CN104264653A - 超高能级强夯与置换兼容施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑工程中强夯地基处理阶段强夯的技术领域，具体是一种超高能级强夯与置换兼容施工工艺。解决了现有地基处理方式不适用于地基变形要求严格的、含有软弱夹层的地下水地基和饱和土地基的问题，适用于原状软弱土地基，具体步骤如下：1）在原状软弱土地基上首先回填厚碎石或开山石垫层，使地下水位标高控制在地表1.5米以下；2)分三次对地基进行点夯与置换，先低能级预处理，再超高能级、后次夯能级；3）进行满夯施工，施工完毕后进行场地平整以及测量场地高程。本发明避免了其他类型地基处理方式，如：复合地基处理中的散体桩、刚性桩、粘结强度桩等类型处理方法，造价高、工期长、施工困难的问题。

Description

超高能级强夯与置换兼容施工工艺

技术领域

本发明属于建筑工程中强夯地基处理阶段强夯的技术领域，具体是一种超高能级强夯与置换兼容施工工艺。 

背景技术

强夯法是一种将几十吨（一般为8-40t）重锤从几十米（一般6-40m）高处自由落下，对土进行强力夯实的方法。强夯法有3种不同的加固机理：动力密实、动力固结和动力置换。 

强夯置换即采用动力置换方式的强夯，在夯坑内不断填加石块、碎石、或其它粗颗粒材料，采用强夯方式强行夯入并排开软土，在软土地基中形成大于夯锤直径的碎石墩，形成类似于碎石桩的复合地基。但强夯置换方式目前常见能级均在4000-6000KNm，置换效果还局限于淤泥、淤泥质土、粘性土等软塑流塑的对地基变形要求不严的地基。本工艺采用超高能级强夯和置换兼容工艺，对于单纯强夯或置换均不宜处理的：大厚度海底松散沉积层、填海地基回填层和沉海底沉积层与回填层间海相淤积软土层软土地基且地基变形要求严格的油罐区等地基处理效果良好。 

另外，现有的地基处理方式，例如采用复合地基处理中的散体桩、刚性桩、粘结强度桩等类型处理方法。由于填土中存在开山岩石，成桩困难，难于施工。直接采用钻孔灌注桩，也难于消除地基土的负摩擦。因此，采用超高能级强夯大直径夯锤，进行置换和密实加固兼容的处理模式是最为可行的处理方法。 

