分层强夯法在沙漠松散地基处理中的应用

 李庆伟，党昱敬，陈龙华

 （中冶建筑研究总院有限公司，北京  100088）

[摘要]以土库曼斯坦沙漠地区某地基处理工程为例，详细论述采用分层强夯法处理深厚松散砂土地基的设计、施工和过程质量控制方法。地基检测结果表明，各项技术指标完全满足设计要求，取得了良好的经济和社会效益。

[关键词]地基；沙漠地区；分层强夯；检测；质量控制

[中图分类号]  TU472.3+l [文章编号]1002-8498(2016)07-0085-04

 随着国民经济的快速持续发展，我国对石油、天然气等资源的需求越来越大。中亚地区因富含丰富的油气资源受到中国企业的青睐，相应的建设工程在中亚地区日益增多。该地区绝大部分位于沙漠缺水地带，其中土库曼斯坦80%以上的国土均处于沙漠中。沙漠土质松散、强度低、压缩性高、颗粒细且尚未完成自身固结，作为建设用地不做处理无法满足基础设施和工业与民用建筑结构设计要求。因此，在该区域投资开发建设，首要任务就是对松散砂土地基进行加固处理，在经加固处理后使地基承载力、变形及均匀性等都能满足工程建设要求后，方可进行上部结构设计与施工，以确保基础设施和工业与民用建筑工程的正常使用。

 分层强夯法是在传统强夯法的基础上采用分层填土、分层强夯的处理方式，加大了地基处理深度，提高了强夯的处理效果，具有非常广阔的应用前景。本文结合土库曼斯坦南约洛坦气田建设项目地基处理工程实例，阐述分层强夯法在沙漠地区深厚松散地基处理中的成功应用，所总结的分层强夯法设计参数和施工工艺及过程质量控制方法，可为我国西部大开发和涉外类似工程项目提供借鉴。

1工程概况

 土库曼斯坦南约洛坦气田商品气产能建设工程项目位于土库曼斯坦马雷州南约洛坦地区，主要地形为固定垄岗沙地，局部地形为丘状沙地。厂址占地面积808171m2，拟建工程场地位于沙漠腹地，沙丘起伏较大，高差达15~30m。按照厂区整体规划设计要求，场地经平整后达到室外地面设计标高时，需要回填土深度< 5m区域约占厂区面积的35%，回填土深度5~7m区域约占厂区面积的15%，回填土深度7~15m区域约占厂区面积的10%。因此，本工程地基处理包括现有地面下的松散地基和回填土地基处理。

2工程地质条件

2.1地形地貌

 拟建工程位于第四纪平缓的沙漠平原苏尔丹别科斯，海拔280. 000~ 306. 000m，地质构造属海西期后台坪的前科佩特达格坳陷。区域地貌单元为波状沙丘地貌。波状沙丘地貌地形起伏，以固定~半固定型沙丘为主，多呈梁窝状沙丘与滩地相间，局部地带为新月形活动沙丘。沙丘表面植被覆盖率5%~45%，表层多有盐渍土结皮，流动性小。

2.2地层岩性情况

 根据本工程地质勘察报告提供的建设用地地层构成和特点，描述如下：①第四系上更新统~全新统( Q3-4)粉、细砂以风砂沉积为主，矿物成分为石英、长石、云母等，松散~稍密为主，局部含少量黏性土，表层多有盐渍土胶结层。②第四系全新统(Q4)粉、细砂含黏性土  为冲洪积地层，主要分布在穆尔加布河河谷及两岸，矿物成分为石英、长石、云母等，松散~稍密为主，干燥~很湿，分布于穆尔加布河及卡拉库姆河河谷及两岸。③第三系上新统( N2)粉、细砂含黏性土矿物成分为石英、长石、云母等，干燥为主。

