CN111441331A - 一种高含水量黏土强夯置换填方地基及其建造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开高含水量黏土强夯置换填方地基及其建造方法，所述建造方法以天然含水量在45％以上的高含水量黏土为基础填料并以硬质骨料为置换料，采用强夯置换法分层进行加固施工并且由下至上逐层建造获得填方地基，其中，在每层加固施工之前一次性地将高含水量黏土直接堆填至该层的预定虚铺厚度。所述填方地基则采用上述方法制得。本发明使得以高含水量黏土为填料建造的填方地基能够满足现行工程技术标准和工程使用的要求；同时无需采取晾晒等措施事先降低高含水量黏土的含水量，能够有效节省施工工期并提高投资收益；此外，该方法还可以避免高含水量黏土的过湿结团特性带来的摊铺、拌和困难，大幅提高施工效率。

Description

一种高含水量黏土强夯置换填方地基及其建造方法

技术领域

本发明属于工程建造的技术领域，更具体地讲，涉及一种高含水量黏土强夯置换填方地基及其建造方法。

背景技术

根据现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011的规定，建造填方地基的填土的压实含水量应控制在最优含水量±2％。但在我国南方多雨潮湿地区，由于雨量充沛，地下水位常年较高，形成了天然含水量远高于最优含水量的高含水量黏土，这类黏土的压实含水量很难按最优含水量控制。一些工程不得不利用这样的高含水量黏土作为填方地基的填料，但是直接将其分层压实建造的填方地基的压实质量又不能满足现行工程技术标准的要求。

公路行业在含水量较高的高液限土压实方面开展了大量的研究工作，刘鑫等提出高液限黏土可以用于直接填筑，压实度降按0.88控制，但填筑厚度不宜大于8m；程涛等也提出高液限土可降低压实度回填，但同时指出此举对其强度和压缩性能等均产生不利影响，应通过自密沉降量计算控制填筑高度；田见效对高液限土改良压实开展了研究，指出掺加砂石可以提高改良土的最大干密度、降低最优含水量，而掺加石灰、水泥可以提高最优含水量；张志伟在过湿土改良研究中指出，掺加石灰、水泥、NCS固化剂均可以降低土的含水量，提高土的强度和压缩性能。需要特别说明的是，以上学者研究的高液限土的天然含水量均不超过35％，对于天然含水量高达45％以上、超出最优含水量25％以上的高含水量黏土的填筑处理，学术界、工程界尚缺乏研究。

综合已有研究成果和工程经验，当前高含水量黏土填筑处理方面现有的技术主要有晾晒处理、废弃换填和物理、化学改良等技术。

1)晾晒处理：在我国南方地区，土壤含水量的蒸发速率一般为：夏季晴日每天1％、春秋季0.7％、冬季0.5％以下。以天然含水量超出最优含水量35％的高含水量黏土为例，如采用晾晒方式，夏季至少需要晾晒35天，春、秋、冬季则将更长，且一旦遇雨，还需重新晾晒。这使得晾晒方式在高含水量黏土的填筑处理中没有实际工程意义。

2)废弃换填：即将工程场地上的高含水量黏土弃方处理，另行取用合格土料建造填方地基。但该方式需要新征取、弃土场，由此带来两个问题，一是需要占用大量宝贵的土地资源，二是需要对弃土场地进行滑坡、水保治理，在当前环境保护要求不断加强和城乡用地日趋紧张的状况下,废弃换填方式实际上既不科学又不经济。

3)物理、化学改良：物理、化学改良在高含水量黏土填筑处理方面已经具有大量工程经验，其通过物理、化学作用改良土的性质、降低土的含水量，提高改良土的压实质量。可是实践证明，虽然高含水量黏土物理、化学改良处理的室内试验效果较好，但是由于其过湿结团特性，现场施工要达到均匀拌和非常困难，容易引发地基不均匀沉降等病害。

因此，有必要提供一种针对高含水量黏土的填方地基建造方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种能够使以高含水量黏土为填料建造的填方地基能够满足现行工程技术标准和工程使用要求的高含水量黏土强夯置换填方地基及其建造方法。

本发明的一方面提供了高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法，以天然含水量在45％以上的高含水量黏土为基础填料并以硬质骨料为置换料，采用强夯置换法分层进行加固施工并且由下至上逐层建造获得填方地基，其中，在每层加固施工之前一次性地将高含水量黏土直接堆填至该层的预定虚铺厚度。

