堆载预压弹性变形怎样计算公式_按变形控制进行强夯加固地基设计思想的探讨…

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来源：《高能级强夯技术发展研究与工程应用(2006～2015)》

1 概述

在进行地基处理设计时应当考虑的两点: ①在长期荷载作用下，地基变形导致造成上部结构的破坏或影响上部结构的正常使用；②在最不利荷载作用下，地基不出现失稳的现象。前者为变形控制设计的原则，后者为强度控制的原则。对浅层地基处理工程来说，承载力控制可能是主要的；对深层地基处理工程来说，变形控制可能是主要的。在利用变形控制思想进行地基处理设计时，首先应计算分析地基变形是否满足建筑物的使用要求，在变形满足要求的前提下，再验算地基的强度是否满足上部建筑物的荷载要求。

以强夯法为例，强夯设计的基本方法是以勘察资料为依据，结合场地所需要的承载力、变形量允许值，提出处理方案，根据设计方案进行典型区域试验并进行检测。若测得的承载力和变形符合要求，则可进行大面积强夯处理，若有差距，调整参数或选用新的方案。

多年的工程实践证明，强夯能级从 1000 ～30000 kN·m 表层的承载力基本都满足要求，不同能级的差别主要表现在深层加固效果，就是有效加固深度上，反映出来的就是变形效果是否满足设计要求。因此，变形控制是地基处理的主要产品，与能级、工艺关系较为密切，应按变形控制进行强夯法地基处理设计。

2 强夯能级对地基加固参数的影响

2.1不同能级强夯对浅层地基承载力的影响

强夯法是将重锤起吊到一定高度，而后自由下落，其动能在土体中转化成很大的冲击力和高应力，从而提高地基承载力。某试验场地主要由新近人工填土(粉砂)层、第四系海陆交互相沉积层构成。填料厚度一般0.5～1.3m，最大处达 3.1m。对场地分区进行试夯试验，试夯1 区共夯 4 遍，第 1、2 遍点夯能量为 4000kN·m，点夯间距 5m，第 3、4 遍为 1000 kN·m 满夯，每夯点 2 击，锤印彼此搭接。试夯 2 区共夯 5 遍，第 1、2 遍点夯能量为 6000kN·m，点夯间距 6m，第 3 遍点夯能量为 3000kN·m，点夯间距6m，第 4、5 遍分别采用2000、1000kN·m 能级满夯，每夯点 2 击，锤印彼此搭接。夯后对试验区进行浅层平板载荷试验，载荷板面积为 2㎡，所得P – S 曲线见图 1(Z1、Z 2、Z 3 位于试夯 1 区，Z 4、Z5、Z 6 位于试夯 2 区)，夯前、夯后瑞利波波速曲线见图 2(H Q 为夯前，HH 为夯后，1、2 点位于试夯 1 区，3、4 点位于试夯 2 区)。

图 1夯后 P – S 曲线

图 2夯前、夯后瑞利波波速曲线

由图 1 可知，P – S 曲线未见明显比例界限，按规范取 s / b =0.01(即沉降 14mm)所对应的压力为各试验点的地基承载力特征值^[3]，夯后各区平均承载力特征值。

试夯 1 区：f _ak=367kPa

试夯 2 区：f _ak=383kPa

由图 2，看出根据波速减小的拐点，试夯 1 区有效加固深度约为 5m，试夯2区有效加固深度约为 7.7 m。试夯 1 区与 2 区强夯能级相差 33%，有效加固深度相差35%，但处理后浅层地基的承载力仅相差 4.2%。

某试验场地为开山碎石形成，最大填土厚度为 11～14m，对该场地分别进行夯击能 3000、6000kN·m 的试夯试验，试验区面积20m× 20m，夯后对试验区进行浅层平板载荷试验，载荷板尺寸为1.5m× 1.5m，所得 P – S 曲线见图 3。

