1、强夯置换地基加固技术在京沪高速铁路松软土地基中的应用王莹军 李忠贞 范强慧【摘要】 强夯置换碎石墩加固地基原理是利用强大的冲击能将碎石打入软弱土层，形成碎石墩，将软土特别是淤泥挤到 桩体之间的空隙，使土体与碎石构成复合地基，用以提高天然地基的承载力。强夯置换地基 处理在高速铁路中应用较少，本段路基地下水位较高，设计地下水位深度为 1.1m，现场实际集水沟平均水位深度为 0.8m，吸锤现象严重，表层为黏土及粉质黏土，施工期间处于雨季，强夯置换施工夯机自重大，行走困难，整体施工难度较大。本段路基按照双线无砟轨道设计，对沉降要求严格。 强夯置换施工完成后，经业主指定检测单位检测合格，复合地基承载力大
2、于 240Kpa，碎石墩 90%以上着下卧持力层。【关键词】 京沪高铁 强夯置换 松软土地基加固 客运专线0 引言强夯置换碎石墩利用强夯法的高能量冲击，将砂石料、矿渣等强度高、透水性好的材料夯入土中，形成整体层式置换或柱状桩式置换复合地基。强夯置换过程具有垫层作用、混合土作用、透水桩的排水、挤密、振密等联合作用。近年来用强夯置换法进行加固的多项工程均取得了良好的效果。1 工程概况本段路基位于刘桥大桥与韩庄运河特大桥之间，地貌为冲积平原，地形平坦开阔，大部分为耕地，线路以填方通过，中心最大填高为 7.18m。地层：表层为粘土、局部粉质黏土，褐灰色、深褐色、黄褐色，硬塑，厚 4.4m8.3m,部分
3、地段含姜石 25%90%，含水量范围为 19.521.5%。下为砂岩、泥岩，较为坚硬。地下水位深度为 1.1m。2 松软土地基的基本物理性质为指导“强夯置换法”加固类似的松软土地基提供适应土性参考指标，分析其加固效果，对试验场地的地基土取样进行了室内试验，测定土的基本物理、力学性质指标。2.1 液塑限试验在试验场地深度 1m 处进行探坑取样（记为土样 A）进行室内试验，由液塑限联合测定法得到该松软土层的塑限、液限和塑性指数分别为 wP=24.9%, wL=43.7%, IP=18.8。按照“建筑地基基础设计规范（GB50007-2002 ） ”分类法，属于黏土。2.2 颗粒比重试验土层的比重为
4、 Gs=2.67。2.3 含水量和密实度试验试验得到现场松软土的含水量为 w=19.5-21.5%, 平均含水量为 w=20.2%（见表 2.1） ，孔隙比 e=0.72，重度为 18.7 kN/m3，干密度为 1.6g/cm3。结合液塑限试验结果，可以得到液性指数 IL=-0.25，为硬塑状态。表 2.1 土样 A 含水量试验记录表编号 类别 盒质量 (g) 盒湿土 (g) 盒+干土 (g) 含水量 % 平均含水量 %1 粘土 9.9 36.3 32 19.5 2 粘土 8.2 24.0 21.2 21.5 3 粘土 5.1 14.9 13.3 19.620.23 强夯置换法加固松软土地基现
5、场施工3.1 强夯置换法参数及工艺流程3.1.1 经验介绍在温福铁路浙江段软土地基处理时,也采用强夯置换碎石墩加固,其试桩直径 1.4 米,桩长7m,试桩桩间距 5 米,强夯置换使用材料是级配良好的块石、碎石、矿渣、建筑垃圾等坚硬粗颗粒材料。碎石来源主要是隧道硬质岩弃渣，经筛选符合要求后在工作垫层顶铺填 12米厚强夯置换碎石墩体材料。结合经验及相关设计文件, 强夯置换碎石墩呈正方形布置，夯点间距为 7m（两遍夯点的间距为 3.5m） ，施工次序如图 3.1。强夯置换碎石墩处理地基分 3 遍进行，前两遍为点夯，形成置换碎石墩，夯点之间错落布置，最后 1 遍进行场地满夯。图 3.1 强夯置换碎石墩
