強(qiáng)夯法加固公路地基的設(shè)計(jì)方法研究

李圣彬　盧　偉

[摘要]強(qiáng)夯法能提高地基土的強(qiáng)度、降低其壓縮性,目前已在工業(yè)民用建筑、公路及鐵路路基等地基加固工程中得到成功運(yùn)用。但至今尚無一套非常成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法供施工者應(yīng)用,結(jié)合工作實(shí)踐,探討和分析強(qiáng)夯法的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

[關(guān)鍵詞]強(qiáng)夯法 公路及鐵路路基 設(shè)計(jì)參數(shù)

中圖分類號(hào):TU4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0810082-01

一、引言

強(qiáng)夯法雖然已在工程中得到廣泛的應(yīng)用,但至今尚無一套非常成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。目前通常是針對(duì)工程實(shí)際情況根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步選定設(shè)計(jì)參數(shù),再通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的驗(yàn)證和必要的修改后,最終確定出適合于現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)條件的設(shè)計(jì)參數(shù)。強(qiáng)夯法的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括:有效加固深度、夯擊能、兩遍夯擊間隔時(shí)間等。

二、有效加固深度的主要影響因素

土體的加固影響深度是任何一種地基處理方法都要重點(diǎn)考慮的問題之一。在強(qiáng)夯法中,加固深度是上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

(一)夯擊能與加固深度。對(duì)于待加固的地基土體,所受應(yīng)力除本身自重應(yīng)力以外,唯一依靠的外應(yīng)力便是夯錘的打擊力,特定地基土體加固深度便直接由夯錘引起的外應(yīng)力來決定。表述強(qiáng)夯夯擊外應(yīng)力的方式多種多樣,如能量(Wh)、動(dòng)壓力(P/A)等。勢(shì)能(Wh)不僅與加固深度表現(xiàn)出良好的相關(guān)性,而且由于量測(cè)計(jì)算以及表達(dá)方式簡(jiǎn)單,更易在工程上直接運(yùn)用。

(二)夯錘底面積與加固深度。從大量工程實(shí)踐出發(fā),認(rèn)為強(qiáng)夯夯錘底面積大小的選擇,一是與起重機(jī)本身的能力有關(guān),底面積過大,受設(shè)備撥桿起吊角度限制;二是與待加固地基土體類型有關(guān)。一般說來,對(duì)于砂質(zhì)土和碎石填土等粗粒土采用小底面積2～4m2夯錘,對(duì)于粘性土采用3～4m2的夯錘,對(duì)于淤泥質(zhì)土采用4～6m2的大底面積夯錘。究其原因,認(rèn)為對(duì)于淤泥質(zhì)土,若采用小面積夯錘會(huì)發(fā)生入土過深從而吸錘,造成起錘困難。而在粗粒土中則影響不大。

夯錘底面積的大小直接決定著夯錘著地時(shí)的動(dòng)壓力或稱沖擊壓力,進(jìn)而決定著強(qiáng)夯的加固深度。當(dāng)單擊夯擊能相同時(shí),錘底面積大,則錘底動(dòng)應(yīng)力小,夯坑淺,因分布面積大,衰減慢,錘底影響深度大。當(dāng)錘底面積小時(shí),錘底動(dòng)應(yīng)力大,夯坑深,因分布面積小,衰減快,錘底影響深度小。

(三)土體特征與加固深度。土體是固、液、氣三相體,而液、氣兩相存在于固體顆粒之間的孔隙之中,加固土體的目的便是盡可能地縮小孔隙,排出液、氣兩相,使得固體顆粒更加靠近,甚至直接接觸,其結(jié)果是土體的密實(shí)度增加,強(qiáng)度提高,壓縮性降低。而表述土體密實(shí)程度最為直接的指標(biāo)是孔隙比(度)或土體的容重。

與孔隙比(度)相比,土體的容重不僅反映了土體中固體顆粒排列的松緊程度,更能反映固體顆粒的礦物組成,特別是干容重愈大的土體,說明顆粒排列緊密,孔隙度低。容重的提高亦是土體強(qiáng)度提高的直接標(biāo)志之一。干容重大,容許承載力高的土體對(duì)夯擊外應(yīng)力的阻力也大,使夯擊力效率降低,進(jìn)而減小加固深度。因此,加固深度應(yīng)與土體的干容重成反比。如果說,土體容重反映了加固土體的組成和結(jié)構(gòu)特征對(duì)強(qiáng)夯施工加固深度產(chǎn)生影響的話,土體的水分狀況又是強(qiáng)夯施工中要考慮的重要因素。士體過于干燥,即使很密實(shí),固體顆粒本身由于水分的缺乏,而處于單粒分散狀態(tài),夯擊時(shí),甚至由于振動(dòng)而松動(dòng),強(qiáng)夯施工過后,地表層相對(duì)松散,密實(shí)程度不高便是由振動(dòng)引起的。另一方面,適當(dāng)?shù)暮繒?huì)使固體中的膠粒成分激活,使分散的顆粒可以膠結(jié)在一起,同時(shí),適當(dāng)?shù)乃趾窟€可使顆粒之間進(jìn)行聯(lián)接,從而提高土體的強(qiáng)度。

