强夯法软土地基预处理与施工技术探讨

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　　摘要：本文主要对该工程结合实况，阐述了软土地基预处理在工程应用中的重要性，并提出了强夯法在软土体施工的前景。
　　关键词：建筑工程；软土地基处理；强夯法；施工技术
　　一、工程概况
　　某大厦中心总用地面积453871m2。除绿地面积（103512m2）外，包括中心主馆、交流中心、入口广场、停车场、水下层区、室外展场在内的场地面积约为350000 m2。场地普遍分布有第四纪海陆相沉积的由淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土及砂土组成的软土，厚度约为10-15m，存在高压缩性、承载力较低及深部砂层液化等问题，其天然地基承载力不能满足上部建筑物施工阶段及正常使用阶段的要求，需进行软土地基预处理。
　　本工程分超载（堆土）预压区及动力排水固结区两部分。超载（堆土）预压区面积为216775 m2；动力（强夯）排水固结区面积约为169229 m2。动力（强夯）排水固结施工月18日开始强夯总平面布置见图1。
　　
　　
　　二、工程地质的主要特点
　　①软土层厚度较大
　　场地普遍分布有第四纪海陆相沉积的软土。由淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土及砂土组成、厚度约为10-15m。
　　②淤泥含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低
　　淤泥层含水量为63.8%，孔隙比1.72，压缩系数1.17MPa-1,抗剪强度指标C=5.9kpa，；φ=6.4o。
　　③场地抗震性能差
　　场地指数15.00-17.49，属中等-严重液化等级，地震时，其上部淤泥、淤泥质土存在震陷，下部粉土及砂土存在液化。
　　④渗透性好，下断层广泛分布中细砂层，渗透性好，有利于排水固结。
　　三、施工目的
　　1、软土的固结变形问题
　　本场地按设计标高要求，普遍需填土1.5-2.0m，最大填土厚度3.5m，在考虑停车场、广场及室外展区的荷载，预计作用在软土场地的外加荷载将超过100kpa，这将引起较大的地面沉降，预估软土固结沉降达400-1000mm，而整个工程的工期要求较紧，所以如何加快地基的排水固结，提高场地承载力是要解决的主要问题。
　　2、加固主体场馆的地基，加强对下部桩基的侧向约束，提高抵抗水平荷载的能力。
　　科学中心将承受较大的风荷载和地震荷载，从而使得下部桩基承受较大水平荷载。由于桩承台和相当长的一部分桩处在软土和松砂之中，侧向约束小，结构设计认为其受力性能类似高承台桩。
　　为了提高桩基抵抗水平荷载的能力，有必要对建筑区的地基进行加固，提高松砂的密实度和软土的强度，增大对桩基的侧向约束。中南设计院要求地基处理后可满足桩基水平承载力和承台侧向约束的要求。
　　3、消除或降低地基液化
　　本场地砂土有轻微-严重液化趋势，属中等液化等级，且场地易产生震陷，应采用有效措施消除或减轻地基砂土液化，降低淤泥震陷的可能性，提高场地的抗震性能，减少上部结构的投资，保证地震时的场地稳定性。
　　4、有利于基坑开挖支护
　　经处理后的场地，应满足主体场馆在基坑开挖时的土工参数要求，较大幅度提高淤泥质的抗剪强度，避免目前场地中存在的淤泥质土流变性和触便性大的缺陷。
　　四、施工工艺
　　1、施工机械
　　强夯选用起吊能力为50吨履带吊机，吊钩为自动复位式脱钩器。施工机具主要由夯锤、起重机、自动脱钩器、滑轮组等组成。
　　2、竖向排水体施工
