郑建伟

(中钢集团工程设计研究院有限公司石家庄设计院，河北石家庄 050021)

0 引言

近几年来，参加了许多坐落在沿江及沿海等大面积软弱土地基上的冶金工业厂房结构设计，这些工程的地质条件比较复杂，其地表除一层杂填土或耕植土外，下部均有较厚的软土地层，深浅不一。坚实的持力层，比如砂层、砾石层、岩层、风化岩层埋藏较深。原料堆场要求地基承载力较高，一般天然地基很难满足承载力要求，必须对较软弱土层进行地基处理，才能有效地作为上部结构的地基持力层。地基加固处理的方法有很多种，大能级强夯置换法相比砂石桩置换法、真空降水+强夯挤密法、CFG桩法等，具有很多优势，该方法因地制宜，就地取材，经济合理，综合造价低，地基处理效果明显，现结合具体工程详述如下。

1 工程概况

拟建某钢铁公司位于长江流域，原料堆场部分要求地基承载力特征值不小于250 kPa，根据岩土工程勘察报告，原料堆场区域的持力层地基承载力特征值为80 kPa～120 kPa左右，场地必须进行地基处理，才能满足上部结构的受力要求，并且处理后地基不能发生大面积滑动失稳，并适当控制沉降量，原料堆场的处理面积约为22万m2。

2 工程地质

根据标准贯入、静力触探原位测试及土工试验成果综合分析，拟建场地土地层其土体结构与特征自上而下描述如下:

第①层杂填土:杂～灰黄色，稍湿，呈松散～中密状态。含少量砖块、碎石及粘性土。层厚0.40 m～1.90 m，松散状态，土质不均匀，无建筑意义。

第②层粉质粘土:灰、灰黄色，湿，可塑状态。层厚0.50 m～3.60 m，土层压缩模量为4.77 MPa，属高压缩性土，承载力特征值为100 kPa，可作为一般建筑物天然地基持力层。

第③层粉土:黄、黄灰色，湿，中密状态。层厚0.60 m ～4.60 m。土层压缩模量为5.25 MPa，属高压缩性土，承载力特征值为120 kPa。

第④层粉砂:灰色，很湿，松散状态。层厚2.90 m～16.90 m，承载力特征值为120 kPa。

第⑤层粉砂:灰色，很湿，稍密状态。最大揭露层厚12.70 m，最低揭露层底标高－19.50 m，承载力特征值为150 kPa。

第⑥层淤泥质粉质粘土:灰色，很湿～饱和，流～软塑状态。最大揭露层厚19.10 m，最低揭露层底标高－30.83 m。承载力特征值为80 kPa。压缩模量为3.43 MPa。属高压缩性土，承载能力低。

第⑦层粉质粘土:灰、灰黄色，稍湿，硬塑状态。最大揭露层厚4.70 m，最低揭露层底标高 －33.66 m，承载力特征值为160 kPa。压缩模量为5.15 MPa。属低压缩性土，具有较高承载能力。

第⑧层含圆砾中砂:青灰～浅黄色，饱和，中密～密实状态。最大揭露层厚9.40 m，最低揭露层底标高－42.17 m，具有较高承载能力，承载力特征值为220 kPa，压缩模量为8.66 MPa。

拟建场地地下水为孔隙潜水。地下水位受大气降水、周边地表水和长江及青山河水位影响，勘察期间稳定水位埋藏深度在－2.0 m 左右。

3 地基处理方案

3.1 方案比较

原料矿石堆场属散料堆场，散料堆场由它自身的生产工艺决定堆场荷载为大面积堆载，在地基中产生的附加应力传递深度大、收敛慢，在软土地基中建设该类堆场，不仅地基沉降大，而且地基的深层滑动稳定性差，一般均需作深层的地基加固处理，以满足堆场的使用要求。

地基加固方案一般有强夯置换法、砂石桩置换法、真空降水+强夯挤密法、CFG桩法等。

砂石桩置换法由于采用沉管成桩等施工工艺，其加固深度可满足深层加固的要求，该法不仅有置换作用提高地基极限承载力，而且还有排水固结效应，可使桩间土强度提高，从而显著提高地基加固效果，但是，该加固方法综合造价较高，施工速度较慢。

真空降水+强夯挤密法是利用强夯的冲击能量对土层进行挤密，对于加固地下水位高、渗透系数大于10－5以上的粉土层或砂层有很好的效果。根据本工程提供的钻孔资料可以看出，本区域第②层粉质粘土的渗透系数为2.5×10－7，采用真空降水+强夯挤密法施工，不适合本工程使用。

