強(qiáng)夯+沖擊碾壓在高填方地基處理中的應(yīng)用

賈靜靜 徐國富

(1.安徽天潤建筑工程有限公司，安徽 利辛 236700； 2.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007)

強(qiáng)夯+沖擊碾壓在高填方地基處理中的應(yīng)用

賈靜靜1徐國富2*

(1.安徽天潤建筑工程有限公司，安徽 利辛 236700； 2.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007)

通過對強(qiáng)夯和沖擊碾壓的工作原理及應(yīng)用效果分析，結(jié)合強(qiáng)夯和沖擊碾壓兩項(xiàng)技術(shù)優(yōu)化組合在高填方地基強(qiáng)化處理技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐，進(jìn)一步研究分析了強(qiáng)夯+沖擊碾壓技術(shù)的加固機(jī)理。

強(qiáng)夯，沖擊碾壓，高填方加固

隨著城市建設(shè)步伐的加快，東南沿海以及南部、西部的許多建設(shè)工程不得不在山區(qū)進(jìn)行勘選。山區(qū)地形地貌復(fù)雜，起伏較大，往往需要深挖高填，如何對高填方實(shí)施有效地加固，消除大面積高填方填筑體的沉降和不均勻沉降，日益成為眾多施工單位和設(shè)計(jì)、研究部門關(guān)注的焦點(diǎn)[1，2]。本文首先對地基處理方法中的強(qiáng)夯法和沖擊碾壓技術(shù)進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上，從三個(gè)方面重點(diǎn)分析了強(qiáng)夯+沖擊碾壓技術(shù)在高填方地基處理中的應(yīng)用機(jī)理。

1 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯加固處理地基的方法，是由法國人梅納(L.Menard)于1970年首先提出的，該法具有加固效果顯著、設(shè)備簡單、施工方便、節(jié)省勞力、施工期短、節(jié)約材料、施工文明和施工費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，得到國內(nèi)外工程界的廣泛采用[3]。它通常以80 kN～300 kN的重錘(最重可達(dá)2 000 kN)和落距為8 m～20 m(最高可達(dá)40 m)的夯擊能量對地基進(jìn)行加固。當(dāng)重錘提高到一定高度時(shí)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為重力勢能，然后重錘自由落下，重力勢能又轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，重錘作用到土體上時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)對地基土體施加一個(gè)巨大的能量，這種突然釋放的巨大能量將使土體產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力與位移，重錘的動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化為土體的變形能而使土體得到壓密，沿重錘四周產(chǎn)生沖切破壞，形成夯坑，坑底與坑周受擠壓而產(chǎn)生沉降—水平位移，土體相應(yīng)地發(fā)生一系列物理變化，如土體結(jié)構(gòu)破壞或液化，排水固結(jié)壓密，觸變恢復(fù)等。其作用結(jié)果是使一定范圍內(nèi)地基強(qiáng)度提高、孔隙擠密、消除濕陷性及降低土的壓縮性。強(qiáng)夯過程中地基土壓密狀態(tài)如圖1所示，強(qiáng)度提高較明顯的是Ⅱ區(qū)，壓密區(qū)深度即是加固深度。

2 沖擊碾壓技術(shù)

沖擊碾壓技術(shù)是南非人在二十世紀(jì)七八十年代首先提出來的。我國于20世紀(jì)90年代也開始使用一種沖擊式非圓滾輪的壓路機(jī)(沖擊壓路機(jī))，這是一種不同于傳統(tǒng)的靜碾壓實(shí)、振動(dòng)壓實(shí)和打夯機(jī)壓實(shí)原理的新型壓實(shí)設(shè)備，沖擊壓路機(jī)的滾輪形狀主要有三邊形和五邊形兩種。沖擊碾壓技術(shù)是一種將沖擊和搓揉作用相結(jié)合的壓實(shí)方法，它靠機(jī)械沖擊力將土體擊實(shí)[4]。沖擊壓路機(jī)在牽引車的牽引下，其凸塊輪的凸塊棱角抬起與落下時(shí)，對地面產(chǎn)生了一個(gè)勢能和動(dòng)能聯(lián)合沖擊的壓實(shí)作用，從而提高了壓實(shí)能量。與強(qiáng)夯法的大厚度(4.0 m～6.0 m)強(qiáng)夯擊實(shí)相比，使用沖擊壓路機(jī)分層(一般一層厚1.0 m～1.5 m)沖擊碾壓土石料填方，能較好的提高高填方填筑體的整體強(qiáng)度與均勻性[5]。正常情況下，地基沖碾20遍后，1.5 m層厚范圍內(nèi)壓實(shí)度均增加3個(gè)～5個(gè)百分點(diǎn)，并形成1.0 m～1.5 m厚的連續(xù)、均勻、密實(shí)的加固層，從而使道面下地基的綜合強(qiáng)度與穩(wěn)定性得到全面提高。

