黄佩伟
中石化广州工程有限公司，广东广州，510700
摘要：简述强夯法地基处理在设计和施工中的运用、碰到的疑难问题及原因分析和解决办法。
关键词：强夯地基 疑难问题 原因分析 解决办法
1．工程概况
董家口原油商业储备基地工程位于青岛市黄岛区董家口港区，拟建设16台10万方原油储罐，罐区分为4个罐组布置，每个罐组为4座罐，每个罐直径80m。1~4#罐位于西边、北边区域，5~8#罐位于西边、南边区域，9~12#罐位于东边、北边区域，13~16#罐位于东边、南边区域。系统部分主要包括：消防站、新鲜水加压及消防设施、中心化验室、联合控制中心、10kV总变电所、综合楼、油品计量站、应急缓冲设施、雨水监测设施、污水处理场等。由我单位承担设计、采购、施工总承包。
场地地质情况比较复杂，靠西、靠北区域软土层较厚，持力层深度较深，靠东、靠南区域软土层较薄，持力层深度较浅，整个土层分部呈现不均匀变化。
根据设计方案，储罐基础采用强夯处理方法。为了确定强夯参数和施工要点，按设计要求在2016年8月开展试夯。
2. 第一次试夯过程和检测结果
2.1. 设计要求
设计拟定了用2000kN·m和3000kN·m两种能级的方案进行试夯。要求经强夯处理后的地基承载力特征值fak≥250kPa，土层压缩模量Es≥25MPa。
试夯区选在规划道路附近位置，2000kN·m能级位置位于2#罐北侧，3000kN·m能级位置位于2000kN·m能级位置西侧。
3000kN·m能级强夯分两遍进行，每遍夯击次数11击左右（以试夯结果为准），以最后两击的平均夯沉量小于5cm控制。第一遍夯点的间距为6m，呈正方形布置；第二遍夯点在第一遍四个相邻主夯点的中间插点，间距宜为6m，呈正方形布置，试夯区面积为36m*36m。
2000kN·m能级强夯分两遍进行，每遍夯击次数11击左右（以试夯结果为准），以最后两击的平均夯沉量小于5cm控制。第一遍夯点的间距为5m，呈正方形布置；第二遍夯点在第一遍四个相邻主夯点的中间插点，间距宜为5m，呈正方形布置，试夯区面积为30m*30m。
2.2.工程地质概况
检测区域场地地层自上而下为：素填土、杂填土、粉质粘土、中砂、残积砂质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩。
2.3.施工情况
2000kN·m能级满夯后平均下沉量为0.339m，3000kN·m能级试夯后平均下沉量为0.412m。
2.4. 检测结果
试夯结束后，依据设计要求，委托有资质第三方检测单位，采用标准贯入试验、圆锥动力触探试验、静载荷试验、孔隙水压力监测、地下水位监测等方法，对试夯结果进行检测。
静载试验采用2m2承压板，地基土承载力特征值的确定，按以下方法执行：
①当(p～s)曲线上有明显的比例界限时，可取该比例界限所对应的荷载值；
②当极限荷载小于对应比例界限荷载值的2.0倍时，可取极限荷载值的一半；
③当不能按上述二款要求确定时，可取s/b＝0.01所对应的荷载，但其值不应大于最大加载量的一半。
④同一土层参加统计的试验点的数量不应少于3点，当试验实测值的极差不超过平均值的30%时，可取其平均值作为该土层的地基承载力特征值fak。
2000kN·m能级强夯检测结果：承载力特征值为75～201kPa，地基承载力特征值极差/平均值=94.5%＞30%，地基土存在不均匀性，未满足设计要求。
3000kN·m能级强夯检测结果：承载力特征值为158～250kPa，地基承载力特征值极差/平均值=42.1%＞30%，地基土存在不均匀性，未满足设计要求。
