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摘要：是针对强夯法的局限和不足之处派生的一种地基处理方法，继承了强夯法的优点，又有其特点，被广泛应用，有其在沿海地区，使用范围更广。本文结合工程实例，介绍了强夯置换法在城市道路软弱地基加固上的应用，内容包括试验、施工、检测。采用强夯置换法取得了良好的经济效益和社会效益，目前正是中国城市建设的大发展时期，可供同类工程参考。
关键词：强夯置换法；软弱地基；地基加固
Abstract: according to the limitations of dynamic compaction method is derived and the deficiencies of a kind of foundation treatment method, inherited the advantage of dynamic compaction method, and its characteristics, widely used, its in coastal areas, use a wider range. Combining with the project example, the paper introduces the method of dynamic compaction replacement in urban road weak foundation reinforcement of the application, and the content includes: test, construction and testing. The dynamic compaction method of replacement have achieved good economic and social benefits, it is now the great development of China's city construction period for other similar projects.
Keywords: dynamic compaction method of replacement; The soft foundation; Foundation reinforcement
中图分类号：TV223 文献标识码：A文章编号：
伴随着我国经济的发展，尤其是沿海地区对公路交通有大量需要，并且这些地区一般经济发达，但在我国沿江、沿湖、沿海等经济发达地区广泛分布着软土，在高路堤、大型桥梁，大量的涵洞、通道处，软土都给建筑施工带来不同程度的伤害。如路基的滑移、开裂、路面起伏不平、桥涵通道等人工构造物处的跳车颠簸等。为了处理好地基，保证来往车辆及司乘人员安全、快速、舒适地行驶，沿海地区的公路建设者需要花大量人力、物力、财力和时间，通过不同的方法对地基进行处理。下文阐述强夯置换法处理某道路工程软弱地基的工程实践。
一、工程概况
某道路路基宽27m，两侧放坡3m，坡脚以外2m，共计宽度约37m。设计车速为60km•h，全长约20km。道路沿线地质条件较差，其中K14～K18路段经过的是养虾池和盐田，路基上部地层为人工堆填土和海相沉积土，含水量大，压缩性大，属于软弱地层，不可作为天然路基，必须对软弱地层进行加固处理，改善地基土的工程特性，達到道路设计的需要，设计处理后的复合地基承载力特征值不小于150kPa。
二、场地工程地质及水文地质概况
根据钻探结果并结合区域地质资料，道路沿线地层情况自上而下分层描述如下：
第①层：粉细砂：褐黄色，稍湿，松散，在K18+960段钻孔内相变为中粗砂。场地内分布广泛，厚度1.1～4.60m。第②层：淤泥质细砂：黑褐色，湿一饱和，松散，该层场地内分布广泛，厚度0.6～15.40m。第③层：亚粘土：灰黄色一黄褐色，硬可塑，有铁质浸染，包含铁锰结核和钙质结核，最大钙质结核直径有5cm。
道路沿线勘察深度范围内的地下水，属第四系松散岩类孔隙潜水，勘察期间地下水稳定水位埋深0.9～1.0m。地下水主要接受大气降水及侧向径流(河水、海水)补给，由蒸发及侧向径流排泄。
三、地基处理方案的确定