(a)3 0 0 0 k N·m 区

(b)6 0 0 0 k N·m区

图 3 夯后 P – S 曲线

由图 3 可知，P – S 曲线为直线(缓降型)，将不同能级试验区平板载荷试验结果取平均值，得到夯后地基承载力特征值：

      3000kN·m 区：f_ak=240kPa

6000kN·m 区：f _ak=245kPa

两个试验区强夯能级相差 50%，但夯后浅层地基承载力仅相差 2%，即强夯能级的高低对浅层地基承载力影响较小，这是由于重锤冲击土体产生很大的冲击波，其中压缩波(P 波)有助于增加土粒间的正应力，提高压缩量，而土体的最大压缩量由最大干密度控制，较低能级强夯已可以使浅层土体达到最密实状态，压缩模量达最大值。此外，重锤冲击土体产生的高应力大范围扩散，不同能级、不同夯点处产生的应力在一定深度范围内相互叠加，使加固后浅层土体的均匀性较好。由此得出，能级的差异反映在深层的加固效果，即有效加固深度范围内的变形效果，而不是浅层承载力的差异。因此，变形控制是地基处理的主要产品，而地基承载力是地基处理的附属产品。

此外，进行浅层平板载荷试验仅能反映 2～3 倍板宽深度范围内承载力的大小，不能反映深层的加固效果，如进行深层载荷试验，上部土体相当于超载作用于承压板两侧、承压板下土体难以发生整体剪切破坏，不能得到准确的深层地基承载力特征值。因此，不能以处理后所需达到的地基承载力为控制目标进行强夯设计，应以变形控制进行强夯法地基处理设计。

2.2 不同强夯能级对有效加固深度的影响

有效加固深度指从最初起夯面(夯前地面整平标高)算起，不完全满足工程安全需要的地基上，经强夯法加固后，以某种方法测试的土的强度、变形等指标，达到工程设计要求达到的深度。

强夯设计中需要进行多遍夯击，一般每遍的夯点、夯击能量各不同，其中第一遍的夯击能量最高，称为主夯。根据规范中强夯能级与有效加固深度的关系由图4 可知，强夯能级越高，夯锤对地面的冲击力越大，土体中产生的冲击应力扩散范围越大，有效加固深度就越大。

图 4不同强夯能级与有效加固深度关系曲线

有效加固深度范围内土体的密实度增加，强度提高，压缩性降低，是反映地基处理效果的重要参数，同时对夯击能量的确定、夯点布设、加固均匀性等参数起决定作用。有效加固深度不仅与强夯能级、土质有关，还与施工工艺、锤底面积、锤形等诸多因素有关，因此强夯设计时主要依据经验判断不同强夯能级的有效加固深度。

2.3 强夯有效加固深度对变形的影响

有效加固范围内的土体强度提高、压缩性降低，组成强夯的加固区，由于不同夯点采用的强夯能级不同，有效加固深度就会不同，这些加固区相当于竖向刚度不同的加固体，导致强夯处理后沿深度方向地基刚度分布不均匀、荷载作用后基础基底压力分布不均匀，造成两者变形不协调，增大了差异沉降，因此宜选择在柱基、转角等上部荷载较大的部位设置夯点，使强夯处理后地基的刚度分布与基础基底压力分布相吻合，达到夯后地基的后期沉降变形从整体上与基础沉降协调一致，减小差异沉降，使基础和上部结构内部不产生较大的次生内力，同时使夯后土体本身承载能力尽量得到发挥。

   夯后地基加固区的存在使附加应力的高应力区向下伸展，附加应力影响深度增大。当有效加固深度处还存在较厚软弱土层时，软弱下卧层土体的沉降量占夯后地基总沉降比例很大，此时减小夯后地基变形最有效方法是减小软弱下卧层土体的变形量，而减小软弱下卧层土体的变形量最有效的是增大有效加固深度，减小软卧下卧层的厚度，由于有效加固深度与强夯能级直接相关，最终实现由变形的控制进行强夯能级的选择及其他设计参数的确定。

3 基于变形控制的强夯加固地基设计方法

由于强夯能级与浅层地基承载力无直接关系，即较低的强夯能级能够满足地基承载力的设计要求，但加固深度较小，对深厚填土地基容易造成过大工后沉降，故在强夯地基处理中仅按承载力设计难以满足变形要求。有的项目强夯能级很高，表层土被震松或主夯坑过深没有进行原点加固夯、满夯没有做好，反倒容易导致浅层承载力很低，因此，从这个角度讲，承载力是强夯地基的附产品，它的主产品应该是有效加固深度控制变形量。