3. 对不合格的第一次试夯方案和检测结果分析
第一次试夯结果不合格，参建各方反复进行讨论和排查，寻找解决方法，并邀请专家进行论证。
首先检查施工质量问题。根据施工单位试夯施工记录和监理旁站记录，以及原来施工工程师的现场检查验证，夯锤重量、落锤高度、夯点布置、夯击遍数、收锤夯沉量等措施施工单位确实已按设计方案严格施工，承载力不合格原因不是由于施工质量问题造成的。
监理和专家提出地下存在淤泥的说法，但不确定因素太多，根据地质报告，难以判断清楚。工地面积这么大，如果采用探挖的方法去寻找淤泥，犹如大海捞针，准确率非常低，现实中很难操作。如果委托地勘单位密密麻麻地增加钻孔来寻找淤泥，费用高时间长，也不现实。实际中在试夯区域附件做了一次探挖，也没找到明显的淤泥。
强夯能级是否太低的问题，专家认为，从强夯处理深度来看，两个方案的能级是合适的，能级太高对土层扰动太大反而降低强夯效果。
土层压缩性能的确定，设计根据荷载和使用允许沉降的核算，对压缩模量要求修正为Es≥18MPa。
设计和总包领导怀疑第三方检测单位检测结论是否科学，争论的焦点是静载试验按哪个相对沉降量来确定地基承载力合理。根据检测规范，如果按s/b=0.01对应荷载的一半作为地基承载力特征值，那么两个方案的承载力都是不满足要求的。经过对地基处理规范和石油化工钢储罐基础规范的对比和协调，钢储罐基础的允许沉降要远远大于s/b=0.01所对应的沉降量14.14mm，若按s/b=0.015 对应的21.21mm沉降量的荷载一半作为地基承载力特征值更符合实际，也满足检测规范规定。经过专家讨论，各方代表同意按此检测方法。
专家的另外意见，就是强夯效果跟孔隙水消散的程度有关，建议第一遍与第二遍强夯的时间间隙应不小于3天，对强夯场地的检测应在强夯结束14-28天后进行，若有降雨，应同时满足降雨停止一周后进行,以利于孔隙水消散，使检测结果更接近实际。
按专家和各参建方的统一意见，项目安排了第二次试夯。
4. 第二次试夯和检测结果
试夯区域的选择，2000kN·m能级位置选在4#罐西北侧，3000kN·m能级位置选在04罐底北侧。试夯完成后，依然采用标准贯入试验、圆锥动力触探试验、静载荷试验、孔隙水压力监测、地下水位监测等方法，对试夯结果进行检测。强夯施工和检测时间间隔、检测数据取值按专家和各参建方的统一意见执行。
3000kN·m能级试夯检测结果：地基土存在一定的不均匀性，压缩模量在5~25MPa之间，静载试验各试验点承载力特征值为101～275kPa，地基承载力特征值极差/平均值=82.9%＞30%，离散型较大,地基承载力特征值建议值为101kPa，未满足设计要求。
2000kN·m能级试夯检测结果：地基土存在一定的不均匀性，压缩模量在18~25MPa之间，静载试验各试验点承载力特征值为256～275kPa，平均为268kPa，满足设计要求。
5. 正式强夯设计方案的确定
试夯结果显示，承载力不合格不是由于夯击能级低原因造成，主要是地基土的不均匀性造成。设计根据两次试夯结果和地质报告，确定2000kN·m能级作为强夯施工方案。1~6#罐采用两遍点夯加满夯的方案。7、8#罐不用点夯，仅作满夯。9~16#罐有全罐强夯、半罐强夯半罐不夯和仅作满夯等不同方案。
2000kN.m能级强夯，分两遍进行，每遍夯击次数11击左右，以最后两击的平均夯沉量小于5cm控制。第一遍夯点的间距为4.5m，呈正方形布置；第二遍夯点在第一遍四个相邻夯点的中间插点，间距宜为4.5m，呈正方形布置，点夯过程中当夯坑深度超过800mm、未达到点夯收锤条件之前往夯坑里填石子，填完石子后继续点夯，利用点夯的夯击能量把石子挤到软土里面，直到达到点夯收锤条件为止。所填碎石土中碎石含量不得小于50%，石料粒径不得大于300mm。点夯完成后进行满夯。
