濕陷性黃土路基的強(qiáng)夯處理施工方法

任明艷

（黑龍江省龍建路橋第二工程有限公司）

1 前言

黃土在我國分布十分廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì),黃土及黃土狀土分布面積約為64萬km2,約占我國國土總面積的7％,其中,濕陷性黃土面積占黃土分布總面積的3/4,且以黃土高原的黃土分布最為集中,是典型的黃土發(fā)育區(qū)域。黃土具有以下特征：（1）顏色以黃色、褐黃色為主,有時(shí)呈灰黃色；（2）顆粒組成以粉粒（0.005～0.05mm）為主；（3）孔隙比較大,一般在1.0左右；（4）富含碳酸鹽類；（5）垂直節(jié)理發(fā)育；（6）一般有肉眼可見的大孔隙。

濕陷性黃土是一種在干燥情況下,具有較高強(qiáng)度和較低壓縮性,遇水后在一定外力作用或在自重作用下強(qiáng)度驟降的一種特殊巖土。濕陷性黃土對(duì)公路工程的工程危害主要表現(xiàn)為遇水后的不均勻沉降,引起公路路面大面積開裂、下陷,從而引起其他次生公路病害,進(jìn)一步加劇黃土地基的濕陷性,引起惡性循環(huán)。所以公路工程中的濕陷性黃土路基的施工質(zhì)量直接影響整個(gè)公路的施工質(zhì)量以及后期運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)工程。

強(qiáng)夯法處理地基是由法國的Menard公司首創(chuàng)的,國外稱為動(dòng)力固結(jié)法。其施工工藝是用能級(jí)較高的單擊夯擊能在夯點(diǎn)處進(jìn)行強(qiáng)夯,再用能級(jí)較低的單擊夯擊能進(jìn)行滿夯,錘印搭接。夯點(diǎn)處多次夯擊的目的是使得夯點(diǎn)下土體豎向變形擠壓加固,同時(shí),夯間土通過夯點(diǎn)下土體的橫向變形擠壓得到加固。場(chǎng)地平整后,滿夯可將回填到夯坑中的土體以及夯間尚未通過擠壓得到加固的表層土體壓實(shí)。

采用強(qiáng)夯加固濕陷性黃土是基于動(dòng)力密實(shí)的機(jī)理,夯實(shí)的過程就是土中的空氣被擠出的過程,它的夯實(shí)變形主要是由于土顆粒的相對(duì)位移產(chǎn)生的。

但是如何能夠確定強(qiáng)夯影響的深度呢？人們提出了有效加固深度的概念,有效加固深度是指經(jīng)強(qiáng)夯加固后,強(qiáng)度提高、壓縮模量增大、加固效果顯著的上層范圍。影響有效加固深度的因素很多,夯錘質(zhì)量、落距、地基土的性質(zhì)、不同土層的厚度及埋藏順序、地下水位等都與有效加固深度有著密切關(guān)系。

在實(shí)際工程實(shí)踐中,人們通常是通過布設(shè)合理的夯點(diǎn)間距和單點(diǎn)的夯擊次數(shù)實(shí)現(xiàn)理想的有效加固深度并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。下面具體介紹一下強(qiáng)夯法的施工機(jī)械和工藝。

2 路基基底處理的一般要求

路基基底的處理是根據(jù)黃土的濕陷等級(jí)、基底的黃土層厚度和路基填筑高度及所處結(jié)構(gòu)物的位置所決定的。按設(shè)計(jì)文件,本項(xiàng)目的處理措施有沖擊碾壓、強(qiáng)夯和灰土擠密樁三種,處理的位置包括黃土路基的基底和沖溝處理,處理方案如下。

（1）路基基底為Ⅰ級(jí)非自重濕陷性黃土地段,路基基底采用沖擊碾壓,當(dāng)沖擊碾壓的長度小于100 m時(shí),采用1 000 kN?m夯擊能強(qiáng)夯處理；路基基底為Ⅱ級(jí)非自重濕陷性黃土地段,濕陷土層厚度小于2.0m時(shí)采用沖擊碾壓,大于或等于2.0m時(shí)采用1 000 kN?m夯擊能強(qiáng)夯處理；路基基底為自重濕陷性黃土地段均采用1 600 kN?m夯擊能強(qiáng)夯處理。

