软土地基填料管夯加固法施工技术研究

软土地基填料管夯加固法施工技术研究

杨建栋

杨建栋

中铁六局集团路桥建设有限公司湖南省长沙市410007

摘要：填料管夯加固法是一种快速加固软土地基的新技术，它是建立在夯管振动（强夯激振）、真空降水和软土置换的三种成熟可靠的施工工艺基础上，把三种工艺的优点集成于夯管。通过夯管的振动，破坏软土的原状结构，打通或扩大地下水的渗透通道及途径，利用夯管内真空抽取软土地层的土体结合水及自由水，从而快速降低软土的含水率及孔隙比，同时在夯管内回填密实材料（砂或级配砂石）作为软土地层的增强体，提高软土地基承载力，增加抗变形能力，达到软土加固所需的各项技术指标。

关键词：软土地基；填料管夯；夯击加密；真空降水；软土置换

1引言

在目前的软土路基夯实处理方法中，强夯法由于其适用性广、效果好、造价低、工期短等特点，成为了我国地基处理的一项重要技术。但其有效加固深度受夯击能、地基土的性质、不同土层的厚度和埋藏顺序、地下水位等的影响，制约了强夯法的有效加固深度。我们对软土地基采用强夯法工艺进行深层加固的机理进行了研究和开发，通过大量的施工案例及应用实践，将强夯法归纳为“以点带面”的加固机理，由此理清了强夯夯击能对有效加固深度的衰减事实。确定了研发攻关方向，即利用强夯“以点带面”的特点改变为“以纵带面”的填料管夯加固法，将强夯工艺由面层夯实改变为由纵向深层夯起，由深到浅的加固，达到深层加固的效果，为软土地基强夯创造了一个全新的方法，改变了加固深度对强夯夯击能的依赖，摆脱了高能量强夯所需的大吨位起重机；而且通过填料管夯的方法可对不同层厚、不同土质进行有效的加固处理。

2工程案例概述

2.1工程概况

由中铁六局承建的玉磨铁路站前I标研和车站货场远期配套IIa类变更设计（DK2+120～DK3+300段）。本工程在研和车站小里程侧。该工程作用于研和车站年内开通的配套用地，均为高填方路堤，填土高度10～16m。该段路堤下有较厚的淤泥质粉质粘土层，工程性质差，承载能力较低，上部使用荷载作用下将会产生较大的沉降和差异沉降；场地内土层的含水量较高，且降雨量大。

2.2地质条件

根据地质资料显示，场地所分布的地层主要为①-1层素填土、①-2层填砂、②层淤泥质土、③层粉质粘土、③-A层中粗砂、④层残积粘性土、⑤层全风化花岗岩、⑥层强风化花岗岩。

2.3技术指标

根据设计文件要求，采用“填料管夯加固法”进行软土地基处理，技术指标确定如下：

（1）有效加固深度③-A或④层中软土；

（2）填料管夯：地基土承载力特征值（fak）≥200KPa；

3填料管夯工法原理

填料管夯加固法是一种快速加固软土地基的新技术，它是建立在强夯密实、真空降水和软土置换的成熟可靠的施工工艺基础上，通过三种工艺集成于夯管，有效解决淤泥质土的固结困难。该工法在大面积施工时辅以外围设置密封墙、内层布置井点降水或管井降水网格方法，根据土质条件及设计要求，综合采用夯击对土体深层的加密作用，利用真空降水达到周边土体降低含水量及对夯后土体孔隙水压力的快速消散，对不同层厚的不同土质采取不同的夯击方式，达到软土加固所需的各项技术指标。特别是通过在夯管内灌入现场较好的土料或砂石料，对淤泥层的置换，解决了淤泥质土的固结的难题。夯管结构如下（如图一）：