根据本发明高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法的一个实施例，所述建造方法还包括在每层加固施工之前在已堆填高含水量黏土上铺设车辆走行辅助层的步骤，其中，所述已堆填高含水量黏土的厚度与车辆走行辅助层的厚度之和等于或略大于该层的预定虚铺厚度。

根据本发明高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法的一个实施例，所述车辆走行辅助层由硬质骨料铺成，所述车辆走行辅助层的厚度为0.6～0.8m，所述硬质骨料为块石、碎石、矿渣、钢渣或工业废渣中的至少一种。

根据本发明高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法的一个实施例，在每层加固施工过程中，所述强夯置换法包括先后进行的点夯施工和满夯施工。

根据本发明高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法的一个实施例，在点夯施工前预先布置并标记多行夯点，每行夯点中相邻夯点之间的间距设置为3～5m，控制相隔两行的夯点布置方式一致，同时控制相邻两行的夯点交错布置并使相邻两行夯点中的任意三个相邻夯点之间呈正三角形。

根据本发明高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法的一个实施例，在点夯施工时，控制点夯能级为2000～4000kN·m，选择直径为2～3m的夯锤，在每个夯点的点夯过程中起锤困难或夯坑较深时填入碎石置换料，每次置换料填至夯坑深度的1/3～1/2后继续夯击，如此反复直至达到停夯收锤标准，其中，停夯收锤标准为：单点击数≥13击，最后两击平均夯沉量≤150mm且累计夯沉量≥4.6m。

根据本发明高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法的一个实施例，在点夯施工时，先进行隔行夯点中各夯点的施工，随后将得到的各夯坑推平；再进行剩余行夯点中各夯点的施工，随后将得到的各夯坑推平获得平整基面并完成点夯施工。

根据本发明高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法的一个实施例，在满夯施工时，控制满夯能级为1000～2000kN·m，每点3～5击并采用夯印搭接1/3～1/4锤径的方式逐行进行夯击获得填方地基并完成满夯施工。

根据本发明高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法的一个实施例，将高含水量黏土装车运至待填方场地后卸车，卸车时将高含水量黏土连续堆放并进行简单整平，随后在其上铺设车辆走行辅助层；在每层填方地基处理验收合格之后建造上层填方地基，直至按照强夯置换分层设计达到预定设计标高。

本发明的另一方面提供了高含水量黏土强夯置换填方地基，采用上述高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法建造获得。

本发明提供的高含水量黏土强夯置换填方地基及其建造方法，使得以高含水量黏土为填料建造的填方地基能够满足现行工程技术标准和工程使用的要求；同时无需采取晾晒等措施事先降低高含水量黏土的含水量，能够有效节省施工工期并提高投资收益；此外，该方法还可以避免高含水量黏土的过湿结团特性带来的摊铺、拌和困难，大幅提高施工效率。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法中直接堆填的剖面结构示意图。

图2示出了实施例1中点夯施工的夯点平面布置示意图。

图3示出了实施例1中强夯置换夯点重型动力触探试验结果。

图4示出了对比例2中的压实系数结果分布图。

图5示出了对比例3中的压实系数结果分布图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明针对的基础填料是天然含水量在45％以上的高含水量黏土，更优选地适用于天然含水量在55～70％以上的高含水量黏土，采用的技术方案是以强夯置换技术和直接堆填方式为核心技术，分层建造得到高含水量黏土填方地基，以达到预期技术效果。通常情况下，土壤的最优含水量为20～25％，而本发明使用的高含水量黏土的天然含水量超出上述最优含水量20％以上。

下面先对本发明含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法进行具体说明。

根据本发明的示例性实施例，上述含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法是以天然含水量在45％以上的高含水量黏土为基础填料并以硬质骨料为置换料，采用强夯置换法分层进行加固施工并且由下至上逐层建造获得填方地基，其中，在每层加固施工之前一次性地将高含水量黏土直接堆填至该层的预定虚铺厚度。其中，高含水量黏土中天然含水量的百分比为质量百分比，即为单位体积内土体的水分质量与土颗粒质量之比。

一般的强夯填方地基采用分层堆填，即对于每层施工也分为多次堆填且每次仅堆填0.8m～1.2m，整平碾压后在其上继续堆填直至达到预定虚铺厚度。而本发明对每层施工时采用高效率的直接堆填方式，一次性将高含水量黏土堆填达到预定虚铺厚度，无需分层碾压，也不会导致陷车，更不需要分层摊铺、整平，施工效率极高。并且，本发明首次在高含水量黏土填筑处理中创造性地采用强夯置换技术，通过在填方地基中构筑碎石墩增强体，提高了高含水量黏土填方地基的质量。

