強夯+強夯置換法處理淤泥質土及上覆厚層填土試驗研究

潘宇雄，楊永康，黃照雄

（海南有色工程勘察設計院 ?？?70100）

0 引言

某國際機場二期擴建工程包括飛行區、航站區及工作區，飛行區包括1 條3 600 m×60 m 跑道、2 條平行滑行道、4條南北聯絡道、防吹坪、站坪及維修機坪，航站區包括航站樓、綜合交通換乘中心，工作區包括辦公區、綜合保障區、貨運區及生活服務區。2015年起，先后啟動了飛行區及航站區建設，其中，飛行區在多方案論證及試驗段試驗研究的前提下［1］，采用了強夯法、溝塘換填等地基處理方案，處理面積約213 萬m2，航站區均為大跨度結構建筑，采用樁基礎。工作區分為A、B、C、D 四部分，均為低層單體建筑，根據各建筑物的設計地坪標高及現狀地表標高，B、C、D 區以填方為主，由于工作區啟動較晚，該區接收了飛行區、航站區土方平衡的棄土，棄土均未經處理。

貨運區作為工作區的一部分，包括貨運站、特運庫、水泵房、動監所及貨運車棚等，用地面積92 696 m2，如圖1 所示，該區域地勢低洼，局部區域為魚塘，在未進行清表清淤的基礎上直接回填厚度1.3～7.5 m 的飛行區及航站區場地挖方區玄武巖風化殘積土，頂部厚度約1.5 m 填土由于考慮載重汽車行駛進行了分層碾壓處理?，F場形成了硬-軟-硬的地層結構，若不進行地基處理，將會產生較大工后沉降。

圖1 地基處理試驗段位置Fig.1 The Location of Ground Treatment Test Section

1 地基處理試驗方案

1.1 工程地質條件

根據本工程勘察報告［2］，±0.00 m 標高為17.00 m，勘察期間地面標高為11.12～16.99 m，屬填方區，為玄武巖臺地地貌單元，地層從上至下分別為：

①1素填土（Q4ml）：雜色、棕紅色，松散狀為主，主要填料為飛行區及航站區挖方玄武風化殘積土、少量挖方第四系下更新統海相沉積粘土，混少量植物根系，堆積時間約1.5 年，未經人工壓實，頂部1.5 m 為經壓實后的硬殼層，該層整體均勻性差。

①2雜填土（Q4ml）：雜色、棕紅色，松散狀，成分以飛行區及航站區挖方玄武風化殘積土為主，夾有少量塊徑30～80 cm的混凝土塊、生活垃圾、斷樹枝等。

②淤泥質粉質粘土（Q4h）：黑色，主要呈軟塑狀，由淤泥質土夾砂組成，局部手捻砂感較重，具腥臭味，土質污手，為塘底淤積。

③粘土（Qel）：棕紅色，可塑狀，為玄武巖風化殘積土，夾風化碎塊，標貫擊數N=10～13 擊，液性指數IL=0.23～0.74，平均0.39，壓縮模量Es=5.88 MPa。

④強風化玄武巖、⑤中風化玄武巖：貨運站區域未揭露。

⑥粘土（Q1m）：灰白色、灰黃色，可塑狀，標貫擊數N=8～12 擊，液性指數IL=0.07～0.71，平均0.29，壓縮模量Es=5.93 MPa。

⑦粗砂（Q1m）：灰白色，中密狀為主，飽和狀，石英質，級配不良，標貫擊數N=11～26擊。

1.2 水文地質條件

地下水主要賦存于第②、③、⑥、⑦層的孔隙型潛水，大氣降水補給，大氣蒸發及向低洼地段排泄。地下水的潛水穩定水位高程9.31～11.27 m，埋藏深，可不考慮其影響。

1.3 地基處理方案的選擇

按本工程飛行區地基處理經驗［3，4］，強夯法在處理效果、進度和投資造價上有很大優勢，應優先選用［5，6］。而貨運區場地局部上覆厚層填土下存在淤泥質土層，不能直接采用強夯法。若采用大開挖清淤后回填再加固，可滿足承載力及沉降控制要求，但該法工期長、造價高，還會由于地層軟弱產生開挖后基坑坍塌的風險。

針對以上工程特點，在上覆厚層填土下存在第②層軟弱土層先采用強夯置換法進行加固處理，再采用強夯法對上覆厚層填土處理以減少地基沉降。第②層淤泥質土缺失區域直接采用強夯法處理。