2.3地下水情况

 区内地下水主要为沙漠滩地孔隙潜水及河谷冲积层潜水，波状沙丘区地下水位埋藏较深，开挖深度内无地下水分布。

3  分层强夯法地基处理设计参数与施工工艺

3.1  地基处理方案

 工程实践中对于沙漠地区深厚松散砂土地基的密实处理通常采用振冲挤密碎石桩法、水坠法、强夯法进行加固处理。由于本工程建设地点位于卡拉库姆大沙漠腹地，交通运输条件差，且购买建筑材料需要长途跋涉。振冲挤密碎石桩处理方法需要大量的碎石和施工用水，必然造成造价高和工期长的不利局面；水坠法的原理是分层铺设砂土，浸水至其饱和，再用碾压机反复碾压或人工夯实，从而提高砂土密实度，达到工程需要的承载力和变形要求，具有施工工艺简单、就地取材的优点，但因土库曼斯坦地区极度缺水使该方法难以实现。由于建设用地周边无其他居住建筑和工业设施，不需考虑噪声和振动影响，且强夯法也无需任何建筑材料和施工用水，因此本工程地基处理最终选用强夯法。

 如前所述，本工程自然地面现状起伏较大，且绝大部分自然地面现状标高低于厂区规划室外地面标高，最大填方处深度达到15m，同时现有地面下也有1~ 2m厚的松散砂土地基，距现有地面1~2m以下土层为中密细砂层，因此整个厂区回填地基处理深度呈现厚度不一的阶梯状。根据以往将大面积采石坑、鱼塘及烧砖弃土坑等进行回填处理作为建设用地的工程实践经验，对于本工程回填底面不在同一标高的地基处理，采用将回填底面挖成斜坡搭接，按先深后浅的顺序进行分层回填、分层强夯施工。由于采用与现状起伏处相近土质进行分层回填、分层强夯施工，在搭接处易被夯实的同时，也能保障处理后整个地基的密实性和均匀性。

3.2  地基处理设计要求

 根据设计院结构专业提供的竖向和平面设计图纸及说明，对地基处理要求如下。

 1)强夯处理后地基承载力特征值f a k≥180kPa，地基压缩模量Es≥13MPa，强夯有效加固深度要求达到中密细砂层顶面。

 2)当主装置区和单体建筑地基部分为挖方区、部分为深填方区时，为保证地基持力层的均匀性，在采用分层强夯施工填方区最上层强夯时，需对主装置区和单体建筑整个占地区域进行强夯。

3.3强夯设计参数

 由于本工程属于涉外项目，且强夯设备需从国内调配，因此本工程根据勘察报告提供的地质土层构成情况和上部结构对地基加固处理要求，同时参考规范中提供的不同夯击能在加固与本工程地质土层构成相似土质的预估有效加固深度，并结合以往工程实践经验，选用夯击能为2 000～4 000kN．m中小夯击能强夯设备进行分层强夯施工。采用中小夯击能强夯设备既适用于分层强夯施工，又能节省从国内调配设备运输成本，施工安全和质量也易于保证。

 在大面积正式施工前，首先在施工现场采用夯击能为2 000～4 000kN -m的强夯设备对具有代表性的场地进行试夯，以确定强夯设计参数和大面积正式施工工艺参数。为使试夯工艺参数具有针对性和便于大面积正式强夯施工管理，结合建设用地地表起伏相较于结构竖向设计标高要求，经过对自然地面所测标高网格统计分析，将分层强夯区域分为4大处理类型，并分别通过试夯确定出不同回填厚度的分层数量、强夯能级、夯击数、夯击间距等施工工艺参数，如表1所示。表1中处理深度为达到结构竖向设计标高要求时的回填土厚度和现状地面下1~2m厚松散砂土之和，主、插夯点平面如图1所示。

3.4  分层强夯施工过程控制

 相较于场地基本平整的原有沉积土（或一次性大面积回填土）软弱地基的强夯施工，分层强夯施工时要求回填施工与强夯施工必须密切配合。根据实际处理区域相对应于表1的处理类型，按先深后浅的顺序进行分层回填、分层强夯施工，分层强夯施工严格执行表1中强夯设计及施工工艺参数要求。在每一处理类型第1层强夯施工前，做好回填底面搭接斜坡的同时，还应根据现状地面下松散砂土实际深度确定第1次回填土厚度，回填施工严禁出现超标高回填的情况。考虑到强夯加固处理和土的自重固结双重作用，分层回填厚度可自下而上