三、夯擊能量的確定

單擊夯能為夯錘重W與落距h的乘積。錘重和落距越大,加固效果越大。整個(gè)加固場(chǎng)地的總夯擊能量(即錘重×落距×總夯擊數(shù))除以加固面積稱為單位夯擊能。強(qiáng)夯的單位夯擊能應(yīng)根據(jù)地基土類別、結(jié)構(gòu)類型、荷載大小和要求處理的深度綜合考慮,并可通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

(一)總單位面積夯擊能。一般粗粒土可取1000～3000kJ/m2,細(xì)粒土可取1500～4000kJ/m2,含水量高的軟弱粘性土,加固深度大,單擊能量大及承載力要求高時(shí)取大值。強(qiáng)夯加固地基土似乎有一個(gè)加固強(qiáng)度或密實(shí)度的極限值,Leonards認(rèn)為其值相當(dāng)于靜力觸探比貫入阻力Ps=15MPa,或標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N63.5=3040。達(dá)到這一極限再增多夯擊能只能使場(chǎng)地隆起,而無加固效果。這一極限對(duì)細(xì)粒土可定為加固至土體含強(qiáng)結(jié)合水時(shí)土飽和的含水量及其相應(yīng)的密實(shí)度,因?yàn)榇藭r(shí)孔隙水已不能排除,無法再加密;在黃土中,其值約為干密度1.8g/cm3,或孔隙比e=0.5;對(duì)粗粒土可認(rèn)為此極限是相對(duì)密實(shí)度Dr達(dá)到0.8～0.9。

(二)每遍單位面積夯擊能。對(duì)飽和土需要分遍夯擊,這是因?yàn)槊恳槐楹粨粢泊嬖谝粯O限夯擊能。根據(jù)梅納關(guān)于飽和土夯擊時(shí)土液化、孔隙水壓力升高的觀點(diǎn),每遍極限夯擊能為地基中孔隙水壓力達(dá)到土的自重應(yīng)力時(shí)的夯擊能,此時(shí)土已液化,稱之為每遍最佳夯擊能或飽和夯擊能。在實(shí)際工程中,實(shí)測(cè)的孔隙水壓力值多達(dá)不到上覆土的自重應(yīng)力值。其最大值與被測(cè)試的土類型、孔壓測(cè)量?jī)x表位置、夯點(diǎn)數(shù)量及夯擊順序有關(guān)。

在論述飽和土的加固機(jī)理時(shí),已說明強(qiáng)夯時(shí)的孔隙水壓一般為強(qiáng)夯擠密孔隙水壓,與地震液化的孔隙水壓不盡相同,而難以按孔隙水壓值來確切判定飽和夯擊能,但可認(rèn)為夯擊時(shí)錘底加固區(qū)的擠壓力超過坑側(cè)土的約束力,土隆起,此時(shí)已無加固效果不應(yīng)繼續(xù)夯擊,可將此夯擊能作為飽和夯擊能,若土不隆起,則可繼續(xù)夯擊,使主壓實(shí)區(qū)加深、擴(kuò)大。試夯達(dá)到強(qiáng)夯要求的最后貫入度可用以控制施工,以控制加固效果。因此單遍夯擊飽和夯擊能應(yīng)根據(jù)以下三條原則之一通過試夯決定,也可通過相似工程類比決定。1.側(cè)土不隆起或每擊隆起量小于每擊夯沉量,這表明土仍可擠密。2.夯坑不得過深,以免造成提錘困難。為增大加固深度,必要時(shí)可在夯坑內(nèi)加填粗粒料,形成土塞,增多錘擊數(shù)。3.每擊夯沉量不得過小,過小無加固作用。

四、兩遍夯擊間隔時(shí)間的確定

兩遍夯擊之間應(yīng)有一定的時(shí)間間隔,以利于土中超靜孔隙水壓力的消散,所以間隔時(shí)間取決于超靜孔隙水壓力的消散時(shí)間。但土中超靜孔隙水壓力的消散速率與土的類別、夯點(diǎn)間距等因素有關(guān)。對(duì)于滲透性較好的砂土地基等,一般在數(shù)小時(shí)內(nèi)即可消散完,但對(duì)滲透性差的粘性土地基,一般需要數(shù)周才能消散完。夯點(diǎn)間距對(duì)孔壓消散速率也有很大的影響,夯點(diǎn)間距小,孔壓消散慢,反之孔壓消散快。當(dāng)缺少實(shí)測(cè)孔壓資料時(shí),可根據(jù)地基土的滲透性確定間隔時(shí)間,對(duì)于滲透性較差的粘性土地基的間隔時(shí)間,一般應(yīng)不少于3～4周;對(duì)于滲透性好的地基,則可連續(xù)夯擊。

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