发明内容

本发明为了解决现有地基处理方式不适用于地基变形要求严格的、含有软弱夹层的地下水地基和饱和土地基的问题，提供了一种超高能级强夯与置换兼容施工工艺。 

本发明采取以下技术方案实现：一种超高能级强夯与置换兼容施工工艺，适用于如下原状软弱土地基， 

1）、处理填海地基的回填层；

2）、加固处理海底松散的沉积层；

3）、用置换法处理海底沉积层与回填层之间海相淤积软土层。

具体步骤如下： 

1）在原状软弱土地基上首先回填厚碎石或开山石垫层，使地下水位标高控制在地表1.5米以下； 

2)分三次对地基进行点夯与置换，先低能级预处理，再超高能级、后次夯能级，每次地基点夯与置换的具体步骤为：

①测放主夯点位置；

②原点预夯；

③点夯施工及过程填料；

④填料回填夯坑，清理夯间淤泥，平整场地、测量场地标高；

      3）进行满夯施工，施工完毕后进行场地平整以及测量场地高程。

    在步骤1中，厚碎石或开山石垫层1.5-2米，厚碎石或开山石垫层标高控制在地下常水位上5.0米左右，整体场地标高应控制在最高潮水水位1.0米以上。 

置换深度在8m以内时，加固深度12米以内时，采用10000kN.m强夯，10000 kN.m强夯参数设计如下： 

置换深度在8m以内时，加固深度15米以内时，采用12000kN.m强夯，12000 kN.m强夯参数设计如下：

置换深度在8m以内时，加固深度20米以内时可采用15000kN.m强夯，15000 kN.m强夯参数设计如下：

夯点的夯击次数需要满足以下条件：

（1）墩底穿透软弱土层，且达到设计墩长；

（2）累计夯沉量为设计墩长的1.5-2.0倍；

（3）最后两击的平均夯沉量满足设计和规范要求。

在夯击过程中采用大直径夯锤，直径为2.52m，若在夯击过程中会出现夯坑出水、夯坑过深、吸锤时，随时进行填料。 

采用本发明所述的超高能级强夯与置换兼容施工工艺，可充分发挥强夯与置换综合处理的优势、各自的能量优势，将强夯技术应用于对于地基变形要求严格的含有软弱夹层的地下水地基和饱和土地基。本发明采用的强夯置换的能级达到10000-15000kN.m，采用大直径夯锤进行置换作业更有利于对于软弱地基土的深层地基加固。本发明采用先低能级、再超高能级、后次夯能级和满夯的分遍强夯组合方式： 

（1）利用“低能级强夯（预夯）”解决超高能级强夯设备在待处理软弱地基上的行车及施工安全问题；

（2）利用超高能级解决海底沉积层交回填区之间海相淤积层的转换，并加固海底软弱沉积层，对于复杂地基，在加固机理上实现置换与密实的兼容；

（3）利用次夯能级进行海相回填层加固；

（4）满夯进行表层加固。

与现有技术相比，本发明避免了其他类型地基处理方式（如：复合地基处理中的散体桩、刚性桩、粘结强度桩等类型处理方法）造价高、工期长、施工困难的问题。 

本发明突破了目前国内强夯置换能级为中等能（3000-5000kN.m）和高能级（6000-8000kN.m）、采用小直径夯锤（一般直径小于1.2m）、以便于穿透软弱层的施工理念和施工设计；同时，能级的提高和夯锤直径的加大，突破了以往的使用条件，对于10m以上沿海吹填地基、高饱和度地基的处理具有显著效果。在锦州港油品库罐区超高能级强夯置换施工中，通过对原状土的置换以及超高能级强夯，地基承载力得到了显著的提高，经检测，置换区段的地基承载力达到了260-300kPa，压缩模量也达到了32-59MPa，相比原状回填土的70-200kPa的地基承载力有了显著的改善，地基处理深度也达到了16米，本发明具有广阔的应用市场和良好的发展前景。 

附图说明

图1是本发明工艺流程图； 

图2是15000KN.m、12000KN.m、10000KN.m夯点布置图；

图中1-第一遍夯点，2-第二遍夯点，3-第三遍夯点。

具体实施方式

采用超高能级强夯与置换技术兼容技术进行处理的地基，均为极软弱地基，为避免场地因承载力太低，直接进行超高能级强夯时可能出现的夯锤陷入淤泥中无法拔出、夯机侧翻等问题。本发明所述的超高能级强夯与置换兼容施工工艺，适用于如下原状软弱土地基， 

1）、填海地基的回填层；

2）、海底松散的沉积层；

3）、海底沉积层与回填层之间海相淤积软土层。

具体施工步骤如下： 

1）在原状软弱土地基上首先回填1.5-2米厚碎石或开山石垫层，使碎石或开山石垫层标高控制在地下常水位以上5.0米左右，整体场地标高应控制在最高潮水水位1.0米以上。

2)分三次对地基进行点夯与置换，先低能级，再超高能级、后次夯能级，每次地基点夯与置换的具体步骤为： 

①测放主夯点位置；

②原点预夯；

③点夯施工及过程填料；

④填料回填夯坑，清理夯间淤泥，平整场地、测量场地标高；

   3）进行满夯施工，施工完毕后进行场地平整以及测量场地高程。

本发明适用于如下地基: 

