深層強夯置換法在淤泥地質深坑中的研究及應用
關鍵詞：換填法，深層強夯置換法，淤泥深坑
一、深層強夯置換法作用機理
強夯置換法是強夯法的一種形式，該法多用于承載力要求不太高，且軟土位于近地表的工程中。在相同的加固深度下，淤泥地層所需要的強夯能級要比碎石土、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、填土等其它地層大得多，導致安全性降低，工程造價提高。而采用換填和強夯置換相結合的地基處理方法即深層強夯置換法能夠很好的解決這一難題。
深層強夯置換法所采取的施工方法是材料回填、強夯置換、墊層換填這一施工順序，而不再是單一的強夯置換法或換填法。施工方法的不同直接導致了其加固機理與一般的強夯置換法或換填墊層法也有所不同，它不再是單純的一種加固機理，是兩種加固機理的有機結合。其中，在淤泥深坑表面鋪設一定厚度和強度的塊石、建筑垃圾等散體材料，并通過強夯的巨大沖擊能將含水量高、抗剪強度低、具有觸變性的淤泥擠到周圍，形成密實度高、壓縮性低、應力擴散性能好、承載力高的墊層。強夯置換后的地基承載力和壓縮模量都得到提高，沉降變形減小。強夯置換完成后在其上部用含水量適中的素土或灰土按照一定的壓實系數(shù)進行分層碾壓回填至基底設計標高。這一過程的加固機理與墊層換填相同。即通過分層碾壓改變土或灰土顆粒的組成結構，在基底形成一密實硬殼層，其承擔著承受基礎傳來的荷載，并向下傳遞荷載的作用。
三、工程應用
河北保定某主廠房長149米，寬69米，高9-11米，框架結構，獨立基礎，基礎埋深約2.25m，其地基承載力特征值要求達到150kPa。主廠房東北側有一深約8.3m的水坑，現(xiàn)已用建筑垃圾回填到6.2m，水坑面積約為1626m2。水坑坑底為約3.5m厚的淤泥層，淤泥的天然含水量為45.9%，天然地基承載力特征值為50kPa，呈軟塑-流塑狀態(tài)，壓縮模量為1.5MPa。由此可見，天然地基承載力很低，且坑底低于基礎埋深，不能滿足上部荷載對地基承載力及變形的要求，需要進行地基處理。處理后的地基承載力特征值要求達到150kPa，處理后地基土壓縮模量Es≥7.8MPa，處理后二柱間沉降差小于1/1000。
�、骞こ痰刭|與水文地質條件
根據(jù)巖土工程勘察報告，在勘察深度范圍內，場地內地基土層自上而下分層情況如下：
第①層雜填土：暗黃褐色，粉土質，含植物根莖及磚屑，稍濕，土質松散。本層層厚0.4-2.0米，層底標高15.27-17.83米。
第②層新近沉積粉質粘土：暗黃褐色，可塑-硬塑，含螺殼及鐵錳結核，切面稍光滑，無搖振反應，干強度及韌性中等，局部夾薄層粉土，本層層厚0.5-2.1米，層底標高14.80-16.83米。
第③層粉土：褐黃色，具灰斑，偶含姜石，稍濕，中密，無光澤，搖振反應中等，干強度及韌性低。本層層厚2.2-3.0米，層底標高12.56-13.59米。
第④層粉質粘土：灰褐色，可塑，土質濕軟，底部較硬，富含鈣質，切面稍光滑，無搖振反應，干強度及韌性中等，本層層厚0.6-2.0米，層底標高11.05-12.23米。
第⑤層粉土：黃褐色，稍濕，密實，無光澤，搖振反應中等，干強度及韌性低。底部含砂粒，局部夾硬塑狀粉質粘土薄層，本層層厚1.6-5.0米，層底標高6.52-10.15米。
第⑥層中砂：黃色，長石、石英質，稍濕，中密，底部粒徑較粗。本層層厚1.0-4.2米，層底標高4.86-7.08米。
鉆探深度內未見地下水，原有坑內積水現(xiàn)已排除。
�、娣桨冈O計
根據(jù)巖土工程勘察報告和上部結構設計圖紙，假設自然地表標高為±0.000，基底（含素砼墊層）標高為-2.250m，淤泥坑底標高為-8.300m，淤泥厚度約為3.5m，按土層和應力傳遞情況將基底自上而下劃分為兩層。
第一層為灰土墊層部分。其中，3：7灰土墊層處理厚度約0.45m，1：9灰土墊層處理厚度約2.1m。
第二層為為強夯置換部分（淤泥層頂部至坑底范圍內），處理厚度約3.5m。下面按分層情況分別進行設計計算，并提出設計參數(shù)。
1.灰土墊層部分
上部結構荷載的設計要求為：處理后的地基承載力特征值要求達到150kPa，處理后地基土壓縮模量Es≥7.8MPa，處理后二柱間沉降差小于1/1000。根據(jù)以上設計要求，并結合相關規(guī)程、規(guī)范和工程經(jīng)驗，決定采用1：9灰土墊層，墊層厚度、寬度及壓實系數(shù)須滿足相關規(guī)范要求。