图一：夯管结构图

（1）夯管采用钢管制作，在夯管从上到下分别设置：

①吊钩：起重设备或桩架通过吊钩与振动锤连接连接，用于管夯的施工；

②振动锤：振动锤采用中孔激振锤，与夯管连接（中孔通过另一吊钩连接脱钩装置）

③脱钩装置：为控制夯锤收、放装置，通过该装置达到夯锤的提升或下落。

④注料口：在夯管壁开孔，可灌注满足进入现场的砂石料。

⑤真空吸水管：设置在夯管外壁，采用32的钢管焊接在夯管外壁，通过该管连接软胶管并与真空泵连接、抽取夯管周围地下水及夯后孔隙压力水。

⑥管夯锤：为铸钢制造，夯锤下部设置定位，以避免夯击过程中产生偏位，造成提锤困难；夯锤体设置通气孔2～4个，其作用是减缓土体对夯锤的吸附力。

⑦夯管采用直径为800的钢管，考虑运输方便，为6m一节，根据加固深度多节组合。

⑧在真空吸水管⑤的下部，设置有吸水过滤装置（即在直径32的钢管底部钻2～3个小孔，钻孔后用100目的尼龙滤网包裹2～3层，管底封堵后外置管径为50钢管作为外套，在外套上钻2～3个孔，作为吸水孔，使周边地下水或夯后孔隙水进入真空吸水管内。

⑨夯尖：采用砼或其他材料制作，其作用是为减小夯管打入土体减小阻力，该夯尖设计为头部直径小于夯管直径，下部大于夯管，并大于管壁设置的外套，以保护外套。夯尖为一次性使用，随夯管置入所需深度，管夯后留置于土体内。

4填料管夯加固法施工工艺

4.1工艺流程

根据施工区域的土质情况，管夯加固法工艺流程为：场地测量→施打密封墙→布置降水网格→管夯加固→孔隙压力消散90%→平整场地→交付检测。

4.2施工工艺

（1）施打外围密封墙

为提高降水激振加固法的施工质量，确保需加固区域不受外围水的影响，在需加固区域边线外3～5m处增设外围密封墙。外围密封墙通深层搅拌的方法，桩径50cm，桩与桩搭接20cm，桩入土深度根据需加固深度确定，对渗透系数较大的土层，需多搅多喷。搅拌材料可就地取材，一般用淤泥或粘土，其中黄粘土为最佳，掺入量为15%～20%。密封墙施工与施打管井可同步进行，在密封墙完成后，即可进行管井降水施工。

（2）布置降水网格

为提高降水激振加固法的施工效率和施工质量，需加固区域可布置一定的管井或真空井点降水网格（以管井降水为例），通过管井降水达到降低地下水位，为管夯施工快速抽水创造条件。

降水管井采用PVC波纹滤管，管径为25cm～60cm，在PVC波纹滤管，管壁设置滤孔，滤孔自上而下按0.2～0.5m间距等分布置，滤孔设置完成后在管壁外包裹80目的尼龙滤网2～3层（或用土工布代）。管井布置可根据地质条件及土的渗透系数确定，一般为15m×15m，管井入土深根据需加固深度确定。

管井降水利用水力释重原理，能快速的降低地下水位，而且降深可达管井入土深度的2/3。作为大面积软地基处理其应用十分广泛，效果十分明显。

（3）布置管夯网格

在施工外围密封、管井降水的同时，根据土质条件设置管夯点，当地下水位下降至6～8m后，即可进行管夯加固：夯点布置网格根据地质条件及夯管直径确定，对渗透系数较好的土质，按边长为4m的等边三角形布置夯点网络；对渗透系数较小的土质，按边长为2m的等边三角形布置夯点网络。

（4）管夯施工

①夯管入土：管夯套入预埋的夯尖、夯锤吊在夯管底部、距夯尖靴约20cm位置（注意不能顶在夯尖靴上，否则易产生夯尖与夯管脱开，造成周边土体进入夯管内。开启振动锤，将夯管打入所需深度，深度位置根据地质条件确定（以15m为例），一般夯尖置在持力层位置（如图2）

