真空降水联合强夯法地基处理效果研究

娄青虎

（上海闵平工程检测科技有限公司，上海 200001）

摘  要：真空降水联合强夯法在沿海地区软土地基处理中应用较为广泛，因其良好的地基处理效果受到行业内的一致好评。本文依托上海某软土地基处理项目，结合钻孔取土室内土工、压实度、静力触探以及平板载荷试验的检测方法对真空降水联合强夯法处理地基的效果进行评价分析。研究结果表明，除部分压实度结果偏低外，真空降水联合强夯法处理地基整体效果显著，地基承载力、变形以及物理力学性能指标均有不同程度的提升。本课题研究成果将为真空降水联合强夯法在软土地基处理的深入应用提供经验参考。

关键词：真空降水；强夯；软土地基；检测；地基承载力

一、引言

随着国民经济的迅速发展，城市发展的规模也逐渐增大，基础建设项目的投入也随之逐步增大，由于陆地资源较为有限，城市建设除了往高层、地下空间进行拓展的同时，也逐步向海岸线延伸。一些建设规模较大的项目例如码头、电厂、海底隧道以及跨海大桥等等逐渐向海岸线拓展。

然而，尽管我国海岸线较为丰富，但大范围分布的淤泥、淤泥质软土等软弱土层给工程建设带来了巨大难度，如果直接在这类地层上面进行构筑物的建设，那面临的一定是沉降量增大、差异沉降甚至冲切沉陷现象的发生。为了杜绝上述现象的发生，在进行工程建设之前须对该地基进行处理从而提高其地基承载力，目前国内常用的地基处理方法有很多，包括最常见的打桩（碎石桩、灌注桩、深层搅拌桩等等）、真空预压、堆载预压、塑料排水板等等，尽管上述地基处理方法在处理面积规模较小的地基时具有很好的效果；当处理面积较大时，上述方法的费用成本、资源成本以及时间成本将十分巨大，因此，学者专家们针对面积较大的地基进行了新工艺、新方法的探索。其中，具有代表性的是低能级强夯法和真空降水法，而真空降水联合低能级强夯法则是在两者基础上发展而来，作为复合式的新技术。本文依托上海某沿海地基处理项目，针对真空降水联合低能级强夯在处理大面积软土地基的效果，采用多种检测方法进行检测，验证了该地基处理方法的可行性，并为该方法在类似软弱地基土处理的处理提供了经验参考。

二、真空降水联合强夯法原理

强夯法[1]又被称为动力固结法（Dynamic Consolidation），是指采用相关机械设备将数十吨甚至上百吨的重锤，从一定高度自由落下，利用落锤产生的动能夯击土体从而提升地基土强度的地基处理方法。由于强夯法采用的设备较为简易、操作流程也较为简单，而且土体加固效果十分显著，具有很高的经济效益，因此被广泛应用于碎石土、砂土以及饱和度较低的软粘土地层的处理中[2-4]。然而，强夯法在处理地下水位埋藏较深的黏性土地层，特别是淤泥质土、淤泥质粉质黏土地层时，加固效果却一直存在争议。从理论上来说，饱和软粘土地层的含水量往往较高，尽管强夯施工带来的能力能够破坏土体结构，从而使土中一部分自由水可以排出，但饱和黏性土中的孔隙水压力消散十分缓慢，因而将使得处理效果存在一点折扣。鉴于此，一些专家、学者改进了传统的施工方法，改善了地基土竖向排水条件，随着强夯法与其他排水技术的结合，强夯法也被逐渐应用于饱和软黏土地基处理中[5-6]，并总结出相关的技术方法[7]。

真空降水联合低能级强夯施工方法是将排水固结法与动力固结法有机地结合到了一起，首先通过设置真空井点来提高地基中的真空度，使得土中自由水能够在负压作用下加速消因强夯法产生的超静孔隙水压力，从而快速提高软粘土的固结度。夯击中先加固浅层软土，待浅层土排水土体度有所提高后，再逐渐加大能量，以加固深层软土。

