【分享】湿陷性黄土地区高填方压实场地20000kN.m超高能级强夯处理试验研究

0 引言

高能级强夯法可以一次性处理深厚地基土，能够有效地改善回填土和原地基的压缩性，消除湿陷性，减少填土分层，减少土方交叉作业的影响。国内高强夯地基处理能级由12000kN.m发展到18000kN.m并得到了广泛的应用，15000kN.m能级强夯试验于2005年10月在大连某原油罐区首次实施，16000kN.m能级强夯试验于2005年12月在大连取得成功，2008年5月国内首次18000kN.m能级强夯试验在珠海高栏岛取得成功。至此，近8年的时间里，强夯的施工能级再无提高。此外，国内各地基处理规范对强夯均做出了相关规定，目前各规范对强夯规定的最高能级为18000kN.m，其中：《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）最高能级为12000kN.m，《钢制储罐地基处理技术规范》(GB/T50756-2012)最高能级为18000kN.m，《复合地基技术规范》(GB/T50783-2012)强夯置换最高能级为18000kN.m。

在西北黄土丘陵地区由于地形条件限制，城市发展空间较小，城市发展基本沿河谷地带布局，属于线性城市。西北某典型的线型城市，建设用地极为紧缺，城市半径每增加1公里，增加建设用地仅不足700亩。由此导致的交通、空间资源、城市功能设施矛盾极为突出。因此充分利用荒山荒地，“上山建城”，横向发展，形成科学的城市肌理，几乎是西北山区城市发展的唯一选择。在“上山建城”中势必存在削峁建塬、填沟造地等大挖大填工程。在建设过程中，也必然会存在十几米甚至上百米高的填筑体。传统意义上的高填方场地由于填筑体过厚，需经一段很长的静置稳定时间后方可投入使用，大幅增加了造地的时间和经济成本。运用20000kN.m以上超高能级强夯处理经分层碾压或分层强夯后的填筑体，使回填土分阶段再压缩，大幅减少场地的工后沉降，缩短填筑体压缩稳定时间，缩短填土地基交地使用时间。因此针对西北某高填方工程，对20000kN.m超高能级施工开展相关试验工作，很有必要。同时可为类似场地的地基处理提供依据。

1 场地概况

本次试验场地位于西北某填沟造地工程。试验场地填筑体填料为黄土梁峁挖方料。试验场地大小为50m*50m。由于原始地貌不同，试验区回填厚度自西向东从14.46m至22.16m逐渐递增。试验前场地经分层回填，填筑体压实度为0.93左右。回填方式为：试验场地地面标高以下0至3.62m采用分层碾压回填，地面标高以下3.62m至11.38m采用分层强夯夯实，夯击能级为3000kN.m，地面标高以下11.38m至原地表采用分层碾压回填。回填后填筑体经压实度检测，满足压实度不小于0.93的要求。试验场地平面如图1所示，强夯试验场地剖面如图2所示。

试验施工时间：2016年5月18日，20000kN.m超高能级强夯地基处理试验正式施工，至2016年5月25日900㎡试验区全部施工完成，试夯工期共计8天。

图1 强夯试验场地平面图（图中标注尺寸均为m）

Figure 1 Dynamic compaction test site plan (dimension are meter in the figure)

图2  试验场地1-1剖面示意图（图中标注尺寸均为m）

Figure 2 test site 1-1 section sketch(dimension are meter in the figure)

2 强夯试验方案设计

20000kN.m能级试验设计参数共分五遍进行。

第一遍20000kN.m能级平锤强夯，夯点间距为12.0m，收锤标准按最后两击平均夯沉量不大于30cm且击数不少于18击控制，施工完成后及时将夯坑填平；

第二遍20000kN.m能级平锤强夯，夯点间距为12.0m，夯点位于第一遍4个相邻夯点中心，收锤标准按最后两击平均夯沉量不大于30cm且击数不少于16击控制，施工完成后及时将夯坑填平；

第三遍15000kN.m能级平锤强夯，夯点位于第一遍或二遍相邻两个夯点中间，收锤标准按最后两击平均夯沉量不大于20cm且击数不少于15击控制；

第四遍为一、二、三遍夯点的原点加固夯，夯击能3000kN.m，夯点位置与一、二遍夯点重合，收锤标准按最后两击平均夯沉量不大于10cm且击数不少于9击控制；

第五遍为2000kN.m能级满夯，每点夯2击，要求夯印1/3搭接。满夯结束后整平场地。

夯点布置图如图3所示，试验区域现场情况如图4所示。

图3  20000kN.m能级强夯试验夯点及检测点布置图

Figure 3 20000 KN.m energy level dynamic compaction test and testing point arrangement of tamping points