在施工之前，有必要根据场地平整方案进行强夯置换分层分区设计，确定竖直方向的强夯置换分层数量和各层高度、水平方向上各层强夯置换处理范围。同时，还需要根据强夯置换设计方案，在正式施工前开展试验性施工，验证、修正虚铺厚度、点夯能级、夯点间距、夯击遍数、置换加料标准、停夯收锤标准等主要强夯置换工艺技术参数，确定地基加固深度和加固效果。

图1示出了根据本发明示例性实施例高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法中直接堆填的剖面结构示意图。

如图1所示，根据本发明，上述建造方法还包括在每层加固施工之前在已堆填高含水量黏土上铺设车辆走行辅助层的步骤，从而避免施工车辆的塌陷。其中，已堆填高含水量黏土的厚度与车辆走行辅助层的厚度之和等于或略大于该层的预定虚铺厚度。车辆走行辅助层优选地由硬质骨料铺成，车辆走行辅助层的厚度可以为0.6～0.8m。本发明选用的硬质骨料可以为块石、碎石、矿渣、钢渣或工业废渣中的至少一种。

优选地，将高含水量黏土装车运至待填方场地后卸车，卸车时将高含水量黏土连续堆放并进行简单整平，随后再在其上铺设车辆走行辅助层。

在每层加固施工过程中，强夯置换法具体包括先后进行的点夯施工和满夯施工。

根据本发明，在点夯施工前需要预先布置并标记多行夯点，每行夯点中相邻夯点之间的间距设置为3～5m，控制相隔两行的夯点布置方式一致，同时控制相邻两行的夯点交错布置并使相邻两行夯点中的任意三个相邻夯点之间呈正三角形。例如，该层一共设置有5行夯点，其中每行夯点中相邻夯点之间的间距为某固定值，同时相隔两行的夯点布置方式完全相同，而相邻两行的夯点间隔布置，比如将第一行与第三行、第二行与第四行，第三行与第五行的夯点分别布置为完全相同，但是第二行与第一行或第二行与第三行的夯点为间隔布置并且第二行的每个夯点位于第一行两个相邻夯点或第三行两个相邻夯点的中线上使得第二行的某个夯点能够与第一行的两个相邻夯点或第三行的两个相邻夯点形成正三角形，当然反之也成立。

在点夯施工时，优选地控制点夯能级为2000～4000kN·m，选择直径为2～3m的夯锤，在每个夯点的点夯过程中起锤困难或夯坑较深时填入硬质骨料，每次置换料填至夯坑深度的1/3～1/2后继续夯击，如此反复直至达到停夯收锤标准。其中，停夯收锤标准为：单点击数≥13击，最后两击平均夯沉量≤150mm且累计夯沉量≥4.6m。

优选地，在强夯置换工艺中应用大直径的圆形普通夯锤。一般的强夯置换采用直径1～1.5m的柱锤，本发明针对待处理的高含水量黏土虚铺层的结构特点，采用直径为2～3m的大直径圆形普通夯锤，提高了高含水量黏土填方地基强夯置换质量。

在点夯施工时，先进行隔行夯点中各夯点的施工，随后将得到的各夯坑推平；再进行剩余行夯点中各夯点的施工，随后将得到的各夯坑推平获得平整基面并完成点夯施工。例如，先依次进行第一行、第三行和第五行的夯点施工，填平夯坑后再依次进行第二行和第四行的夯点施工，也即点夯施工通过两遍施工来提高可操作性和点夯施工质量。

点夯完成后，在平整基面上再进行满夯施工时，优选地控制满夯能级为1000～2000kN·m，每点3～5击并采用夯印搭接1/3～1/4锤径的方式逐行进行夯击获得填方地基并完成满夯施工。

随后，在每层填方地基处理验收合格之后建造上层填方地基，直至按照强夯置换分层设计达到预定设计标高。

其中，本发明在每层点夯施工前，采用GPS测量等高精度定位技术对夯点位置精确定位，并将上下各层填方地基的夯点平面对齐布置，实现碎石置换墩竖直方向从上到下贯通，可将地基顶面的荷载直接传递至填方地基底部的原场地，改善夯间土应力状态，减小场地固结沉降。

当然，以上各工艺技术参数为可行的一种组合，可以根据工程需要结合试夯情况进行调整。

本发明提供的高含水量黏土强夯置换填方地基则采用上述高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法建造获得。该填方地基的质量完全满足现行工程技术标准的要求，同时满足工程使用要求。