三、依托工程概述

3.1 项目概况

本次地基处理为一期用地，采用真空降水+低能级强夯处理，根据施工单位提供的施工范围，一期工程总强夯工程面积为125475㎡。地基处理范围如下图所示。

图1.1 地基处理范围

建筑场地需大面积回填素填土形成，填土平均厚度为2m左右，地基处理后场地标高为+3.70m，一期地基处理总面积约12.7万㎡。

3.1 地质概况

拟建场地位于上海市浦东新区临港新城重装备产业区，属于潮坪地貌类型。拟建场地基本平坦，实测各勘探点的孔口地面标高在2.86～4.79m之间，高差1.93m，场地明浜水面标高为2.41m。

该拟建场地内的最大勘察深度为45.0m，在此深度范围内揭遇的地基土均属第四纪沉积物，从其结构特征、地质时代、成因类型、土性不同和物理力学性质上的差异可划分为11个层次，各层土描述如下：

表1  场地内浅部主要土层分布

土层	岩土特性	土层厚度(m)
①1层素填土	灰黄色，层底标高3.52～1.69m，表层30～50cm为耕植土，含较多有机质，其下以粘性土为主，夹小石子等，土质松散、不均。	1.14m
①2层浜土	灰黑色，层底标高1.91～1.11m，以粘性土为主，富含有机质，工程力学性质极差。	0.38m
①3层淤泥质粉质粘土夹粘质粉土	灰色，层底标高2.11～-1.46m，饱和，流塑，中等～高等压缩性；含云母、有机质，土质不均，稍有光泽，无摇振反应，干强度中等。	2.67m
②3-1层粘质粉土夹淤泥质粉质粘土	灰色，层底标高-2.13～-6.61m，饱和，稍密，中等压缩性，含云母，土质不均，局部夹薄层粉砂，无光泽，摇振反应中等，干强度低。	4.52m
②3-2层粉砂	灰色，层底标高-10.92～-12.62m，饱和，稍密～中密，中等压缩性，主要由云母、长石、石英等矿物颗粒组成，夹薄层粘性土，局部夹较多砂质粉土。	7.16m
④层淤泥质粘土	灰色，层底标高-15.00～-15.82m，饱和，流塑，高等压缩性；含有机质，夹薄层粉砂，偶见贝壳碎屑，土质均匀，有光泽，无摇振反应，韧性高，干强度高。	3.29m
⑤1层淤泥质粉质粘土	灰色，层底标高-17.92～-20.73m，饱和，流塑，高等压缩性；含云母，有机质，夹薄层粉土，稍有光泽，无摇振反应，韧性中等，干强度中等。	3.86m
⑤2层粉砂	灰色，层底标高-18.62～-21.85m，饱和，稍密，中等压缩性；主要由云母、长石、石英等矿物颗粒组成，局部为砂质粉土	0.62m
⑥层粉质粘土	暗绿～草黄色，层底标高-22.79～-25.79m，湿，可塑～硬塑，中等压缩性，含氧化铁斑点，底部夹较多薄层粉土，稍有光泽，无摇振反应，韧性中等，干强度中等。	4.59m
⑦1层粉砂	灰黄色，层底标高-28.69～-33.88m，饱和，中密～密实，中等压缩性，主要由云母、长石、石英等矿物颗粒组成，夹薄层粘性土，局部为砂质粉土。	7.09m

各层地基土成因类型、地质时代详见下表。

表2 地基土构成一览表

地质时代	Q43		Q42	Q41	Q32
成因类型	人工	滨海～河口	滨海～浅海	滨海、沼泽	河口～湖泽	河口～滨海
层号	①1、①2、①3	②3-1、②3-2	④	⑤1、⑤2	⑥	⑦1、⑦2