满夯采用1000kN.m能级夯击两遍，每遍2击；锤印搭接1/3，满夯完成后整个罐体地基进一步压平压实。
强夯结束后,采用标准贯入试验、圆锥动力触探试验、静载荷试验方法，对强夯结果进行检测。要求经强夯处理后的地基承载力特征值fak≥250kPa，土层压缩模量Es≥18MPa。按相对变形值确定地基承载力特征值时，对应变形值s取0.015b。
6. 正式强夯施工结果和出现的疑难问题
方案确定后进行正式施工，由我负责进度和质量的控制和管理。先施工5#罐和7#罐，再施工其它罐。
6. 1. 5#罐2000kN.m能级强夯施工和7#罐满夯施工及检测结果
7#罐满夯未见明显的下沉量，满夯后土层表面除了粗糙起毛外观感变化较小，满夯过程少数地方见到地表有水被挤出的现象，未见其它异常现象。
5#罐在第一、第二遍点夯过程中，有90%的夯点夯坑深度超过800mm后仍未达到收锤条件，需往夯坑里填碎石继续点夯，直到满足最后两击的平均夯沉量小于5cm的条件后才收锤，总锤击数大于11击，最多达到26击。10%的夯点总锤击数在8`13击, 夯坑深度不超过800mm，不需要填碎石。满夯后整个罐体地基平均下沉量为0.534m。
满夯结束后，进行各项检测。
7#罐完成了4个静载试验，采用2m2载荷板，其中JZ-2#点的承载力特征值为150kPa， JZ-3#、JZ-4#、JZ-5#的地基承载力特征值分别为275 kPa、271 kPa、275 kPa，离散型较大，JZ-2#点的承载力低于平均值30%，按评判规则，整个罐地基承载力不满足要求。
5#罐完成了8个静载试验，采用2m2载荷板，静载荷试验数据如下表，各试验点承载力特征值为243、189、275、237、240、152、197、275kPa，地基承载力特征值极差/平均值=56.2%＞30%，离散型较大，地基承载力不满足设计要求。
对此结果，设计和专家代表感到不可理喻，又怀疑是第三方检测取值方法有问题，把合格的结果误判为不合格结果。
因2m2承压板边长只有1414mm，s/b=0.015的沉降量只有21.21mm，对应极限荷载的一半作为地基承载力特征值是否偏低。于是提议5#罐再增加5个静载试验点，承压板面积改为4m2，边长2000mm，取 s/b=0.015沉降量为30mm对应的极限荷载的一半作为地基承载力特征值，用两种检测方法比较结果是否不同，是否检测方法有问题。检测结果，5个点承载力特征值为207、233、257、175、172kPa，承载力仍然不满足要求，说明不是检测方法有问题。至此，业主发话了，不要再去怀疑检测问题了，检测方法不要再改来改去。后面的检测，都按4m2承压板，s/b=0.015执行。
6. 2. 6#罐强夯施工及检测结果。
6#罐在第一、第二遍点夯过程中，有80%的夯点夯坑深度超过800mm后仍未达到收锤条件，需往夯坑里填碎石继续点夯，直到满足最后两击的平均夯沉量小于5cm的条件后才收锤，总锤击数在11~25击之间。20%的夯点总锤击数在8`13击之间, 夯坑深度不超过800mm，不需要填碎石。满夯后整个罐体地基平均下沉量约0.43m。施工完成后，静载试验按最后确定的4m2承压板，s/b=0.015方法做检测，共7个静载检测点。前五个检测点，承载力特征值分别为252、275、253、211、221kPa，压缩模量 19MPa。完成5个检测点后，天气不停下雨，基坑积水严重，按专家要求不能做静载试验。一直等了两个星期后仍不见雨停。