6、法平面布置示意图对于第 1，2 遍点夯，强夯夯锤重量取 22t，夯锤直径取 1.2m，夯锤高度为 2m，单点夯击能量定为 3000kNm。对于第 3 遍满夯，夯锤重量取 15t，夯锤直径取 2.5m，单点夯击能取 1500kNm，每点 2 击。图 3.1 中，白色圆圈表示第一遍夯击点，黑色圆圈表示第二遍夯击点，最后 1 遍进行满夯。3.1.2 工艺流程框图图 3.2 工艺流程框图7m 7m7m7m标 高 测 量 场 地 整 平 标 高 测 量场 地 整 平第 二 遍 夯 点 放 样 第 二 遍 夯 坑 回 填第 一 编 夯 点 放 样标 高 测 量场 地 整 平 第 一 遍 夯 坑 回 填标
7、高 测 量 场 地 清 理 ， 整 平定 位 测 量 第 一 遍 夯 点 施 工第 二 遍 夯 点 施 工 第 三 遍 满 夯3.2 试夯施工强夯施工前,应清除场地上空和地下障碍物,做好强夯场地的平整工作.应将施工测量控制点引至不受施工影响的稳固地点。在试验场地铺筑石料平整碾压后，用经纬仪放出墩位，在墩中心作出标记，编号记录。用水准仪测出每一桩顶中心位置标高，做好记录。地基加固处理范围：路堤为坡脚排水沟外 1m 或设计加固深度的 1/2。施工使用的起重设备选用起重能力大于重锤 1.5 倍履带式起重机，满足提升高度并设置安全装置。起重机就位，夯锤置于夯点位置，测量夯前锤顶高程。夯击时，夯击点中心
8、位移偏差不大于 5cm 控制，两遍夯击间歇时间为 1015 天，以实际孔隙水压力消散时间的时间长短来确定。开始夯击并逐击记录夯坑深度，当夯坑过深而发生起锤困难时应停夯，向坑内填碎石，记录填料数量。3.3 强夯置换施工过程控制3.3.1 石墩体材料的铺设与控制清理场地内的土层 30cm，后顶面铺设一层工作垫层垫层材料与墩体材料相同。用推土机推平碾压，使石料铺填层有一定的密实度。填石层顶面高程应在推平碾压后进行测量控制。3.3.2 水准测量控制水准仪摆放位置要能使与夯点位置通视，并保证距夯点 30m 以上，以确保夯击过程中震动过大而影响读数，每个夯点读数时要重新调整水准仪，重新后视读数。当出现夯锤
9、倾斜大于 30 度时，须填料整平夯坑才能继续夯填。3.3.3 夯击顺序及方法隔行隔排跳打，强夯先从道路左中轴线起，分别向两侧的夯点依次夯击，同一排的夯点必须采用间隔跳打法，不可依次夯击。3.3.4 喂料当夯锤下落较深，提锤比较困难时应及时喂料，喂料粒径符合墩体材料要求，每次喂料后，需用不受夯击影响的控制点，重新测放墩位，并重新作墩位标志。3.3.5 排水在施工过程中应加强排水措施，每次强夯前都应将积水排除干净；严格控制每遍之间的间隔时间，使空隙水压力充分消散；雨后施工应将积水排除干净，使土中水分基本蒸发后方可进行施工。3.3.6 收锤标准最后两击的平均夯沉量作为收锤标准，小于 10的夯点应占总
10、夯点的 80%以上，最大不得超过 20。夯坑周围的地面不应发生过大的隆起。 3.4 安全措施打夯机行驶和工作场地应保持平坦坚实，并与沟渠、基坑保持安全距离。操作时不得穿拖鞋，装卸夯锤时有专人员指挥，必须按安全规定操作。打夯机旋转半径内不得有人员停留。打夯机启动前，应将各操纵杆放在空档位置，手制动器应锁死，并应按照发动机的安全操作规程进行操作。 启动后，应怠速运转，观察各仪表指示值，运转正常后接合液压泵，待压力达到规定值，油温超过 30 时，方可开始作业。 起重臂伸缩时，应按规定程序进行，在伸臂的同时应相应下降吊钩。当限制器发出警报时，应立即停止伸臂。起重臂缩回时，仰角不宜太小。 伸出起重臂后，