3 強(qiáng)夯+沖擊碾壓技術(shù)的加固機(jī)理

通過對強(qiáng)夯和沖擊碾壓的工作原理及應(yīng)用效果分析，可將強(qiáng)夯和沖擊碾壓兩項(xiàng)技術(shù)優(yōu)化組合應(yīng)用在高填方地基強(qiáng)化處理技術(shù)中，其加固機(jī)理可概括為以下三點(diǎn)。

3.1 強(qiáng)夯法用于原地基處填方和高填方的加固處理機(jī)理

1)對于填方區(qū)的原地基，為防止高填方填筑體對原地基產(chǎn)生的大附加應(yīng)力使其發(fā)生很大的沉降變形，需在拋填填筑體之前先對原地基進(jìn)行加固處理。根據(jù)現(xiàn)場地勘發(fā)現(xiàn)原地基的軟弱土層厚度普遍在1.0 m～2.0 m左右，再清除表層腐殖土后拋填2.0 m左右的土石混合料作為強(qiáng)夯的墊層，爾后采用2 000 kN·m～3 000 kN·m的大夯擊能進(jìn)行強(qiáng)夯。其總厚度在2.5 m～3.5 m左右，完全在強(qiáng)夯的有效加固深度范圍內(nèi)，在夯錘的沖擊作用下，土石混合料中大塊石被擠入原地基的軟弱層中，軟弱土體又被擠入土石混合料的塊石骨架的空隙中，使原地基的軟弱土體和拋填的土石混合料互相嵌入和填塞，二者產(chǎn)生機(jī)械混合，改變原地基的土石組成，使其得到充分的加固處理，從而改善其工程性質(zhì)，基本上可以消除二者的變形和沉降，壓實(shí)度和整體強(qiáng)度都可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2)高填方地基是一層一層一米一米填筑起來的骨架結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定的疏松的新地基，其自重產(chǎn)生的壓縮變形很大，對此需自上而下進(jìn)行多層次的分層拋填，并進(jìn)行分層強(qiáng)夯加固處理，強(qiáng)夯只要求點(diǎn)夯而無需滿夯，只有到道槽頂層才進(jìn)行沖碾加固處理。根據(jù)上述機(jī)理分析，2 000 kN·m～3 000 kN·m大夯擊能強(qiáng)夯的有效加固深度約5 m～7 m，在采用多層次的分層拋填和分層強(qiáng)夯加固處理時(shí)，取每一分層的厚度為4.0 m～5.0 m左右，這可使每一個(gè)分層的填筑體完全在2 000 kN·m～3 000 kN·m的大夯擊能的有效加固深度范圍內(nèi)，因而整個(gè)分層填筑體在多次強(qiáng)夯后上上下下基本上都可以得到充分的加固[6]；雖然每一個(gè)分層填筑體在強(qiáng)夯的面波作用下，夯后的填筑體表面的0.2 m～0.5 m仍是一個(gè)疏松層，表層的深0.5 m～1.0 m的夯坑，雖然填入石料推平后也還是疏松的，但是下層填筑體表面的疏松層仍處在上層填筑體的強(qiáng)夯有效加固深度范圍內(nèi)，從而能夠通過土層填筑體的強(qiáng)夯對下層填筑體表面的疏松層進(jìn)行再一次加固處理。

3.2 沖擊碾壓用于道槽以外的平地區(qū)下填筑體加固處理機(jī)理

考慮到?jīng)_擊壓路機(jī)的壓實(shí)厚度可達(dá)1.0 m～1.5 m，因而沖擊碾壓的分層厚度規(guī)定為1.0 m～1.5 m左右。每個(gè)分層直接使用25 kJ或32 kJ的三邊形沖擊壓路機(jī)進(jìn)行沖擊碾壓施工，在位能落差與行駛動(dòng)能相結(jié)合下對工作面進(jìn)行靜壓、搓揉、沖擊，效率高、速度快。這種高振幅、低頻率的沖擊碾壓產(chǎn)生的高達(dá)200多噸的巨大沖擊力使土石混合料中的石塊逐漸破碎，改善了土石混合料的級配，石塊之間嵌鎖密實(shí)，土石混合料的密實(shí)度和強(qiáng)度不斷增加。填筑體承受沖擊荷載所產(chǎn)生的沉降變形遠(yuǎn)大于填筑體自重與外荷載引起的沉降變形，使被沖碾的填筑體更接近于彈性狀態(tài)，從而避免填筑體產(chǎn)生的差異沉降變形，提高了填筑體的穩(wěn)定性。