我想，地基处理后建油罐，油罐使用期要长达几十年，这几十年天气不可能干旱不下雨、地下不积水。天气不下雨、地下不积水的情况地基承载力要满足使用要求，天气下雨、地下积水的情况地基承载力也必须满足使用要求。静载试验也一样，静载试验非但要在雨季进行，还必须确保雨季检测出来的承载力满足要求，才能真正保证质量！如果承载力不满足要求，必须继续处理。领导和第三方检测单位觉得有道理。所以剩余两个点，在下雨天气进行。检测结果，基坑泡水、边下雨边检测的第六、第七个检测点，承载力特征值分别为262、275kPa。
6. 3. 1#罐强夯施工及检测结果。
1#罐在第一、第二遍点夯过程中，有70%的夯点夯坑深度超过800mm后仍未达到收锤条件，需往夯坑里填碎石继续点夯，直到满足最后两击的平均夯沉量小于5cm的条件后才收锤，总锤击数在11~23击之间。30%的夯点总锤击数在8`13击之间, 夯坑深度不超过800mm，不需要填碎石。夯击过程中少数夯点有软土被挤出进行清理。满夯后整个罐体地基平均下沉量为0.42m。检测结果7个检测点承载力均达到275kPa，压缩模量 20MPa，满足要求。
6. 4. 2#、4#罐强夯施工及检测结果。
两个罐施工情况非常接近，在施工过程中，只有2%的夯点需填碎石点夯,总锤击数在10~15击之间。98%的夯点总锤击数在7~13击之间, 夯坑深度不超过700mm，不需要填碎石,夯锤下地声音响亮,地面感到明显的回弹振动,各夯点夯沉量比较均匀,满夯后整个罐体地基平均下沉量约0.38m。我从施工迹象判断,这两个地基承载力应该放心了。检测结果，2#罐7个点承载力均达到275kPa，压缩模量 20MPa。4#罐7个点承载力在262~275kPa之间，压缩模量 20MPa。两个罐地基都满足要求。
6. 5. 3#罐强夯施工及检测结果。
3#罐点夯从开始到进行35%的施工过程,这35%的夯点夯坑深度均超过800mm未达到收锤条件，需往夯坑里填碎石继续点夯，总锤击数在15~26击之间。在接下来的点夯施工中,出现了反常情况。夯锤入土沉降量比较大，夯锤下地的时候声音很小，仅有轻微低闷的扑通声，像打在棉花上一样，而夯坑四周却出现土方隆起，越锤击越上升，像个发酵的土馒头，继续打了三排夯点后都是这样。我判断，这种迹象，承载力、压缩模量绝对不行，不能再继续夯下去了，必须处理。于是上报领导后通知施工单位暂停3#罐点夯施工。
3#、5#、7#罐的强夯结果，让设计、监理和专家感到束手无策。
7. 对疑难问题的分析和解决
我把相关的规范都找了一遍，包括国标建筑行业的地基基础设计规范、施工验收规范、地基处理规范、岩土工程勘察规范、地基检测规范、石化行业的钢贮罐基础规范等等，反复地阅读和捉摸。然后又到现场仔细踏勘，把整个工地的现状走了一遍又一遍，各处表土的烂泥、水潭、洼地、草地、平地、土堆、场地高低起伏、外露石头，都认真查看,再仔细翻阅地质报告、设计方案，不断思考。
7.1. 7#罐问题的分析和解决
JZ-2#点的承载力不满足要求，有必要挖开来查明事实，于是安排施工单位对该点进行土方开挖。结果，仅仅挖了0.7m深就挖不动了，下面是坚硬的老土层，上面0.7m厚这层是杂填土。检测不合格的原因，是因为杂填土厚度比较薄，上表面受到夯锤的夯击，下表面受到老土层的顶撑，上下受夹产生扰动，引起杂填土松动造成的。这个地方的罐基础基底标高，已经到达老土层，按天然地基承载力都已经满足要求，0.7m厚的杂填土，基坑土方开挖的时候是要被挖掉的，没必要做强夯处理。所以不强夯没事，强夯以后反而不合格，这个地方，应该改为天然基础。再对照地质报告，整个7#罐上层为杂填土，厚度0.5m~2.6m，下层为残积砂质粘性土或全风化、强风化花岗岩层，承载力高，压缩性低，地质报告的描述与开挖点的开挖情况基本相符，经与领导和设计商量，设计同意把7#罐改为天然基础，原强夯后检测结果归于无效。