按变形控制进行强夯地基处理设计，一是预估强夯加固有效深度，计算加固区范围外的变形量，验算变形是否满足要求，根据变形确定最终的有效加固深度，再由有效加固深度与单击夯击能的关系合理选择强夯能级及其他设计参数。二是由于场地经强夯后，形成的加固区沿深度可看作变刚度分布，为使强夯处理后地基的刚度分布与基础基底压力分布相吻合，减小差异沉降，夯点的布置应尽量与上部结构的刚度分布一致，达到两者的变形协调，充分发挥夯后土体自身的承载潜力。三是重视原点加固夯和满夯对浅层地基的加固效果，确保浅层地基承载力满足要求。

4 变形控制强夯设计法的工程应用

4.1 青岛海西湾开山填海工程

(1)工程概况

拟建修船场区内原始地层及海域主要为淤泥及淤泥质土，场区分两期回填，其中Ⅰ期回填场区的 2/3，Ⅱ 期为新近回填，占场区的1/3。区内地层较为简单，上部为开山碎石填土层，厚度为 2.0～13.0m。

厂区由于基岩埋深较深，回填层较厚，局部有残留软土层，且开山土石料形成的陆域，灌注桩成桩难度大，工期长，造价高，设计对陆域深填区采用平锤高能级强夯、局部有残留软土区采用异型锤强夯置换。

(2)深填区高能级强夯

深填区土石填料层较厚，固结时间短，为达到较好的密实效果，减少工后沉降，采用平锤高能级强夯处理。

由于处理后场区要满足修船厂柱基、室内外地坪、道路等对变形大小的不同要求，设计时根据土层特性和需要加固的深度要求确定不同的强夯能级和施工工艺，其中对柱基下和重型设备基础下应布置有超高能级夯点。

强夯处理后，对残留淤泥厚度 δ ≥ 3m 的局部区域进行高压旋喷等方法固结处理，减小强夯加固区沿深度方向的刚度差异，避免出现过大的工后差异沉降。

(3)异型锤强夯置换

在陆域回填区，对露天钢材堆场的桥吊柱基，采用异型锤强夯，增加置换深度，减小差异沉降。东围堰内区局部软土层较厚、含水量高，夯前采用插设竖向排水板与堆载预压联合处理，围堰外区没有经过堆载预压，为避免夯后两部分区域土体刚度差异过大，造成柱基较大差异沉降，对东围堰内区用4500kN·m 能级强夯置换，外区用 5500kN·m 能级强夯置换。

(4)强夯地基变形计算

经检测强夯处理后地基承载力满足要求，在这种情况下，对于变形量的控制设计就成了确定强夯方案是否适用和进行强夯设计的关键。

本项目淤泥质土较厚的 D 区采用 8000kN·m 能级强夯进行处理，因此对淤泥质土的固结沉降计算分析可选用不同淤泥厚度的勘探点进行计算，各轴线柱基计算沉降量与项目建成后沉降观测 5 年稳定后的实测值见图 5。

图 5实测沉降量和计算沉降量的对比曲线

根据修船区车间强夯地基检测报告和现有的沉降观测成果表明，产生差异沉降主要是由于填土下存在软弱淤泥质粉质粘土固结沉降引起的。根据近5 年的实测沉降结果可以看出，在全部 252 个柱基中，仅有 4 个柱基的沉降量超过了规范要求，整个监测结果与强夯前的预测分析完全一致。该处柱基已经采取了一定的结构预防措施，以此说明了“以变形控制进行地基处理设计”思路的准确性。

4.2 中化格力二期 5.5 万 m³石油储罐地基处理

(1)工程概况

中化格力二期项目位于珠海市高栏港经济开发区，场地原始地貌单元属海岸沉积地貌，该场地于2004 年采用 10000kN·m 能级强夯处理整平，经自重固结6 年后，拟提前投入使用，经检测，场地地基承载力满足要求，但计算沉降变形过大，需以变形控制进行地基处理设计。

对强夯后的场地进行钻探取样，结果显示，拟建场地主要由新近人工填土层、第四系海陆交互相沉积层和燕山期花岗岩构成。

根据夯后二维面波测试，场地层状结构明显，呈上硬下软的状态，下层仍存在较厚的淤泥质土层，T1304 罐东西方向软土层的分布差异较大，西侧软土分布厚度大，整体不均匀性大；T1303罐土层均匀性在 5～10m。