11、出现前节臂杆的长度大于后节臂杆的长度时，必须进行调整，消除不正常情况后，方可进行作业。 起重臂伸出后，或主副壁全部伸出后，变幅不得小于各长度所规定的仰角。 作业中发现起重机倾斜、等异常现象时，应立即使夯锤下降落在安全的地方，下降中严禁制动。 夯机带夯锤回转时，操作应平稳，避免急剧回转或停止，换向应在停稳后进行。 3.5 第 1 遍强夯置换施工过程分析根据有关设计文件给出的试验参数，首先在试验区域外进行了少量几个点的强夯尝试，初步选定了夯击能量，然后在试验区域内进行强夯置换施工，试验段完成后开始大规模施工。第 1 遍置换施工时，单点夯击能取为 3000 kNm。施工时, 首先在置换夯点处铺设一定
12、厚度的碎石垫层（避免软土的吸锤效应） ，并将夯锤定位。将夯锤吊起进行第 1 次夯击，然后将夯锤移开，进行第 1 次填料。填料完成后，连续夯击 2-3 次（根据现场情况而定） ，等夯锤沉入到一定深度（如接近夯锤顶部高度，施工选用的夯锤高度为 2m）后，再进行第 2 次填料。如此反复，即可以将填料逐渐下移，通过夯击送到预定深度对于每一个碎石墩，当夯锤沉入深度小于 10cm 后停止夯击，并达到收锤标准。置换施工时夯坑周围的隆起量非常明显且不均匀。这除了与本场地的地层比较软弱（地下水位较高）有关外，也与夯锤本身的倾斜和不平稳有关。为此，采取如下的措施获得满意的效果：尽量保证夯锤的准确定位；保证每次填料
13、的均匀和平整；改用重心更为平稳的夯锤进行施工；应增加填料的次数而每次填料量不宜过多；在路基的一侧开挖挖水沟，辅以定期抽水以降低地下水位。强夯置换施工时，碎石的堆放和使用问题关系到工程进度。本段路基坡脚至征地界的平均距离为 7m，未处理的地基为粉质黏土，施工期间恰逢雨季，运送碎石的自卸车经常陷入场地，陷入后随意随处堆放碎石，造成强夯机行进困难并将放好的夯点掩埋掉，影响工程进度。为此采取如下措施：碎石进场沿便道堆放至坡脚外 1m（点夯设计设计夯击范围为坡脚范围内，每一夯点有一定的影响范围） ，每天统计所需碎石量用多少碎石就运多少，碎石自卸车直接在便道边缘向路基内倾倒，装载机辅助堆放，保证因无存料场
14、引起的乱堆放对已布置好夯点造成夯点丢失的问题不再发生。3.6 填料要求和填筑过程本次现场试验要求用做碎石墩填料的碎石粒径级配良好，大于 300mm 的颗粒含量不超过总量的 30%。对于粒径较大的石料，进行适当粉碎。此外，用做碎石墩填料的碎石的强度应满足一定要求。为此，现场试验前，由中国水电集团京沪高速铁路土建工程三标段项目经理部第二中心试验室对不同地点取得的碎石料进行了饱和状态下的抗压强度试验，见表 3.1。检测评定依据为 JGJ52-2006普通混凝土用砂、石质量及检测方法标准 ，试验结果认为枣庄市阴平镇北山石料场和徐州市利国镇磨山石料场的抗压强度分别为 112MPa 和174MPa，可用于
15、混凝土粗骨料。表 3.1 所用碎石料抗压强度试验试件序号取样地点1 2 3 4 5 6 平均值（MPa）枣庄市阴平镇北山石料场 107 113 82 100 140 132 112徐州市利国镇磨山石料场 184 183 176 183 138 180 174第 1 次强夯前，先在夯击点地表处铺设 50cm 厚的碎石垫层。等第 1 击完成，夯坑形成后，再继续填料。试验表明，为保证所形成墩体的完整性并避免较大的隆起量，应增加填料的次数而每次填料量不宜过多。3.7 排水沟(集水沟)的开挖关于开挖排水沟(集水沟)的做法可说明如下：在路基的一侧，用普通挖掘机沿着路基方向开挖，排水沟的宽度大约为 1.0m
