砂性土路基的強(qiáng)夯法加固機(jī)理及應(yīng)用

魯建榮

（灤南交通運輸局，河北 唐山 063500）

路基是整個公路構(gòu)造的重要組成部分，承受著由路面?zhèn)鱽淼男熊嚭奢d、路基本身及路面的重力，它的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，是保證路面強(qiáng)度和穩(wěn)定性的基本條件。強(qiáng)夯法是一種廣泛應(yīng)用于高速公路路基加固處理的方法，具有施工簡便、縮短工期、經(jīng)濟(jì)可行和效果顯著等優(yōu)點。其基本原理是將重型夯錘（8～40t）從很高的落距（8～40m）自由落下，對土體產(chǎn)生巨大的沖擊能（一般能量為500～8000kN·m），強(qiáng)大的沖擊波通過地表迅速到達(dá)一定深度，從而導(dǎo)致路基土體產(chǎn)生局部液化，在夯擊點周圍產(chǎn)生豎向裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水和氣體逸出，夯坑出現(xiàn)冒氣冒水現(xiàn)象、土粒重新排列等一系列物理力學(xué)性質(zhì)的變化，路基立即壓縮下沉，有效地改善地基的承載能力。同時，還可提高土體的均勻程度，減少可能出現(xiàn)的差異沉降。

由于地域不同，地質(zhì)條件差別也很大，強(qiáng)夯法施工不能直接套用，鑒于此，本文針對唐山地區(qū)砂性土路基的特點，對其強(qiáng)夯加固機(jī)理進(jìn)行分析，并通過現(xiàn)場試驗對該地區(qū)砂性土路基強(qiáng)夯加固施工展開研究，以此來選擇最佳處理方案，為保證工程的順利進(jìn)行提供參考。

1 強(qiáng)夯法加固機(jī)理

從土的結(jié)構(gòu)來看，砂性土是一種含砂土粒較多且具有一定粘性的土，砂性土修筑的路基適應(yīng)于行車時的壓實作用，能構(gòu)成平整堅實的路基表面，雨天不泥濘，晴天不揚塵，但需要解決砂性土液化的問題。該類路基的強(qiáng)夯加固機(jī)理可用動力夯實（即動力壓密）來解釋。將砂性土路基視為彈性半空間體，重錘從空中自由下落夯擊，這是由勢能轉(zhuǎn)化為動能的一個過程。在夯擊地面的瞬間，動能的一部分以聲波形式擴(kuò)散出去，一部分由于重錘與土體摩擦而變成熱能，其余大部分動能則使路基土產(chǎn)生自由振動，并主要以壓縮波（縱波）、剪切波（橫波）和瑞雷波（表面波）三種波形在地基內(nèi)傳播。路基一般是不均勻的、成層狀的，土體中的孔隙為空氣、水或其他液體所填充。在夯擊地面的瞬間，一部分波能在成層狀地基中從一個彈性介質(zhì)傳播到另一個介質(zhì)。同時，另一部分波能會反射回第一個介質(zhì)，傳播到另一個介質(zhì)的波能起強(qiáng)夯加固的作用，反射回來的波能則使路表土層變松。這也是強(qiáng)夯施工中局部地表隆起的原因。沖擊動力荷載在接觸土體瞬間使其中孔隙體積減小，土體密實，承載力得到提高。該類路基的夯實變形主要是由于土顆粒的強(qiáng)烈振動，使其移動到相對最穩(wěn)定的位置沉落下來，重新排列而引起的，亦是土體孔隙中氣相（空氣）被排除的過程，經(jīng)強(qiáng)夯處理，土體達(dá)到最密實的狀態(tài)，孔隙體積可減少60%。

2 施工參數(shù)的確定

需要根據(jù)現(xiàn)場砂性土路基的具體情況和工程要求，選用合理的強(qiáng)夯加固參數(shù)，達(dá)到提高工程質(zhì)量和節(jié)省施工成本的目的。

