山区非均匀回填土强夯地基处理工程实践

【摘要】本文通过山区开挖整平形成的回填土地基采用强夯加固处理的应用实例，分析非均匀回填土的特点及强夯加固处理方法，采取了换填块石强夯后作为较高的多层建筑天然地基，对柱基布置点夯点进行强夯处理，以及对边坡填土的处理，可为类似工程提供经验。

【关键词】山区非均匀填土，块石换填，边坡填土，强夯，检测

1 工程概况

东莞市南开大学附中实验学校（一期工程）地处东莞市东城区水濂山。建筑物为（A区）小学部、（B区）中学部、（C区）综合楼、（D区）体育馆、（E区）学生公寓及食堂、（F区）教师公寓、（G区）主入口大门、（H区）田径场及看台，以及各区相应的附属构筑物。建筑物均为多层建筑。根据区域地质构造条件，结合工程的规模和特征、场地和地基的复杂程度等判断：工程重要性等级为二级，场地等级为二级，地基等级为二级。

建筑场地占地面积约12.5万平方米，原始地貌单元属为低山丘陵地貌单元与冲沟微地貌单元，经人工堆填，形成较深厚的很不均匀的欠固结填土，填土厚度0～10米，回填土的承载力特征值fak为100kPa，压缩模量Es为2.0MPa，地基承载力及沉降指标不能满足设计要求，需对地基进行处理，需处理的地基面积约5.9万平方米。

除18层的教师公寓采用预应力管桩基础外，其余多层建筑物经强夯后均采用独立柱基。设计要求建筑物及道路地基经强夯处理后地基承载力特征值fak≥200kPa，地基变形模量Eo≥10MPa；场坪地基经强夯处理后地基承载力特征值fak≥150kPa，地基变形模量Eo≥8MPa。

2 地基处理方案确定

随着越来越多的学校、住宅小区兴建在城郊的丘陵山区，山区填土地基处理的研究越来越显得有意义。

（1）桩基。对于道路、球场、场平回填土区域不宜采用桩基础，多层建筑采用桩基很不经济。由于山区开挖形成的回填土多为土、风化岩石混填，颗粒及填土厚度都极不均匀，在地质上属强破碎复杂地层。在原始山坡上回填土厚度差达十几米，加上桩持力层起伏变化大，桩的长短变化太大，短的甚至不能称为桩，填土中存在块石及桩长变化大使钻孔、冲孔灌注桩及管桩施工困难，成本过高；填方区与挖方区及不同填土厚度区域的桩的承载力相差较大，特别是填土负摩阻力影响较大，可能造成一根桩约有一半的桩长不能发挥作用，浪费很大，工期大幅度延长。所以直接采用桩基础方案并不合理。

（2）分层碾压。建筑物依山而建，场地挖山填成不同标高的台地，填土较厚，分层碾压工期很长费用较大。要在不同标高的平台上碾压，施工有一定的难度。挖填方交界及边坡死角较多，难以保证压实质量。大面积开挖回填，且混有块石，分层厚度难以控制，也无法确保碾压质量。

（3）强夯法。回填土强夯加固后，地基承载力从100kPa提高到200kPa左右，与其它地基处理方案（挤密碎石桩复合地基）、分层碾压和桩基方案相比，大大节省投资，一般可比桩基节省达40％以上，桩基最贵，强夯法最省。强夯法又可大大缩短工期，这正是该学校最关心的，以使得第二年9月能开学。

强夯法具有经济易行、效果显著、设备简单、施工便捷、质量容易控制、适应范围广、节省材料、施工周期短等特点，特别适用于场地极不均匀（填土厚度变化大、存在挖填方、建筑物变化大）的大面积地基处理。

①适用场地内砂性土、粘性土、大块碎石类土、风化岩石组成的人工填土，对挖山回填的填料不必限制（除了采用桩基础的18层教师公寓需回填素土外）。

②应用范围广泛：小学部、中学部、综合楼、体育馆、田径场，附属构筑物等多层建筑物和小型建筑物、采用桩基础的教师公寓、道路、挡土墙地基、地坪、绿化带均可采用强夯法加固处理填土地基，不至于产生过大的沉降和显著的不均匀沉降。

③加固效果显著：地基经强夯处理后，可明显提高地基承载力、压缩模量、增加干容重，减少孔隙比，降低压缩系数，增加场地均匀性，消除湿陷性。该场地地基经强夯加固处理后，均可在夯后投入使用。