本场地为人工堆填土和海相沉积土，含水量大，压缩性大，属于软弱地层，未经处理不能作为拟建道路基础持力层；且局部地段地层起伏变化较大，个别达到20％，容易产生不均匀沉降，对公路基础的稳定性造成威胁。经充分研究及综合对比，本着安全、经济、快速可行的原则，确定采用强夯置换法处理。强夯置换法具有改善深层地基液化及提高地基承载力的作用，处理深度较大，具有强夯密实和深层置换双重功能，强夯置换法的机理是：1)置换作用，强夯形成的密实的碎石墩体置换了同体积地基土；2)挤密作用，在形成密实的夯墩的同时把同体积的地基土挤向四周，挤密了墩体周边的土体；3)振密作用，锤头在夯密墩体的同时，强大的冲击力和振动力通过墩体传向地基土，对地层起到振密作用；4)固结排水作用，密实的碎石墩体，是一个很好的排水通道，地基土孔隙水在挤密震密的作用下，向墩体消散，加快地基土的排水固结。因此从技术可行性因素考虑，应该选择强夯置换地基加固方案。
四、复合地基设计与计算
交通规划设计院要求处理后的复合地基承载力特征值不小于150kPa，变形模量‰不小于10MPa。
根据《建筑地基处理技术规范》：JGJ79—2002有关规定，计算复合地基承载力，要考虑夯墩间地基土的承载力、夯墩的直径、夯墩的承载力、一个夯墩负担的地基面积，采用《建筑地基处理技术规范》中的公式计算复合地基承载力：
式中： ---强夯置换复合地基承载力特征值(kPa)； --强夯置换夯墩承载力特征值(kPa)； --强夯置换后墩间土的承载力特征值(kPa)；m--夯墩和墩间土的面积置换率； --夯墩的截面积(m2)；A--一个夯墩负担处理面积(m2)。
根据设计院的施工技术要求，现场施工夯点是按等腰三角形布置，边长4m，高4m，计算：4×4=16(m2)，一个夯墩负担处理面积A为16m2(图1)。
图 1 强夯置换布点形式
按 计算置换率。夯墩平均直径为2.0m；夯墩面积3.14m。置换率m=4。 =3.14/16：0.20。
为了保证正确计算和确定复合地基承载力特征值，正式施工前先进行试夯试验；试验段强夯置换复合地基采用静载荷试验进行检测和评价，经过对资料整理分析，强夯置换复合地基夯墩承载力特征值 =1450kPa；夯墩间土的承载力特征值 =lOOkPa。将上述 值 值及置换率m值代人公式计算，得强夯置换复合地基承载力特征值 =170kPa>150kPa，满足设计要求。
五、强夯置换复合地基施工
从理论角度讲，要确定出技术可行，经济合理的施工参数，科学的试验方法就是以不同的夯击能、夯击数、夯点距和夯锤面积等因素进行排列组合设计来确定最佳的施工参数。但是在实际施工中由于工期和经济等原因无法这样做，一般依据已有经验确定出夯击能和1～2种锤底面积，再选出1～3种夯击数和夯点距进行试验，从结果中选出最佳者。
本工程设计要求见表1，对淤泥层相对较薄部位，夯击能3000kN•m，夯锤直径2.0m，夯錘重150kN，置换桩间距4.0m，采用正三角形布点；对淤泥层相对较厚部位，夯击能4000kN•m，夯锤直径2.0m，夯锤重180kN，置换桩间距4.0m，采用正三角形布点。填料采用粒径为5～6cm的碎石或块径小于30cm的石渣；每夯墩用石料不小于10m。每夯墩夯击数不小于20击，采取逐点连续夯击法，夯坑周围不应有明显或过大隆起；强夯置换宽度，路基宽27m，两侧放坡3m。坡脚以外2m；共计宽度约37m。
表1地基处理设计要求
淤泥层相对较厚部位
施工中按照设计提出的要求以及确定的夯墩投石量、投石质量、夯击深度等施工注意事项，结合现场的地质条件和施工情况，通过强夯置换形成了密实的夯墩体，挤密了地基土，密实的夯墩体和墩问地基土形成了强夯置换复合地基。
六、强夯置换效果的检测和评价
为了检验强夯置换的加固及处理效果，施工结束后14d检测单位对强夯置换区域进行了平板载荷试验，土工取样试验，标准贯入实验、重型(Ⅱ)动力触探实验。
夯墩问土采用载荷板面积0.5m，直径0.8m的试验装置，最大加荷200kPa(为设计要求100kPa的2倍)；夯墩采用载荷板面积3.14m，直径2.0m的试验装置，最大加荷900kPa(为设计要求450kPa的2倍)。试验采用慢速维持荷载法，千斤顶分10级加荷，压板埋置深度在设计基础底板下约0.10m，在荷载板上对称安置4个百分表观察地基土沉降量及各级荷载相对稳定情况。对载荷试验原始数据进行整理、计算，绘制p～s曲线(夯墩间土和夯墩各选一条曲线，图2～3)，根据曲线的特征，分析得出载荷试验成果，强夯置换后夯墩承载力特征值(fpk)不小于450kPa，夯墩间土的承载力特征值(fsk)不小于lOOkPa，压缩模量E。(MJ)a)不小于10MPa(选出部分有代表性的点见表2)，满足设计要求。
表2 静载荷成果表
现场使用xY一1型工程钻机，采用Ф110钻具开孔，在9m深度范围内对夯墩间淤泥质细砂进行取芯钻进。在钻孔中采用重锤击人法采取原状土样送试验室进行土工试验。测试指标主要有地基土的压缩模量、天然含水量、孔隙比，抗剪强度等指标(表3)。