16、，深度为 1.5m。当集水沟中的水位上升到一定高度后，用抽水机抽水以降低置换区域内的地下水位。集水沟开挖前后做了比较试验，集水沟开挖后强夯置换施工是造成的隆起明显减小，吸锤现象发生的频率相应降低。降低了施工难度，提高了工程质量。表 3.2 给出几个典型置换夯点的累计下沉量以及最后两击的平均下沉量。根据现场试验结果，经过几次填料和夯击后，最后两击平均下沉量可以控制在 10cm 内，满足设计要求。表 3.2 累计下沉量以及最后两击平均下沉量编号 填料次数 共夯击次数 累计下沉量(cm)最后两击平均下沉量(cm)1 4 15 732 72 4 14 876 4.53 3 14 730 9.53.8
17、第 2 遍强夯置换施工过程分析第 2 遍强夯置换施工时，单点夯击能仍取为 3000 kNm。夯击过程以及填料要求与第1 遍强夯置换过程相同。第 2 遍强夯置换施工完成后，用推土机铲平场地，清除场地挤压隆起的软土。图 3.3 为用推土机铲平后等待满夯的场地，可清晰地看到已施工完成的碎石墩的位置。图 3.3 推土机铲平后等待满夯的场地3.9 满夯过程分析满夯能量为 1500 kNm，每个夯点 2 击。按照设计要求，夯印之间的搭接不小于10cm。满夯过程可以使得碎石墩之间的松软土的密实度和强度得到提高，也使得整个场地趋于均匀。满夯完成后，清除挤出的松软土，并将场地重新整平。满夯完成后静置一段时间，等
18、地表干燥后即可进行后续的载荷板试验等，以检测地基的加固效果。4 强 夯 置 换 法 加 固 松 软 土 地 基 加 固 效 果 检 测4.1 测试方法和目的地震映像法。本次测试使用的测试仪器为 GJY-1 型工程检测仪，仪器具有现场采集和存储，灵敏度高，抗干扰能力强，仪器性能稳定等特点。测试系统及配备仪器设备有：GJY-1 型工程检测仪器；20Hz 检波器； 采用地震映像法扫描施工形成的碎石墩质量，分析墩体深度。4.2 检测依据“地基动力特性测试规范” （GB/T506269-97）“浅层地震勘察技术规范” （DZ/T0170-1997）“场地微振动测量技术规程” （CECS74-95）“铁路
19、工程物理勘探规程” （GB/T506269-97）4.3 检测资料分析探测共布置了两条剖面（见图 4.1） ，垂直高速铁路走向为 1 剖面，平行高速铁路走向为2 剖面，剖面上的点距为 1m。选择探测有效时窗大于 100ms，探测深度大于 10m。图 4.1 探测剖面布置在 1 剖面，地震映像图像见图 4.2。根据探测图像结果，碎石的底部深度在 5m 左右，在碎石墩位置，地震映像频率高，在碎石墩中间的土层位置频率较低，墩位反映明显。礅底与基岩之间没有明显的夹层现象，说明墩底基本与基岩相接触。根据波速计算，该剖面的土层与碎石墩的综合波速为 300m/s-400m/s，说明硬度较大，达到了处理效果。
20、在 2 剖面，地震映像图像见图 4.3。根据探测图像结果，碎石的底部深度在 5m 左右，在碎石墩位置，地震映像频率高，在碎石墩中间的土层位置频率较低，墩位反映明显。礅底与基岩之间没有明显的夹层现象，说明墩底基本与基岩相接触。根据波速计算，该剖面的土层与碎石墩的综合波速为 280m/s-400m/s，说明硬度较大，达到了处理效果。图 4.2 剖面 1 地震映像图像图 4.3 剖面 2 地震映像图像4.4 现场荷载板试验测试方法：荷载板尺寸 1m1m，面积为 1m2。荷载板置于墩体间土体上。结果和目的：试验结果为碎石墩体间土体的地基承载力。现场荷载板试验的目的是：给出采取“强夯置换法”加固地基后，