3.1 技术要求

场地表层广泛分布有一层褐黄一灰色的素填土和黏质粉土层，该层土的厚度分布不均且工程地质性质较差。根据地基承载力验算和变形分析结果，如果不对其进行处理，不但地基承载力达不到设计要求，而且会产生较大的不均匀沉降，影响将来场区的正常运营，因此必须寻求适当的加固措施对该层土进行有效的加固处理。结合本工程地下水位埋藏浅、地基加固面积大、技术难度高、工期要求紧等实际情况，借鉴类似工程地基加固的成功经验，最后决定在现场试验的基础上采用低能量强夯联合真空降水法进行地基加固。

按照地基处理设计要求，处理后地基承载力设计值不小于100kPa，填土密实度不小于0.96，填土层压缩模量不小于9MPa。

四、检测方法原理

根据地基处理技术要求，为评价地基处理的效果，应对处理前、后的地基分别进行检测比较。检测内容包括：室内土工试验、压实度测试、静力触探试验、平板载荷板试验测试。地基处理效果的测试宜在施工完成30天后进行。

通过地基处理前后土层物理力学参数的改变，来评价地基处理的加固效果。室内土工试验应提供土工常规参数：包括含水率、压缩模量Es等。取样深度为6m，对每一土层的的物理力学参数指标进行统计，详细了解每层土的加固效果。

针对表层1m的回填土的压实效果进行压实度测试，室内采用击实试验获得填土的最大干密度、最优含水量，通过现场环刀取样室内试验获得密实度指标。

静力触探试验主要用于划分土层、估算地基土的物理力学指标参数、评定地基土的承载力、对比分析确定冲击碾压影响深度。试验装置静力触探试验主要设备为静力触探仪，其由贯入装置（包括反力装置）、传动系统和量测系统三部分组成。主要由顶柱、电阻应变片、传感器、密封垫圈套、四芯电缆、外套筒组成。

平板载荷试验是一种较为直观的试验，它是在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载，测求地基土的压力与变形特性的原位测试方法。它反映承压板下一定深度、宽度范围内地基土的强度、变形的综合特性，成果可靠，对成份和结构不均匀的回填土尤为适合。

五、监测数据分析

本项目检测点布置情况如图5.1所示。

图5.1  检测点布置图

5.1 钻孔取土室内土工试验

本次进行了144个钻孔，每孔深度6m，按不同深度，按2m取样1件进行室内常规土工试验，数据统计见表5.1。不同土层压缩模量的等值线图见图5.2～5.4。

表5.1 室内土工试验压缩模量统计表

项目 统计值	不同深度范围Es0.1～0.2（MPa）
	0～2.3m	2.3～4.3m	4.3～6m
平均值	6.40	5.88	7.94
最大值	16.95	17.08	15.94
最小值	2.78	2.10	2.09
样本数量	134	128	117
标准差	2.56	2.11	1.52
变异系数	0.40	0.36	0.19
修正系数	0.94	0.95	0.97
标准值	6.02	5.56	7.70

图5.2 0～2.3m压缩模量等值线图（单位：MPa）

图5.3 2.3～4.3m压缩模量等值线图（单位：MPa）

图5.4 4.3～6.0m压缩模量等值线图（单位：MPa）

结合统计表和压缩模量等值线图：

（1）0～2.3m深度范围内压缩模量2.78～16.95MPa之间，本层压缩模量标准值为6.02MPa，等值线图显示自西向东西压缩模量逐渐增大。

（2）2.3～4.3m深度范围内压缩模量在2.1～17.08MPa之间，本层压缩模量标准值为5.56MPa，除了局部压缩模量较高外，整体较为均匀。

（3）4.3～6.0m深度范围内压缩模量在2.09～15.94MPa之间，本层压缩模量标准值为7.70MPa，除了局部压缩模量较高外，整体较为均匀。

5.2. 压实度测试

本次压实度测试共144个，在地面下10～20cm取样；击实试验取样共36个，由击实试验确定土样的最大干密度；压实度测试土样的干密度与最大干密度的比值即为压实系数。各点击实试验及压实度测试的数据统计见表5.2。整个场地压实系数的等值线图见图5.5。

