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來源：《高能級強夯技術發(fā)展研究與工程應用（2006～2015）》

1 概述

在進行地基處理設計時應當考慮的兩點: ①在長期荷載作用下，地基變形導致造成上部結(jié)構(gòu)的破壞或影響上部結(jié)構(gòu)的正常使用；②在最不利荷載作用下，地基不出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。前者為變形控制設計的原則，后者為強度控制的原則。對淺層地基處理工程來說，承載力控制可能是主要的；對深層地基處理工程來說，變形控制可能是主要的。在利用變形控制思想進行地基處理設計時，首先應計算分析地基變形是否滿足建筑物的使用要求，在變形滿足要求的前提下，再驗算地基的強度是否滿足上部建筑物的荷載要求。

以強夯法為例，強夯設計的基本方法是以勘察資料為依據(jù)，結(jié)合場地所需要的承載力、變形量允許值，提出處理方案，根據(jù)設計方案進行典型區(qū)域試驗并進行檢測。若測得的承載力和變形符合要求，則可進行大面積強夯處理，若有差距，調(diào)整參數(shù)或選用新的方案。

多年的工程實踐證明，強夯能級從 1000 ～30000 kN·m 表層的承載力基本都滿足要求，不同能級的差別主要表現(xiàn)在深層加固效果，就是有效加固深度上，反映出來的就是變形效果是否滿足設計要求。因此，變形控制是地基處理的主要產(chǎn)品，與能級、工藝關系較為密切，應按變形控制進行強夯法地基處理設計。

2 強夯能級對地基加固參數(shù)的影響

2.1不同能級強夯對淺層地基承載力的影響

強夯法是將重錘起吊到一定高度，而后自由下落，其動能在土體中轉(zhuǎn)化成很大的沖擊力和高應力，從而提高地基承載力。某試驗場地主要由新近人工填土（粉砂）層、第四系海陸交互相沉積層構(gòu)成。填料厚度一般0.5～1.3m，最大處達 3.1m。對場地分區(qū)進行試夯試驗，試夯1 區(qū)共夯 4 遍，第 1、2 遍點夯能量為 4000kN·m，點夯間距 5m，第 3、4 遍為 1000 kN·m 滿夯，每夯點 2 擊，錘印彼此搭接。試夯 2 區(qū)共夯 5 遍，第 1、2 遍點夯能量為 6000kN·m，點夯間距 6m，第 3 遍點夯能量為 3000kN·m，點夯間距6m，第 4、5 遍分別采用2000、1000kN·m 能級滿夯，每夯點 2 擊，錘印彼此搭接。夯后對試驗區(qū)進行淺層平板載荷試驗，載荷板面積為 2㎡，所得P - S 曲線見圖 1（Z1、Z 2、Z 3 位于試夯 1 區(qū)，Z 4、Z5、Z 6 位于試夯 2 區(qū)），夯前、夯后瑞利波波速曲線見圖 2（H Q 為夯前，HH 為夯后，1、2 點位于試夯 1 區(qū)，3、4 點位于試夯 2 區(qū)）。

圖 1夯后 P - S 曲線

圖 2夯前、夯后瑞利波波速曲線

由圖 1 可知，P - S 曲線未見明顯比例界限，按規(guī)范取 s / b =0.01（即沉降 14mm）所對應的壓力為各試驗點的地基承載力特征值^[3]，夯后各區(qū)平均承載力特征值。

試夯 1 區(qū)：f _ak=367kPa

試夯 2 區(qū)：f _ak=383kPa

由圖 2，看出根據(jù)波速減小的拐點，試夯 1 區(qū)有效加固深度約為 5m，試夯2區(qū)有效加固深度約為 7.7 m。試夯 1 區(qū)與 2 區(qū)強夯能級相差 33%，有效加固深度相差35%，但處理后淺層地基的承載力僅相差 4.2%。