表 3工程特性指标
现场使用xY一1型工程钻机，采用标准贯入器、穿心锤重63．5kg，自由落距76cm，整个场地内均有布置，现场对夯墩问土进行标准贯入试验20次，修正后平均击数5.5击。
图2夯墩间土静载荷试验P-S典型曲线
图3夯墩间土静载荷试验 P-S典型曲线
重型(Ⅱ)动力触探试验试验使用xY一1型工程钻孔，采用重型动力触探头，穿心锤重63.5kg，自由落距76cm，整个场地内均有布置。现场对夯墩进行重型(Ⅱ)动力触探试验，由于地质条件复杂，夯墩中回填了级配不同的石料，多数探孔探到0.6m～1.0m就无法继续进行。经检测，夯墩问土检测点动力触探锤击数平均6击；夯墩检测点动力触探锤击数平均12击(仅表层0.6～1.0m范围)。
根据静载试验、标准贯人试验、土工试验、动力触探试验等成果综合评价检测点的检测指标见表4。
表4 地基加固检测成果评价表
试验方法 复合承载力特征值 fspk/kPa 变形模量Es/MPa
标贯试验 土工试验 动探试验 静载试验
满足 满足 满足 满足 ≥170 ≥10
表4表明，经强夯处理后的地基承载力特征值和压缩模量满足设计院提出的要求。
施工后一年的定期观测表明，沉降在施工完后的3个月就已趋于稳定，总沉降量较小(平均为16．1mm，小于设计计算量)，各观测点沉降较均匀。
说明经强夯置换处理后，沉降能很快完成，总沉降量、差异沉降较小，比设计预期效果还要好。
七、结束语
1)强夯在技术上是可行的。目前该工程施工已结束，经检测地基满足设计要求，证明强夯置换法在处理杂填土、淤泥质土地基是完全可行的。
2)施工简单、速度快。强夯置换法施工机具设备简单，只需起重机和夯锤，3)另配置挖掘机即可，效率高，施工速度快。
强夯在经济上是合理的。强夯法消耗的材料最少，采用换填方案需换填土方约15×104m3，造价增加1～2倍，且垃圾外运对环境影响大。采用打入桩方案造价估算要增加3～5倍。推广强夯置换法应用必将产生更大的经济效益和社会效益。
综上所述，强夯置换法在城市道路杂填土、淤泥质土等地基加固中具有广阔应用前景，但由于强夯置换法设计国内尚无完整的设计规范的计算方法，这些都有待进一步实践、研究总结。另外，强夯过程中夯锤自由下落产生的噪声和震动，也给周围环境带来不利影响，在城市道路施工中，可采取在夯区周围设置隔震沟，严禁在夜间施工等防治措施。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：强夯置换法；软弱地基；地基加固
Abstract: according to the limitations of dynamic compaction method is derived and the deficiencies of a kind of foundation treatment method, inherited the advantage of dynamic compaction method, and its characteristics, widely used, its in coastal areas, use a wider range. Combining with the project example, the paper introduces the method of dynamic compaction replacement in urban road weak foundation reinforcement of the application, and the content includes: test, construction and testing. The dynamic compaction method of replacement have achieved good economic and social benefits, it is now the great development of China's city construction period for other similar projects.
Keywords: dynamic compaction method of replacement; The soft foundation; Foundation reinforcement
中图分类号：TV223 文献标识码：A文章编号：