继续对照地质报告以及现场踏勘，并参考场地平整、厂区道路、围墙基础土方开挖看到的土质情况，我觉得，从总体上判断，8#罐土质情况与7#罐相近，9~16#罐土质情况不比7#罐差，尤其是12~16#罐，大部分对方可看到坚硬的岩石，可以采用天然基础，没必要做强夯。但不排除土质情况不均匀、地质报告揭露不详、不可预见因素多、局部有软土的情况。我向领导和设计建议，8~16#罐全部改为天然基础。对不可预见的局部软土，如果现在采用探挖的方法去寻找，很难寻找准确，就算地勘单位的人来了也说不清楚。不如等基础正式施工的阶段，在土方开挖和地基验槽的时候进行判断，更加全面准确。到时哪里有软土就哪里局部超挖，厚度较大的超挖用级配砂石分层压实分层回填至基底设计标高，薄的地方直接用垫层混凝土浇筑。领导和设计赞同我的建议。至此，7#~16#罐全部改为天然基础。
实际施工证实，经过土方开挖和地基验槽，7#、8#罐全部到达持力层，不需要进行局部处理。9#~11#罐大部分到达持力层，个别地方有岩石须破除，个别地方局部有软土，挖除后用级配砂石分层压实回填或用垫层混凝土浇筑。12~16#罐全部处在岩石层上需用重型机具对基坑岩石进行破碎。
7.2. 6#罐问题的分析和解决
6#罐7个检测点承载力平均值250kPa，其中5个点承载力大于250kPa，2个点承载力小于250kPa，低于平均值不到30%，按评定规则整个罐的承载力满足要求。但是，这两个检测点的承载力与其它5个点显得有些格格不入。为慎重起见，对这两个点进行开挖，结果挖到地下有一口破烂砖砌水井，井壁周围还有木棍、编织袋、生活垃圾、松散杂填土。把井壁破碎、垃圾清理后，由于深度大，范围小，压实机具下不去，不适合用碎石垫层填充，只好用垫层混凝土浇筑，问题解决。后面基础施工过程基坑土方全面开挖后其它地方未见异常。
7.3. 3#、5#罐问题的分析和解决
这两个罐问题比较复杂比较严重。专家和设计代表到现场把脉后表示，这两个罐地下肯定存在淤泥，必须想办法把淤泥清理出来后再强夯，说完就离开现场。为了验证是否属实，我安排施工单位，在3#罐隆起部位进行开挖。基坑挖了4.8m后就挖不动了，坑底是黑色的岩石层，上面全部是黑褐色或浅蓝色的烂土，站着看确实与淤泥无异。我让司机用挖斗取出土样，放到地面进行分析。我用手捏了一把土团，轻轻一揉就散开，没有粘性，手感软绵绵的像面粉一样，丢掉以后手里没有留下被弄脏的泥浆，只留下闪光的小颗粒，不用水洗用手拍一拍手掌就干净了。再拿土团在眼前近距离一看，这哪里是泥土，全部是粉末状的细砂，没有泥浆，遇水不溶解不液化，放到水里马上沉垫散开，就像海边沙滩上的细砂，只是颜色变深而已。在挖坑不同深度取出的土样都是这样。与淤泥不同，淤泥遇水液化，太阳晒干后固结成块，有硬度有强度。这种砂遇水不液化，太阳晒干后成团，没有硬度没有强度。
这下，我找到原因了。这种砂，材质没粘性没有内磨檫力没有抗剪强度，无论有水没水，都具有流动性。在夯锤的冲击下，由于流动性的原因砂土向四周流动，造成夯坑四周隆起，夯坑下没有垂直下沉没有被压实，不能用于强夯。
我又查了地质报告进行对比，报告显示，3#罐地质情况，地下没有淤泥，上层为中砂，承载力较低，压缩性较高，分布不稳定，多呈条带状分布，厚度变化较大，不宜作为一般拟建（构）筑物的天然地基持力层。下层为中风化花岗岩，承载力较高，压缩性较低，可作为一般拟建（构）筑物的持力层。报告上也曾把上面砂层揭露，可是语言表达不够详细不够精确，把粉末状细砂说成中砂，因此没引起设计人的注意，设计也没预想到这层砂不能用于强夯，只考虑强夯的工艺措施没考虑土质置换的材料措施，致使强夯结果不合格。