                                    (a)场地北面                                              （b）场地南面

                            (a)north of the field                                     (b)south of the field

图4 试验区域现场照片

Figure 4  Test field

3 强夯试验分析

强夯试验进行了单点夯试验、群夯试验，为更加有效的评价强夯试验地基处理效果，本次检测采取了几种检测手段：夯前夯后钻孔取土土工试验、浅层平板载荷试验、重型圆锥动力触探试验。

3.1 单点夯试验

为了监测夯坑周围隆起情况，本次试验针对第一、二遍主夯点和第三遍插点夯进行了单点夯试验，在夯坑周围设立隆起观测点：以夯点中心向外3m、4m、5m、6m、7m相互垂直的方向各设5个监测点，两组观测点示意图如图5所示。

图5 单点夯试验示意图

Figure 5 Single-point tamping test schematic diagram

以第一遍20000kN.m能级单点夯的隆起观测情况为例，夯点位于试验区的中心，从各观测点隆起数据来看，靠近夯点的三个观测点隆起较为明显，隆起量均小于30cm， 4号和5号观测点距离夯点中心6m和7m，其隆起量均小于5cm，说明20000kN.m能级强夯的夯击侧向影响范围在6.0m左右，由此可见夯点间距设计比较合理。第一、二、三遍点隆起观测情况如图6~图8所示。

图6 第一遍20000kN.m 单点夯累计隆起曲线

Figure 6  The first time 20000 KN.m single-point tamping curve of uplift

图7 第二遍20000kN.m 单点夯累计隆起曲线

Figure 7 Second 20000 KN.m single-point tamping curve of uplift

图8 第三遍15000kN.m单点夯累计隆起曲线

Figure 8 Third time 15000 kn. M single-point tamping curve of uplift

3.2 群夯试验

（1）第一遍20000kN.m能级夯点共9个，夯击数平均为18击，末两击平均夯沉量均控制在了30cm之内。夯坑平均深度5.09m， A1B5、A1B3、A1B1夯点一侧夯坑深度相对较浅，造成坑浅的原因是该排夯点靠近山体，底部回填厚度约为15米，其他各排回填厚度均在20米以上。夯沉量与击数关系见图9。

图9  第一遍20000kN.m 夯沉量与夯击击数曲线图

Figure 9 First pass 20000 KN.m settlement - Tamping number 

of graph

（2）第二遍20000kN.m能级夯点共4个，夯击数为16击，末两击平均夯沉量均控制在了30cm之内。夯坑平均深度4.52m，夯坑深度差异较小。夯沉量与击数关系见图10。 

图10  第二遍20000kN.m 夯沉量与夯击击数曲线图

Figure 10 Second 20000 KN.m settlement - Tamping number of graph

（3）第三遍15000kN.m能级夯点共12个，夯击数为15击，末两击平均夯沉量均控制在了20cm之内。夯坑平均深度3.44m，夯坑深度差异较小，夯沉量与击数关系见图11。

图11  第三遍15000kN.m 夯沉量与夯击击数曲线图

Figure 11 Third time 15000 KN.m settlement - Tamping number of graph

（4）第四遍3000kN.m能级夯点共25个，夯击数为9击，末两击平均夯沉量均控制在了10cm之内。夯坑平均深度1.06m，夯坑深度差异较小，夯沉量与击数关系见图12。

图12  第四遍3000kN.m 夯沉量与夯击击数曲线图

Figure 12  The 4th 3000 KN.m settlement - Tamping number of graph

通过群夯试验得出的夯沉量与夯击击数曲线图分析可知，第一遍20000kN.m点夯在夯击15击左右时每击的沉降逐渐趋于稳定，第二遍20000kN.m点夯在夯击13击左右时每击的沉降逐渐趋于稳定，第三遍15000kN.m点夯在夯击12击时每击的沉降逐渐趋于稳定，第四遍3000kN.m点夯在夯击8击时每击的沉降逐渐趋于稳定。

3.3 夯前、夯后钻孔取土土工试验分析

本次试验共进行钻孔（探井）取土7孔，强夯试验前进行3孔，强夯试验后进行4孔，其中3孔位于夯间，1孔（T4）位于夯点。测试超高能级强夯处理前后的深部土层的干密度，评价经高能级强夯后的场地土层压实度。

图13 夯前、夯后不同深度土层的干密度曲线

Figure 13 Before and after the ram of different depth soil dry density curve

如图13所示，在强夯施工前，经干密度试验，其干密度平均值为1.69g/ cm³,压实度为0.93。强夯施工后，夯间干密度平均值为1.77g/ cm³，夯点干密度平均值为1.82g/ cm³，经高能级强夯处理后，夯后干密度较夯前增加近0.1 g/cm³，压实度提高至0.97以上，强夯处理效果明显。