1.4 試驗段的選擇

采用強夯+強夯置換法加固時，夯擊能量、加固深度、夯擊次數、夯擊遍數及停夯標準等都直接影響工程的進度及造價。若強夯參數取值偏低，會達不到設計要求，若強夯參數偏高，缺乏經濟性造成浪費。

由于本工程場地地質條件的差異，貨運區場地地基處理設計參數不能直接套用飛行區的設計參數，應針對擬建場地的地層特點，從加固效果、工期、經濟效益等角度出發，選擇有代表性地段進行試驗［7-9］。根據地基處理加固深度［10］、工程地質條件，對貨運區劃分為強夯法試驗一區、強夯法試驗二區、強夯法試驗三區、強夯+強夯置換法試驗區共4個區，如圖2所示。各區淤泥質土及上覆填土厚度參數如表1所示。

圖2 地基處理試驗段分區Fig.2 The Partition of Ground Treatment Test Section

表1 各分區的地層厚度參數Tab.1 The Soil Thickness Parameters

1.5 設計參數

結合設計地坪標高及現場地標高，強夯法試驗一、二、三區直接采用強夯法加固；強夯+強夯置換法試驗區先采用強夯置換法對②淤泥質粉質粘土進行置換，能量為1 500 kN·m，再根據現狀標高與設計地坪標高超填1.5 m厚土層，如表2所示。

強夯法停夯標準為點夯、滿夯最后兩擊平均夯沉量分別≤10 cm、≤5 cm。

強夯置換法采用柱錘沖擴至②淤泥質粉質粘土層底后，采用邊填料邊沖擊至現狀地面，收錘標準為沖擊數最后兩擊平均沉降量≤10 cm。柱錘直徑1.2 m，重量15 t，填料采用碎石，粒徑不大于3 cm，夯擴墩直徑2 m，墩長6.0 m，填料量為18.84 m3。

表2 地基處理設計參數Tab.2 The Design Parameters of Ground Treatment

1.6 地基處理目標

均勻性目標：處理后①1素填土、①2雜填土標準貫入擊數N≥5 擊，修正后重型動力觸探錘擊數N63.5≥5擊，表面壓實度≥90%；

承載力目標：處理后fak≥120 kPa，單墩承載力特征值Ra≥500 kN；

工后沉降目標：處理后3個月內的沉降≤100 mm。

2 地基處理施工階段沉降觀測

2.1 夯沉量觀測

夯沉量既是控制工期及施工造價的重要指標，也是判斷夯擊過程是否收斂及分析加固效果的必要手段。通過對夯沉量進行觀測，可優化強夯法的設計及施工，典型的夯沉量曲線、各區的夯沉量觀測結果分別如圖3、表3所示。

圖3 典型夯擊次數與累計夯沉量關系Fig.3 Typical Curves of Tamping Times and Settlement

由觀測結果可知：

⑴第一擊夯沉量最大，以后每一擊的夯沉量基本上是隨著夯擊數的增加而減少的，也就說明隨著夯擊數的增加，土層在被夯擊時是逐漸被壓密，地基土的變形模量越來越大，所以每擊夯沉量越來越小。

表3 各區夯沉量結果Tab.3 The Results of Tamping Settlement

⑵從強夯法試驗一區、二區、三區夯沉量數據來看，受地表硬殼層影響，夯擊能越大，停夯擊數越高，夯沉量越大的規律并不明顯。

2.2 地面平均沉降觀測

夯區地基處理的地面平均沉降觀測是夯前與夯后的地面高程之差，即地基處理區域土體的壓縮沉降量。地基處理過程中，對各試驗區強夯前、第一遍點夯、第二遍點夯、滿夯、碾壓后按10 m間距進行沉降觀測，典型沉降曲線如圖4所示。