④有效加固深度：采用3000～5000kNm能级强夯处理深度可达6～10m。

⑤施工机具简单：强夯机主要为履带式起重机，加上自动脱钩装置。

⑥节省材料：一般的强夯处理只是在土面上施以能量，无需添加建筑材料，从而节约了建筑材料的购置、运输、打入地下的施工费用，大大缩短施工周期。当有特殊要求（如同一楼房出现挖填方等极不均匀情况）时，也可就地取材采用回填块石，其加固效果比单一工艺好得多。

⑦节省工程造价：由于强夯无需建筑材料，除消耗油料外，没有其它消耗，因此工艺价格低廉。教师公寓强夯后采用桩基，可使桩的承载力显著提高，桩的受力性能明显改善，主要是显著增加了桩的侧摩阻力和地基的水平刚度，具有明显的经济效益。

⑧施工快捷：强夯工艺施工周期最短，特别是对本场地粗颗粒非饱和土的强夯，周期更短，与其它方案比较更为快捷，间接经济效益更为显著，时间效益更为凸显。

但对于18层教师公寓，承载力要求高，宜采用管桩基础。由于设计安排在山脚下较平坦的场地，填土厚度5～9m较为均匀，而且控制回填土填料不要有块石，适合桩基施工。但桩基施工前，同样应对该回填土进行强夯处理，不但解决了地下管线和地面沉降问题，而且可消除桩的负摩阻和减短桩长。

经上述方案对比研究后，确定采用强夯法对地基加固，然后进行钢筋混凝土浅埋基础施工。

3 强夯设计及施工要点

（1）强夯分区

由于场地围绕山头开挖回填而成，填土厚度变化大，设计根据强夯处理的技术要求和山丘的原始地形图，参照现行有关规范及山区非均匀填土地基强夯实际经验，结合现有设备能力，经综合分析以有效加固深度目标值统一将场区按填土和使用要求划分为5个分区，见表1。

表1强夯分区表

分区 建筑物及道路地基 场坪地基

1区

2区

3区

4区

5区

填土厚度（m） ≤5 5～8 >8 ≤5 >5

点夯单击能（kN.m） 3000 4000 5000 2000 3000

（2）强夯其它参数选定及实施

夯击遍数及夯点布置:设计采用两遍点夯一遍满夯，每遍点夯按4m×8m布置，第二遍为插夯，点夯击数以收锤标准控制；满夯单击能为1000kNm，锤印搭接1/5～1/3，满夯2击。实际施工时对场坪等非重点区域点夯采用4m×4m布置一次夯成。

间歇时间：相临两遍夯击的间歇时间应根据孔隙水压力消散的情况而定。因本工程为围绕山丘刚回填的土，属于无地下水粗颗粒土，故可在前一遍夯完后，将土推平，接着随即连续夯击，不需要间歇。实际施工中，因是分区流水施工，实际间歇时间为2～3d。

收锤标准：以最后两击夯沉量不大于10cm收锤，当发生夯坑过深而起锤困难时，推平夯坑补夯到收锤。

4 重点区域的处理

本场地重点强夯区域为位于山坡下部或山脚下的6～9层的学生公寓及食堂和1～6层的小学部（其它采用天然地基的建筑区域位于山顶部位，填土较浅），均具有①～③的强夯分区。

学生公寓及食堂区域，对于填土厚度大于5m的建筑范围采取了在基底下换填1.5～2m厚块石强夯的措施，山丘开挖出来的块石，属于就地取材，不会增加什么成本。通过块石换填，可加大锤底下加固深度，提高地基变形模量。增加的第三遍换填块石强夯，按4m×4m布置夯点，采用单击能为4000kNm，以最后两击夯沉量5cm收锤。

对于该两处重点区域，还针对每个柱基布置点夯点，采用单击能为4000kNm进行点夯施工，以最后两击夯沉量5cm收锤。

本场地同一建筑物同时出现挖填方区的较少，对出现该情况的局部区域，我们对填方区通过换填一定厚度块石、加大强夯能级的办法来调整挖填方之间的不均匀性。

由于围绕山丘开挖回填的场地形成了不同标高的台地，从而出现了很多边坡强夯问题。一般边坡范围至少1～2m是无法直接通过强夯加固的，本工程做法是超出设计边坡线回填一排夯点的距离后进行强夯，加固后再开挖成设计边坡，使边坡或挡土墙地基得到有效的加固。

