強夯置換+半置換方法地基處理效果分析

李鳳嶺，馬永峰，周丁恒

1.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司杭州分院，浙江杭州100037

2.中國石油工程建設公司華東環(huán)境巖土工程分公司，山東青島266071

3.中鐵第五勘察設計集團有限公司，北京102600

強夯置換+半置換方法地基處理效果分析

李鳳嶺1，馬永峰2，周丁恒3

1.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司杭州分院，浙江杭州100037

2.中國石油工程建設公司華東環(huán)境巖土工程分公司，山東青島266071

3.中鐵第五勘察設計集團有限公司，北京102600

以中國石油云南1 000萬t/a煉油工程地基處理實踐為例，介紹了強夯置換+半置換雙層地基處理方法的施工過程，采用重型動力觸探和超重型動力觸探試驗，檢測了底層、頂層強夯半置換的效果；另外還采用復合地基和夯墩靜載試驗方法，對頂層強夯半置換處理效果進行了檢測。結果表明：場地底層、頂層經(jīng)強夯置換后，有效加固深度、地基承載力和壓縮模量滿足設計要求；依托工程地質條件下底層6 000 kN·m和頂層8 000、10 000 kN·m強夯能級有效加固深度分別不小于4、6.7、8 m；頂層強夯半置換有效加固深度大于底層強夯置換頂面，實現(xiàn)了加固深度的連續(xù)，克服了單層處理達到相等有效加固深度需更高能級的缺陷。

巖溶地基處理；雙層強夯置換；效果檢測

強夯置換法是由強夯法改進而來，利用重錘下落的夯擊能將粒狀骨料（碎石等）擠壓入可壓縮軟土中，通過“填料-數(shù)次夯擊-再填料”的工藝流程，形成大直徑墩加固土體，是一種經(jīng)濟、快速的軟弱土地基處理方式。一般認為，在強夯置換過程中，動力擠密、置換成墩、排水固結等機制相輔相成，形成復雜的整體加固效果。近年來，國內(nèi)不少學者采用有限元分析[1-2]、現(xiàn)場試驗或實測[3-6]、模型試驗[7-8]及應用實例[9]等方法對強夯置換法進行了廣泛研究，但主要針對單層強夯置換，對于雙層強夯置換少有涉及。對于巖溶這種特殊地質條件來說，當?shù)鼗钐幱腥芏创嬖跁r，單層強夯或單層強夯置換無法滿足有效加固深度的要求，則需要考慮雙層強夯置換的可行性。雙層強夯置換法處理地基施工順序為：開挖、強夯置換、回填、強夯置換或半置換，其施工過程分為上、下層。先開挖地基土至軟弱土層表面，在軟弱層采用強夯置換對地基進行加固處理，待軟弱地基土處理完成并通過檢測后，在上層填土采用強夯置換或半置換加固地基直至設計標高。

1 場地工程地質條件

本文依托中國石油云南1 000萬t/a煉油項目工程，場區(qū)地層分布自上而下依次為：素填土、耕土、粉質黏土、角礫、含礫黏性土、含黏土粗礫砂、含角礫粉質黏土、含有機質粉質黏土、殘積土、黏性土夾砂（磷礦）、全風化泥巖及砂巖、強風化泥巖及砂巖、強風化白云巖及灰?guī)r、強風化炭質砂巖、強風化石英砂巖、中風化泥巖、砂巖、中風化白云巖及灰?guī)r、中風化炭質砂巖及中風化石英砂巖。根據(jù)《中國石油云南1 000萬t/a煉油項目巖溶詳細勘察報告》，該場地巖溶區(qū)的巖溶發(fā)育等級為強，有大規(guī)模隱伏溶洞群，不同形態(tài)、規(guī)模的溶洞在巖溶作用下形成大規(guī)模地下架空結構，破壞巖體完整性，降低巖體強度，增加巖石滲透性，致使下伏溶洞頂板坍塌，巖溶地下水突水、突泥和涌砂，地基不均勻沉降等不良地質作用，對工程建設產(chǎn)生嚴重危害，地基處理是工程建設成功與否的關鍵。

