0 引言

软土地基由于其高含水量、高压缩性以及低抗剪强度等特点，易发生土体液化现象^[1]。若其基本强度没有达到施工要求，地基变形失稳的情况在所难免，因此，对软土地基进行加固处理是确保工程安全施工的重要条件。强夯法是地基加固处理的一种常见方法，通过较大的冲击力与压力对地基作用，降低了土的压缩性，提高了土体强度。大量工程实践及理论研究表明，强夯法主要适用的地基类型有碎石土、砂土、低饱和度粉土和黏性土等^[2]。周华海等^[3]以沿海地区某工程为例，采用了强夯法后，土体的物理力学性质得到显著改善，并对基础沉降实现了有效控制;蒋红^[4]通过对粉质低液限黏土采取强夯法，有效减少了土体的压缩性、降低了土体湿陷性。近年来，强夯法在软土地基加固中的应用逐渐受到重视^[5]，但是软土地基中容易出现橡皮土，究其原因，橡皮土的产生是由于强夯时动力使孔隙水压力瞬时升高而无法及时消散导致的^[6];同时，土体的自身强度还因为强夯所产生的冲击荷载被破坏而软化^[7]，进而未能达到加固目的。

为了研究强夯法在软土地基中的适用性，本文以青岛滨海软弱地基为试验场区，为强夯法在加固软弱地基时的工艺及相关参数提供参考。

青岛胶州湾地区广泛分布着滨海软土层，主要构成为淤泥、淤泥质黏土及淤泥质粉砂等。此外，该软土层还含生物贝壳，状态为流塑～软塑，地层颜色以黑灰色和灰色为主^[8]。一般情况下，地层的厚度可达到2～10m，且其厚度从岸边往水深处呈增大趋势，最厚处位于前湾煤码头附近，可达13m。从全新世海侵以来，就逐渐形成了该海湾相沉积地层，通过室内土工试验测得了其相应物理力学指标，如表1所示。

该软弱土层的宏观结构特征为层状和薄层状;微观结构特征为絮状和粒状，主要特点是疏松、强度低、工程性状差。粒度成分主要是粉粒和黏粒，物质成分主要含有蒙脱石和伊利石等黏土矿物，以及云母矿物、长英质矿物、有机质和水溶盐^[9]。且该软弱土层孔隙比较大、含水量较高、状态不稳定、含有机质 (5%～10%) ，具有中高压缩性、透水性极低、抗剪强度低等特征。

青岛高新区道路工程软基处理工程位于胶州湾北部滨海区域，针对软土层不同的埋深及厚度选取了不同的处理方法，包括强夯置换、低能量强夯、高真空击密、高能量强夯、分层碾压等。为了分析单点夯的最佳夯击次数以及夯击能的影响深度和范围，得到最佳强夯施工参数，分别对低能量强夯和强夯置换进行了现场试验，并在夯击过程中对超静孔隙水压力的变化情况展开连续性的监测和分析。

本试验场区位于高新区规划10号线，该场区原先为海滨浅滩地貌，后对其进行了人工改造，变为盐田，此后又对该场区进行了回填。设计要求处理后承载力>130kPa，处理深度2～4.5m。处理深度范围内表层 (1～2m) 为堆填的安山岩风化碎屑或建筑垃圾及素填土，其下层的淤泥质土厚度为1.5～2.5m，该层上覆在粉质黏土或基岩之上。

本次试夯采用2遍点夯和1遍普夯。第1遍点夯夯点之间的间距为3m，主夯点采用正方形插当的方式进行布置，单击夯击能为1 000kN·m;第2遍点夯的锤印搭接间距为30cm，单击夯击能为1 300kN·m，单点次夯为4～5次;第3遍普夯的单击夯击能为1 000kN·m。在试夯区内主要进行的测试有2项，分别是3组孔隙水压力测试以及1组地下水位测试。同时，试验记录了整个强夯过程的工况及参数，包括夯锤质量、锤底面积、夯击遍数、夯点位置、每击下沉量、每个夯点的夯击次数、每遍夯击的下沉量、总下沉量和每遍夯击的间隔时间等^[10]。监测点的布置如图1所示。

观测结果表明，在第4～5击时夯沉量为60～80cm，即试验达到停锤标准，夯击试验已经对土体结构造成了严重的破坏。因此，进行第1遍点夯时，单点夯击次数最好不要超过5～6击。进行第2遍时，单击夯沉量和累计夯沉量总体上比第1遍小，这表明土体的强度随着第1遍点夯完成而得到较大提高，并在此基础上逐级加能，以保证地基加固效果。

通过计算和分析土体的沉降量、隆起量可以判断:夯击时，有效击实系数呈现减小的趋势，第1击的击实系数要接近1，随后逐渐减小，第5击时击实系数降为不足0.7，在相当部分夯击能耗的作用下，土体将会被挤向旁边。因此单纯增加夯击数并不能最大限度提高夯击效果，本场区的最佳夯击数以不超过5为宜。