為了確保地基承載力和應力傳遞、擴散需要，在基礎底45cm范圍內采用3：7灰土墊層。
2.強夯置換部分
根據(jù)基礎底面的承載力特征值和上層填土厚度，按照規(guī)范要求確定該層土所需的地基承載力特征值。具體計算方法如下：
式中-------相應于荷載效應標準組合時，墊層底面處的附加壓力值（kPa）；
------墊層底面處的自重壓力值（kPa）；
------墊層底面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值（kPa）；
--------矩形基礎或條形基礎底面的寬度（m）；
--------矩形基礎或條形基礎底面的長度（m）；
-------相應于荷載效應標準組合時，墊層底面處的平均壓力值（kPa）；
-------基礎底面處土的自重壓力值（kPa）；
--------基礎底面下墊層的厚度（m）；
--------墊層的壓力擴散角（0），宜通過試驗確定，當無試驗資料時，可規(guī)范采用。
根據(jù)巖土工程勘察報告中提供的相關數(shù)據(jù)及現(xiàn)場分層情況，經(jīng)詳細計算得，淤泥土層頂面所要求的地基承載力特征值不小于180kPa，且處理深度要求不小于3.5m，必須穿過淤泥質土層。根據(jù)以上設計要求和計算數(shù)據(jù)，結合相關規(guī)程、規(guī)范，以及楊光煦建議“當要求擠淤深度小于5m時，應考慮0.4的深度折減系數(shù)”，經(jīng)過分析研究，單擊夯擊能決定采用2000kN•m能級，夯擊次數(shù)以最后連續(xù)兩擊夯沉量均≤50mm控制。點夯完成后，再進行滿夯施工。滿夯能級為1000kN•m，每點4擊。錘印搭接1/4。具體計算過程如下：
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本工程淤泥質土層要求處理后地基承載力特征值不小于180kPa；地基有效加固深度不小于3.5m。強夯置換的單擊夯擊能應根據(jù)現(xiàn)場試驗決定。但在初步設計階段，可按公式2-3、2-4進行估算，計算結果為：
初選夯擊能宜在與之間選取，高于則可能浪費，低于則可能達不到所需的置換深度。根據(jù)淤泥質土層情況和有效加固深度，單擊夯擊能決定采用為2000KN•m能級。結合當?shù)氐臋C械起吊能力和強夯設備情況，選取夯錘重W=18.0t、落距H=11.5m，實際單擊夯擊能為：
WH=2070kN•m
由梅那公式并根據(jù)楊光煦建議（對于該類土折減系數(shù)取值為0.4），可計算出理論有效加固深度：H=5.75m。
②夯擊遍數(shù)的確定
夯擊遍數(shù)國內一般為2~3遍。根據(jù)本工程的土層情況，決定采用三遍，即兩遍點夯，一遍滿夯。前兩遍目的是處理深層；第三遍為低能量滿夯，目的主要是處理表面土層尤其是夯坑之間的空隙。第二遍選取夯錘重W=10.0t、落距H=10.0m，實際單擊夯擊能為：
WH=1000kN•m
由梅那公式并考慮影響深度折減系數(shù)（對于該類土折減系數(shù)取值為0.4），可計算出滿夯的理論有效加固深度：H=4.00m。
夯擊時每點連續(xù)四擊，下一夯與前一夯印互錯1/4夯。
為改善深層處的處理效果，點夯宜采用較大的夯點間距，以免夯擊時在淺層形成密實層而影響夯擊能往深層傳遞。
3.變形計算部分
按照各向同性均質線性變形理論，深層強夯置換法地基的最終變形量仍然采用分層總和法計算。只不過，計算公式中的壓縮模量發(fā)生了一些變化。對于上層填土，計算公式中的壓縮模量采用墊層換填后的壓縮模量；對于下層淤泥土層，計算公式中的壓縮模量采用強夯置換后土層的壓縮模量。
工程試驗施工完成后，經(jīng)過一年的定期測定表明，沉降基本穩(wěn)定，沉降差滿足設計要求。
五、結語
深層強夯置換法是換填和強夯置換相結合的一種地基處理方法。本文通過對深層強夯置換法在淤泥地質地基處理中的理論分析、研究及實際工程應用，說明該方法能夠很好地解決淤泥深坑中的地基承載力和變形問題。而且該法造價低，效益高，可以被推廣并采用在類似工程中，能夠為建設單位建設增快速度，節(jié)約資金。在沿海淤泥、淤泥質土地區(qū)、沼澤等地區(qū)均可引入此方法，進一步拓寬了強夯法的適用范圍。
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