①处理填海地基的回填层；②加固处理海底松散的沉积层；③用置换法处理海底沉积层与回填层之间海相淤积软土层。

本发明的主要特点：1、强夯置换的能级达到10000～15000kN.m，适用于地基极基软弱、高饱和度土地基。 

2、采用了大直径夯锤，直径为2.52m，突破了原强夯置换采用小直径夯锤（直径小于1.2m）。以适应强夯能级提高后的施工工艺要求。 

3、采用强夯置换和动力密实两种机理共同作用于同一地基，达到置换与密实兼容的作用。 

利用动力密实的原理，通过大能量的夯击，将填入海中的碎石土和海底松散沉积层压实；二是利用置换的原理，对沉积于海底的淤泥、粉土等软土进行改良，将软弱土层挤散置换，并形成强度较高的碎石土墩为骨干的近似复合地基。 

4、在施工工艺上，结合填方地基表层软弱，不利于强夯设备储备，采取了先低能级，再超高能级、后次夯能级和满夯的的强夯能级优化组合。 

以下具体说明。 

1、能级设计 

超置换深度在8m以内时，加固深度12米以内时，采用10000kN.m强夯；

置换深度在8m以内时，加固深度15米以内时，采用12000kN.m强夯；

置换深度在8m以内时，加固深度20米以内时，采用15000kN.m强夯。

2、超高能级强夯与置换兼容技术参数设计。 

（1）15000 kN.m强夯参数设计 

（2）12000 kN.m强夯参数设计

（3）10000 kN.m强夯参数设计

（4）15000kN.m、12000kN.m夯点布置如图2所示。

（5）10000kN.m夯点布置如图2所示。 

施工工艺控制关键 

施工前工艺控制

采用超高能级强夯与置换技术兼容技术进行处理的地基，均为极软弱地基，为避免场地因承载力太低，直接进行超高能级强夯时可能出现的夯锤陷入淤泥中无法拔出、夯机侧翻等问题，施工中采取如下工艺：

（1）在原状软弱土地基上首先回填1.5-2米厚碎石或开山石垫层，使地下水位标高控制在地表1.5米以下；场地标高即填海地基区，应控制在最高潮水水位1.0米以上。

（2）在首遍夯击和二遍夯击(即超高能级主夯点夯击时)时，如果地表仍然软弱，不利于机械行走和施工，则在进行原夯点预夯，能级逐渐提升。具体为：夯机就位后，进行适当能级预夯强夯，夯击击数对于15000、12000kN.m可采用5000-8000kN.m，夯4-6击，对于10000kN.m强夯可采用3000-6000kN.m，夯4-6击。若在夯击过程中会出现夯坑出水、夯坑过深、吸锤等情况时，随时进行填料。 

主夯点施工工艺控制 

在夯击过程中前2～3击夯坑会出现透水、锤偏情况，要及时填料，4～5击后随着锤击数的增加，夯坑趋于稳定，透水现象不再出现，此时夯坑达到3米左右再进行填料，但必须达到3次连续夯（夯击过程中不填料），每次连续夯的锤击数不小于8击，填料次数不小于3次，停夯标准为最后两击平均沉降量不大于15cm。

施工过程中，如发现夯坑底歪斜较大,需及时用碎石将坑底垫平后方可继续施工；夯锤气孔应保持畅通,如遇堵塞,应立即清除。 

清理淤泥 

每遍夯结束后，将场地内挤出、隆起的淤泥清除干净，这样有利于施工质量和下一道工序的进行。

施工质量控制关键 

由于地基特性的千差万别，施工前，必须通过现场试夯区施工确定最终设计参数。

夯点的夯击次数通过现场试夯确定，并同时满足以下条件： 

（1）墩底穿透软弱土层，且达到设计墩长；

（2）累计夯沉量为设计墩长的1.5-2.0倍；

（3）最后两击的平均夯沉量满足设计和规范要求。

夯后检测 

超高能级强夯置换处理场地后，检测应在地基处理后二周至四周后进行。

地基检测项目：地面夯后沉降量测量、钻探取样、土工试验、重型动力触探试验、标准贯入试验，地基静载荷试验。 

工程实例 

   超高能级强夯与强夯置换施工技术的联合应用

一、工程概况

锦州港油品库罐区一期工程储罐区位于锦州港第三港池东岸，一期工程共6个罐区,建设场地地貌为浅海，通过人工吹填形成陆域地基。人工吹填土的主要成分有细砂、粉土、粉质粘土、粉砂等。在吹填层的上部又回填一层碎石残积土，场地标高介于4.71～5.98m之间。

