置換碎石墩在擋墻地基加固處理的應用

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［摘要］某加筋擋墻的淤泥質粉質黏土持力層存在地基承載力不足、土體抗剪強度偏低等問題，不能滿足設計要求，因此，需進行地基處理。通過技術經濟比較，采用強夯置換碎石墩的方式對該擋土墻地基進行加固處理。采用單墩靜載試驗對處理后的地基進行檢驗，結果表明：加固處理后地基承載力得到了明顯提高，能夠滿足設計要求；同時通過巖土工程軟件計算得到的安全穩定系數也能滿足設計要求。該方法可為類似工程提供有益的借鑒。

［關鍵詞］強夯置換；淤泥質粉質黏土；地基承載力；抗剪強度

強夯置換是在常規強夯基礎上演變而來的一種地基處理方法。自從１９６９年法國首次采用強夯法進行地基處理后，該法也不斷地被優化和改良，以更為適應專門的工況。相比于常規的強夯法“加強”式處理地基，強夯置換法直截了當地采用“替換”且“加強”的處置思路，能夠更為有的放矢地對軟弱巖土體進行加固處理，通過在軟弱巖土體中不斷加入碎石等堅硬物質進行夯擊，以更有效和快速地提高地基的承載力，這對于一些難以處置的軟弱巖土體來說是一種極大的改進。趙民等［１］采用強夯置換法對某軟土地基進行了加固處置，研究了成樁情況，并通過一系列檢測試驗來核實加固效果，結果表明，強夯置換法能夠有效地提高地基承載力，減小地基的變形，從而滿足工程需求。趙永昌等［２］通過對某垃圾坑地基采用強夯置換處理，采用平板載荷試驗獲取了處理后的地基承載力，結果表明，地基承載力特征值比較容易達到設計要求的１３０ｋＰａ。此外，還有眾多學者都將強夯置換法應用在了不同土質的地基改良中，并且通過現場試驗［３－５］、模型試驗［６］或數值模擬［７］等研究方法，對加固結果展開了深入分析，都取得了所需的效果。這在一定程度上也驗證了強夯置換法對較多土質都具備廣泛適用性和有效性。但是，縱觀現今對強夯置換的研究現狀可以發現，目前對置換效果的研究主要集中于地基處理，獲取強夯置換前后的地基承載力和變形特性等。然而，除了常規的場地處理外，還有一種較為常見的工況便是所需處理的場坪地基正好位于高陡斜坡下方，這就不但涉及到地基承載力問題，還涉及到邊坡及其下方的巖土體穩定性問題，這就需要對強夯置換所能夠實現的地基承載力和巖土體強度參數都需要有準確的把握，才能夠進行合理的邊坡計算和設計。本文結合某加筋擋墻的實際工程案例，通過強夯置換對加筋土持力層的軟弱地基進行加固處理，通過檢測和計算，獲取了處理后的持力層地基承載力以及土體抗剪強度參數，從而為加筋土邊坡的合理設計提供了較為可靠的參數依據。

１工程概況

根據地質勘察資料，場地巖土層自上而下可分為沖洪積成因（Ｑ４ａｌ＋ｐｌ）的淤泥質粉質黏土（見表１）、坡積成因（Ｑｄｌ）形成的坡積含角礫粉質黏土，其下則是粉砂巖的各個風化層。該場地主要土層物理性質指標見表１。一高度近１９ｍ的加筋擋墻坐落在該場地上（見圖１），初步設計擬采用頂部一級坡率為１∶１５、高度為８ｍ的自然放坡，中間一級坡率為１∶０７５、高度為８ｍ的加筋土，最底部設置一級坡率為１∶０５、高度約為３ｍ的加筋土。淤泥質粉質黏土持力層厚度約為８ｍ，對該加筋擋墻所需的地基承載力和整體穩定性起到了至關重要的作用。現場勘察結果顯示，該淤泥質粉質黏土層的地基承載力特征值僅為１００ｋＰａ，而前期計算結果表明，該加筋擋墻的持力層地基承載力特征值需要達到１８０ｋＰａ才能滿足承載力需求；同時，根據勘察報告，淤泥質粉質黏土抗剪強度參數為黏聚力ｃｓ＝１５ｋＰａ，內摩擦角Φｓ＝１７°，這使得通過理正巖土工程計算分析軟件求得該加筋擋墻的整體穩定性僅為１０８３（見圖２），達不到設計所需的安全系數為１３５的需求，同時可以發現，由于淤泥質粉質黏土層抗剪強度參數不足，最危險滑動面直接從加筋土擋墻底部的軟弱淤泥質粉質黏土層穿過并剪出，這也意味著該層抗剪強度不足，因此，亟需對這層淤泥質粉質黏土層進行有效處理。