2 地基處理方案設計

本工程共有8個區(qū)域地基處理采用了底層強夯置換+頂層強夯半置換，本文以產(chǎn)品罐區(qū)汽油罐組（二）、（三）為主，對雙層強夯置換法處理進行詳細分析。汽油罐組（二）區(qū)域地基處理采用雙層強夯（半置換）工藝，底層為6 000 kN·m強夯置換，頂層為10 000 kN·m強夯半置換，該區(qū)域底層處理后實際完成面平均標高為+1 895.70 m，頂層處理后實際完成面平均標高為+1 903.70 m。汽油罐組（三）區(qū)域地基處理采用雙層強夯（半置換）工藝，底層為6 000 kN·m強夯置換，頂層為8 000 kN·m強夯半置換，該區(qū)域底層處理后實際完成面平均標高為+1 897.00 m，頂層處理后實際完成面平均標高則為+1 903.70 m。

2.1 參數(shù)設計

（1）底層6 000 kN·m能級強夯置換。第1、2遍為強夯置換塊石墩施工，夯錘直徑2.3～2.5 m，單擊夯擊能6 000 kN·m，第1遍夯點按4.5 m× 4.5 m布置，第2遍夯點布置在第1遍夯點相鄰4個點的中心處，兩遍夯點整體呈梅花形。夯擊2～3次，同時應滿足累計夯沉量和填料量分別≥45 mm和20 m3，最后兩擊平均夯沉量不大于100 mm。塊石墩直徑≥2.5 m、墩長≥3.0 m。每一次夯擊數(shù)3～5擊，當夯坑深度超過2.5 m且起錘困難時停止夯擊，回填石料后再次夯擊。當最后2擊平均夯沉量小于100 mm時停夯，累計夯擊數(shù)15～20擊。第3遍滿夯，單擊夯擊能1 500 kN·m，夯印搭接1/3布點，夯點擊數(shù)3擊。

（2）頂層8 000 kN·m能級強夯半置換。第1、2遍單擊夯擊能8 000 kN·m，第1遍夯點6 m×6 m布置，第2遍夯點布置在第1遍夯點相鄰4個點的中心處，兩遍夯點整體呈梅花形，每遍夯擊次數(shù)以最后兩擊平均夯沉量不大于150 mm控制或不少于15擊。第3遍點夯單擊夯擊能4 000 kN·m，4.24 m× 4.24 m布置，夯點布置在第1、2遍夯點每4個呈方形布置的夯點中心處，夯擊次數(shù)以最后兩擊平均夯沉量不大于50 mm控制或不少于12擊。當夯坑深度超2.0 m且起錘困難時停止夯擊，回填石料后再次夯擊。第4遍滿夯，單點夯擊能2 000 kN·m，夯印搭接1/3布點，夯點擊數(shù)3擊。

（3）頂層10 000 kN·m能級強夯半置換。第1、2遍單擊夯擊能10 000 kN·m，第1遍夯點6 m×6 m布置，第2遍夯點布置在第1遍夯點相鄰4個點的中心處，兩遍夯點整體呈梅花形，每遍夯擊次數(shù)以最后兩擊平均夯沉量不大于200 mm控制或不少于15擊。第3遍點夯單擊夯擊能6 000 kN·m，4.24 m× 4.24 m布置，第3遍夯點布置在前2遍夯點每4個呈方形布置的夯點中心處，夯擊次數(shù)以最后兩擊平均夯沉量不大于150 mm控制或不少于15擊。當夯坑深度超2.0 m且起錘困難時停止夯擊，回填石料后再次夯擊。第4遍滿夯，單點夯擊能3 000 kN·m，夯印搭接1/3布點，夯點擊數(shù)3擊。

2.2 處理效果要求

汽油罐組（二）。底層6 000 kN·m能級強夯置換有效加固深度不小于4 m（且不小于①層耕植土及其以上的回填土層合計深度），頂層10 000 kN·m能級強夯半置換有效加固深度不小于8 m（且大于上層厚度），底頂層處理后地基承載力特征值fak和壓縮模量Es不小于250 kPa和16 MPa。

汽油罐組（三）。底層6000kN·m能級強夯有效加固深度不小于4m（且不小于①層耕植土及其以上的回填土層合計深度），頂層10000kN·m能級強夯半置換區(qū)域有效加固深度不小于6.7m（且大于上層厚度），底頂層處理后fak和Es不小于220kPa和14 MPa。

2.3 檢測方案及布置

底層強夯置換后，進行了夯間土重型動力觸探和夯墩超重型動力觸探試驗；頂層強夯半置換后，進行了夯間土重型動力觸探、夯墩超重型動力觸探試驗及復合地基和夯墩靜載荷試驗，具體方案列于表1中。