　　在强夯施工前，施工竖向排水体，以形成竖向排水通道，与地表砂垫层一起构成有效的排水系统，使得强夯施工过程中产生的超静孔隙水能迅速的排走，加快超静孔隙水的消散速度，减少两遍夯击的时间间隔，加快施工速度，科学指导施工，节约工期。
　　本工程排水板采用B型塑料排水板，塑料排水板呈等边三角形布置，间距1m，打入深度需进入底部不透水层1m。施工步骤如下：
　　①绘制方格网图并现场放样，用方格网控制，标示插板位置，使板距误差控制在允许范围内；
　　②就位插板机，调好机架的平整度和套管的垂直，使排水板的垂直度偏差控制在允许范围内；
　　③将排水板插入套管，起动振动锤，将套管和排水板压入土中；
　　④排水板进尺长度要定够，不允许使用搭结延续的排水板。排水板的入土深度不得小于设计深度；
　　⑤输送滚轴反转，松开排水板，套管上提，排水板留在土中满足设计深度，套管上提时，跟带排水板的长度不大于50cm；
　　⑥在地面以上20cm处切断排水板，移向下一孔位施工。
　　3、强夯施工
　　3.1强夯施工方法
　　本次强夯施工从2009年3月18日开始，至2009年11月23日结束，共投入12台50t的履带式起重机。根据填砂面和强夯施工参数的不同，共分为四个强夯施工区，施工时采用“先轻后重，逐级加能，少击多遍，逐层加固”的方式进行夯击，先点击后满夯，并按以下步骤进行:
　　a.清理并平整施工场地；
　　b.标出第一遍夯点位置，并测量场地高程；
　　c.起重机就位，使夯锤对准夯点位置；
　　d.测量夯前锤顶高程；
　　e．将夯锤起吊到预定高度，待夯锤脱钩自由下落后，放下吊钩，测量锤顶高程，若发现因坑底倾斜而造成锤歪斜时，应及时将坑底整平；
　　f.重复步骤e，按设计规定的夯击次数及控制标准，完成一个夯点的夯击；
　　g.重复步骤c、e，完成第一遍全部夯点的夯击；
　　h.用推土机将夯坑填平，并测量场地高程；
　　i.在规定的间隔时间内，按上述步骤逐次完成全部夯击遍数，最后用低能量能满夯（锤印搭接1/3），将场地表层松土夯实，并测量场地高程。
　　3.2强夯施工参数
　　强夯施工时采用“先轻后重，逐级加能，少击多遍，逐层加固”的方式进行夯击，夯点按5.0×5.0m方形布置，隔点夯击，点夯三-四遍。单点夯击击数6（8）击，夯击能分别为800kN•m、1050 kN•m、1300 kN•m，每遍夯击的收锤标准为6（8）击总沉降量不大于1300mm(1600mm)为准；最后满夯一遍，低能量，夯击能为800 kN•m，挨点梅花形夯打锤印搭接1/3，挨点以夯锤直径为准，不得以扩孔边为准，夯后原地整平。
　　4、保证加固效果的关键施工措施
　　为了加快孔隙水压力的消散速度，避免形成橡皮土，提高软土地基的加固效果，整个强夯区的排水措施就显得尤为重要。
　　排水沟及集水井采用挖土机原土开挖，沟宽4m，底部低于起夯面1.5m，要求排水沟能保持流水畅通。
　　五、施工监测
　　1、孔隙水压力监测
　　可通过孔隙水压力监测得到孔隙水压力的消散时间，从而确定两遍夯击之间的时间间隔，科学指导施工。
　　2、夯沉量监测
　　夯沉量监测数据
　　本次强夯施工中对各夯区每一夯点的夯沉量进行了监测，由夯沉量监测到的数据来看，每一夯点的夯沉量均在1300mm-1600mm左右，三-四遍强夯施工完成后平总夯沉量在500mm-1100mm之间，平均总夯沉量约为680mm。其中动力排水固结1区平均总夯沉量约为660mm；动力排水固结2区平均总夯沉量约为660mm；动力排水固结3区平均总夯沉量约为750mm；动力排水固结4区平均总夯沉量约为640mm。
　　六、施工效果分析与评价
　　1、现场监测的施工效果分析