3.4 浅层平板载荷试验分析

本试验区域夯后共进行浅层平板静载荷试验3处（编号为P1～P3，三点均位于夯后夯间，压板采用方形刚性承压板。试验预估荷载1000kPa，前6级分级荷载为100kPa每级，加至600kPa后，分级荷载调整为80kPa每级，最终加至1000kPa或达到《建筑地基检测技术规范》（JGJ130-2015）中规定的其他终止条件的荷载。载荷试验的p-s曲线见图14。

图14  载荷试验p-s曲线

Figure 14 Load test p - s curve

由图14可知，各试验点静载检测结果基本相似，特别是加载量在0~400kPa之间三个试验点的p-s曲线基本重合，说明地基处理后较均匀。加载到1000kPa时，沉降量均小于70mm。p-s曲线没有陡降段，基本属于缓边型，且未见明显比例界限，因此取s/b=0.01（即沉降量为10mm）所对应的压力为各试验点的地基承载力特征值：

P1：fak1=334kPa；P2：fak2=348kPa；P3：fak3=352kPa；

经计算，3处试验点静载荷试验点承载力特征值的极差不超过平均值的30%，根据规范取其平均值为强夯处理后的地基承载力特征值，即fak=345kPa。

3.5 重型动力触探试验分析

对试验区域在强夯施工前后各进行了3孔连续动力触探试验（强夯处理前3孔编号为HQ01～HQ03，强夯处理后3孔编号为HH01～HH03，强夯处理后的试验孔位于夯间），各孔夯前、夯后平均动探锤击数对比见图15。

图15 夯前、夯后重型动力触探击数对比曲线

Figure 15 Before and after the ram heavy dynamic penetration 

number contrast curve

由图15，在18m~20m范围内强夯加固效果明显，夯前平均锤击数13.8击，夯后平均锤击数21.5击，击数增加55.8%，在处理深度范围内，地基土整体密实度有了较大提高，强夯整体效果明显。

3.6 夯前、夯后场地沉降量对比分析

试夯区夯前场地平均标高1043.36m，夯后场地标高是1042.61m，场地强夯后整体沉降为75cm。场地各遍夯沉量如图16所示，场地各遍强夯后总体夯沉量分别为22cm,9cm,12cm,21cm,15cm。场地第一遍20000kN.m能级夯点个数为9个，而第二遍20000kN.m能级夯点个数为4个，因此第二遍强夯后场地总体沉降量相对较小。从相对于平均18m厚的填筑体来看，总体压缩量75cm，填筑体每米厚度平均压缩近4cm，压缩量显著。可见，分层压实（夯实）填筑场地经超高能级强夯分阶段再压缩后，场地工后沉降量大幅减少。不同夯击遍数下场地沉降量曲线如图16所示。

图16  不同夯击遍数下场地沉降量曲线图

Figure 16 Ground settlement curve under different tamping times

4 结论

本文在压实（或夯实）的填土地基上进行了国内首次20000kN.m超高能级强夯试验研究，对试验进行了详尽的分析研究。获得了20000kN.m能级强夯处理压实（或夯实）填土地基的处理效果，形成了分层压实（或夯实）填土地基分阶段整体再压缩的处理理念，同时将国内强夯向更高能级推进，为地基处理规范的修编积累了数据。

（1）本次20000kN.m超高能级试验尚属国内首次，提出了在大厚度分层压实（或夯实）填土地基上进行超高能级再处理理念，该理念可大幅缩小填土地基的工后沉降，缩短填土地基交地使用时间，提高土地使用价值，便于投资回收和进行后期建设。

（2）从试验性施工来看，经20000kN.m超高能级强夯地基处理后，整个场地的沉降变化较大，夯前场地标高为1043.36m，夯后场地标高降为1042.61m，场地强夯后整体沉降75cm。超厚（18m以上）分层压实（夯实）填筑场地经超高能级强夯分阶段再压缩,降低了高填方场地的工后沉降。

（3）根据夯后的检测分析，20000kN.m能级在大厚度压实（或夯实）黄土填土地基的处理深度超过18m，处理后地基承载力可达345kPa。

（4）在检测方法上，除了常规的动力触探试验和静载荷试验，还增加了干密度对比试验并辅以场地沉降对比分析，可供大厚度填土地基和湿陷性黄土地基处理参考。

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本文原始作者：水伟厚，董炳寅，梁富华

编辑整理：强夯网

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