事实上，强夯置换在填方地基处理方面已有应用，但主要是用于已经事先形成的填土地基的处理，即该填方地基在一些经济建设活动中已经形成，但是较为松散，工程建设将该场地选为建设场址后需要进行地基处理，方可满足使用要求。而本发明的填方地基并未形成，并且本发明所针对的对象高含水量黏土的压实特性差、极易陷车，摊铺、拌和困难，这些特点又恰恰说明以高含水量黏土构筑填方地基本身的过程即十分困难，本发明创造性地采用了直接堆填+分层强夯置换的处理方式，使得高含水量黏土高填方地基能够形成。

为了使本发明实现的技术手段、发明特征、达成目的与功效易于明白理解，下面通过实施例和对比例对本发明进行进一步的详细描述。

实施例1：

本实施例中利用的高含水量黏土的天然含水量为58％，击实试验获得的最优含水量为22％、最大干密度为1.61g/cm³，该高含水量黏土的天然含水量高于最优含水量36％。

本实施例的具体技术特征如下：

1)根据场平方案，进行强夯置换分层分区设计，确定竖直方向的分层数量和各层高度、水平方向各层处理范围。

2)开展试验性施工，验证、修正强夯置换主要工艺技术参数，确定地基加固深度和加固效果。

3)高含水量黏土堆填施工。如图1所示，将高含水量黏土装车运至待填方场地，然后卸车，卸车时将土堆连续堆放，将其简单整平至3.2m高后再在其上铺筑0.8m厚碎石，虚铺厚度共计4m。

4)强夯置换第一遍点夯施工。点夯能级3000kN·m，夯锤采用圆形普通夯锤、锤底直径2.5m，夯点布置为正三角形且夯点间距4m。施工前，采用GPS测量等高精度定位技术对夯点位置精确定位。

先进行隔行点夯施工，起锤困难或夯坑较深时填入碎石置换料，每次置换料填至夯坑深度的1/2左右，之后继续夯击，如此反复，直至达到试验性施工确定的停夯收锤标准：单点击数≥13击、最后两击平均夯沉量≤150mm、累计夯沉量≥4.6m，然后移机进行下一点施工。第一遍点夯完成后，用推土机将场地推平。

5)强夯置换第二遍点夯施工。完全按照第一遍点夯施工工艺完成剩余行的点夯施工，然后用推土机将场地推平。

6)强夯置换满夯施工。满夯能级为1500kN·m，每点4击，夯印搭接1/4锤径，逐行一遍完成满夯施工。

7)每层填方地基处理验收合格之后按照以上方法建造上层地基，直至按照强夯置换分层设计达到预定设计标高。其中，每层的夯点采用GPS测量等高精度定位技术定位，确保平面对齐、竖向贯通。

表1是实施例1的强夯置换平板载荷试验结果一览表，可以看出夯点、夯间夯后的地基承载力分别达到200kPa、127kPa，按面积置换率(0.35)计算的复合地基承载力为152kPa、变形模量为10.5MPa，完全满足特高压换流站对于填方场地的使用要求。

图3是实施例1的强夯置换夯点的重型动力触探试验曲线图，由图3可以看出：

(1)夯点沿深度的动探击数每米平均值分别为6.8、7.4、7.8、8.8，均处于稍密状态，均匀性较好；

(2)以动探击数与地基承载力关系推算，夯点的地基承载力特征值应在240kPa以上；

(3)以动探击数小于5击作为置换深度判断标准，可以判定夯墩已全着底，满足工程技术标准和设计要求。

表1强夯置换平板载荷试验结果

对比例1：直接压实

本对比例不采取措施降低高含水量黏土的含水量，压实机械采用激振力500kN光轮压路机，虚铺厚度30cm，压实遍数4、6、8遍。表2列出了对比例1压实系数检测结果一览表，可以看出各遍的压实系数平均值稳定在0.70～0.71之间，远低于现行行业标准《变电站总布置设计技术规程》DL/T5056-2007要求填方场地压实系数不小于0.94的规定。

表2对比例1的压实系数检测结果一览表

对比例2：物理改良

物理改良为掺加碎石以改良土的性质，使其由细粒土向粗粒土转变。压实工艺采用振动碾压、冲击碾压。振动碾压采用激振力500kN压路机，冲击碾压采用25kJ冲击压路机，其具体方案见表3。图4示出了对比例2的压实系数结果分布图，从图4中可以看出：采用振动碾压时方案1-3的压实效果最好，采用冲击碾压时方案1-6效果最好，两者的压实系数低于0.94的比例分别为67％、33％，均不满足DL/T 5056-2007的要求。