1) 随着点夯的进行，超孔压持续上升，第1击之后孔压迅速上升且幅度很大，之后每击的超孔压上升幅度逐渐减小，最后趋于平稳，第3, 4击之间超孔压的变化在1.5kPa内，这说明土体对强夯能量的吸收已经接近饱和状态，因此第1遍最佳夯击次数应控制在4击为宜 (见图2) 。

2) 当第1遍点夯进行到第4击后，超孔压接近40kPa水平，到达停锤标准。因此，这也进一步反映出，最佳夯击次数应保持在4击左右。

3) 第2遍点夯的超孔压变化幅度不及第1遍点夯的超孔压变化，如图3所示，说明第1遍点夯加固的效果显著。同时，在停锤标准上第2遍点夯时参考超孔压的变化<40kPa。因此，第2遍点夯应该选择在4～5击左右。

1) 超孔压在夯击过程中首先以很快速度增大并达到峰值，强夯暂停后，其表层孔压随着超孔压的回落快速消散，AK1处表层孔压在第1遍夯击后4d消散近75%，BK1处表层孔压3d消散近35%，BK2处表层孔压4d消散最快，达90%。

2) 当强夯暂停第5天时，超孔压的消散量超过了70%，可以判断2遍强夯的间歇期为5d。超孔压消散较快的主要原因是强夯时土体内产生众多微裂隙，使得孔压通过这些裂隙迅速排出，从而使超孔压能够较快地消散。

3) 从AK1, BK1和BK2点浅层的孔压记录来看，在第1遍点夯开始时，孔压迅速累积，当晚间暂停施工时，孔压又迅速消散，这一过程持续至第1遍点夯结束。第2遍点夯的初始孔压会在原有基础上出现急速的累积，施工暂停时，其孔压消散速度会小于第1遍。

4) BK1和BK2点在4m深度处孔压在点夯开始时迅速升高，但在暂停施工期间消散缓慢。在晚间暂停施工期间，孔压出现陡降，随着时间的增加，消散速度逐渐降低，直至第2遍点夯开始，孔压又迅速升高 (见图4, 5) 。孔压会在强夯暂停时迅速消散，其消散速度没有第1遍点夯快。

5) 普夯对超孔压的影响非常显著，各孔压观测点数据均显示在普夯期间孔压迅速增大，甚至在BK2点4m处，其孔压会超过前期的最大值，再逐渐地消散。

6) 以孔压的消散速度作为依据，2遍点夯之间的间隔时间可以初步定为5～7d，将第2遍点夯与普夯之间的间歇时间定为7～9d。

1) 在强夯进行第1遍时，土体浅层较深层超孔压会更迅速地上升，同时，在深度2.8m的位置处，其超孔压峰值比4m深处的大。在第2遍强夯时，浅层超孔压的上升变得平缓了，而深层超孔压上升幅度增大了。这一现象的原因是第1遍强夯的能量多来自对浅层土体进行加固，并以此形成浅层外的硬壳层。第2遍强夯时，其能量会因为浅层存在硬壳层而更有效地传递到深层土体里，同时，浅层土体结构也不会因此遭到过度破坏，较传统强夯法，这是低能量强夯的优势所在^[11]。

2) 在深度4m的位置，超静孔压的峰值为10～20kPa左右，这说明4m是试验中强夯能级可影响到范围的最低值。

图7为超静孔隙水压力峰值随夯点中心距离的变化规律。由图7可见，随着距离的增加，超静孔压的峰值会逐渐减小，这符合了跟强夯能量与距离之间的增减关系。在距夯点中心3.3m的位置，深度为4m时，超静孔压峰值达到了10～20kPa，可以认为，在水平方向上试验所采用的强夯能级能影响到的范围是4m左右。

经现场荷载试验，场区地基承载力处理前为50～100kPa，通过低能量强夯进行加固后达到了146kPa，满足了设计要求。

试验场区为高新区规划中7号线，人工改造其海滨浅滩原地貌类型，成为盐田，之后进行了回填，从而形成了地面标高为+4.000m的软弱场地。设计要求处理后承载力>130kPa，处理深度3.4～5.5m，土体表层 (1～2m) 为推填安山岩风化碎屑和碎石，位于其下层的是厚2～3m的回填淤泥质黏土，或者是原状淤泥质土，下伏地层为粉质黏土，或者是基岩。

强夯采用以梅花形为布局的2遍点夯以及1遍普夯，在点夯时，第1遍夯点之间的间距是6m×6m，夯击能量是2 000kN·m，单点次夯是17～18次;第2遍夯点之间的间距跟第1遍相同，夯击能量是1600kN·m，单点次夯是15～16次;在普夯时，单击夯击能量为1 000kN·m。本次监测布置如图8所示。