某試驗場地為開山碎石形成，最大填土厚度為 11～14m，對該場地分別進行夯擊能 3000、6000kN·m 的試夯試驗，試驗區(qū)面積20m× 20m，夯后對試驗區(qū)進行淺層平板載荷試驗，載荷板尺寸為1.5m× 1.5m，所得 P - S 曲線見圖 3。

（a）3 0 0 0 k N·m 區(qū)

（b）6 0 0 0 k N·m區(qū)

圖 3 夯后 P - S 曲線

由圖 3 可知，P - S 曲線為直線（緩降型），將不同能級試驗區(qū)平板載荷試驗結(jié)果取平均值，得到夯后地基承載力特征值：

      3000kN·m 區(qū)：f_ak=240kPa

6000kN·m 區(qū)：f _ak=245kPa

兩個試驗區(qū)強夯能級相差 50%，但夯后淺層地基承載力僅相差 2%，即強夯能級的高低對淺層地基承載力影響較小，這是由于重錘沖擊土體產(chǎn)生很大的沖擊波，其中壓縮波（P 波）有助于增加土粒間的正應力，提高壓縮量，而土體的最大壓縮量由最大干密度控制，較低能級強夯已可以使淺層土體達到最密實狀態(tài)，壓縮模量達最大值。此外，重錘沖擊土體產(chǎn)生的高應力大范圍擴散，不同能級、不同夯點處產(chǎn)生的應力在一定深度范圍內(nèi)相互疊加，使加固后淺層土體的均勻性較好。由此得出，能級的差異反映在深層的加固效果，即有效加固深度范圍內(nèi)的變形效果，而不是淺層承載力的差異。因此，變形控制是地基處理的主要產(chǎn)品，而地基承載力是地基處理的附屬產(chǎn)品。

此外，進行淺層平板載荷試驗僅能反映 2～3 倍板寬深度范圍內(nèi)承載力的大小，不能反映深層的加固效果，如進行深層載荷試驗，上部土體相當于超載作用于承壓板兩側(cè)、承壓板下土體難以發(fā)生整體剪切破壞，不能得到準確的深層地基承載力特征值。因此，不能以處理后所需達到的地基承載力為控制目標進行強夯設計，應以變形控制進行強夯法地基處理設計。

2.2 不同強夯能級對有效加固深度的影響

有效加固深度指從最初起夯面（夯前地面整平標高）算起，不完全滿足工程安全需要的地基上，經(jīng)強夯法加固后，以某種方法測試的土的強度、變形等指標，達到工程設計要求達到的深度。

強夯設計中需要進行多遍夯擊，一般每遍的夯點、夯擊能量各不同，其中第一遍的夯擊能量最高，稱為主夯。根據(jù)規(guī)范中強夯能級與有效加固深度的關系由圖4 可知，強夯能級越高，夯錘對地面的沖擊力越大，土體中產(chǎn)生的沖擊應力擴散范圍越大，有效加固深度就越大。

圖 4不同強夯能級與有效加固深度關系曲線

有效加固深度范圍內(nèi)土體的密實度增加，強度提高，壓縮性降低，是反映地基處理效果的重要參數(shù)，同時對夯擊能量的確定、夯點布設、加固均勻性等參數(shù)起決定作用。有效加固深度不僅與強夯能級、土質(zhì)有關，還與施工工藝、錘底面積、錘形等諸多因素有關，因此強夯設計時主要依據(jù)經(jīng)驗判斷不同強夯能級的有效加固深度。

2.3 強夯有效加固深度對變形的影響

有效加固范圍內(nèi)的土體強度提高、壓縮性降低，組成強夯的加固區(qū)，由于不同夯點采用的強夯能級不同，有效加固深度就會不同，這些加固區(qū)相當于豎向剛度不同的加固體，導致強夯處理后沿深度方向地基剛度分布不均勻、荷載作用后基礎基底壓力分布不均勻，造成兩者變形不協(xié)調(diào)，增大了差異沉降，因此宜選擇在柱基、轉(zhuǎn)角等上部荷載較大的部位設置夯點，使強夯處理后地基的剛度分布與基礎基底壓力分布相吻合，達到夯后地基的后期沉降變形從整體上與基礎沉降協(xié)調(diào)一致，減小差異沉降，使基礎和上部結(jié)構(gòu)內(nèi)部不產(chǎn)生較大的次生內(nèi)力，同時使夯后土體本身承載能力盡量得到發(fā)揮。