圖4 典型施工階段地面平均累計沉降曲線Fig.4 Typical Curves of Surface Settlement

由觀測結果分析可知：

⑴強夯法試驗一區、二區、三區、強夯+強夯置換法試驗區在施工階段的累計沉降量分別為390 mm、310 mm、430 mm、415 mm。

⑵各區的施工沉降在地基處理前后有明顯減少，說明主固結沉降增加，工后沉降減少。

⑶由于強夯法試驗一區表層為①2雜填土，局部較軟弱，存在地表硬殼層的厚度不一以及回填土的堆積時間不一等因素，導致強夯法試驗一區的地面平均沉降量較大。

3 地基處理工后試驗

3.1 標準貫入試驗對比分析

標準貫入試驗是評價地基加固均勻性及其效果的重要手段，強夯法試驗一區、二區、三區地基處理前后均布置了18個標準貫入試驗孔，共計36個，試驗頻次為1 次∕m。各區地基處理前后分別完成了66、72 次試驗，累計138次。典型N-h對比曲線如圖5所示。

圖5 典型N-h對比曲線Fig.5 Typical N-h Curves

由試驗結果分析可得：

⑴由于硬殼層的影響，各區1 m處標準貫入試驗錘擊數均較大。

⑵強夯法試驗一區頂部地層為①2雜填土，標準貫入試驗孔揭露較多生活垃圾、木頭碎屑、混凝土碎塊等，導致試驗數據離散性大，結果失真。

⑶強夯法試驗二區夯后1～6 m 每米深度處標準貫入擊數平均值N分別為8.8、7.8、7.5、7.3、11.2 擊，均大于5 擊，比夯前分別增加63.2%、35.4%、22.2%、13.4%、4.7%，0～5 m 內加固效果明顯。5～6 m 處以原狀土③粘土或⑥粘土為主，加固效果不明顯。

⑷強夯法試驗三區夯后1～8 m 每米深度處標準貫入擊數平均值N分別為10.3、9.3、8.2、7.6、7.1、6.5、10.8 擊，均大于5 擊，比夯前分別增加72.5%、38.6%、28.1%、22.9%、14.0%、11.2%、-3.3%，1～7 m 內加固效果明顯。7～8 m處為⑥粘土，由于統計原因呈負數。

3.2 重型動力觸探試驗分析

為分析強夯置換法的置換加固效果，采用重型動力觸探試驗評價置換墩的長度及著底情況，強夯置換法處理后共完成DT1～DT3 共3 個孔的重型動力觸探試驗，典型N63.5-h曲線如圖6所示。

圖6 DT3典型N63.5-h曲線Fig.6 Typical N63.5-h Curves of DT3

由試驗結果分析可得：

⑴0～1.5 m為強夯置換碎石樁上回填土。

⑵從試驗結果看DT1～DT3修正后重型動力觸探擊數N63.5≤5約占1∕6，局部達不到設計要求。

⑶按施工方的施工記錄看，設計院固定了每個置換點的填料為18.84 m3，該填料沒考慮填料的壓縮及骨料在擠密過程的橫向擴徑，施工單位僅按設計要求進行備料，導致置換點的加固體碎石含量少，后續施工宜提高填料的方量。

⑷設計要求強夯能量1 500 kN·m，而現場試驗得出的修正后重型動力觸探擊數較小，強夯能量宜適當增加。

3.3 載荷試驗分析

地基承載力是加固效果的重要指標，在強夯法試驗一區、二區、三區分別完成3 個平板載荷試驗點，共計9 個，編號分別為1#～9#，平板載荷試驗點在休止期后進行。在強夯+強夯置換法試驗區共計完成3 個單墩載荷試驗點，編號分別為10#～12#。典型的P-s曲線如圖7所示。

圖7 典型P-s曲線Fig.7 Typical P-s Curves

由12 個點的試驗結果可知，一區、二區、三區1#～9#試驗點均滿足fak≥120 kPa；強夯+強夯置換法試驗區10#、12#試驗點Ra≥500 kN，11#試驗點Ra=400 kN，未滿足設計要求，結合本文3.2 節重型動力觸探試驗的分析，后續應加大置換能量及提高填料方量。

Heinzerling等[31]研究了8例使用ICIs免疫相關性嚴重心臟不良反應的病例，其中1例88歲轉移性黑色素瘤患者使用帕博利珠單抗后出現心臟驟停，電除顫搶救4次，冠狀動脈造影結果發現伴有冠狀動脈痙攣所導致的冠脈一過性狹窄，超聲心動圖提示LVEF降至45%，臨床伴隨心功能不全癥狀。Plimack等[32]在1項非隨機、開放的ⅠB期研究中應用帕博利珠單抗治療局部晚期或轉移性泌尿道癌(KEYNOTE-012)，其中有33例PD-L1陽性患者，4例出現嚴重不良反應，心臟驟停1例。帕博利珠單抗治療晚期轉移性泌尿道癌(KEYNOTE-052)的試驗中出現了1例Ⅲ級心力衰竭[33]。