CFG桩法虽然加固深度也较大，加固效果也较显著，但由于其加固机理主要是采用桩体作用，无排水固结效应，不能使桩间土强度增长，在大面积、大荷载堆场地基加固中往往要采用很高的置换率，且其采用的加固材料单价较高，因此综合造价很高，方案没有明显的优越性。

强夯置换块石墩系利用专用设备，反复将重锤提升到一定高度，并使其自由落下地基，以强大的冲击和振动能量将块石或碎石等粗料夯入软弱地基中，直至到达下部良好的持力层，使土体颗粒重新排列，达到更加密实的结构，从而提高地基的强度，降低其压缩性，改善地基承载性能，在被加固地层中形成强夯置换墩复合地基结构，以提高软土地基的承载力。

强夯置换块石墩地基处理方法，在冶金工业厂房软土地基处理中被广泛使用，具备处理效果明显，施工方便，使用范围广泛，经济易行，就地取材，综合造价较低等优点。

3.2 大能级强夯置换块石墩加固方案设计

本工程大能级强夯置换块石墩，是利用特重锤巨大的夯击能量，将满铺于地面的钢渣、石料或建筑垃圾以点夯的方式夯入土中。在夯击过程中夯坑中多次填入钢渣或石料，重复夯击和填钢渣或石料，直至钢渣或石料穿过软土层抵达下部持力层，形成密实的钢渣或石料墩，它可以起到置换和排水井的作用，加速土体的固结，形成置换钢渣或石料墩与固结后软粘土的复合地基。同时在钢渣或石料墩顶部设置了一定厚度的经过强夯夯实的钢渣、石料、建筑垃圾等垫层，可以使上部结构巨大的荷载经过基础能更均匀的通过钢渣或石料墩传递到持力层上。从而由垫层、钢渣或石料墩、桩土复合地基和下部持力层组成一座空间的框架复合传力系统，以承受上部的荷载。

1)钢渣或石料墩直径:桩径为1.6 m，截面积为2 m2，桩长为4 m～5 m。由于本工程场地地质条件复杂，基底淤泥厚度不均。

2)钢渣或石料墩间距:墩点按正三角形布置，间距为5 m。

3)复合地基的承载力:根据现场载荷板和现场取土进行室内实验，确定块石墩单桩和桩间土的承载力标准值。其计算公式为:

其中，m=d2/d2e。

等边三角形布置:de=1.05s。

正方形布置:de=1.13s。

矩形布置:de=1.13√s1·s2。

其中，fsp，k为复合地基承载力标准值;fp，k为桩体单位截面积承载力标准值;fs，k为桩间土的承载力标准值;m为面积置换率;d为桩的直径;de为等效影响圆的直径;s，s1，s2分别为桩的间距、纵向间距和横向间距。

4)复合地基的压缩模量:按下式计算:

其中，Esp为复合土层的压缩模量;Es为桩间土的压缩模量;m为面积置换率;n为桩土应力比，对粘性土可取2～4，对粉土可取1.5～3，原土强度低时取大值，反之取小值。

5)设计参数见表1。

表1 强夯施工参数表

6)施工设备:强夯块石墩采用起重量为50 t的履带式吊机作为夯击机械，其最大起吊高度为25 m;强夯置换夯锤采用直径为1.2 m，高度为2.27 m，锤重20 t～25 t的铸钢锤，最大单击夯击能为 600 t·m。

7)单桩停夯标准:a.单桩累计夯沉量大于设计桩长的1.5倍;b.单桩累计回填料大于设计桩长乘以设计桩径的1.3倍;c.按设计的夯击能打满要求的击数，最后两击的夯沉量小于10 cm。

8)表面块石垫层采用直径为2.4 m的夯锤，以150 t·m的夯击能量普夯一遍。

4 结语

冶金工程中的原料矿石堆场为大面积堆载，要求地基承载力较高，采用大能级强夯置换块石墩地基处理方法，充分利用冶金工程生产构成中产生的废料，粗料可以采用冶炼过程中的残留的钢渣，以及破碎中的一些碎石料等，具有就地取材，方便实用，简单易行，处理效果明显等优点，在参加设计的几个沿海地区工程中被广泛使用，取得了很好的经济效益。

［1］ GB 50009-2012，建筑结构荷载规范［S］.

［2］ JGJ 79-2012，建筑地基处理技术规范［S］.

［3］ GB 50202-2002，建筑地基基础工程施工质量验收规范［S］.