（一）、地层概况 

第1层素填土：由页岩、花岗岩碎块和残积土构成的碎石土。厚度为1.70～3.90m，层底高程2.00～3.62m。

第1-1层吹填土：以细中砂、粉土为主，属中等压缩性土，厚度为1.30～7.80m，层底标高-1.30～3.25m。 

第2层粉质粘土：灰色～深灰色，主要呈软塑～流塑状态，该层分部较为连续，局部揭露为淤泥质土或粉土呈互层状分布，局部夹角砾、少量贝壳碎屑，厚度为0.70～6.80m，层底埋深2.90～11.40m,层底高程-6.30～2.48m。 

第3层粉土：黄褐色，含少量角砾。仅于少数钻孔中揭露，厚度为3.20～6.00m,层底埋深7.50～9.00m,层底高程-3.89～3.02m。 

第4层粉砂：浅黄色，含少量角砾、粉土。厚度为2.70～5.90m，层底埋深5.80～9.70m，层底高程-4.20～-0.39m。 

第5层粉质粘土：黄褐色，可塑状态。该层在部分地段缺失，厚度为0.40～6.60m，层底埋深6.50～15.20m，层底高程-10.10～-1.20m。 

第6层砾质粘性土：红褐色，花岗岩风化残积土，结构完全破坏，主要为黏性土混砂砾，含风化碎屑、碎块，该层仅在少数号钻孔揭露，厚度2.50m，层底埋深13.10m，层底高程-7.89m。 

第7层花岗岩：黄白色，全风化，结构基本破坏，已风化成土状。主要岩性为砂砾混黏性土。该层于场地内普遍分布，揭露厚度为0.80～7.50m，层底埋深8.10～21.80m，层底标高-16.97～-2.80m。 

第8层花岗岩：黄白色，强风化已大部分破坏，矿物成分已显著变化，裂隙很发育，岩体破碎。该层局部未揭露，揭露厚度为0.90～9.90m，层底埋深12.70～28.70m，层底高程-23.87～-7.40m。 

第9层花岗岩：黄白色，中风化，结构部分破坏。揭露厚度为0.70～3.20m，层底埋深15.70～31.30m，层底高程-26.47～-10.40m。 

（二）、地下水 

勘察场地位于锦州港，临渤海，野外勘察期间静止水位埋深1.40～3.80m，水位标高2.10～3.92m。水位受潮汐影响较大，变幅在2.00m左右。

（三）、地基土物理力学指标 

                           地基土物理力学指标建议采用值表   

二、场地工程特点及关键施工技术

（一）、地基处理技术要求

经加固处理后场地全风化岩以上各土层承载力特征值不小于260 kPa。压缩模量不小于18 MPa。

1.工程特点及施工技术关键 

（1）.形成陆域的填土地基土层为第1层至第4层，厚度在7.80m，层底埋深7.80m左右，最大埋深9.70 ,承载力特征值在70～110 kPa之间，属于极软土层，不能满足设计要求，需进行置换处理。

（2）.填土层以下的原海相沉积的第5层～第6层，承载力特征值在120～200kPa之间，也需要进行加固处理。这一区段的厚度在2.50～6.60m之间，层底埋深在6.50～15.20m之间，第7层～第9层为全风化～中风化花岗岩，勘察指标已完全满足设计要求，不需处理。 