强夯置换填料选用碎石、块石以及建筑垃圾等坚硬颗粒材料，且级配良好，其中30mm以上大粒径的颗粒含量占全重的30%以下^[12]。

测量结果显示，在第13～16击时，累计夯沉量达到总沉降量的90%以上。在第2击时，周围土体的隆起明显，第4击时会增至最大，说明在前4击作用下深层土体出现较大区域破坏，并开始向周围挤出。此后土体隆起增量呈逐渐减小的趋势，这是由于上部土体对下部淤泥质土的封闭作用，限制了下部土体变形的进一步发展。在距离夯坑中心8m处，地面隆起量接近于0。

1) 在夯坑周围，夯击次数的增加会引起其地面隆起量的相应增大，而地面隆起量会随着距夯坑中心距离的增大出现相应地减小，其最大值会出现在夯坑边0～1m范围内，而其大小也多在25cm以下。此外，距夯坑中心5m外地面隆起量基本可以忽略不计。

2) 在开始阶段，随着夯击次数的增加，有效夯实系数呈现出增大趋势，第5击时，将会达到最大值。此后，夯击次数增加，有效夯实系数则会减少，第17击左右，其最小值将会出现，并在二者之间来回波动，但总体有效夯实系数会呈下降趋势。这是由于夯击进行的时候，随着夯击次数的增加，底部淤泥质土的结构性遭到破坏，并被填料从侧向挤出土体，夯击能大量被消耗于淤泥质土的挤出，而非土体的压密。当夯坑深度>1.8m时，需回填垫层材料后重新强夯，在回填后第1击击实系数要大于随后的结果，这是因为填料较为松散所致。

根据试夯区每个夯坑的累计夯沉量与夯锤直径可以计算得出每个夯点的填料量。第1, 2遍强夯时的各夯点填料量对比如图9所示。

第1遍点夯时每个夯点填料的平均值为38.9m³，最小值为18.5m³，最大值为57.4m³，总填料量为1 983.4m³。第2遍点夯时，每个夯点的填料均值是24.8m³，最低可达到15.7m³，最大值为33.8m³，总填料量为1 414.6m³。第2遍点夯填料量较第1遍减少29%，且各点所需填料量的标准差也较小，表明场地土经过第1遍强夯置换处理后，其工程性质得到很大提高，因此在达到停锤标准时所需填料量较第1遍明显减少。

1) 第1遍点夯时，超孔隙水压力以很快的速度增加到峰值水平，强夯结束后其表层孔压随着超孔压的回落快速消散，K1, K2处表层孔压经过4d便可消散50%左右，考虑到期间经历长达近24h的降雨过程，表层孔压的消散速度应更快。下层孔压消散较慢，4d时间消散不足30%，这是由于下部淤泥质土渗透系数较小，勘察资料显示为5×10^-9m/s，孔隙水排出的过程费时较长。

2) 第2遍点夯时，孔压再次快速升高，停止强夯后，孔压又开始消散，9d后K1表层孔压消散近50%，下层孔压消散近35%。K2点3个点的孔压消散接近40%。就消散速度而言，明显没有第1遍点夯时快。这是由于强夯对土体结构造成了一定程度上的破坏，其排水通道闭塞不畅，因而孔隙水的排出耗时较第1遍多。

3) 普夯对孔压的影响不可忽视，普夯使得各点处孔压明显升高，普夯停止后K1点的孔压消散较快，而K2处的孔压则在高位振荡，消散较慢。

4) 根据实测数据分析，并考虑到工期和施工成本等因素，2遍点夯之间的间隔时间宜为7～9d。

经现场荷载试验，场区地基承载力因为强夯置换加固由处理前的50～100kPa提高到162kPa，达到了设计要求。

随着青岛市在环胶州湾一带的工程建设逐渐增多，对于这种大面积的滨海软弱地基的加固处理也日益增多，本文通过现场强夯试验对两种强夯方法的适用性进行了对比分析，得出以下结论。

1) 在强夯试验中，超孔压的观测尤为关键。强夯法加固软黏土的原理即通过动力作用使黏土固结排水而达到提高承载力的过程，因此，排水固结是关键因素，而超孔压的观测能够很好地反映土体排水效果。为确定强夯的影响范围、夯点间距、间歇时间和夯击次数等，需要将孔隙水压力探头布设在距夯点不同的距离、不同的深度。

2) 强夯法作为处理青岛滨海大面积软弱地基的方法是可行的，可根据软土层厚度的不同选择不同的工法，以达到最佳的处理效果。低能量强夯法适用于淤泥层厚度<3m的地层，其施工原则为先轻后重、少击多遍、逐渐加能、轻重适度;当淤泥层厚度>3m时，则宜采用强夯置换法，其施工原则为先重夯、后轻夯、一夯到位。