深层强夯置换法在淤泥地质深坑中的研究及应用

　　摘要：深层强夯置换法是换填和强夯置换相结合的一种地基处理方法。本文通过对深层强夯置换法在淤泥地质地基处理中的理论分析、研究及应用。说明该方法能够很好地解决淤泥深坑中的地基承载力和变形问题。
　　关键词：换填法，深层强夯置换法，淤泥深坑
　　
　　一、深层强夯置换法作用机理
　　强夯置换法是强夯法的一种形式，该法多用于承载力要求不太高，且软土位于近地表的工程中。在相同的加固深度下，淤泥地层所需要的强夯能级要比碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、填土等其它地层大得多，导致安全性降低，工程造价提高。而采用换填和强夯置换相结合的地基处理方法即深层强夯置换法能够很好的解决这一难题。
　　深层强夯置换法所采取的施工方法是材料回填、强夯置换、垫层换填这一施工顺序，而不再是单一的强夯置换法或换填法。施工方法的不同直接导致了其加固机理与一般的强夯置换法或换填垫层法也有所不同，它不再是单纯的一种加固机理，是两种加固机理的有机结合。其中，在淤泥深坑表面铺设一定厚度和强度的块石、建筑垃圾等散体材料，并通过强夯的巨大冲击能将含水量高、抗剪强度低、具有触变性的淤泥挤到周围，形成密实度高、压缩性低、应力扩散性能好、承载力高的垫层。强夯置换后的地基承载力和压缩模量都得到提高，沉降变形减小。强夯置换完成后在其上部用含水量适中的素土或灰土按照一定的压实系数进行分层碾压回填至基底设计标高。这一过程的加固机理与垫层换填相同。即通过分层碾压改变土或灰土颗粒的组成结构，在基底形成一密实硬壳层，其承担着承受基础传来的荷载，并向下传递荷载的作用。
　　三、工程应用
　　河北保定某主厂房长149米，宽69米，高9-11米，框架结构，独立基础，基础埋深约2.25m，其地基承载力特征值要求达到150kPa。主厂房东北侧有一深约8.3m的水坑，现已用建筑垃圾回填到6.2m，水坑面积约为1626m2。水坑坑底为约3.5m厚的淤泥层，淤泥的天然含水量为45.9%，天然地基承载力特征值为50kPa，呈软塑-流塑状态，压缩模量为1.5MPa。由此可见，天然地基承载力很低，且坑底低于基础埋深，不能满足上部荷载对地基承载力及变形的要求，需要进行地基处理。处理后的地基承载力特征值要求达到150kPa，处理后地基土压缩模量Es≥7.8MPa，处理后二柱间沉降差小于1/1000。
　　㈠工程地质与水文地质条件
　　根据岩土工程勘察报告，在勘察深度范围内，场地内地基土层自上而下分层情况如下：
　　第①层杂填土：暗黄褐色，粉土质，含植物根茎及砖屑，稍湿，土质松散。本层层厚0.4-2.0米，层底标高15.27-17.83米。
　　第②层新近沉积粉质粘土：暗黄褐色，可塑-硬塑，含螺壳及铁锰结核，切面稍光滑，无摇振反应，干强度及韧性中等，局部夹薄层粉土，本层层厚0.5-2.1米，层底标高14.80-16.83米。
　　第③层粉土：褐黄色，具灰斑，偶含姜石，稍湿，中密，无光泽，摇振反应中等，干强度及韧性低。本层层厚2.2-3.0米，层底标高12.56-13.59米。
　　第④层粉质粘土：灰褐色，可塑，土质湿软，底部较硬，富含钙质，切面稍光滑，无摇振反应，干强度及韧性中等，本层层厚0.6-2.0米，层底标高11.05-12.23米。
　　第⑤层粉土：黄褐色，稍湿，密实，无光泽，摇振反应中等，干强度及韧性低。底部含砂粒，局部夹硬塑状粉质粘土薄层，本层层厚1.6-5.0米，层底标高6.52-10.15米。
　　第⑥层中砂：黄色，长石、石英质，稍湿，中密，底部粒径较粗。本层层厚1.0-4.2米，层底标高4.86-7.08米。
　　钻探深度内未见地下水，原有坑内积水现已排除。
　　㈡方案设计
　　根据岩土工程勘察报告和上部结构设计图纸，假设自然地表标高为±0.000，基底（含素砼垫层）标高为-2.250m，淤泥坑底标高为-8.300m，淤泥厚度约为3.5m，按土层和应力传递情况将基底自上而下划分为两层。
　　第一层为灰土垫层部分。其中，3：7灰土垫层处理厚度约0.45m，1：9灰土垫层处理厚度约2.1m。
　　第二层为为强夯置换部分（淤泥层顶部至坑底范围内），处理厚度约3.5m。下面按分层情况分别进行设计计算，并提出设计参数。
　　1.灰土垫层部分
　　上部结构荷载的设计要求为：处理后的地基承载力特征值要求达到150kPa，处理后地基土压缩模量Es≥7.8MPa，处理后二柱间沉降差小于1/1000。根据以上设计要求，并结合相关规程、规范和工程经验，决定采用1：9灰土垫层，垫层厚度、宽度及压实系数须满足相关规范要求。