表5.2 击实试验及压实度测试数据统计表

项目 统计值	最大干密度	压实系数
样本数量	36	144
最大值	1.72	0.98
最小值	1.70	0.89
平均值	1.713	0.94

图5.5 压实系数等值线图

本场地经第一次检测后，部分点压实度偏低，经现场补充碾压处理后再次测试，本场地压实度在0.89～0.98之间，平均压实度为0.94。

5.3 静力触探检测

本次静力触探检测252点，深度6m。根据静探Ps值分为4层，自上而下依次为填土层，厚度1.6～3.2m；吹（冲）填土（淤泥质粉质粘土夹粘质粉土）层，厚度0～1.5m；粉质粘土夹淤泥质粉质粘土层，厚度0～2.3m；砂质粉土层，厚度0～1.2m。各土层Ps值统计见表5.3，本次检测承载力特征值判定见表5.4，与勘察结果的对比见表5.5，各层Ps平均值等值线见图5.6～5.9。

表5.3 各土层Ps值数据统计表（Ps值单位：MPa）

土层 统计值	填土层	吹（冲）填土（淤泥质粉质粘土夹粘质粉土）层	粉质粘土夹淤泥质粉质粘土层	砂质粉 土层
平均值	2.61	0.73	1.91	2.63
最大值	5.60	1.28	6.10	11.57
最小值	1.26	0.37	0.77	0.77
样本数量	254	244	249	251
标准差	0.57	0.12	0.58	0.79
变异系数	0.22	0.17	0.30	0.30
修正系数	0.98	0.98	0.97	0.97
标准值	2.55	0.72	1.85	2.55

表5.4 Ps值确定承载力特征值统计表

土层 项目	填土层	吹（冲）填土（淤泥质粉质粘土夹粘质粉土）层	粉质粘土夹淤泥质粉质粘土层	砂质粉 土层
Ps值的标准值（MPa）	2.55	0.72	1.85	2.55
承载力特征值（kPa）	108	74	79	150

表5.5 与勘察报告Ps值对比统计表

土层 项目	Ps值的标准值（MPa）		提高率
	勘察报告	本次检测
填土层	0.68	2.55	275%
吹（冲）填土（淤泥质粉质粘土夹粘质粉土）层	0.49	0.72	47%
粉质粘土夹淤泥质粉质粘土层	1.4	1.85	32%
砂质粉土层	-	2.55	－

注：砂质粉土层勘察报告为整个地层统计值，本次检测结果仅为本层上部结果，两者没有可比性，故本层Ps值不进行对比。

图5.6 填土层Ps平均值等值线图（单位：MPa）

图5.7 吹（冲）填土层Ps平均值等值线图（单位：MPa）

图5.8 粉质粘土层Ps平均值等值线图（单位：MPa）

图5.9 砂质粉土层Ps平均值等值线图（单位：MPa）

结合静力触探结果统计表和Ps值等值线图，得到以下结论：

（1）填土层静力触探Ps值在1.26～2.60MPa之间，标准值为2.55MPa，地基承载力特征值为108kPa，Ps值等值线显示，Ps值自西向东逐渐增高。

（2）吹（冲）填土（淤泥质粉质粘土夹粘质粉土）层静力触探Ps值在0.37～1.28MPa之间，标准值为0.72MPa，地基承载力特征值为74kPa，本层Ps值较为均匀。

（3）粉质粘土夹淤泥质粉质粘土层静力触探Ps值在0.77～6.10MPa之间，标准值为1.85MPa，地基承载力特征值为79kPa，除了局部Ps值较高外，整体上较为均匀。

（4）砂质粉土层静力触探Ps在0.77～11.57MPa之间，标准值为2.55MPa，地基承载力特征值为150kPa。除局部Ps值较高外，整体较为均匀。

（5）与勘察报告结果对比，粉质粘土夹淤泥质粉质粘土层及以上地层的静探Ps值均有显著提高。根据静探检测结果判定，有效加固深度不小于4m。

5.4 平板载荷试验结果

本次共进行平板载荷试验24个，根据试验结果，试验点均加载至最大试验荷载200kPa，p-s曲线未出现陡降；当加载至最大试验荷载时，承压板沉降速率达到相对稳定标准，24个试验点均未出现地基土破坏。试验数据统计见表5.6。

