强夯矿渣置换法处理堆料场饱和软土地基

1.工程地质概况

马鞍山钢铁公司 2500m³的高炉原料场位于长江东南岸长江河漫滩阶地上，地层皆为第四纪河流相冲积层，地形平坦，其有明显的二元结构。由上及下，主要地层为∶

（1）粘土层，黄褐色，向下渐变为灰褐色，该层厚度1.0~1.5m 左右，呈湿~饱和，软塑-可塑状态，其上部为耕植层，土中孔隙肉眼可见。

（2）淤泥质粉质粘土层∶灰褐~褐灰色，上部较纯，中下部常夹多层薄层粉土或粉细砂（厚度由数毫米至数厘米），越下夹层越多，为千层饼状结构，呈饱和~流塑状态，该层厚度，Ⅰ夯区约6~7m，Ⅱ夯区约7~8m，Ⅲ夯区约19m左右，在12m左右夹有一层1～5m厚的粉细砂夹层。

（3）粉土层，灰色，砂性强，含大量云母片，呈饱和~流塑状态，厚度为1~2m，主要在Ⅲ夯区。

（4）砂层，灰色，青灰色，上部以粉砂为主，而下渐变为细砂，越下面颗粒越粗。变为中粗砂，到50m左右为侏罗纪砂岩。砂层埋藏深度，在Ⅰ夯区为8.0m左右深度以下，Ⅱ夯区为9.0m左右深度以下，Ⅲ夯区为20.0m左右深度以下。

地层主要物理力学性能指标，见表3-5-4。

2.工程设计要求

堆料场面积约50万m²，设计年堆存处理、运输铁矿石和其他冶炼用原料量约615 万t。共有堆料场8块，每块面积3.8~4.1万m²，其中矿石堆料场地面设计荷载为325kN/m²，混匀料场地面设计荷载为310kN/m²。原料场地面回填整平后要增加地面荷载约26kN/m²所以天然地基显然不能满足使用要求，必须进行地基处理。

3.地基处理方案的选择

本工程曾先后对碎石桩、砂桩和强夯置换法等进行了多方案比较。

碎石桩法。碎石桩造价十分昂贵，且在加固软弱地基时、由于桩身主要依靠自身瓶骨粒材料的内摩擦角和周围软弱土体对桩身的约束作用维持平衡，但土体对桩身的约束作用一般均很小，而碎石桩的主要受力区集中在桩顶附近 4倍左右的桩径范围内，桩受荷后，在桩顶附近即会发生鼓胀面产生较大沉降。大量工程实践表明，碎石桩承载力的提高幅度一般在 20%～60%，且加固后沉降仍然得不到有效地控制。鉴于本工程承载力要求提高的幅度远远大于通常碎石柱加固范围，因此。认为碎石柱很难适应本工程的加固要求。砂桩法。砂桩堆载，国内有成功的先例。但淤泥质土排水固结时间要求较长，同时，造价较高，加固后仍可能有较大的下沉，

强夯置换法。强夯置换法具有施工机具简单、工效快、造价低廉的优点，且强夯置换还能充分利用钢铁废渣，置换淤泥，提高地基承载力，改善环境。采用强夯置换并辅以可靠的排水措施加固饱和软土也有取得良好加固效果的报道，因此决定开辟场地进行进一步的论证试验，以获取可靠的强夯施工数据。

4.强夯置换的施工

试验分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域进行，Ⅱ区设塑料排水板以消散强夯引起的孔隙水压力。

（1）单击能

本工程采用16t 重的圆柱形夯锤，以17.5m的落距，2800kN·m的单击能进行强夯置换。

（2）强夯工艺强夯按如下工序进行∶

进场—整平场地、铲草皮——挖排水沟、按装降水井管、插塑料排水板-—按装、调试监测装置——垫层、整平、监测——单点夯、配以监测—第一遍夯，配以蓝测、填料整平——停歇——第二遍夯、配以监测、填料整平—停歇——第三遍夯（包括点夯和加点夯）、配以监测、填料整平——停歇——满夯（平夯）、配以监测——清场。

（3）最佳夯击能或最佳夯击数

粘性土由于孔隙水压力消散慢，当夯击能逐渐增大时，孔隙水压力亦相应叠加，但当孔隙水压上升到与上覆土压力相近时，土体将产生液化，此时，孔隙水压的增量将趋近于零，继续增加夯击次数将无助于土体的压密。临近于 △u为零的击数即为最佳夯击数，其累计的夯击能即为最佳夯击能，图3-5-6所示，当击数为7~9击后，超孔隙水压力的增量将逐渐趋于零，因此可将7~9击定为单点夯击数。

从Ⅲ区的有效夯实系数 β的关系曲线可见（图3-5-7），当击数超过7击时，有效夯实系数渐趋于一常数，也即土体的压缩变化基本上结束，继续夯击，较多的夯击能将主要作用于土体的重塑或膨胀变形上。

（4）有效加固深度

由Ⅱ区埋设的压力盒测得的挤压应力值可知，不同深度处所受的挤压应力值在一定范围内，随夯击能的增大而增大，超过一定夯击数后，挤压应力随夯击能的增加反而减小，见图3-5-8，这表明，软粘土中强夯夯击次数的无限增加无助于土体挤密程度的有效提高。图3-5-8还表明在地层较深处（如9m）挤压应力已很小，随夯击次数的增加也很有限，强夯加固效果已较小。

（5）强夯置换效果

经强夯置换后，矿渣在地表面5m左右的范围内形成了一个坚实的厚垫层，同时，由于强夯的作用，使下地层受到挤密，孔隙减小，含水量降低，土体的各项性能指标有不同程度的改善。