   夯后地基加固區(qū)的存在使附加應力的高應力區(qū)向下伸展，附加應力影響深度增大。當有效加固深度處還存在較厚軟弱土層時，軟弱下臥層土體的沉降量占夯后地基總沉降比例很大，此時減小夯后地基變形最有效方法是減小軟弱下臥層土體的變形量，而減小軟弱下臥層土體的變形量最有效的是增大有效加固深度，減小軟臥下臥層的厚度，由于有效加固深度與強夯能級直接相關，最終實現(xiàn)由變形的控制進行強夯能級的選擇及其他設計參數(shù)的確定。

3 基于變形控制的強夯加固地基設計方法

由于強夯能級與淺層地基承載力無直接關系，即較低的強夯能級能夠滿足地基承載力的設計要求，但加固深度較小，對深厚填土地基容易造成過大工后沉降，故在強夯地基處理中僅按承載力設計難以滿足變形要求。有的項目強夯能級很高，表層土被震松或主夯坑過深沒有進行原點加固夯、滿夯沒有做好，反倒容易導致淺層承載力很低，因此，從這個角度講，承載力是強夯地基的附產(chǎn)品，它的主產(chǎn)品應該是有效加固深度控制變形量。

按變形控制進行強夯地基處理設計，一是預估強夯加固有效深度，計算加固區(qū)范圍外的變形量，驗算變形是否滿足要求，根據(jù)變形確定最終的有效加固深度，再由有效加固深度與單擊夯擊能的關系合理選擇強夯能級及其他設計參數(shù)。二是由于場地經(jīng)強夯后，形成的加固區(qū)沿深度可看作變剛度分布，為使強夯處理后地基的剛度分布與基礎基底壓力分布相吻合，減小差異沉降，夯點的布置應盡量與上部結(jié)構(gòu)的剛度分布一致，達到兩者的變形協(xié)調(diào)，充分發(fā)揮夯后土體自身的承載潛力。三是重視原點加固夯和滿夯對淺層地基的加固效果，確保淺層地基承載力滿足要求。

4 變形控制強夯設計法的工程應用

4.1 青島海西灣開山填海工程

（1）工程概況

擬建修船場區(qū)內(nèi)原始地層及海域主要為淤泥及淤泥質(zhì)土，場區(qū)分兩期回填，其中Ⅰ期回填場區(qū)的 2/3，Ⅱ 期為新近回填，占場區(qū)的1/3。區(qū)內(nèi)陸層較為簡單，上部為開山碎石填土層，厚度為 2.0～13.0m。

廠區(qū)由于基巖埋深較深，回填層較厚，局部有殘留軟土層，且開山土石料形成的陸域，灌注樁成樁難度大，工期長，造價高，設計對陸域深填區(qū)采用平錘高能級強夯、局部有殘留軟土區(qū)采用異型錘強夯置換。

（2）深填區(qū)高能級強夯

深填區(qū)土石填料層較厚，固結(jié)時間短，為達到較好的密實效果，減少工后沉降，采用平錘高能級強夯處理。

由于處理后場區(qū)要滿足修船廠柱基、室內(nèi)外地坪、道路等對變形大小的不同要求，設計時根據(jù)土層特性和需要加固的深度要求確定不同的強夯能級和施工工藝，其中對柱基下和重型設備基礎下應布置有超高能級夯點。

強夯處理后，對殘留淤泥厚度 δ ≥ 3m 的局部區(qū)域進行高壓旋噴等方法固結(jié)處理，減小強夯加固區(qū)沿深度方向的剛度差異，避免出現(xiàn)過大的工后差異沉降。