2.1 有效加固深度

表1 有效加固深度

2.2 單擊夯擊能的確定

單擊夯擊能等于錘重乘以落距。它是影響強(qiáng)夯有效加固深度的重要因素。在預(yù)估強(qiáng)夯有效加固深度的基礎(chǔ)上，確定夯擊能的大小。施工過程中需根據(jù)具體情況選用合適的錘重以及落距，重型的夯錘一般為8～40t，落距為8～40m，所用的夯錘為帶有氣孔的圓錘，可以減少夯錘著地的瞬時氣墊上拉力所造成的能力損失，也可以減小起吊夯錘的吸力。同時，根據(jù)砂性土的性質(zhì)選擇合適的錘底面積，夯錘確定后根據(jù)要求的夯擊能，就能確定夯錘的落距。強(qiáng)夯過程中，處理厚度內(nèi)土層從上部到下部，其所受到的夯擊能量由大變小。在進(jìn)行強(qiáng)夯法施工設(shè)計時，為獲得較大的接地速度，強(qiáng)化路基深層夯實效果，常選用大落距方案。

2.3 夯點布置與夯點間距的確定

夯擊點布置是否合理，將影響強(qiáng)夯的加固效果，應(yīng)綜合建筑物（或構(gòu)筑物）平面形狀、基礎(chǔ)類型、場地土情況及含水量大小和工程要求等因素來選擇布點方案。夯擊點位置根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類型一般可采用等邊三角形、等腰三角形或正方形布點。對于某些基礎(chǔ)面積較大的建筑物或構(gòu)筑物，為便于施工，可按等邊三角形或正方形布置夯點。因此，夯擊點的布置應(yīng)視建筑結(jié)構(gòu)類型、荷載大小和地基條件等具體情況，區(qū)別對待。

2.4 夯擊次數(shù)及遍數(shù)的確定

單擊夯擊是強(qiáng)夯設(shè)計中的一個重要參數(shù)，夯擊次數(shù)與路基加固要求有關(guān)，因為施加于單位面積上的夯擊能大小直接影響加固效果，而夯擊能量的大小是根據(jù)地基加固后應(yīng)達(dá)到的規(guī)定指標(biāo)來確定的。夯擊要求使土體豎向壓縮最大，側(cè)向移動最小。根據(jù)土的性質(zhì)和土層的厚薄不同，夯擊次數(shù)也不同。目前夯擊次數(shù)一般通過現(xiàn)場試夯確定，常以夯坑的壓縮量最大、夯坑周圍隆起量最小為確定的原則，且通過現(xiàn)場試夯得到夯擊次數(shù)與夯沉量的關(guān)系曲線。

3 施工工藝

在施工路段K11＋420～K11＋520長為100m、寬為32m、面積3 200m2的范圍內(nèi)采用履帶式強(qiáng)夯機(jī)，夯錘直徑為2.2m，錘重為14t，落距為13m，單位夯擊能1 800k N·m，有效加固深度預(yù)計5～6m，夯點正方形布置，夯點間距5m×5m，單點夯擊數(shù)6～8次（試驗確定），夯擊2遍。單點夯擊次數(shù)以最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm控制，兩遍夯擊之間時間間隔定為24h。主要機(jī)械設(shè)備包括履帶式強(qiáng)夯機(jī)1臺、挖掘機(jī)1臺、推土機(jī)1臺，平地機(jī)1臺和振動壓路機(jī)1臺、自卸車5輛、發(fā)電機(jī)（30k W）1臺、小型抽水泵1臺等。

3.1 施工流程

3.1.1 清理并平整場地，測量在路基夯擊前場地的平均高程，并檢測路基彎沉值、壓實度（或干密度）。

3.1.2 測量放線并標(biāo)出夯點的位置。夯點間距5m×5m，放樣用鋼尺依據(jù)四角定位放點，在地面上標(biāo)定出每遍點夯的位置，夯點定位偏差不大于5cm，應(yīng)有明顯的標(biāo)記，在每夯點圓心放置白灰，作為夯錘找點依據(jù)。第1遍夯點按路基邊緣1m往內(nèi)翻放，每行橫向共7個夯點，共21行；第2遍夯擊點位于第一遍夯擊點之間，每行橫向6個夯點，共20行，每個夯點三擊。

3.1.3 開挖排水溝。周邊開挖寬1.5m×深2.0m排水溝及時排水，排水溝同時起隔振溝作用。采用抽水機(jī)抽排水，夯坑和施工場地不得積水。設(shè)備就位，使夯錘對準(zhǔn)夯點位置.