伴随着我国经济的发展，尤其是沿海地区对公路交通有大量需要，并且这些地区一般经济发达，但在我国沿江、沿湖、沿海等经济发达地区广泛分布着软土，在高路堤、大型桥梁，大量的涵洞、通道处，软土都给建筑施工带来不同程度的伤害。如路基的滑移、开裂、路面起伏不平、桥涵通道等人工构造物处的跳车颠簸等。为了处理好地基，保证来往车辆及司乘人员安全、快速、舒适地行驶，沿海地区的公路建设者需要花大量人力、物力、财力和时间，通过不同的方法对地基进行处理。下文阐述强夯置换法处理某道路工程软弱地基的工程实践。
一、工程概况
某道路路基宽27m，两侧放坡3m，坡脚以外2m，共计宽度约37m。设计车速为60km•h，全长约20km。道路沿线地质条件较差，其中K14～K18路段经过的是养虾池和盐田，路基上部地层为人工堆填土和海相沉积土，含水量大，压缩性大，属于软弱地层，不可作为天然路基，必须对软弱地层进行加固处理，改善地基土的工程特性，達到道路设计的需要，设计处理后的复合地基承载力特征值不小于150kPa。
二、场地工程地质及水文地质概况
根据钻探结果并结合区域地质资料，道路沿线地层情况自上而下分层描述如下：
第①层：粉细砂：褐黄色，稍湿，松散，在K18+960段钻孔内相变为中粗砂。场地内分布广泛，厚度1.1～4.60m。第②层：淤泥质细砂：黑褐色，湿一饱和，松散，该层场地内分布广泛，厚度0.6～15.40m。第③层：亚粘土：灰黄色一黄褐色，硬可塑，有铁质浸染，包含铁锰结核和钙质结核，最大钙质结核直径有5cm。
道路沿线勘察深度范围内的地下水，属第四系松散岩类孔隙潜水，勘察期间地下水稳定水位埋深0.9～1.0m。地下水主要接受大气降水及侧向径流(河水、海水)补给，由蒸发及侧向径流排泄。
三、地基处理方案的确定
本场地为人工堆填土和海相沉积土，含水量大，压缩性大，属于软弱地层，未经处理不能作为拟建道路基础持力层；且局部地段地层起伏变化较大，个别达到20％，容易产生不均匀沉降，对公路基础的稳定性造成威胁。经充分研究及综合对比，本着安全、经济、快速可行的原则，确定采用强夯置换法处理。强夯置换法具有改善深层地基液化及提高地基承载力的作用，处理深度较大，具有强夯密实和深层置换双重功能，强夯置换法的机理是：1)置换作用，强夯形成的密实的碎石墩体置换了同体积地基土；2)挤密作用，在形成密实的夯墩的同时把同体积的地基土挤向四周，挤密了墩体周边的土体；3)振密作用，锤头在夯密墩体的同时，强大的冲击力和振动力通过墩体传向地基土，对地层起到振密作用；4)固结排水作用，密实的碎石墩体，是一个很好的排水通道，地基土孔隙水在挤密震密的作用下，向墩体消散，加快地基土的排水固结。因此从技术可行性因素考虑，应该选择强夯置换地基加固方案。
四、复合地基设计与计算
交通规划设计院要求处理后的复合地基承载力特征值不小于150kPa，变形模量‰不小于10MPa。
根据《建筑地基处理技术规范》：JGJ79—2002有关规定，计算复合地基承载力，要考虑夯墩间地基土的承载力、夯墩的直径、夯墩的承载力、一个夯墩负担的地基面积，采用《建筑地基处理技术规范》中的公式计算复合地基承载力：
式中： ---强夯置换复合地基承载力特征值(kPa)； --强夯置换夯墩承载力特征值(kPa)； --强夯置换后墩间土的承载力特征值(kPa)；m--夯墩和墩间土的面积置换率； --夯墩的截面积(m2)；A--一个夯墩负担处理面积(m2)。
根据设计院的施工技术要求，现场施工夯点是按等腰三角形布置，边长4m，高4m，计算：4×4=16(m2)，一个夯墩负担处理面积A为16m2(图1)。
图 1 强夯置换布点形式
按 计算置换率。夯墩平均直径为2.0m；夯墩面积3.14m。置换率m=4。 =3.14/16：0.20。
为了保证正确计算和确定复合地基承载力特征值，正式施工前先进行试夯试验；试验段强夯置换复合地基采用静载荷试验进行检测和评价，经过对资料整理分析，强夯置换复合地基夯墩承载力特征值 =1450kPa；夯墩间土的承载力特征值 =lOOkPa。将上述 值 值及置换率m值代人公式计算，得强夯置换复合地基承载力特征值 =170kPa>150kPa，满足设计要求。
五、强夯置换复合地基施工
从理论角度讲，要确定出技术可行，经济合理的施工参数，科学的试验方法就是以不同的夯击能、夯击数、夯点距和夯锤面积等因素进行排列组合设计来确定最佳的施工参数。但是在实际施工中由于工期和经济等原因无法这样做，一般依据已有经验确定出夯击能和1～2种锤底面积，再选出1～3种夯击数和夯点距进行试验，从结果中选出最佳者。