（3）異型錘強夯置換

在陸域回填區(qū)，對露天鋼材堆場的橋吊柱基，采用異型錘強夯，增加置換深度，減小差異沉降。東圍堰內(nèi)區(qū)局部軟土層較厚、含水量高，夯前采用插設豎向排水板與堆載預壓聯(lián)合處理，圍堰外區(qū)沒有經(jīng)過堆載預壓，為避免夯后兩部分區(qū)域土體剛度差異過大，造成柱基較大差異沉降，對東圍堰內(nèi)區(qū)用4500kN·m 能級強夯置換，外區(qū)用 5500kN·m 能級強夯置換。

（4）強夯地基變形計算

經(jīng)檢測強夯處理后地基承載力滿足要求，在這種情況下，對于變形量的控制設計就成了確定強夯方案是否適用和進行強夯設計的關鍵。

本項目淤泥質(zhì)土較厚的 D 區(qū)采用 8000kN·m 能級強夯進行處理，因此對淤泥質(zhì)土的固結(jié)沉降計算分析可選用不同淤泥厚度的勘探點進行計算，各軸線柱基計算沉降量與項目建成后沉降觀測 5 年穩(wěn)定后的實測值見圖 5。

圖 5實測沉降量和計算沉降量的對比曲線

根據(jù)修船區(qū)車間強夯地基檢測報告和現(xiàn)有的沉降觀測成果表明，產(chǎn)生差異沉降主要是由于填土下存在軟弱淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土固結(jié)沉降引起的。根據(jù)近5 年的實測沉降結(jié)果可以看出，在全部 252 個柱基中，僅有 4 個柱基的沉降量超過了規(guī)范要求，整個監(jiān)測結(jié)果與強夯前的預測分析完全一致。該處柱基已經(jīng)采取了一定的結(jié)構(gòu)預防措施，以此說明了“以變形控制進行地基處理設計”思路的準確性。

4.2 中化格力二期 5.5 萬 m3石油儲罐地基處理

（1）工程概況

中化格力二期項目位于珠海市高欄港經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，場地原始地貌單元屬海岸沉積地貌，該場地于2004 年采用 10000kN·m 能級強夯處理整平，經(jīng)自重固結(jié)6 年后，擬提前投入使用，經(jīng)檢測，場地地基承載力滿足要求，但計算沉降變形過大，需以變形控制進行地基處理設計。

對強夯后的場地進行鉆探取樣，結(jié)果顯示，擬建場地主要由新近人工填土層、第四系海陸交互相沉積層和燕山期花崗巖構(gòu)成。

根據(jù)夯后二維面波測試，場地層狀結(jié)構(gòu)明顯，呈上硬下軟的狀態(tài)，下層仍存在較厚的淤泥質(zhì)土層，T1304 罐東西方向軟土層的分布差異較大，西側(cè)軟土分布厚度大，整體不均勻性大；T1303罐土層均勻性在 5～10m。

（2）方案選用

夯后 T-1303、T- 1304 罐地基承載力滿足設計要求，但不均勻沉降不能滿足規(guī)范[9]要求，故以變形控制進行地基處理設計。

為充分利用強夯地基承載力，同時減小儲罐地基的不均勻沉降變形，本次T- 1303、T- 1304 罐地基處理采用疏樁勁網(wǎng)復合地基。疏樁勁網(wǎng)復合地基充分發(fā)揮地基及疏樁基礎承載力，主要目的為控制基礎的沉降變形[8]。結(jié)合本工程特點，樁設置為帶樁帽的減沉疏樁、網(wǎng)設置為加筋復合墊層，見圖 6。

圖 6疏樁勁網(wǎng)復合地基構(gòu)造圖

考慮到油罐地基在周邊環(huán)墻處受力比內(nèi)部大，為使地基的剛度分布與基礎基底壓力分布相吻合，減小不均勻變形，疏樁采用環(huán)形布樁方式；為協(xié)調(diào)疏樁與強夯地基的受力，本方案采用直徑為5.0m 的大尺寸樁帽；為協(xié)調(diào)疏樁與強夯地基的變形，采用厚度為 1m 的碎石墊層，其內(nèi)設4 層三向土工格柵。