依次减少。针对本工程4大处理类型区域实施分层强夯施工的工艺参数和过程控制方法进行归总如下。

 1)对于回填土深度≤5.0m的1类处理区域，均采用2 000kN .m夯击能进行1遍点夯和插夯，最后用推土机将场地推平，采用1000kN .m夯击能满夯1遍。

 2)对于回填土深度5.0~7. 0m的Ⅱ类处理区域，均采用4 000kN．m夯击能进行1遍点夯和插夯，最后用推土机将场地推平，采用1 000kN.m夯击能满夯1遍。

 3)对于回填土深度7.0~ 10. 0m的Ⅲ类处理区域，分2次回填2次强夯。第1次回填土至标高300. 000m处，均采用3 000kN .m夯击能进行1遍点夯和插夯；检验合格后再回填土方至设计场平标高304. 000m处，然后均采用3 000kN .m夯击能进行1遍点夯和插夯；最后用推土机将场地推平，再采用

1000kN .m夯击能满夯1遍。

 4)对于回填土深度10.0~15. 0m的Ⅳ类处理区域，分3次回填、3次强夯。第1次回填土至标高295. 000m处，均采用3 000kN.m夯击能进行1遍点夯和插夯；检验合格后第2次回填土方至标高300. 000m处，均采用3 000kN .m夯击能进行1遍点夯和插夯；第3次回填土方至设计场平标高304. 000m后，均采用3 000kN .m夯击能进行1遍点夯和插夯；最后用推土机将场地推平，采用1 000kN .m夯击能满夯1遍。

4  地基处理效果检测分析

 根据《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012规定要求，结合本工程的特点和当地实际条件，强夯加固处理后的地基检测包括平板荷载试验和标准贯人试验两项内容。由于本工程建筑用地地基处理面积大，根据规范规定要求，分别设置130个平板荷载试验点和1 500个标准贯人试验点。平板荷载试验点位于地基持力层标高处，标准贯入试验深度为地基持力层标高至地质报告中原状土的中密细砂层顶面。

 典型荷载试验点的试验数据如表2所示，荷载与沉降关系曲线如图2所示，由图2可知，p-s曲线为缓变形，且无明显突降段，1gt-s曲线也保持线性关系，因此按相对变形值确定强夯地基承载力特征值。由图2可知，s/b=0.01所对应的荷载≥180kPa，因此根据相关规定并结合p-s曲线分布规律，综合分析判断经采用分层强夯法对沙漠地区深厚松散地基进行加固处理后地基承载力满足180kPa的设计要求。

经对所有标准贯入试验点的锤击数统计分析表明，处理深度范围内的砂土地基密实度均在中密以上。图3所示为一典型标准贯人试验点的标准贯入试验锤击数实测值与深度关系。由图3可知，强夯后比强夯前标准贯入试验锤击数均有大幅度提高。强夯后标准贯入击数是强夯前的1.7~2.5倍，各孔的标准贯入试验锤击数实测平均值均在30击以上，分析判断经采用分层强夯法对沙漠地区深厚松散地基进行加固处理后，砂土的密实度达到中密以上。因此，结合工程实践经验中砂性土标准贯人试验锤击数实测值（或密实度状态）与压缩模量的对应关系，并根据上述典型荷载试验p-s曲线通过式（式中相关符号意义解释详见有关参考文献，限于篇幅，本文从略）的理论计算结果，综合分析判断采用分层强夯法对沙漠地区深厚松散地基进行加固处理后地基土压缩模量Es≥13MPa。

 分别对主要受力层深度范围内不同标高处的标准贯入试验锤击数实测值的变异系数进行统计分析，其计算结果均<0.30，表明采用分层强夯法对沙漠地区深厚松散地基加固处理结果均匀性也满足要求。

5  结语

 在中亚地区进行的建设项目，因地制宜地选择分层强夯法加固处理沙漠地区深厚松散砂土地基的成功案例，无疑将对上述地区的软弱地基处理起到借鉴作用。特别是在广袤无垠和缺水的沙漠地区，其无需建筑材料和施工用水、施工设备及工艺简单、施工组织调度快且施工周期短、造价低廉、加固处理效果显著等诸多特点，将会得到更广泛的推广和应用。