解决方法，要么不要用强夯，用换填法进行分层压实。如果还想用强夯的话，必须对材料性能进行处理，提高土质材料的内摩擦力、抗剪强度，抑制它的流动性，办法就是用抗剪强度搞、磨檫系数大的大粒径粗砂、碎石、毛石进行置换，才可以强夯。
5#罐的情况，与3#罐类似又有不同。挖开后，挖坑垂直断面层理分界线明显。相同的是下面是岩石层，岩石层上面是细砂。不同的是，细砂上面多了一层杂填土，厚度约1.3m，含有粘性土、建筑垃圾，正是有这层杂填土盖住，强夯的时候受这层土的缓冲，夯坑周围没有隆起。点夯过程添加的碎石，被挤入1m~1.3的深度，没有进到细砂里面。强夯后，上面杂填土被压实，承载力提高，下面的细砂变形扩散，没有被压实，整体承载力不行，检测不合格。从第三方检测单位的标准贯入试验、圆锥动力触探试验结果，也可以看出这种分布。找地质报告进行对比，报告上描述的土层分布及厚度与现场基本相符，但仍然把细砂层说成中砂层。所以，5#罐可以采用与3#罐相同的处理方法，对细砂层进行处理。
我把分析结果和建议向领导汇报、跟设计沟通后，领导和设计同意采用强夯置换方法解决。把3#罐、5#罐的细砂挖掉，把9~16#罐和南边雨水监控池挖出来的石头、片石及粗砂填到3#、5#罐基坑里面进行置换，换填材料配比粒径大于300mm的颗粒占砂石总量的30~40%，粒径小于300mm的颗粒占砂石总量的70~60% ，然后重新强夯。
两个罐按定下来的方案进行开挖、置换和强夯。开挖过程见到少数地方细砂里有少量的贝壳，实际换填深度2.7~5.8m不均匀，重新强夯后两个罐地基平均下沉量约0.39m。检测结果，两个罐承载力均达到275kPa，压缩模量 20MPa，满足设计要求。
8. 地基处理实施结果和验证
用上面的各种办法，完成了整个罐区的地基处理和基础施工。在2019年底罐体和管道安装完成后进行充水试验、沉降观测，各项指标满足规范和使用要求。直到现在经过两年的正常使用和观察，基础安全可靠，没发生任何质量和安全隐患，证明这些处理办法正确可靠。
结语：地基处理是一门理论性高、实践性强的科学技术，处理方法复杂、不可预见因素多，需要理论联系实际、有丰富的实际经验积累。本工程运用的从实际到理论、又从理论回到实际的解决问题模式，值得同行专业人士的借鉴和推广。它更启发我们：搞设计的人要多到现场了解实际情况，积累实际经验，提高解决实际问题的能力；搞现场管理的人也要多学习规范和理论知识，提高管理水平。
参考文献
1.《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012；
2.《建筑地基基础设计规范》GBJ50007-2011；
3.《岩土工程勘察规范》GB50021-2001（2009年局部修订）；
4.《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2018；
5.《建筑地基检测技术规范》JGJ340-2015；
6.《石油化工钢储罐地基与基础设计规范》SH/T 3068-2007
7.《石油化工钢储罐地基与基础施工及验收规范》SH/T3528-2005
8. 董家口原油商业储备基地工程设计文件及工程联系单
9. 业主提供的地质报告资料
10. 陕西建工强夯施工记录
11. 河北兵北工程质量检测有限公司强夯检测报告
12. 作者本人工作日志