②提夯锤灌砂：夯管打入所需深度后，停振。连接真空泵进行真空抽水，管夯夯锤上提至注料口以上，通过灌料口灌入现场砂石料或较好的土料（如下卧层土质较好，则省掉这一步骤）（如图3）

③提夯管：灌料采用逐级灌料法，即经计算出2～3m掺入量，一般按20%～30%的比例，在夯管入灌入所需砂石料后，夯锤放下顶在砂石料上，然后上提夯管，如上提困难，则开遍振动锤振激几秒后停振，上提夯管2～3m，随着夯管上提，夯尖留入土体内，夯管内砂石料下落（如图4）

图二：夯管入土图三：提夯锤灌砂图四：提夯管

在上述过程中：当夯管打入所需深度后，即连接真空泵抽水，保持真空降水正常。

④夯击施工

底部轻夯：夯管上提2～3m后，提起夯锤约0.5～1.0m，采用不脱钩方法（行内称“盖印法”）轻夯2～3击，其主要作用是将底部夯实，并将灌入的砂石料与流塑状软土成混合土（如图五）。

第一级夯击：轻夯2～3击，在底部夯实后，提起夯锤约2.0m，此时，夯管周边土体涌入夯管底部与夯尖这一脱空部分，脱钩器自动脱钩，夯锤下落，将该涌入的泥土进行挤压击密，再通过自动脱钩器挂上夯锤后提起夯锤约2.0m；在夯锤提升时，夯管周边土体经第一击夯后，又涌入夯管底部与夯尖这一脱空部分，再进行脱钩夯击，一般第一级提升幅度2～3m范围，夯击数在10击左右，夯沉量满足10cm的条件下，再提升夯管2～3m，进行第二级夯实。在实际施工时，如发现无法满足10cm夯沉量的控制标准，则可再通过注料口灌入现场砂石土料，通过多击过程中的置换满足控制要求（如图六）。

最后一级夯击：经多级提升、多级夯击后，并在夯击过程中采用现场砂石土料置换，达到每级提升控制标准的条件下；软土在夯击作用下，对夯管周边土体形成挤压密实的桩柱体，其地基土的承载力特征值（fak）及其他物理力学指标随之大幅改变。土体内形成大于夯管管径3～4倍的桩柱。（如图七）

图五图六图七

⑤在上述过程中：当夯管打入所需深度后，即连接真空泵抽水，保持真空降水正常。当夯管在振动锤的作用下打入到所需深度的过程中，通过开泵抽抽真空汲取下卧层所需深度的地下水，同时由于在振动锤的作用下，该深度土体内的结合水在振动挤压作用下被真空负压泵吸取到吸水滤孔内，并排出土体。留振一定时间后，夯管逐渐上拔，在振动上拔的过程中，应根据地勘报告揭示的地质条件通过试验确定上拔速度。不同土质、不同层厚的施工方法如下：

如淤泥质土体施工，将夯管对准夯点，然后开启振动锤，将夯管打入所需深度。当夯管在振动锤的作用下打入到所需深度过程中，开泵抽取下卧层一定深度的地下水，上提管夯锤至注料口以上，同时在注砂管料斗内加入砂、石料。由于在振动锤的作用下，该深度土体内的结合水在振动作用下被工作的抽水泵吸取到吸水滤孔内，并排出土体。留振一定时间后，可逐渐边振动边拔出夯管，砂石料随夯管逐渐上拔而注入土体内，并在振动作用下与软弱土体混合并振密。夯管最大提升为2～3m，关闭振动锤，停止提升，管夯锤下放至2～3m，提升内置夯锤，进行点夯，夯击数根据土质条件确定，最后一击夯沉量控制在10cm范围；实际施工时应根据地勘报告揭示的地质条件结合试验确定上拔速度，遇淤泥土层时，应拔起速度慢一点。