表1 地基處理后檢測方案/點位

3 加固效果分析

3.1 產(chǎn)品罐區(qū)汽油罐組（二）

（1）底層6 000 kN·m強夯置換效果。底層6 000 kN·m強夯置換后的夯間土重型、夯墩超重型動力觸探試驗經(jīng)修正后擊數(shù)N隨深度分布曲線如圖1所示，夯間土動力觸探擊數(shù)差異不大，但夯墩動力觸探擊數(shù)部分深度超過8擊。根據(jù)相關規(guī)范及手冊經(jīng)驗，由重型動力觸探試驗結果可計算出地基承載力特征值和壓縮模量，得到0～4 m范圍內(nèi)地基承載特征值均為250 kPa，壓縮模量大部分為16 MPa，少部分為17或18 MPa，滿足處理要求。

（2）頂層10 000 kN·m強夯半置換效果。頂層10 000 kN·m強夯置換后的夯間土重型、夯墩超重型動力觸探試驗經(jīng)修正后擊數(shù)N隨深度分布曲線如圖2所示，根據(jù)相關規(guī)范及手冊經(jīng)驗，由重型動力觸探試驗結果可計算出地基承載力特征值和壓縮模量，得到0～8m范圍內(nèi)地基承載特征值均為250kPa，壓縮模量大部分為16MPa，少部分為17MPa，滿足處理要求。

頂層處理后進行了2個點位的復合地基靜載試驗和2個點位的單墩靜載試驗，靜載荷試驗曲線如圖3所示。由JGJ 79-2002《建筑地基處理技術規(guī)范》對于復合地基靜載試驗和GB50007-2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》對于淺層平板載荷試驗的規(guī)定，可得出相應的承載力特征值，靜載試驗結果列于表2中，復合地基和夯墩承載力特征值分別為250 kPa和350 kPa，變形模量均超過35 MPa。

（3）處理效果綜合分析。底層6 000 kN·m能級強夯置換和頂層10 000 kN·m能級強夯半置換有效加固深度不小于4 m和8 m，滿足設計要求。底層和頂層強夯有效加固深度范圍內(nèi)承載力特征值及壓縮模量同樣滿足設計要求。

圖1 底層6 000 kN·m強夯置換動力觸探數(shù)N分布曲線

圖2 頂層10 000 kN·m強夯置換動力觸探數(shù)N分布曲線

圖3 產(chǎn)品罐區(qū)汽油罐組（二）靜載試驗曲線

表2 頂層夯后靜載試驗結果

3.2 產(chǎn)品罐區(qū)汽油罐組（三）

（1）底層6 000 kN·m強夯置換效果。底層6 000 kN·m強夯置換后的夯間土重型、夯墩超重型動力觸探試驗經(jīng)修正后擊數(shù)N隨深度分布曲線如圖4所示，綜合動力觸探試驗所有測試結果，根據(jù)規(guī)范和手冊可知：檢測深度0～4 m范圍內(nèi)地基承載特征值均為220 kPa，壓縮模量大部分為14 MPa，少部分為15 MPa，滿足處理要求。

（2）頂層10 000 kN·m強夯半置換效果。頂層10 000 kN·m強夯置換后夯間土重型、夯墩超重型動力觸探試驗經(jīng)修正后擊數(shù)N隨深度分布曲線如圖5所示，不同點位的夯間土、夯墩動力觸探擊數(shù)差異不大。綜合動力觸探試驗所有測試結果，根據(jù)規(guī)范和手冊可知：檢測深度0～6.7 m范圍內(nèi)地基承載特征值均為220 kPa，壓縮模量大部分為14 MPa，少部分為15 MPa，滿足處理要求。

頂層強夯半置換后進行了6個點位的復合地基靜載試驗和6個點位的單墩靜載試驗，根據(jù)雙層強夯置換后靜載試驗實測結果，繪制p-s（荷載-沉降）試驗曲線，靜載荷試驗曲線如圖6所示，靜載試驗結果列于表3、表4中。

（3）處理效果綜合分析。底層6 000 kN·m能級強夯置換和頂層8 000 kN·m能級強夯半置換地基處理有效加固深度不小于4 m和6.7 m，底層和頂層強夯有效加固深度范圍內(nèi)承載力特征值及壓縮模量同樣滿足設計要求。

