换填强夯联合法地基加固试验研究

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(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

近年来随着我国城市人口的不断增加，一些影响城市环境的大型工业企业陆续移址到市郊，其厂房、大型设备等对地基的承载能力和限制沉降量也更加严格，单独采用强夯法对地基加固往往很难达到预期的效果，因此多采用强夯法和其他地基加固方法结合。

对于上覆厚度不大的软弱土层，可以采用换填法将处理范围内的软弱土层挖去，换填强度高、压缩性小的材料，然后对换填后的地基进行强夯处理，能够保证地基加固效果。本文对某地区的换填法与强夯法联合地基加固进行了试验研究，以期研究换填土的种类、厚度和强夯能级对地基有效加固深度和强夯后地基土强度的影响规律，供参考。

1 试验场地地质条件

根据钻探，场地勘察深度范围内无不良地质作用，场地地基土在钻探深度内自上而下依次为：耕土0.2～0.7 m，杂填土0.4～2.2 m，粉质黏土0.6～5.7 m，粉土0.4～2.9 m，细砂0.7～3.8 m，中砂0.3～8.4 m，粉质黏土0.1～0.5 m，淤泥质粉质黏土0.6～1.2 m，粗砂0.8～5.5 m，砾砂0.3～5.7 m，中砂1.1～6.1 m，粗砂0.4～1.4 m，粉质黏土0.1～1.9 m，粗砂1.9 m，中砂1.3～2.3 m，粉质黏土0.2 m，细砂2.6～3.8 m。场区地表以黏性土为主，工程地质较差，要求处理后的地基土在8 m深度范围内承载力>300 kPa，变形模量E0>15 MPa。若单独采用强夯法处理上覆软弱黏性土层，经现场试夯，地基承载力及变形模量均无法达到设计要求，在有效加固深度上也很难达到预期效果，所以试验采用换填与强夯结合的方法加固地基土。

2 换填土力学性质

填料选用级配良好的砾砂和中粗砂，对选中的填料取样做颗粒级配分析试验，不均匀系数Cv>5，曲率系数Cc范围在1～3，最大粒径≯200 mm，含泥量≯5%。砾砂和中粗砂的粒径累计曲线如图1和图2所示。

图1 砾砂粒径累计曲线示意图

图2 中粗砂粒径累计曲线示意图

由粒径累计曲线可以看出，砾砂的颗粒大小较为分散，而中粗砂的颗粒大小较为均匀，但级配均>5，为级配良好的换填土。

3 试验方案

挖除上覆软弱土层，分别回填力学性质良好的砾砂和中粗砂，然后进行强夯。试验采用3种能级强夯，分别为1 000 kN·m、2 000 kN·m、3 000 kN·m。强夯点采用正方形布置，夯点间距的选择以强夯影响的扩散进行计算。由于换填土为相对较松散的砂类土，开始时每次夯击的沉降量较大，所以采用边夯边填的方法，控制每个夯点最后两击的平均夯沉量<50 mm，并保证夯坑周围地面不发生过大的隆起。

试验区采用6个换填区，1号区为换填深度6 m的砾砂，2号区为换填深度4 m的砾砂，3号区为换填深度2 m的砾砂；4号区为换填6 m的中粗砂，5号区为换填4 m的中粗砂，6号区为换填2 m的中粗砂。

强夯机选择30 t履带吊车，夯锤选择15 t和10 t两种类型，夯锤直径2.52 m。先进行第1遍点夯施工，连续夯击，夯击次数达到设计锤击数后进行下一点的夯击。第1遍点夯完成后，用铲车将夯坑填平，进行第2遍点夯施工。

4 试验结果和分析

1号区和4号区在3个能级的强夯下得到的夯击次数与夯击沉降量的关系曲线见图3和图4。

图3 1号区夯击次数与夯击沉降量的关系曲线

图4 4号区夯击次数与夯击沉降量的关系曲线

由图3和图4可以看出，换填土的种类对夯击沉降量和夯击能的影响不大。在1 000 kN·m能级夯击下，砾砂与中粗砂均开始沉降量较大，然后趋于稳定，说明后期的夯击对土的压实和固结效果不明显；在3 000 kN·m能级夯击下，在多次夯击下仍有较大的沉降量，说明较大的能级对土的扰动较大，土体结构尚未达到稳定，夯击对土重新产生了破坏作用，很难达到稳定固结的作用；在2 000 kN·m能级夯击下，夯击沉降量随着夯击次数的增加呈现逐渐减小的趋势，最后趋于零，说明夯实效果很好。这表明夯击能并非越大越好，若夯击能小，不能达到夯击密实的效果；若夯击能过大，反而会对土体结构产生二次破坏。该地区的地基处理宜采用2 000 kN·m能级夯击。

1号区至6号区夯实后，分别对夯实后的地基土进行了载荷试验，试验结果如图5所示。

图5 夯实后的地基土载荷试验曲线

利用沉降量与承压板直径之比等于0.01对应的荷载为地基土承载能力特征值，取沉降量为8 mm对应的荷载值为承载能力特征值。由砾砂夯实1号、2号、3号区载荷与沉降p-s曲线对比可以看出，换填深度越大，夯实后的地基土承载能力越强；由2号、3号区载荷与沉降p-s曲线对比，换填深度在4 m和2 m情况下，地基土的承载能力趋于一致，说明浅层土换填时，换填深度对夯实后的地基土承载力影响不大；砾砂夯实1号区与中粗砂4号区的载荷与沉降p-s曲线对比，可明显看出砾砂夯实后的承载能力强于中粗砂，说明换填土的力学性质对夯实后地基土承载力的影响极大。

2号区和5号区强夯后的重型动力触探击数与钻探深度的关系如图6和图7所示。

图6 砾砂夯击有效加固深度曲线

图7 中粗砂夯击有效加固深度曲线

由图6和图7可以看出，换填深度均为4 m，均采用2 000 kN·m能级夯击，夯实前砾砂与中粗砂的动力触探击数与钻探深度关系曲线明显不同，原因在于砾砂颗粒大小不均匀，而中粗砂颗粒较均匀，在夯实前换填土较为松散，所以在4 m深度换填土与原状土的接触处发生触探击数陡变现象。由夯实后砾砂与中粗砂的动力触探击数与钻探深度关系曲线可以看出，砾砂与中粗砂在夯实后的加固效果和有效深度上有很大不同，在钻探相同深度范围内，砾砂动力触探击数在15～25击之间，中粗砂在10～15击之间，说明砾砂的加固效果明显好于中粗砂；砾砂换填深度在10 m左右时，夯实后与夯前触探击数接近，说明在10 m以下土层夯击对其没有加固影响，即砾砂的有效加固深度在10 m左右，同理中粗砂有效加固深度在5 m左右，砾砂的加固深度明显大于中粗砂。

5 结论

采用换填法与强夯法联合对地基土进行加固处理，在现场选取6个区试验对其数据进行对比分析得到了如下结论：

5.1 强夯并非能级越大越好。若强夯能级过大，有可能对换填土体产生二次破坏。对于砾砂和中粗砂，宜采用2 000 kN·m能级。

5.2 砾砂与中粗砂对比，夯实后砾砂的承载力明显大于中粗砂夯实后的承载力。

5.3 对于同类换填土，换填深度越大，强夯后的承载力越大。在浅层土层采用换填，其换填深度对夯实后的地基土承载力几乎没有影响。

5.4 在相同换填深度和相同的夯击能下，砾砂较中粗砂夯实的有效加固深度更大，加固效果更好。

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