　　1.1孔隙水压力监测本次孔隙水压力观测共进行了55个观测点的观测，根据强夯的次数不同，总体上分为两个区，其中A-L区，25个测点，点夯4次，满夯1次；M1-G2区，20个测点，点夯3次，满夯1次。每个测点设3个孔隙水压力计，埋设深度分别为2m、6m、10m，埋设后的孔隙水压力计在处读数稳定后，再进行强夯施工。强夯施工过程中孔隙水压力每天监测一次。由现场监测的孔隙水压力结果分析来看，孔隙水压力消散时间较快，一般只要2-3天就能消散，即可进行第二遍夯击，达到了节约工期的目的。

　　1.2夯沉量监测本次强夯施工中对各夯区每一夯点的夯沉量及总夯沉量均在1300mm-1600mm左右，三-四遍强夯施工完成后总夯量在500mm-1100mm之间，平均总夯沉量约为700mm。
　　根据现场强夯施工记录来看，第一遍强夯时每一击的沉降量较大，总夯沉量已达1300-1600mm，说明原场地上部土层结构比较松散。
　　根据现场强夯施工记录来看，第二遍强夯时每一击的沉降量较第一遍夯击时稍小，说明经第一遍强夯后，软弱土层已得到初步加固。
　　根据现场强夯施工记录来看，第三遍强夯时每一击的沉降量较第一、二遍夯击时小，说明软弱土层已得到进一步加固。
　　动力排水固结4区进行第四遍强夯时，每一击的夯沉量已有大幅度的降低，均能达到6击总夯沉量不大于1300mm的收锤标准，甚至有部分夯点需夯至7击时总夯量才达到1300mm，由此可以看出，软弱土层在经过四遍强夯施工后已得到了较好加固。
　　2现场检测的施工效果分析
　　2.1夯后试验本次施工完成后对科技中心软基处理工程强夯进行了瑞雷波、静力触探、静荷载、以及标贯和土工参数检测。通过检测可知经强夯处理后，科技中心场地地质情况有了明显改善：0-4米土层的土工参数大幅度提高，地基承载力特征值约为130kpa以上；4-8米土层的土工参数有一定幅度的提高，地基承载力特征值约为100kpa以上；8-14米土层的土工参数有所加强，大部分孔砂土液化已消失，个别孔砂土液化由中等-严重改变为：不液化-轻微；填土层的自重固结已完成，上部软弱土层的附加固结基本完成，桩上部土层摩阻力可取正值。
　　传统强夯法的有效影响深度一般为6m左右，而从本次检测结果来看，12m范围内的深部砂层的液化均得到了明显改善，有效影响深度甚至超过12m。经分析我们认为可能是因为在强夯夯击的瞬间，因强夯所产生的巨大能量，使得强夯产生的附加应力沿着塑料排水板和袋装沙井所形成的“水柱”快速向土体深部传递，从而大大扩展了强夯的影响深度，达到了处理本场地深厚软弱土层的目的。
　　2.2在强夯完成后，展开钻孔灌注桩的施工。从施工情况及成孔质量测试来看，未发现一例塌孔现象，且成孔质量好，桩的实际成孔直径值均能达到设计值的要求，说明软弱土层得到了排水固结。
　　2.3科技中心原设计主楼区总桩数为1500条，由于经过强夯法处理后，上部软弱土层得到排水固结，深部砂土层的液化得到了改善，经静荷载试验后单桩承载力有较大幅度提高，因此，设计时不考虑负摩擦力，总桩数减少400条，节约工程造价。
　　2.4在地下室基坑支护方面，采取了大部分基坑原土层放坡开挖，局部软弱地区采用搅拌桩支护的方案。从现场的施工情况来看，本次基坑支护是成功的，未发现有坍方或边坡滑移的现象。经分析这与强夯后场地上部土层土工参数大幅度改善，地基承载力得到提高，软弱土层得到排水固结有关。
　　七、结束语
　　综上所述，该工程应用了动力排水固结法施工技术取得了成功，完成了近17万平方米的软弱地基预处理工程，软弱土层得到排水固结、各项物理力学指标均有大幅度提升，场地地基承载力得到了提高，深部砂层液化得到改善。通过本工程施工，在市内首次总结出了适用于软土体的“先轻后重、逐级加能、少击多遍、逐层加固”的夯击方式，确立了以不破坏土体宏观结构为原则的收锤标准，形成了能够有效抑制超孔隙水压上升，加速超孔隙水压消散，增大强夯效果，降低能耗的一整套动力排水固结法新工艺。

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