表5.6 平板载荷试验数据统计表

序号	试验 点号	最大加载量 （kPa）	最终沉降量 （mm）	承载力特征值 （kPa）
1	JZ1	200	46.20	92
2	JZ2	200	40.78	100
3	JZ3	200	37.92	100
4	JZ4	200	36.87	100
5	JZ5	200	35.30	100
6	JZ6	200	33.80	100
7	JZ7	200	43.86	92
8	JZ8	200	38.84	100
9	JZ9	200	37.67	100
10	JZ10	200	36.71	100
11	JZ11	200	34.94	100
12	JZ12	200	33.67	100
13	JZ13	200	43.29	99
14	JZ14	200	38.63	100
15	JZ15	200	37.32	100
16	JZ16	200	36.61	100
17	JZ17	200	34.73	100
18	JZ18	200	32.35	100
19	JZ19	200	42.78	100
20	JZ20	200	38.39	100
21	JZ21	200	36.96	100
22	JZ22	200	36.25	100
23	JZ23	200	34.23	100
24	JZ24	200	31.54	100

根据规范，取沉降量s=0.015b时对应的荷载值为地基承载力特征值，但所取承载力特征值不大于最大试验荷载的1/2。JZ1、JZ7、JZ13三个试验点的承载力特征值分别为92kPa、92kPa、99kPa，其他试验点承载力特征值均为100kPa。

六、结论

本场地经真空降水低能级强夯处理后，采用钻孔取样室内土工试验、静力触探、平板载荷试验和浅层压实度检测，得到以下结论和建议：

（1）本场地地基处理方法选择适宜，加固效果明显。对比勘察报告结果，4m以内Ps值均有显著提高。根据静探结果判定有效加固深度不小于4m。根据平板载荷试验结果，综合其它试验结果综合判定，本场地浅层承载力不小于100kPa。

（2）根据室内土工试验数据的统计分析，各层压缩模量标准值见下表。

深度范围 统计值	不同深度范围Es0.1～0.2（MPa）
	0～2.3m	2.3～4.3m	4.3～6m
标准值	6.02	5.56	7.70

根据压缩模量等值线图，0～2.3m范围内压缩模量自西向东逐渐增大；2.3～6.0m范围内，除了局部压缩模量较高外，整体较为均匀。

（3）本场地经第一次检测后，部分点压实度偏低，经补充碾压处理后再次测试，地基地浅层平均压实度为0.94。土建施工过程中难免对浅层土造成扰动。建议后期地坪施工前再对地基进行一次碾压处理，控制浅层地基压实度不小于地坪设计要求，并对地坪重要部分设置部分沉降监测点并观测到沉降稳定为止。

（4）根据静力触探试验结果，各土层的Ps值标准值及承载力特征值见下表。

土层 项目	填土层	吹（冲）填土（淤泥质粉质粘土夹粘质粉土）层	粉质粘土夹淤泥质粉质粘土层	砂质粉 土层
Ps标准值（MPa）	2.55	0.72	1.85	2.55
承载力特征值（kPa）	108	74	79	150

根据等值线图，填土层Ps值自西向东逐渐增高；吹（冲）填土（淤泥质粉质粘土夹粘质粉土）层Ps值较为均匀；粉质粘土夹淤泥质粉质粘土层和砂质粉土层，除局部Ps值较高外，整体较为均匀。

（5）建议本工程后期做好场地排水工作，减少场地表层长期受雨水浸泡；雨后开挖明沟排水并及时对表层积水进行抽排；场地未干前应避免大型机械设备对场地地基土造成直接反复碾压，防止形成橡皮土。

参考文献

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作者简介：娄青虎（1992.10—），男，助理工程师，主要从事地基处理检测方面工作。

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