本工程设计要求见表1，对淤泥层相对较薄部位，夯击能3000kN•m，夯锤直径2.0m，夯錘重150kN，置换桩间距4.0m，采用正三角形布点；对淤泥层相对较厚部位，夯击能4000kN•m，夯锤直径2.0m，夯锤重180kN，置换桩间距4.0m，采用正三角形布点。填料采用粒径为5～6cm的碎石或块径小于30cm的石渣；每夯墩用石料不小于10m。每夯墩夯击数不小于20击，采取逐点连续夯击法，夯坑周围不应有明显或过大隆起；强夯置换宽度，路基宽27m，两侧放坡3m。坡脚以外2m；共计宽度约37m。
表1地基处理设计要求
淤泥层相对较厚部位
施工中按照设计提出的要求以及确定的夯墩投石量、投石质量、夯击深度等施工注意事项，结合现场的地质条件和施工情况，通过强夯置换形成了密实的夯墩体，挤密了地基土，密实的夯墩体和墩问地基土形成了强夯置换复合地基。
六、强夯置换效果的检测和评价
为了检验强夯置换的加固及处理效果，施工结束后14d检测单位对强夯置换区域进行了平板载荷试验，土工取样试验，标准贯入实验、重型(Ⅱ)动力触探实验。
夯墩问土采用载荷板面积0.5m，直径0.8m的试验装置，最大加荷200kPa(为设计要求100kPa的2倍)；夯墩采用载荷板面积3.14m，直径2.0m的试验装置，最大加荷900kPa(为设计要求450kPa的2倍)。试验采用慢速维持荷载法，千斤顶分10级加荷，压板埋置深度在设计基础底板下约0.10m，在荷载板上对称安置4个百分表观察地基土沉降量及各级荷载相对稳定情况。对载荷试验原始数据进行整理、计算，绘制p～s曲线(夯墩间土和夯墩各选一条曲线，图2～3)，根据曲线的特征，分析得出载荷试验成果，强夯置换后夯墩承载力特征值(fpk)不小于450kPa，夯墩间土的承载力特征值(fsk)不小于lOOkPa，压缩模量E。(MJ)a)不小于10MPa(选出部分有代表性的点见表2)，满足设计要求。
表2 静载荷成果表
现场使用xY一1型工程钻机，采用Ф110钻具开孔，在9m深度范围内对夯墩间淤泥质细砂进行取芯钻进。在钻孔中采用重锤击人法采取原状土样送试验室进行土工试验。测试指标主要有地基土的压缩模量、天然含水量、孔隙比，抗剪强度等指标(表3)。
表 3工程特性指标
现场使用xY一1型工程钻机，采用标准贯入器、穿心锤重63．5kg，自由落距76cm，整个场地内均有布置，现场对夯墩问土进行标准贯入试验20次，修正后平均击数5.5击。
图2夯墩间土静载荷试验P-S典型曲线
图3夯墩间土静载荷试验 P-S典型曲线
重型(Ⅱ)动力触探试验试验使用xY一1型工程钻孔，采用重型动力触探头，穿心锤重63.5kg，自由落距76cm，整个场地内均有布置。现场对夯墩进行重型(Ⅱ)动力触探试验，由于地质条件复杂，夯墩中回填了级配不同的石料，多数探孔探到0.6m～1.0m就无法继续进行。经检测，夯墩问土检测点动力触探锤击数平均6击；夯墩检测点动力触探锤击数平均12击(仅表层0.6～1.0m范围)。
根据静载试验、标准贯人试验、土工试验、动力触探试验等成果综合评价检测点的检测指标见表4。
表4 地基加固检测成果评价表
试验方法 复合承载力特征值 fspk/kPa 变形模量Es/MPa
标贯试验 土工试验 动探试验 静载试验
满足 满足 满足 满足 ≥170 ≥10
表4表明，经强夯处理后的地基承载力特征值和压缩模量满足设计院提出的要求。
施工后一年的定期观测表明，沉降在施工完后的3个月就已趋于稳定，总沉降量较小(平均为16．1mm，小于设计计算量)，各观测点沉降较均匀。
说明经强夯置换处理后，沉降能很快完成，总沉降量、差异沉降较小，比设计预期效果还要好。
七、结束语
1)强夯在技术上是可行的。目前该工程施工已结束，经检测地基满足设计要求，证明强夯置换法在处理杂填土、淤泥质土地基是完全可行的。
2)施工简单、速度快。强夯置换法施工机具设备简单，只需起重机和夯锤，3)另配置挖掘机即可，效率高，施工速度快。
强夯在经济上是合理的。强夯法消耗的材料最少，采用换填方案需换填土方约15×104m3，造价增加1～2倍，且垃圾外运对环境影响大。采用打入桩方案造价估算要增加3～5倍。推广强夯置换法应用必将产生更大的经济效益和社会效益。
综上所述，强夯置换法在城市道路杂填土、淤泥质土等地基加固中具有广阔应用前景，但由于强夯置换法设计国内尚无完整的设计规范的计算方法，这些都有待进一步实践、研究总结。另外，强夯过程中夯锤自由下落产生的噪声和震动，也给周围环境带来不利影响，在城市道路施工中，可采取在夯区周围设置隔震沟，严禁在夜间施工等防治措施。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。