　　为了确保地基承载力和应力传递、扩散需要，在基础底45cm范围内采用3：7灰土垫层。
　　2.强夯置换部分
　　根据基础底面的承载力特征值和上层填土厚度，按照规范要求确定该层土所需的地基承载力特征值。具体计算方法如下：
　　
　　式中-------相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值（kPa）；
　　------垫层底面处的自重压力值（kPa）；
　　------垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）；
　　--------矩形基础或条形基础底面的宽度（m）；
　　--------矩形基础或条形基础底面的长度（m）；
　　-------相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的平均压力值（kPa）；
　　-------基础底面处土的自重压力值（kPa）；
　　--------基础底面下垫层的厚度（m）；
　　--------垫层的压力扩散角（0），宜通过试验确定，当无试验资料时，可规范采用。
　　根据岩土工程勘察报告中提供的相关数据及现场分层情况，经详细计算得，淤泥土层顶面所要求的地基承载力特征值不小于180kPa，且处理深度要求不小于3.5m，必须穿过淤泥质土层。根据以上设计要求和计算数据，结合相关规程、规范，以及杨光煦建议“当要求挤淤深度小于5m时，应考虑0.4的深度折减系数”，经过分析研究，单击夯击能决定采用2000kN•m能级，夯击次数以最后连续两击夯沉量均≤50mm控制。点夯完成后，再进行满夯施工。满夯能级为1000kN•m，每点4击。锤印搭接1/4。具体计算过程如下：
　　①单击夯击能
　　本工程淤泥质土层要求处理后地基承载力特征值不小于180kPa；地基有效加固深度不小于3.5m。强夯置换的单击夯击能应根据现场试验决定。但在初步设计阶段，可按公式2-3、2-4进行估算，计算结果为：
　　较适宜的夯击能2-3
　　
　　夯击能最低值2-4
　　初选夯击能宜在与之间选取，高于则可能浪费，低于则可能达不到所需的置换深度。根据淤泥质土层情况和有效加固深度，单击夯击能决定采用为2000KN•m能级。结合当地的机械起吊能力和强夯设备情况，选取夯锤重W=18.0t、落距H=11.5m，实际单击夯击能为：
　　WH=2070kN•m
　　由梅那公式并根据杨光煦建议（对于该类土折减系数取值为0.4），可计算出理论有效加固深度：H=5.75m。
　　②夯击遍数的确定
　　夯击遍数国内一般为2~3遍。根据本工程的土层情况，决定采用三遍，即两遍点夯，一遍满夯。前两遍目的是处理深层；第三遍为低能量满夯，目的主要是处理表面土层尤其是夯坑之间的空隙。第二遍选取夯锤重W=10.0t、落距H=10.0m，实际单击夯击能为：
　　WH=1000kN•m
　　由梅那公式并考虑影响深度折减系数（对于该类土折减系数取值为0.4），可计算出满夯的理论有效加固深度：H=4.00m。
　　夯击时每点连续四击，下一夯与前一夯印互错1/4夯。
　　为改善深层处的处理效果，点夯宜采用较大的夯点间距，以免夯击时在浅层形成密实层而影响夯击能往深层传递。
　　3.变形计算部分
　　按照各向同性均质线性变形理论，深层强夯置换法地基的最终变形量仍然采用分层总和法计算。只不过，计算公式中的压缩模量发生了一些变化。对于上层填土，计算公式中的压缩模量采用垫层换填后的压缩模量；对于下层淤泥土层，计算公式中的压缩模量采用强夯置换后土层的压缩模量。
　　工程试验施工完成后，经过一年的定期测定表明，沉降基本稳定，沉降差满足设计要求。
　　五、结语
　　深层强夯置换法是换填和强夯置换相结合的一种地基处理方法。本文通过对深层强夯置换法在淤泥地质地基处理中的理论分析、研究及实际工程应用，说明该方法能够很好地解决淤泥深坑中的地基承载力和变形问题。而且该法造价低，效益高，可以被推广并采用在类似工程中，能够为建设单位建设增快速度，节约资金。在沿海淤泥、淤泥质土地区、沼泽等地区均可引入此方法，进一步拓宽了强夯法的适用范围。
　　
　　参考文献
　　
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