如粘性土层施工，当夯管在振动作用下遇粘土层产生“空洞”现象时，则将管夯锤上提至注料口上部，在注砂管料斗内加入砂、石料，（由于管底下部顶在土体面）。砂石料随激振管内逐渐上拔而填充“空洞”，随夯管的提升，并在振动作用下与软弱土体混合并振密，上提2～3m，将管夯锤慢慢放下，根据夯击能的设计要求，进行夯击，其夯击数可根据土体情况确定，最后一击夯沉量控制在5cm～10cm。在振动上拔的过程中，应根据地勘报告揭示的地质条件结合试验确定上拔速度，应留振时间长一点，拔起速度慢一点。

（5）完成所布置的管夯点施工后，土体由于经振动扰动后产生孔隙压力，等孔隙压力消散至90%以上时，即可平整场地，对设计要求较高的场地，还可辅以浅层强夯、冲击碾压、振动碾压等动力加固方法，对上部土体进行加固处理。管井回填采用人工回填，回填完成后利用管夯机振动捣实，然后进行碾压平整。现场具备检测条件后，报第三方进行浅层平板载荷试验、填料区管夯桩静力触探试验、管夯桩间土十字板抗剪强度试验、室内土工试验。

5相关工艺参数确定

5.1有效加固深度的确定

根据地质条件及地质勘察报告，通过夯管置入所需深度即能达到。基本不用计算，直接就可确定。

5.2夯击能的确定

现行强夯夯击能的确定采用夯锤重（t）×高度（m），在管夯设计过和中，该夯击能计算式在管夯工艺中已与有效加固深度无关，只是与夯击能有关，在一定的夯击能条件下，其最后一击夯沉量表示了经管夯后土体的压实度，控制最后一击夯沉量，就可控制地基土的承载力特征值。

5.3最佳夯击能的确定

由于管夯工艺中的夯击能与土体强度有关，因此，最佳夯击能在管夯中则可根据设计所需的加固强度结合最后一击夯沉量来确定，在满足设计所需的土体强度的条件下，在管夯锤一定的条件下，通过调整管夯锤的落距来确定最佳夯击能，当满足最后一击达到5cm～10cm即就得到最佳夯击能。

5.4管夯遍数确定

由于在夯击过程中采取了边夯击边真空抽水的工艺，使得夯后土体孔隙压力在释放的同时被真空负压抽取出土体外，采取正三边布置管夯点，为降低夯后对土体的扰动创造条件；在实际施工时，可根据地质条件，对“高含水率、高孔隙比、高灵敏度、低强度”则可按二遍管夯布置管夯点，第一遍管夯点采取正方形布置，第二遍管夯点布置在第一遍中间，当第一遍管夯后土体孔隙水压力消散至90%以上时，进行第二遍管夯施工。

5.5夯点布置和夯点间距

管夯点的间距根据夯管的直径和所要求加固的地基性质而定，夯管直径大于60cm以上时，管夯点可以适当增大间距，反之则减小管夯点间距；当土质差、软土层厚时，应适当增大夯点间距，当软土层较薄时而又有砂类土夹层或土夹层填土等，可适当减小夯距；在管夯工艺中，相邻夯点的加固效应将在浅层叠加而形成硬壳层，利用这一特点，夯点布置设计为三边形一遍夯或四边形两遍夯，夯距设计为2～4m。

6结语

填料管夯加固法是一种快速加固软土地基的新技术，它集强夯密实、真空降水和软土置换三种工艺于一体，与现行的强夯、真空预压等工艺相比，其有效加固深度、夯击能的确定、最佳夯击能、夯击遍数都能轻而易举的达到所需的加固指标，施工质量、效率均大大提高，可广泛的应用于软土地基排水加固施工当中。

参考文献

[1]《新建铁路玉溪至磨憨线YMZQ-1标研和车站远期配套用地施工设计图》

[2]《客货共线铁路路基工程施工技术规程》（Q/CR9651-2017）