置换碎石墩在挡墙地基加固处理的应用

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［摘要］某加筋挡墙的淤泥质粉质黏土持力层存在地基承载力不足、土体抗剪强度偏低等问题，不能满足设计要求，因此，需进行地基处理。通过技术经济比较，采用强夯置换碎石墩的方式对该挡土墙地基进行加固处理。采用单墩静载试验对处理后的地基进行检验，结果表明：加固处理后地基承载力得到了明显提高，能够满足设计要求；同时通过岩土工程软件计算得到的安全稳定系数也能满足设计要求。该方法可为类似工程提供有益的借鉴。

［关键词］强夯置换；淤泥质粉质黏土；地基承载力；抗剪强度

强夯置换是在常规强夯基础上演变而来的一种地基处理方法。自从１９６９年法国首次采用强夯法进行地基处理后，该法也不断地被优化和改良，以更为适应专门的工况。相比于常规的强夯法“加强”式处理地基，强夯置换法直截了当地采用“替换”且“加强”的处置思路，能够更为有的放矢地对软弱岩土体进行加固处理，通过在软弱岩土体中不断加入碎石等坚硬物质进行夯击，以更有效和快速地提高地基的承载力，这对于一些难以处置的软弱岩土体来说是一种极大的改进。赵民等［１］采用强夯置换法对某软土地基进行了加固处置，研究了成桩情况，并通过一系列检测试验来核实加固效果，结果表明，强夯置换法能够有效地提高地基承载力，减小地基的变形，从而满足工程需求。赵永昌等［２］通过对某垃圾坑地基采用强夯置换处理，采用平板载荷试验获取了处理后的地基承载力，结果表明，地基承载力特征值比较容易达到设计要求的１３０ｋＰａ。此外，还有众多学者都将强夯置换法应用在了不同土质的地基改良中，并且通过现场试验［３－５］、模型试验［６］或数值模拟［７］等研究方法，对加固结果展开了深入分析，都取得了所需的效果。这在一定程度上也验证了强夯置换法对较多土质都具备广泛适用性和有效性。但是，纵观现今对强夯置换的研究现状可以发现，目前对置换效果的研究主要集中于地基处理，获取强夯置换前后的地基承载力和变形特性等。然而，除了常规的场地处理外，还有一种较为常见的工况便是所需处理的场坪地基正好位于高陡斜坡下方，这就不但涉及到地基承载力问题，还涉及到边坡及其下方的岩土体稳定性问题，这就需要对强夯置换所能够实现的地基承载力和岩土体强度参数都需要有准确的把握，才能够进行合理的边坡计算和设计。本文结合某加筋挡墙的实际工程案例，通过强夯置换对加筋土持力层的软弱地基进行加固处理，通过检测和计算，获取了处理后的持力层地基承载力以及土体抗剪强度参数，从而为加筋土边坡的合理设计提供了较为可靠的参数依据。

１工程概况

根据地质勘察资料，场地岩土层自上而下可分为冲洪积成因（Ｑ４ａｌ＋ｐｌ）的淤泥质粉质黏土（见表１）、坡积成因（Ｑｄｌ）形成的坡积含角砾粉质黏土，其下则是粉砂岩的各个风化层。该场地主要土层物理性质指标见表１。一高度近１９ｍ的加筋挡墙坐落在该场地上（见图１），初步设计拟采用顶部一级坡率为１∶１５、高度为８ｍ的自然放坡，中间一级坡率为１∶０７５、高度为８ｍ的加筋土，最底部设置一级坡率为１∶０５、高度约为３ｍ的加筋土。淤泥质粉质黏土持力层厚度约为８ｍ，对该加筋挡墙所需的地基承载力和整体稳定性起到了至关重要的作用。现场勘察结果显示，该淤泥质粉质黏土层的地基承载力特征值仅为１００ｋＰａ，而前期计算结果表明，该加筋挡墙的持力层地基承载力特征值需要达到１８０ｋＰａ才能满足承载力需求；同时，根据勘察报告，淤泥质粉质黏土抗剪强度参数为黏聚力ｃｓ＝１５ｋＰａ，内摩擦角Φｓ＝１７°，这使得通过理正岩土工程计算分析软件求得该加筋挡墙的整体稳定性仅为１０８３（见图２），达不到设计所需的安全系数为１３５的需求，同时可以发现，由于淤泥质粉质黏土层抗剪强度参数不足，最危险滑动面直接从加筋土挡墙底部的软弱淤泥质粉质黏土层穿过并剪出，这也意味着该层抗剪强度不足，因此，亟需对这层淤泥质粉质黏土层进行有效处理。