3.1.4 開夯前應(yīng)檢查夯錘質(zhì)量和落距，以確保單擊夯擊能量符合要求；在每一遍夯擊前，對夯點放線進(jìn)行復(fù)核，夯完后檢查夯坑位置，發(fā)現(xiàn)偏差或漏夯應(yīng)及時糾正。強(qiáng)夯機(jī)就位，夯錘置于夯點位置，測量夯前錘頂高程。

3.1.5 將夯錘起吊到預(yù)定高度，開啟脫鉤裝置，待夯錘脫鉤自由下落后，放下吊鉤，測量錘頂高程，若發(fā)現(xiàn)因坑底傾斜而造成夯錘歪斜時，應(yīng)及時將坑底整平。

3.1.6 在24h后，按上述步驟逐次完成第二遍全部夯點的夯擊。在24h后，再對全部場地進(jìn)行最后一次低能量夯擊。

3.1.7 夯擊結(jié)束24h后，平地機(jī)整平，振動壓路機(jī)碾壓收面，并進(jìn)行質(zhì)量檢測。

3.2 施工注意事項

3.2.1 在夯機(jī)處于工作狀態(tài)時，起重臂仰角應(yīng)置于70°，起重臂旋轉(zhuǎn)半徑內(nèi)嚴(yán)禁站人。作業(yè)時，人員應(yīng)在10m以外并戴安全帽，嚴(yán)禁在吊臂前站立。吊車就位后一定要檢查門架是否平穩(wěn)。作業(yè)后，應(yīng)將夯錘下降，放實在地面上，嚴(yán)禁將錘懸掛在空中。

3.2.2 在施工過程中，要用水平儀檢測每個夯擊點的沉降量。

3.2.3 施工過程中按設(shè)計和試驗要求，檢查每個夯點的夯擊次數(shù)和每擊的夯沉量，并進(jìn)行詳細(xì)記錄。

4 效果分析與評價

為檢驗強(qiáng)夯實施方案的效果，進(jìn)一步落實強(qiáng)夯設(shè)計參數(shù)，在試驗區(qū)對強(qiáng)夯加固的砂性土路基進(jìn)行動力觸探試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、沉降量及壓實度的檢測，結(jié)果見表2和表3。

表2 夯擊前后的標(biāo)高變化情況

表3 夯擊后路基檢測結(jié)果

由檢測結(jié)果可知，相對于該地區(qū)砂性土，所確定的強(qiáng)夯設(shè)計參數(shù)和施工方案是可行的，強(qiáng)夯加固處理的效果較為理想，主要表現(xiàn)在：

a）路基的夯沉量超過了60cm，在有效影響深度范圍內(nèi)（有效加固深度大于7m），所檢路基壓實度都得到了明顯的提高，達(dá)到96%以上（30cm處），滿足施工技術(shù)規(guī)范要求；

b）對砂性土路基的影響深度平均為10m，7m以上為密實，并且基本消除砂性土液化情況；

c）沉降量滿足設(shè)計要求，路基的穩(wěn)定性和耐久性得到保障。

5 結(jié)語

強(qiáng)夯法進(jìn)行高速公路砂性土路基加固具有效果顯著、適應(yīng)性廣泛、加工費用低、節(jié)省材料和施工快捷等優(yōu)點。但是，由于路基土性質(zhì)千差萬別，至今尚未形成一致的看法和系統(tǒng)的理論，強(qiáng)夯設(shè)計大都以經(jīng)驗為基礎(chǔ)，并基于試夯結(jié)果確定各項施工參數(shù)，加固效果基本上也只能借助夯后檢測確定。針對唐山地區(qū)砂性土路基，確定了強(qiáng)夯加固施工的夯擊遍數(shù)、夯擊擊數(shù)及最佳夯擊深度和最佳處理厚度等，并提出了各項參數(shù)的確定方法以指導(dǎo)強(qiáng)夯設(shè)計與施工，并在實際工程中進(jìn)行了應(yīng)用。

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