２強夯置換法處理

設計初期擬采用換填方式，對這層軟弱的淤泥質粉質黏土層進行徹底挖除，并換之以強度較高的巖土體。然而，考慮到場地面積較大，軟弱層的挖除需要耗費較大的人力、物力同時，土方外運和卸載也是一個棘手的難題。因此，經過多方探討和文獻查閱，最終決定通過強夯置換法對加筋擋墻下方的淤泥質粉質黏土進行加固處理。強夯置換的布置形式如圖３所示。在現場作業之前，需要在淤泥質粉質黏土層頂部鋪設碎石墊層，厚度約為５０ｃｍ。根據一般經驗，前兩遍采用直徑１５ｍ、高度２ｍ、重量２６ｔ的柱夯方式，夯能為４０００ｋＮ·ｍ，夯點間距為３ｍ×３ｍ，采用正方形布置，填料采用碎石，粒徑５～１０ｃｍ，碎石墩設計直徑１５ｍ，置換處理深度為８ｍ且進入含角礫粉質粘土層不小于１ｍ，以期能夠實現提高地基承載力和巖土體抗剪強度參數的雙重目的。第三遍滿夯采用的夯能為１６００ｋＮ·ｍ。經過強夯置換后，現場觀測形成的碎石墩實際直徑普遍達到１８ｍ。

３強夯置換的效果分析

３.１單墩靜載試驗結果

圖５給出了碎石墩的墩體靜載試驗結果，共進行了５根碎石墩的試驗，試驗按照相關規范［８，９］進行操作。由圖可知：（１）５個碎石墩的靜載試驗都出現了明顯的回彈現象，這說明所形成的碎石墩存在一定的彈性。（２）荷載加至２０００ｋＮ，碎石墩也未發生明顯破壞，而在荷載達到約４００ｋＮ左右，各個墩體曲線出現小拐點，曲線斜率出現一定的變緩現象，這可能是由于碎石墩在加載初期逐漸被壓密，從而形成了沉降先快后慢的現象。強夯后碎石墩各試驗點靜載荷試驗結果見表２。（３）各點試驗曲線均為緩變型，沉降小于４０ｍｍ，由規范可以確定１＃、２＃、３＃、５＃試驗點碎石墩承載力極限值均為２０００ｋＮ。４＃試驗點極限承載力取位移為４０ｍｍ所對應的荷載，即１８８３ｋＮ。本工程碎石墩試驗點的數量為５點，承載力特征值的平均值為９８８ｋＮ，極差為５％，滿足規范要求。

３.２復合地基承載力計算

對于強夯置換碎石樁復合地基承載力亦可按照下式進行計算：（１）式中：λ—單樁承載力發揮系數，可按地區經驗取值；Ｒａ—單樁豎向承載力特征值，ｋＮ；Ａｐ—樁的截面積，ｍ２；β—樁間土承載力發揮系數。根據勘察結果、現場檢測以及查閱文獻經驗表明，墩體直徑取１８ｍ，置換率ｍ＝０２８３，λ＝１，β＝１，Ｒａ＝９８８ｋＮ，Ａｐ＝２５４ｍ２，ｆｓｋ＝１００ｋＰａ。

３.３加筋擋墻穩定性計算

地基巖土體的抗剪強度參數對擬建加筋擋墻的穩定性具有至關重要的作用，然而，對于這類經過強夯置換處理后包含碎石墩和墩間土的地基，其綜合抗剪強度參數目前尚無直接的試驗方法。（ｋＰａ）。樁身由碎石構成，黏聚力ｃｐｋ可以取０；樁身內摩擦角Φｐ通過現場堆放的碎石自然休止角以及設計人員的經驗判斷，取Φｐ＝４５°。實際經過夯實之后的碎石墩內摩擦角還可能進一步提升，因而此處取值可能偏保守。代入置換率ｍ＝０２８３，Φｐ＝４５°，ｃｐ＝０，Φｓ＝１７°，ｃｓ＝１５ｋＰａ，計算求得處理后的綜合黏聚力ｃｓｐ＝１０７６ｋＰａ，內摩擦角Φｓｐ＝２６５７°。可以發現，處理之后的土層內摩擦角顯著提高，黏聚力略有下降，這是由于碎石墩的高內摩擦角和低黏聚力所決定的。相對于處理之前的淤泥質粉質黏土內摩擦角Φｓ＝１７°，處理之后的綜合內摩擦角提高了９５７°，因此，在持力層地基經過強夯置換之后，加筋擋墻的穩定性達到了１３５３（見圖６），也滿足了設計要求；同時還可以發現，由于強夯置換提高了擋墻下持力層的抗剪強度，因而加固后的最危險滑動面也未經過該層，而是從加筋土擋墻中剪出。需要說明的是，計算過程中實際并未建立碎石墩模型，而是將強夯置換處理后的持力層強度參數予以提高后帶入計算。

４結論

通過某加筋擋墻淤泥質粉質黏土層持力層地基強夯置換處理，可得出以下幾點結論：（１）強夯置換處理淤泥質粉質黏土層地基，應根據現行規范和設計要求選擇合理的夯擊能、夯擊間距和夯擊數，必要時進行試夯確定強夯參數。（２）強夯置換法處理地基承載力檢驗應采用單墩復合地基載荷試驗，檢測數量及檢測休止時間應滿足規范要求。（３）擋土墻淤泥質粉質黏土層地基經過強夯置換處理，地基承載力特征值由加固前的１００ｋＰａ提高至１８２ｋＰａ；土體抗剪強度參數也由加固前的“黏聚力ｃｓ＝１５ｋＰａ，內摩擦角Φｓ＝１７°”提高至“黏聚力ｃｓｐ＝１０７６ｋＰａ，內摩擦角Φｓｐ＝２６５７°”；擋土墻的安全系數從１０８提高到了１３５，能夠滿足設計要求。

作者：程惠陽 單位：泉州市建設工程質量安全站