3.4 最大干密度及干密度試驗分析

為檢驗強夯法處理后表面的壓實度，強夯法試驗一區、二區、三區地基處理前現場取樣共計完成9 組重型擊實試驗，每個試驗區分別完成3 組。碾壓及休止期后，現場采用環刀法共計完成9 組干密度試驗，每個試驗區分別完成3組，試驗結果如表4所示。

表4 最大干密度及干密度試驗成果Tab.4 The Results of Maximum Dry Density and Dry Density Test

由試驗結果分析可知：

⑴各區壓實度僅1 組滿足設計要求，大于90%，其余壓實度在77%～89%之間。

⑵ 填土層重型擊實法試驗的最優含水率為21.9%～24.0%之間，而現場環刀法試驗的含水率為23.4%～27.4%之間，控制含水率滿足要求。結合施工記錄，施工單位只為找平采用平碾，碾壓2～3遍，碾壓的能量及遍數不足，導致表層壓實度未能滿足設計要求。

⑶強夯法試驗一區①2雜填土成分復雜，局部含較多生活垃圾、木頭碎屑、混凝土碎塊等，壓實度最差。

3.5 室內土工試驗對比分析

為進一步分析強夯法對①1素填土的加固效果，在強夯法試驗二、三區及強夯+強夯置換法試驗區地基處理前后分別采取了78、86個土樣，共計164個，進行室內常規試驗，剔除異常值后統計結果如表5所示。

表5 地基處理前后物理力學性質指標綜合統計Tab.5 The Physical and Mechanical Properties before and after Ground Treatment

強夯法試驗一區為①2雜填土，土工試驗離散性大，統計對比無意義。

由表5分析可知，地基處理后①1素填土的各項物理力學指標均有明顯改善，特別是土的壓縮模量提高幅度最大，從側面也反映了土的承載力得到了幅度較大的提高，最終沉降會減小。

3.6 工后沉降觀測

圖8 典型累計沉降量s隨時間變化曲線Fig.8 Typical T-s Curves

由工后沉降觀測結果分析可知：

⑴強夯法試驗二、三區及強夯+強夯置換法試驗區地基處理后，6 個月的累計平均沉降分別為66.5、79.3、53.3 mm，均小于100 mm，強夯法試驗一區采用換填方案，未觀測至3個月。

⑵根據圖8 沉降量曲線趨勢分析，地基處理后3個月內沉降較大，3～6個月沉降趨于平穩。

4 后續大面積施工建議

通過強夯法試驗一、二、三區及強夯+強夯置換法試驗區地基處理前后沉降觀測、原位試驗及室內土工試驗等結果分析，提出后續大面積施工建議：

4.1 換填法建議

①2雜填土成分復雜，局部含較多生活垃圾、木頭碎屑、混凝土碎塊等，壓實效果差，層厚1.50～2.50 m，平均厚度1.95 m，厚度薄，建議采用換填法，換填后再采用強夯法處理。

4.2 分區處理建議

對于場地分布的①1素填土、②淤泥質粉質粘土應按處理厚度進行分區處理：

⑴①1素填土處理厚度＜3、3～5、6～7 m 其點夯能量分別建議采取1 500～2 000、2 500～3 000、3 500～4 000 kN·m，點夯遍數建議2 遍；滿夯能量建議采取800～1 000 kN·m，滿夯遍數建議1～2遍；

⑵當場地同時分布有①1素填土、②淤泥質粉質粘土時，先采用強夯置換法加固②淤泥質粉質粘土，然后按①1素填土的處理厚度選擇點夯、滿夯能量及夯擊遍數。

4.3 強夯能量建議

強夯置換區的夯擊能量宜適當增加，建議采用2 000～2 500 kN·m。

4.4 碾壓建議

滿夯后碾壓建議采用振動碾，碾壓遍數建議6～8遍。

4.5 有效加固深度的確定

對處理①1素填土，夯擊能2 500、4 000 kN·m的有效加固深度分別建議采用4、7 m。

4.6 強夯置換填料建議

置換墩體的填料應考慮其壓縮及骨料在擠密過程的橫向擴徑，并通過試驗確定增強體最佳填料方量。