２强夯置换法处理

设计初期拟采用换填方式，对这层软弱的淤泥质粉质黏土层进行彻底挖除，并换之以强度较高的岩土体。然而，考虑到场地面积较大，软弱层的挖除需要耗费较大的人力、物力同时，土方外运和卸载也是一个棘手的难题。因此，经过多方探讨和文献查阅，最终决定通过强夯置换法对加筋挡墙下方的淤泥质粉质黏土进行加固处理。强夯置换的布置形式如图３所示。在现场作业之前，需要在淤泥质粉质黏土层顶部铺设碎石垫层，厚度约为５０ｃｍ。根据一般经验，前两遍采用直径１５ｍ、高度２ｍ、重量２６ｔ的柱夯方式，夯能为４０００ｋＮ·ｍ，夯点间距为３ｍ×３ｍ，采用正方形布置，填料采用碎石，粒径５～１０ｃｍ，碎石墩设计直径１５ｍ，置换处理深度为８ｍ且进入含角砾粉质粘土层不小于１ｍ，以期能够实现提高地基承载力和岩土体抗剪强度参数的双重目的。第三遍满夯采用的夯能为１６００ｋＮ·ｍ。经过强夯置换后，现场观测形成的碎石墩实际直径普遍达到１８ｍ。

３强夯置换的效果分析

３.１单墩静载试验结果

图５给出了碎石墩的墩体静载试验结果，共进行了５根碎石墩的试验，试验按照相关规范［８，９］进行操作。由图可知：（１）５个碎石墩的静载试验都出现了明显的回弹现象，这说明所形成的碎石墩存在一定的弹性。（２）荷载加至２０００ｋＮ，碎石墩也未发生明显破坏，而在荷载达到约４００ｋＮ左右，各个墩体曲线出现小拐点，曲线斜率出现一定的变缓现象，这可能是由于碎石墩在加载初期逐渐被压密，从而形成了沉降先快后慢的现象。强夯后碎石墩各试验点静载荷试验结果见表２。（３）各点试验曲线均为缓变型，沉降小于４０ｍｍ，由规范可以确定１＃、２＃、３＃、５＃试验点碎石墩承载力极限值均为２０００ｋＮ。４＃试验点极限承载力取位移为４０ｍｍ所对应的荷载，即１８８３ｋＮ。本工程碎石墩试验点的数量为５点，承载力特征值的平均值为９８８ｋＮ，极差为５％，满足规范要求。

３.２复合地基承载力计算

对于强夯置换碎石桩复合地基承载力亦可按照下式进行计算：（１）式中：λ—单桩承载力发挥系数，可按地区经验取值；Ｒａ—单桩竖向承载力特征值，ｋＮ；Ａｐ—桩的截面积，ｍ２；β—桩间土承载力发挥系数。根据勘察结果、现场检测以及查阅文献经验表明，墩体直径取１８ｍ，置换率ｍ＝０２８３，λ＝１，β＝１，Ｒａ＝９８８ｋＮ，Ａｐ＝２５４ｍ２，ｆｓｋ＝１００ｋＰａ。

３.３加筋挡墙稳定性计算

地基岩土体的抗剪强度参数对拟建加筋挡墙的稳定性具有至关重要的作用，然而，对于这类经过强夯置换处理后包含碎石墩和墩间土的地基，其综合抗剪强度参数目前尚无直接的试验方法。（ｋＰａ）。桩身由碎石构成，黏聚力ｃｐｋ可以取０；桩身内摩擦角Φｐ通过现场堆放的碎石自然休止角以及设计人员的经验判断，取Φｐ＝４５°。实际经过夯实之后的碎石墩内摩擦角还可能进一步提升，因而此处取值可能偏保守。代入置换率ｍ＝０２８３，Φｐ＝４５°，ｃｐ＝０，Φｓ＝１７°，ｃｓ＝１５ｋＰａ，计算求得处理后的综合黏聚力ｃｓｐ＝１０７６ｋＰａ，内摩擦角Φｓｐ＝２６５７°。可以发现，处理之后的土层内摩擦角显著提高，黏聚力略有下降，这是由于碎石墩的高内摩擦角和低黏聚力所决定的。相对于处理之前的淤泥质粉质黏土内摩擦角Φｓ＝１７°，处理之后的综合内摩擦角提高了９５７°，因此，在持力层地基经过强夯置换之后，加筋挡墙的稳定性达到了１３５３（见图６），也满足了设计要求；同时还可以发现，由于强夯置换提高了挡墙下持力层的抗剪强度，因而加固后的最危险滑动面也未经过该层，而是从加筋土挡墙中剪出。需要说明的是，计算过程中实际并未建立碎石墩模型，而是将强夯置换处理后的持力层强度参数予以提高后带入计算。

４结论

通过某加筋挡墙淤泥质粉质黏土层持力层地基强夯置换处理，可得出以下几点结论：（１）强夯置换处理淤泥质粉质黏土层地基，应根据现行规范和设计要求选择合理的夯击能、夯击间距和夯击数，必要时进行试夯确定强夯参数。（２）强夯置换法处理地基承载力检验应采用单墩复合地基载荷试验，检测数量及检测休止时间应满足规范要求。（３）挡土墙淤泥质粉质黏土层地基经过强夯置换处理，地基承载力特征值由加固前的１００ｋＰａ提高至１８２ｋＰａ；土体抗剪强度参数也由加固前的“黏聚力ｃｓ＝１５ｋＰａ，内摩擦角Φｓ＝１７°”提高至“黏聚力ｃｓｐ＝１０７６ｋＰａ，内摩擦角Φｓｐ＝２６５７°”；挡土墙的安全系数从１０８提高到了１３５，能够满足设计要求。

作者：程惠阳 单位：泉州市建设工程质量安全站