由此可见本场地强夯置换的深度为7～8m，强夯处理深度为16m。这个基本的界线会随着地段地层的变化略有变动。 

三、强夯试验结果 

根据场地土层的埋深情况采用2种超高能级强夯处理。

（一）、单点夯强夯试验 

1.单点夯试验情况

       单点夯试验情况                                  

2.单点夯试验结果检测

  12000 kN·m单点夯检测结果                               

孔口标高：+5.6                                                                    

15000 kN·m单点夯检测结果

孔口标高：+5.6                                                                   

单点试验结果证明12000 kN·m强夯置换深度为7.4m，15000 kN·m强夯置换深度为7.7m。

1. 强夯试验效果的检测 

加固前后取原状土与室内土工试验

   （1）. 每个试区内的2、3遍夯点各布置1孔，在夯间位置和夯点置换区下取土，以了解置换区夯间和置换区下夯间土土性指标的变化情况。

Ⅰ试区检测情况如下： 

在置换区，夯间土中的粉土粉砂土与置换材料碎石土混合，无法取到原状土样。粉土粉砂的承载力与压缩模量根据桩间动探结果确定，粉土和粉砂的承载力与压缩模量均得到大幅度的提高。而置换区下部3～6.6m段夯间土粉质粘土可取的原状土样，承载力和压缩模量通过土工试验确定。

置换段下，未出现粉土粉砂，只有粉质粘土和粘土类土。加固后的承载力达到设计要求，压缩模量虽然提高幅度在50%以上，但由于起点低，其绝对值达不到设计要求。 

Ⅱ试区在置换区段之下，粉土取得原状土样，其加固效果与Ⅰ区类似。土工试验结果见下表： 

         试夯区加固前后取土试验指标统计分析表                        

Claims (5)

1.一种超高能级强夯与置换兼容施工工艺，其特征在于：适用于如下原状软弱土地基，

1）、填海地基的回填层；

2）、海底松散的沉积层；

3）、海底沉积层与回填层之间海相淤积软土层；

步骤如下：

1）在原状软弱土地基上首先回填厚碎石或开山石垫层，使地下水位标高控制在地表1.5米以下； 

2)分三次对地基进行点夯与置换，先低能级预处理，再超高能级、后次夯能级，每次地基点夯与置换的具体步骤为：

①测放主夯点位置；

②原点预夯；

③点夯施工及过程填料；

④填料回填夯坑，清理夯间淤泥，平整场地、测量场地标高；

3）进行满夯施工，施工完毕后进行场地平整以及测量场地高程。

2.根据权利要求1所述的超高能级强夯与置换兼容施工工艺，其特征在于：在步骤1中，厚碎石或开山石垫层1.5-2米，厚碎石或开山石垫层标高控制在地下常水位上5.0米左右，整体场地标高应控制在最高潮水水位1.0米以上。

3.根据权利要求1或2所述的超高能级强夯与置换兼容施工工艺，其特征在于：

1）置换深度在8米以内时，加固深度12米以内时，采用10000kN.m强夯，10000 kN.m强夯参数设计如下：

2）置换深度在8m以内时，加固深度15米以内时，采用12000kN.m强夯，12000 kN.m强夯参数设计如下：

3）置换深度在8m以内时，加固深度20米以内时可采用15000kN.m强夯，15000 kN.m强夯参数设计如下：

。

4.根据权利要求3所述的超高能级强夯与置换兼容施工工艺，其特征在于：夯点的夯击次数需要满足以下条件：

（1）墩底穿透软弱土层，且达到设计墩长；

（2）累计夯沉量为设计墩长的1.5-2.0倍；

（3）最后两击的平均夯沉量满足规范要求或项目强夯试验确定的要求。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的超高能级强夯与置换兼容施工技术，其特征在于：在夯击过程中采用大直径夯锤，直径为2.52m，若在夯击过程中会出现夯坑出水、夯坑过深、吸锤时，随时进行填料。