（2）路基填土高度小于1.5m及土質(zhì)挖方路段,先將路基頂面以下80 cm橫向用地界范圍內(nèi)的黃土清除,視剩余黃土層的濕陷程度進(jìn)行基底處理?；靥畹撞?0 cm采用3％灰土隔水層處理,頂部30 cm采用5％灰土隔水層處理?；彝粮羲畬硬捎梅謱勇钒璺ㄊ┕?外摻石灰,石灰采用鈣、鎂質(zhì)Ⅲ級(jí)生石灰。

（3）與橋臺(tái)、涵臺(tái)相鄰路基的基底為Ⅰ級(jí)非自重濕陷性黃土地段,橋臺(tái)處采用1 000 kN?m夯擊能強(qiáng)夯處理；相鄰路基的基底為Ⅱ級(jí)非自重濕陷性黃土、自重濕陷性黃土地段,濕陷土層厚度在小于2.0m時(shí)采用1 000 kN?m夯擊能強(qiáng)夯處理,在2.0～6.0m時(shí)采用1 600 kN?m夯擊能強(qiáng)夯處理,在大于6.0m時(shí)采用灰土樁處理,長度應(yīng)穿過濕陷黃土層。橋臺(tái)、涵臺(tái)及臺(tái)后處理范圍為橫向?yàn)檎嫉亟绶秶?臺(tái)后縱向?yàn)?0m；臺(tái)前至錐坡范圍,且不小于3.0m。

（4）路基底設(shè)置的灰土樁樁徑40 cm,樁間距采用1.30m；橋涵及通道臺(tái)后設(shè)置的灰土樁樁徑40 cm,樁間距采用1.30m。

3 施工機(jī)械

對(duì)黃土地基的強(qiáng)夯壓實(shí)施工,一般起吊機(jī)選用15 t左右機(jī)型,夯錘為錘徑2.5m、重10 t左右時(shí),可以提升高度10m及能級(jí)1 000 kN?m的情況,基本能夠滿足公路路基對(duì)強(qiáng)夯處理效果的要求,移動(dòng)和使用也比較方便。

4 施工工藝

強(qiáng)夯法施工工藝需通過試夯確定。在特定的強(qiáng)夯能級(jí)下,如何提高處理效果,就需要從夯點(diǎn)布設(shè)方式、夯擊遍數(shù)、單點(diǎn)夯擊數(shù)及其與處理土層厚度和技術(shù)要求的關(guān)系方面進(jìn)行施工工藝設(shè)計(jì)。強(qiáng)夯施工可按下列步驟進(jìn)行；

（1）清理并平整施工場(chǎng)地；（2）標(biāo)出第一遍夯點(diǎn)位置,并測(cè)量場(chǎng)地高程；（3）起重機(jī)就位,使夯錘對(duì)準(zhǔn)夯點(diǎn)位置；（4）測(cè)量夯前錘頂高程；（5）將夯錘起吊到預(yù)定高度,待夯錘脫鉤自由下落后底傾斜而造成夯錘歪斜時(shí),應(yīng)及時(shí)將坑底整平；（6）重復(fù)步驟,按設(shè)計(jì)規(guī)定的夯擊次數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)；（7）重復(fù)步驟,完成第一遍全部夯點(diǎn)的夯擊；（8）用推土機(jī)將夯坑整平,并測(cè)量場(chǎng)地高程；（9）在規(guī)定的時(shí)間間隔后,按上述步驟逐次完成全部夯擊遍數(shù),最后用低能量滿夯,并測(cè)量夯后場(chǎng)地高程。