表3对比例2的物理改良方案一览表

对比例3：化学改良

化学改良常用的外加剂主要有生石灰、水泥等。有研究均证明，生石灰的单位掺量吸水率最高可达1％以上，而水泥则仅有0.3％左右，即生石灰的吸水效率约为水泥的3倍；并且，生石灰改良可以提高最优含水量，而水泥改良则会降低。因此，本实施例采用生石灰作为化学改良的外加剂，其具体方案见表4。图5示出了对比例3中的压实系数结果分布图，从图5可以看出：(1)数据离散性大，这证明采用化学改良方案时，拌和工作确实十分困难，效果很不理想；(2)采用振动碾压时方案2-3的压实效果最好，采用冲击碾压时方案2-6的效果最好，两者的压实系数低于0.94的比例分别为33％、67％，均不满足DL/T 5056-2007的要求。

表4对比例3的化学改良方案一览表

综合来看，无论是直接压实、物理改良还是化学改良，三组对比例的压实质量均不满足现行工程技术标准的要求。而本发明使得以高含水量黏土为填料建造的填方地基能够满足现行工程技术标准和工程使用的要求，同时无需采取晾晒等措施事先降低高含水量黏土的含水量，可以节省施工工期并提高投资收益，此外还可以避免高含水量黏土的过湿结团特性带来的摊铺、拌和困难，大幅提高施工效率。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法，其特征在于，以天然含水量在45％以上的高含水量黏土为基础填料并以硬质骨料为置换料，采用强夯置换法分层进行加固施工并且由下至上逐层建造获得填方地基，其中，在每层加固施工之前一次性地将高含水量黏土直接堆填至该层的预定虚铺厚度。

2.根据权利要求1所述高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法，其特征在于，所述建造方法还包括在每层加固施工之前在已堆填高含水量黏土上铺设车辆走行辅助层的步骤，其中，所述已堆填高含水量黏土的厚度与车辆走行辅助层的厚度之和等于或略大于该层的预定虚铺厚度。

3.根据权利要求2所述高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法，其特征在于，所述车辆走行辅助层由硬质骨料铺成，所述车辆走行辅助层的厚度为0.6～0.8m，所述硬质骨料为块石、碎石、矿渣、钢渣或工业废渣中的至少一种。

4.根据权利要求1所述高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法，其特征在于，在每层加固施工过程中，所述强夯置换法包括先后进行的点夯施工和满夯施工。

5.根据权利要求4所述高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法，其特征在于，在点夯施工前预先布置并标记多行夯点，每行夯点中相邻夯点之间的间距设置为3～5m，控制相隔两行的夯点布置方式一致，同时控制相邻两行的夯点交错布置并使相邻两行夯点中的任意三个相邻夯点之间呈正三角形。

6.根据权利要求4所述高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法，其特征在于，在点夯施工时，控制点夯能级为2000～4000kN·m，选择直径为2～3m的夯锤，在每个夯点的点夯过程中起锤困难或夯坑较深时填入硬质骨料，每次置换料填至夯坑深度的1/3～1/2后继续夯击，如此反复直至达到停夯收锤标准，其中，停夯收锤标准为：单点击数≥13击，最后两击平均夯沉量≤150mm且累计夯沉量≥4.6m。

7.根据权利要求6所述高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法，其特征在于，在点夯施工时，先进行隔行夯点中各夯点的施工，随后将得到的各夯坑推平；再进行剩余行夯点中各夯点的施工，随后将得到的各夯坑推平获得平整基面并完成点夯施工。

8.根据权利要求4所述高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法，其特征在于，在满夯施工时，控制满夯能级为1000～2000kN·m，每点3～5击并采用夯印搭接1/3～1/4锤径的方式逐行进行夯击获得填方地基并完成满夯施工。

9.根据权利要求2所述高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法，其特征在于，将高含水量黏土装车运至待填方场地后卸车，卸车时将高含水量黏土连续堆放并进行简单整平，随后在其上铺设车辆走行辅助层；在每层填方地基处理验收合格之后建造上层填方地基，直至按照强夯置换分层设计达到预定设计标高。

10.一种高含水量黏土强夯置换填方地基，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述高含水量黏土强夯置换填方地基的建造方法建造获得。

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