5 强夯效果的检测和评价

为了检验强夯的加固效果，强夯后检测单位对强夯区域进行了平板载荷试验和重型圆锥动力触探试验。以下分析小学部的平板载荷试验和动力触探以及学生公寓的动力触探试验结果。

①平板载荷试验

现场采用1.0×1.0m2压板，慢速维持荷载法，最大试验荷载为承载力特征值的2倍（400kPa），每级加载为最大试验荷载的1/8，分8级加荷，压板埋置深度2.0m，在荷载板上对称安置四个位移传感器观察地基土沉降量及各级荷载相对稳定情况。小学部和学生公寓分别布置8个和19个载荷试验检测点，以评价夯后地基的承载力。

试验结果表明，夯后地基土承载力特征值fak≥200kPa。试验点沉降量及变形模量见表2和表3：

表2 小学部各试验点沉降量及变形模量

试验点 1 2 3 4 5 6 7 8

荷载200 kPa时沉降量(mm) 12.83 4.67 1.70 4.75 18.87 3.05 12.18 7.26

荷载400 kPa时沉降量(mm) 19.50 10.73 5.65 10.32 38.24 5.85 23.36 13.08

荷载200 kPa时变形模量(MPa) 12.2 33.6 92.2 33.0 8.3 51.4 12.9 21.6

表3学生公寓各试验点沉降量及变形模量

试验点 1 2 3 4 5 6 7 8 9

200 kPa时沉降量(mm) 2.04 2.48 3.79 3.12 1.82 5.09 4.75 6.61 2.22

400 kPa时沉降量(mm) 3.66 6.89 8.23 6.94 3.85 8.05 9.21 8.63 11.16

200 kPa时变形模量(MPa) 76.9 63.2 41.4 50.3 86.2 30.8 33.0 23.7 70.6

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

2.91 3.35 2.92 5.35 3.81 3.69 3.57 2.71 3.47 3.18

6.35 7.20 10.51 12.42 12.52 7.93 7.47 6.12 7.78 6.09

53.9 46.8 53.7 29.3 41.2 42.5 43.9 57.9 45.2 49.3

静载试验结果分析表明，经强夯加固后的地基，各试验点的沉降量小、变形模量大，加固效果很好。特别是对于较厚填土区域已换填块石的学生公寓，地基比较均匀，加固效果更加明显。

②重型动力触探试验

使用100型油压工程钻孔，采用重型动力触探头，圆锥头直径为7.4cm、锤底面积43m2，锥角为60°，触探杆直径为42cm，穿心锤重63.5kg，自由落距76cm。小学部共均匀布置14个检测点以评价地基土均匀性，并评价填土的承载力及有效加固深度。

动力触探指标与地基土承载力关系见表4。

表4 动探N63.5与承载力fak的关系

N63.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

fak（kPa） 120 150 180 210 240 265 290 320 350 375 400

检测结果表明，填土深度范围均得到有效的加固，所采用的夯击能是合适的；地基土承载力满足设计要求，夯实效果较好，3～4m段应是夯实效果最好的深度；强夯后地基土均匀性较好，局部深度回填有风化岩石时出现N63.5突然增大的现象。

6 结语

通过该工程的实践可见，山区开挖回填土采用强夯法是最佳方案，可以加固处理地坪、道路、挡土墙地基、填土边坡及1～9层的多层建筑地基。强夯加固后的地基满足设计要求，楼房建成已半年，地基基础稳定正常。特别是就地取材换填块石强夯，可显著提高地基的均匀性和变形模量，对于处理同一建筑物存在挖填方，以及多层和小高层的深厚填土地基具有显著的经济技术效益。

参考文献

[1]黄生根,张希浩,曹辉.地基处理与基坑支护工程[M].中国地质大学出版社，1999.

[2] DBJ15-38-2005建筑地基处理技术规范[S].

[3]JGJ79-2002建筑地基处理技术规范[S].

[4]王铁宏，全国重大工程项目地基处理工程实录[M].中国建筑工业出版社，1998.

作者简介：李亮辉（1979-），男，江西崇仁人，工程师，硕士研究生学位，主要从事地基处理、基坑支护、边坡治理等岩土工程方面的研究工作。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。