3.3 強(qiáng)夯+沖擊碾壓技術(shù)加固機(jī)理

以塊石料為主的土石料填筑體的強(qiáng)夯+沖擊碾壓加固是基于動(dòng)力壓密理論。在強(qiáng)夯或沖擊碾壓過程中，填筑體中的塊石料在強(qiáng)夯或沖碾的強(qiáng)力沖擊下被擊碎，改善了土石混合料的級配；另一方面，強(qiáng)夯或沖碾的沖擊力克服了影響深度范圍內(nèi)石料間的摩阻力，使填筑體中塊石從點(diǎn)線接觸的不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變成緊密嵌鎖的穩(wěn)定狀態(tài)，塊石料重新排列組合，拋填的混合料顆粒間產(chǎn)生較大的相對位移，填筑體空隙中氣相(空氣)被排出，空隙體積減少(可減少60%)，填筑體被進(jìn)一步擠密，承載力提高。隨著夯擊次數(shù)或沖碾遍數(shù)的增加，填筑體的壓實(shí)度和強(qiáng)度就不斷提高。此外，強(qiáng)夯施工時(shí)的震動(dòng)波會在強(qiáng)夯作業(yè)面表層產(chǎn)生松動(dòng)層(夯坑周圍的膨脹、隆起的疏松土體)和加固不到的“盲區(qū)”，再加上夯坑內(nèi)的回填材料，在強(qiáng)夯作業(yè)面表層形成一個(gè)如圖1所示的疏松層。對這個(gè)疏松層，即使實(shí)施低夯擊能且錘錘搭接1/4錘徑的“滿夯”，滿夯后仍會使表層10 cm～50 cm深的土體擾動(dòng)而變得疏松，其強(qiáng)度和壓實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，對填筑體的表層采用沖擊壓路機(jī)進(jìn)行地毯式的均勻沖碾壓實(shí)，不會在填筑體表面留下被擾動(dòng)的疏松層，使土體表層有較高的均勻的強(qiáng)度，可以很好地解決這一問題。而當(dāng)填筑體最上面需要加固處理的填筑體的厚度不足4 m時(shí)，為了加快施工進(jìn)度，保證工程質(zhì)量，節(jié)省工程費(fèi)用，對這一層可直接采取分層沖擊碾壓加固處理[4]。由此可見，對填筑體表層一定厚度內(nèi)的土石混合料采用沖擊碾壓進(jìn)行加固處理，其效果遠(yuǎn)比滿夯加靜碾的效果好，可以為道面結(jié)構(gòu)層提供一個(gè)均勻密實(shí)、強(qiáng)度足夠的地基。

4 結(jié)語

強(qiáng)夯法和沖擊碾壓技術(shù)，是高填方地基強(qiáng)化處理新技術(shù)中最主要的兩項(xiàng)施工技術(shù)。對土石混合料采用多層次的分層拋填，控制石料粒徑和均勻鋪填，然后對4.0 m～5.0 m厚的填筑體進(jìn)行強(qiáng)夯加固處理，在高高落下的夯錘的強(qiáng)力沖擊下，土石混合料中的塊石逐漸破碎，塊石之間嵌鎖緊密，填筑體的密實(shí)度和強(qiáng)度不斷提高。由于強(qiáng)夯在上下兩層填筑體中的有效加固深度互相搭接重疊，保證高填方填筑體的上下不同部位的密實(shí)度和強(qiáng)度基本一致。通過高振幅、低頻率的沖擊碾壓對工作面進(jìn)行地毯式的均勻地靜壓、揉搓和沖擊，對填筑體表層進(jìn)行強(qiáng)化加固處理，徹底加固處理了強(qiáng)夯加固留下的疏松面層，為道面結(jié)構(gòu)層提供了均勻密實(shí)的地基。

對高填方地基進(jìn)行強(qiáng)化處理的過程中，在提高填筑體的強(qiáng)度和消除其沉降變形，以及在形成均勻密實(shí)、強(qiáng)度高的填筑體頂層等方面，強(qiáng)夯和沖擊碾壓起主導(dǎo)作用。通過土石方工程一次成優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)化管理，抓住強(qiáng)夯和沖碾兩個(gè)分部工程的控制節(jié)點(diǎn)，做到相互協(xié)調(diào)配合，相輔相成，實(shí)現(xiàn)面層以下加固強(qiáng)夯，面層強(qiáng)化沖碾，兩者強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，最終發(fā)展成為組合式的高填方地基強(qiáng)化處理技術(shù)。

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Research on the application of the dynamic consolidation with impact rolling in the high embankment treatment

JIA Jing-jing1XU Guo-fu2*

(1.AnhuiTianrunArchitecturalEngineeringCo.,Ltd,Lixin236700,China;2.PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

By analyzing the working principle and application effect of dynamic consolidation and impact rolling, rolling dynamic compaction and impact, then baced on practice of the optimized combination of two technologies in high embankment. The paper further studies the reinforcement mechanism of dynamic consolidation with impact rolling.

dynamic consolidation, impact rolling, high embankment reinforcement

1009-6825(2014)11-0114-03

2014-02-05

賈靜靜(1985- )，女，助理工程師； 徐國富(1982- )，男，助理工程師

TU472.31

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