21、加荷过程的荷载-沉降关系（ps 曲线） ，分析地基的变形特征，并确定出地基的承载力特征值。根据预估的承载力特征值，设定施加的每级荷载增量为 60kPa，施加的最大荷载为480kPa，本次试验共检测 1 个点。本次检测从 2008 年 5 月 9 日 至 2008 年 5 月 10 日完成，检测期间天气以晴为主。 4.5 试验加载、卸载和终止条件试验的加载、卸载方法和沉降观测要求如下：将加载物一次性堆放在压重平台上；安装沉降量观测系统后，采用慢速法按试桩的最大预估承载力荷载分 8 级加载，逐级加载，待该级荷载达到相对稳定后，再加下一级荷载，等量递增至设计承载力的 2 倍，即480kPa；每级加载
22、后，按间隔 10min、10min、10min、15min、15min ，以后每隔 30min 进行读记承压板沉降量，当在连续两小时内，每小时的沉降量小于 0.1mm，则认为已趋稳定，可加下一级荷载。 当出现下列现象之一时，可终止试验：图 表 标 题04812162024283236400 60 120 180 240 300 360 420 480荷 载 (kPa)沉降(mm)承压板周围的土明显地侧向挤出；沉降 s 急剧增大，荷载-沉降（ p-s）曲线出现陡降段； 在某一级荷载下，24 小时内沉降速率不能达到稳定； 沉降量与承压板宽度或直径之比大于或等于 0.06。4.6 试验结果分析图 4
23、.4 给出试验点的试验结果（ps 曲线） 。图 4.6 给出每级荷载下沉降随着时间的变化关系曲线（slogt 曲线） 。图 4.4 沉降随时间的变化关系图 4.6 荷载试验 p-s 曲线（ slogt 曲线）由图 4.5 可以看出，在施加荷载范围内，荷载-沉降曲线并未出现明显的转折点（比例极限荷载） ，而呈现沉降速率逐渐增大的连续变化过程。按照“建筑地基基础设计规范（GB50007-2002） ”的规定，可按一定的地基沉降值（如可取沉降值 s=0.01b-0.015b，b 为承压板直径）所对应的荷载作为承载力特征值。这里，取 s=0.012b。由此所确定的地基承载力特征值见表 4.1。试验所确
24、定的地基承载力特征值不小于最大加载量的一半，满足规范要求。根据上述试验结果，可确定采取“强夯置换法”加固地基后，墩体间土体的地基承载力特征值可达到 240kPa。表 4.1 荷载试验点说明及承载力特征值试验编号 承载力特征值(kPa)所对应的沉降(mm)最大加荷(kPa)总沉降(mm)1 240 11.39 480 30.044.7 检测结论根据山东铁正交通工程检测有限公司提交的“地震映像法检测报告”认为“通过对探测数据进行数据处理和资料分析，在探测范围内，碎石墩底与基岩之间没有明显的夹层现象，说明墩底基本与基岩接触。根据波速计算，探测区域内的土层与碎石墩的综合波速为280m/s-400m/s，说明硬度较大，达到了处理效果 ”。根据现场荷载板试验结果，采取“强夯置换法”加固后，墩体间土体的地基承载力特征值可达到 240kPa，满足设计要求。参考文献张舟 樊怀华强夯处理地基工程施工质量的检测与分析。山西建筑，2006，32（6）“地基动力特性测试规范”（GB/T506269-97）“浅层地震勘察技术规范”（DZ/T0170-1997）