由于是在東北地區(qū)首次接觸到濕陷性黃土,為了更好地解決某高速項(xiàng)目濕陷性黃土路基的濕陷性問題,本項(xiàng)目在沿線設(shè)置了多處強(qiáng)夯試驗(yàn)段,采用5點(diǎn)×5點(diǎn)的范圍為一試驗(yàn)單位范圍,夯錘重l0t,夯錘無排氣孔。通過分析試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)得到了不同夯擊能對(duì)應(yīng)的夯擊次數(shù)和影響深度表。

強(qiáng)夯試驗(yàn)表明,同一夯擊能、相同設(shè)備施工條件下沉降量的累積變化具有一定的規(guī)律。表1為夯擊能、夯擊次數(shù)、夯沉量統(tǒng)計(jì)表。此表為600 kN?m,800 kN?m,1 000 kN?m,1 200 kN?m夯擊能情況下,滿足規(guī)范“強(qiáng)夯最后兩擊的平均夯沉量不宜大于5 cm,最小的單點(diǎn)夯擊次數(shù)應(yīng)為7擊”的要求,按現(xiàn)場(chǎng)試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關(guān)系確定,強(qiáng)夯夯擊次數(shù)8次滿足要求。

表1 夯擊能、夯擊次數(shù)、夯沉量統(tǒng)計(jì)表

通過對(duì)路基5,15,27標(biāo)做的強(qiáng)夯試驗(yàn)段所得數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,得到強(qiáng)夯法有效處治深度、夯點(diǎn)沉降量的對(duì)照表2。

表2 夯擊能與夯點(diǎn)下沉量對(duì)照表

通過分析整個(gè)高速濕陷性黃土強(qiáng)夯處理的全過程以及通車后的路基使用情況調(diào)查,總結(jié)強(qiáng)夯處理方法的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）提高承載能力快。

濕陷性黃土通過強(qiáng)夯處理后,承載可以從14 kPa提高至300 kPa左右,承載力可提高200％。

（2）沉降均勻。

通過一系列均勻的夯擊及嚴(yán)格的施工控制,土體壓縮性迅速降低,很大程度提高了地基勻性,能夠使結(jié)構(gòu)物和路基在荷載作用下不出現(xiàn)超過規(guī)范要求的差異變形。

（3）縮短工期。

每臺(tái)強(qiáng)夯設(shè)備加固地基的效率平均每天為300～500m2。當(dāng)強(qiáng)夯設(shè)備退場(chǎng)時(shí),其他工程設(shè)備可以立刻開展下一道工序,無須等待,節(jié)省了工期。

（4）經(jīng)濟(jì)效益顯著。

經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,強(qiáng)夯處理與其他地基處理方式如樁基、換填、堆載預(yù)壓等相比,少好幾倍。由于機(jī)械周轉(zhuǎn)、回旋等因數(shù),對(duì)于大面積采用,優(yōu)勢(shì)更加明顯。但強(qiáng)夯處理方法也有其自身的缺點(diǎn)。

①設(shè)備雖然簡單,但較笨重且需要重型履帶吊機(jī),調(diào)遣費(fèi)用高,給推廣使用帶來一定困難。否則夯擊功能受到限制,處理效果將受到影響；②受環(huán)境敏感點(diǎn)的控制,由于其噪聲及振動(dòng)較大,不宜在市區(qū)或居民區(qū)使用；同時(shí),為了保證安全與周圍結(jié)構(gòu)物,也應(yīng)保持一定的安全距離；③若在小范圍內(nèi)使用.費(fèi)用較高。

總之,通過對(duì)某高速公路濕陷性黃土路基強(qiáng)夯法施工,形成了一套完整的強(qiáng)夯施工指導(dǎo)流程,為今后在東三省地區(qū)修建高速公路提供了有力的技術(shù)支持和寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。

[1]盧全中,彭建兵.黃土體工程地質(zhì)的研究體系及若干問題探討[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版）,2006,（3）.

[2]李喜安.黃土暗穴的成因及其公路工程災(zāi)害效應(yīng)研究[J].長安大學(xué),2004.

[3]濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范（TJ25-78）簡介[J].工業(yè)建筑,1981,（1）.

[4]濕陷性黃土地基的承載力[J].工業(yè)建筑,1981,（2）.