(2)方案选用

夯后 T-1303、T- 1304 罐地基承载力满足设计要求，但不均匀沉降不能满足规范[9]要求，故以变形控制进行地基处理设计。

为充分利用强夯地基承载力，同时减小储罐地基的不均匀沉降变形，本次T- 1303、T- 1304 罐地基处理采用疏桩劲网复合地基。疏桩劲网复合地基充分发挥地基及疏桩基础承载力，主要目的为控制基础的沉降变形[8]。结合本工程特点，桩设置为带桩帽的减沉疏桩、网设置为加筋复合垫层，见图 6。

图 6疏桩劲网复合地基构造图

考虑到油罐地基在周边环墙处受力比内部大，为使地基的刚度分布与基础基底压力分布相吻合，减小不均匀变形，疏桩采用环形布桩方式；为协调疏桩与强夯地基的受力，本方案采用直径为5.0m 的大尺寸桩帽；为协调疏桩与强夯地基的变形，采用厚度为 1m 的碎石垫层，其内设4 层三向土工格栅。

(3)环墙基础沉降变形监测

充水预压阶段，在环墙基础周边布置了 32 个沉降变形监测点，环墙基础沉降变形曲线见图 7。由图 7 看出，在油罐充水预压前期，环墙基础各点沉降较均匀，随着充水高度的增加，个别点沉降量较大，当充水量为 18m 时，各点沉降总体趋于均匀，说明了疏桩劲网复合地基已开始发挥其调节地基不均匀沉降的能力。T- 1304 罐环墙基础部分差异沉降较大，但均满足规范平面倾斜与非平面倾斜要求。

      (a)T- 1 3 0 3 罐

     (b)T – 1 3 0 4 罐

图 7环墙基础沉降变形曲线

5 变形与地基承载力控制的辩证关系

对有竖向增强体的复合地基的变形控制可采用变刚度分布的设计思想，以有效减小压缩量。变刚度设计可采用两种措施，一种是桩长沿深度变化，即由部分长桩和部分短桩结合组成长短桩复合地基；另一种是采用刚度及长度均不相同的两种或以上形式的复合地基，如CFG 桩复合地基与砂桩复合地基的组合作用等。

地基承载力和变形是地基处理的两个方面，但这两方面是密切联系并不是孤立的。对整个场地来说，浅层平板载荷试验测得的地基承载力犹如面上一个个点，虽然点的地基承载力满足要求，但每个点下的加固深度不尽相同，不同加固深度的点沿深度方向形成刚度不同的加固体，荷载作用后，会产生差异沉降。

如何控制差异沉降就是变形控制的设计思想，如对深厚回填土地基进行强夯置换处理后，地基表层各点承载力满足要求，但夯后地基在置换墩附近形成加固体刚度大，荷载作用后导致在整个面上差异沉降大，通过合理选择能级、布置夯点，能实现变形控制的效果；某大型油罐项目，场地局部存在较厚的软弱土，平面分布上存在软硬地层并存的情况，油罐位于半填半挖地基、土岩组合地基上，为减小工后差异沉降，采用“碎石垫层 + 强夯置换”方法处理，将油罐区域的基岩通过爆破开挖1m，再回填碎石至设计标高，经强夯置换处理后地基在整个面上的刚度均匀，不但地基承载力满足要求，而且有效控制了差异变形。

因此变形控制是地基处理的“主要产品”，是较难满足的“高级产品”，在地基处理工程中应重点关注。相较之下，地基承载力是地基处理的“附属产品”，是较易满足的“入门产品”。

6 结语

(1)按变形控制进行强夯地基处理设计，一是根据变形要求确定强夯加固有效深度，再由有效加固深度合理选择强夯能级及其他设计参数；二是使夯后地基的刚度分布与基底压力分布相吻合，夯点的布置尽量与上部结构的刚度分布一致，使两者变形协调，减小差异沉降；三是重视原点加固夯和满夯对浅层地基的加固效果，确保浅层地基承载力满足要求。

(2)按变形控制思想，对有下卧软弱土层、深度较大的碎石回填土层地基，可采用高能级强夯预处理和疏桩劲网复合地基，能充分发挥疏桩基础和强夯地基的承载性能，协调两者变形，达到变形控制目的。

(3)总之，其它地基处理方法中形成的复合地基，是否也应按变形控制思想来进行设计也是值得思考的。