圖4 底層6 000 kN·m強夯置換動力觸探數(shù)N分布曲線

圖5 頂層10 000 kN·m強夯置換動力觸探數(shù)N分布曲線

圖6 產(chǎn)品罐區(qū)汽油罐組（三）靜載試驗曲線

表3 頂層夯后復合地基靜載試驗結果

表4 頂層夯后單墩靜載試驗結果

4 雙層強夯統(tǒng)計分析

采用底層強夯置換+頂層強夯半置換雙層處理的區(qū)域共有8個，底層采用重型動力觸探試驗、超重型動力觸探試驗2種方法檢測，頂層則采用重型動力觸探試驗、超重型動力觸探試驗及復合地基和夯墩靜載試驗檢測，每種方法有多個測點。對其他6個區(qū)域的檢測結果進行綜合分析與統(tǒng)計，表5給出了地基處理后檢測結果統(tǒng)計分析。由表5可知：底層強夯置換有效加固深度、地基承載力及壓縮模量滿足設計要求，頂層強夯半置換有效加固深度、地基承載力及壓縮模量也均滿足設計要求。

表5 底層強夯置換+頂層強夯半置換雙層地基處理檢測結果統(tǒng)計分析

5 結論

（1）場地經(jīng)過雙層強夯置換處理后，土體工程特性得到了改善，有效加固深度范圍內(nèi)地基承載力和壓縮模量達到設計要求，因此，底層強夯置換+頂層強夯半置換方法對本工程條件下地基處理是可行有效的。

（2）基于大量實測數(shù)據(jù)，提出本工程地質條件下底層6 000 kN·m和頂層8 000、10 000 kN·m強夯能級有效加固深度分別不小于4、6.7、8 m，頂層強夯半置換有效加固深度大于底層強夯置換頂面，實現(xiàn)了加固深度的連續(xù)，克服了單層處理達到相等有效加固深度需更高能級的缺陷。

（3）本文中雙層強夯置換加固效果檢測僅局限在設計要求的深度范圍內(nèi)。實際上，若要科學判定加固效果，需進行加固處理前后的地基土承載力和土體特性變化的實測，而且還需要在更深的深度內(nèi)進行多種試驗，如多道瞬態(tài)面波測試、標準貫入試驗等，從而得出更為精確的有效加固深度。此外，還需要對不同能級的強夯置換或強夯半置換進行對比分析，希望在未來的工作中可以完善這些研究工作。

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Foundation treatment effect analysis ofdynamic replacement plus half-replacement

LIFengling1，MAYongfeng2，ZHOU Dingheng3
1.Beijing Urban Construction Design&Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100037，China
2.Eastern China Environmental Geotechnology Branch，China Petroleum Engineering&Construction Corporation，Qingdao 266071，China
3.China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600，China

Based on the foundation treatment of PetroChina 10 million t/a oil processing project in Yunan Province，with the methods of heavy dynamic penetration test and super-heavy dynamic penetration test，the compaction effect of bottom-layer or top-layer replacement is analyzed； With heavy dynamic penetration test， super-heavy dynamic penetration test and static load test for composite foundation and single pier，the compaction effect of top-layer half-replacement is analyzed.Conclusions are as following:Firstly，the reinforcement depth，bearing capacity and compression modulus have reached the design standard after bottom-layer dynamic replacement.Secondly， the reinforcement depth，bearing capacity and compression modulus have reached the design standard after top-layer dynamic half-replacement.Thirdly，the effective reinforcement depth of 6 000 kN·m dynamic replacement and 8 000 kN·m and 10 000 kN·m dynamic half-replacement are larger than 4 m，6.7 m and 8 m respectively.The effective reinforcement depth after top-layer half-replacement is deeper than the top surface of bottom-layer dynamic replacement，so the continuity of reinforcement depth is realized and the problem of requiring higher energy level in single layer treatment to reach the same effective reinforcement depth is overcome.

karst foundation treatment；two-layer dynamic replacement；effect test

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.018

李鳳嶺（1984-），男，安徽亳州人，工程師，2009年畢業(yè)于同濟大學結構工程專業(yè)，碩士，主要從事地下工程設計工作。

2016-12-16

中國石油工程建設公司科學研究與技術開發(fā)項目（CPECC2011KJ22）。

E-mail：lifengling8302@163.com。