟做为排水通道，同时阻断施工区以外水源补给。由于强夯置换点夯施工前增加了上述两道工序，使得土体含水量进一步减小，C1区部分区域真空降水强夯置换施工效果较好，但由于现场土质严重不均匀，大部分区域夯点仍然出现隆起现象，并且最后两击夯沉量仍达不到设计要求。

C2区打设塑料排水板并配合真空降水施工后，强夯置换施工较为顺利，夯点周围未出现隆起现象，夯击能量的利用率较高，效果较好。

3 地基处理效果检验

3.1 桩间土标贯试验

插板降水强夯置换后对场地置换桩点之间地基土进行标贯检测，具体试验数据见表1，由试验数据可以看出，由于强夯的密实作用及置换体的挤密作用，桩间土的密实度得到有效的提高，深度1～8 m之间的粉砂均达到中密～密实程度，效果良好。

表1 桩间土标贯试验数据

3.2 置换墩重型动力触探试验

在强夯置换体上进行了重型动力触探试验，检测深度约10 m，实测锤击数与深度关系曲线见图5，由试验结果可知，置换提密实度均达到中密状态，均匀性良好。

图5 密实度与深度关系曲线

3.3 载荷试验

为了检验插板降水强夯置换后的地基承载力，采用面积不小于4平方米的载荷板进行载荷试验，具体结果见表1。由载荷试验相关数据可以看出，试验区的最大试验载荷为设计承载力的2倍时，最大变形在22.46~37.95 mm之间，残余变形在12.57 ~22.30 mm之间，实验过程中均未出现地基急剧破坏现象，加固后的地基承载力特征值均满足不小于250 kPa的要求。

由以上数据可以看出，插板降水强夯置换在砂混粘性土及粘性土混砂地基中是可以达到设计要求的。根据此检测结果，大面积施工时按试验区C2区确定工艺顺利施工，检测合格。

表2 载荷板试验数据

4 结 论

1）对于处理介于软粘土和砂性土之间的砂混泥或泥混砂地基，插板降水强夯置换处理工艺可以取得比较好的加固效果；

2）地基土含水量、渗透性以及地下水位是影响强夯置换加固效果的重要因素，降水、排水措施有效性以及最合理的夯击能控制是真空降水强夯置换施工成功的关键因素；

3）打设塑料排水板、真空抽水并配合振动碾压及小能量满夯等施工工序协助排水，是保证后续强夯置换的施工及处理效果的有效措施；

4）插板降水强夯置换法处理砂混粘性土或粘性土混砂地基，点夯及满夯等施工工序之间需要7～10天以上的间歇期。

参考文献：

[1] JGJ79-2012建筑地基处理技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2012.

[2] 曾国熙，卢肇钧，蒋国澄，等. 地基处理手册：2版[M].北京:中国建筑工业出版社，2000.

[3] 陈思周. 强夯法在软粘土地基加固处理工程中的应用[J]. 港工技术，2013, 3:59-62.

[4] 阮昆，田志武，王会成. 强夯置换法处理软土地基的应用研究[J].交通科技，2012.

Application of Precipitation Dynamic Consolidation Replacemen with Plastic Drainage Plate in the Treatment of Sand Mixed Cohesive Soil Foundation

Fan Yingying, Zhu Hongtao, Chen Sizhou, Zhao Jin
（CCCC First Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300222, China）

Abstract:In between the soft clay and sand soil between sand mixed clay or clay mixed sand foundation, due to soil grains fine, poor permeability, and pore pressure dissipation slow soil can directly under dynamic compaction construction, ensure the replacement body form a sufficient strength is the key of success or failure of the scheme. Through the field test of the test area, it is concluded that the plastic drainage plate and precipitation dynamic consolidation replacement treatment process can achieve a better effect, and achieve the requirements of engineering application.

Key words:sand mixed cohesive soil; foundation; plastic drainage plate; precipitation dynamic consolidation replacement

作者简介：范莹莹（1984-）,女，工程师，主要从事港口地基处理及堆场道路设计工作。

收稿日期：2015-03-04

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160122

文献标识码：分类号：TU472.3+1A

文章编号：1004-9592（2016）01-0094-04

关键字：砂混粘性土；地基；塑料排水板；降水强夯置换