（3）環(huán)墻基礎沉降變形監(jiān)測

充水預壓階段，在環(huán)墻基礎周邊布置了 32 個沉降變形監(jiān)測點，環(huán)墻基礎沉降變形曲線見圖 7。由圖 7 看出，在油罐充水預壓前期，環(huán)墻基礎各點沉降較均勻，隨著充水高度的增加，個別點沉降量較大，當充水量為 18m 時，各點沉降總體趨于均勻，說明了疏樁勁網(wǎng)復合地基已開始發(fā)揮其調(diào)節(jié)地基不均勻沉降的能力。T- 1304 罐環(huán)墻基礎部分差異沉降較大，但均滿足規(guī)范平面傾斜與非平面傾斜要求。

      （a）T- 1 3 0 3 罐

     （b）T - 1 3 0 4 罐

圖 7環(huán)墻基礎沉降變形曲線

5 變形與地基承載力控制的辯證關系

對有豎向增強體的復合地基的變形控制可采用變剛度分布的設計思想，以有效減小壓縮量。變剛度設計可采用兩種措施，一種是樁長沿深度變化，即由部分長樁和部分短樁結(jié)合組成長短樁復合地基；另一種是采用剛度及長度均不相同的兩種或以上形式的復合地基，如CFG 樁復合地基與砂樁復合地基的組合作用等。

地基承載力和變形是地基處理的兩個方面，但這兩方面是密切聯(lián)系并不是孤立的。對整個場地來說，淺層平板載荷試驗測得的地基承載力猶如面上一個個點，雖然點的地基承載力滿足要求，但每個點下的加固深度不盡相同，不同加固深度的點沿深度方向形成剛度不同的加固體，荷載作用后，會產(chǎn)生差異沉降。

如何控制差異沉降就是變形控制的設計思想，如對深厚回填土地基進行強夯置換處理后，地基表層各點承載力滿足要求，但夯后地基在置換墩附近形成加固體剛度大，荷載作用后導致在整個面上差異沉降大，通過合理選擇能級、布置夯點，能實現(xiàn)變形控制的效果；某大型油罐項目，場地局部存在較厚的軟弱土，平面分布上存在軟硬地層并存的情況，油罐位于半填半挖地基、土巖組合地基上，為減小工后差異沉降，采用“碎石墊層 強夯置換”方法處理，將油罐區(qū)域的基巖通過爆破開挖1m，再回填碎石至設計標高，經(jīng)強夯置換處理后地基在整個面上的剛度均勻，不但地基承載力滿足要求，而且有效控制了差異變形。

因此變形控制是地基處理的“主要產(chǎn)品”，是較難滿足的“高級產(chǎn)品”，在地基處理工程中應重點關注。相較之下，地基承載力是地基處理的“附屬產(chǎn)品”，是較易滿足的“入門產(chǎn)品”。

6 結(jié)語

（1）按變形控制進行強夯地基處理設計，一是根據(jù)變形要求確定強夯加固有效深度，再由有效加固深度合理選擇強夯能級及其他設計參數(shù)；二是使夯后地基的剛度分布與基底壓力分布相吻合，夯點的布置盡量與上部結(jié)構(gòu)的剛度分布一致，使兩者變形協(xié)調(diào)，減小差異沉降；三是重視原點加固夯和滿夯對淺層地基的加固效果，確保淺層地基承載力滿足要求。

（2）按變形控制思想，對有下臥軟弱土層、深度較大的碎石回填土層地基，可采用高能級強夯預處理和疏樁勁網(wǎng)復合地基，能充分發(fā)揮疏樁基礎和強夯地基的承載性能，協(xié)調(diào)兩者變形，達到變形控制目的。

（3）總之，其它地基處理方法中形成的復合地基，是否也應按變形控制思想來進行設計也是值得思考的。