重錘強夯法處理濕陷性黃土地基效果分析

林朝清

(福建省交通科學技術(shù)研究所)

1 前言

由于黃土顆粒表面含有可溶鹽，同時其結(jié)構(gòu)具有肉眼可見的近乎鉛直的小管孔、在雨水及地表水的浸濕下可溶鹽溶解，從而使小土顆粒向大孔隙中滑移，導(dǎo)致地面沉陷，具有這種性質(zhì)的土稱為濕陷性黃土。濕陷性黃土對工程的影響包括建筑物開裂、突然下陷、突然失穩(wěn)等。

重錘夯實是指將一定重量的重錘以一定落距沖擊和振動地基，從而達到增大壓實度，改善土的振動液化條件，達到消除濕陷性黃土的濕陷性等目的。強夯加固過程是瞬時對地基土體施加一個巨大的沖擊能量，使土體發(fā)生一系列的物理變化，如土體結(jié)構(gòu)的破壞或排水固結(jié)、壓密以及觸變恢復(fù)等過程。其作用結(jié)果是使一定范圍內(nèi)的地基強度提高、孔隙擠密。

2 工程概況

新疆奇臺至木壘高速公路項目區(qū)地層以卵礫石層為主，其上分布有低液限粉土，層厚通常小于1 m，局部最大厚度在2.7 m。室內(nèi)試驗結(jié)果表明，該土層具有一定的濕陷性，濕陷等級為非自重濕陷Ⅰ級或Ⅱ級。根據(jù)設(shè)計特殊路基處理原則，即加強路基范圍的防排水設(shè)計，防止路基側(cè)積水浸泡路基，對場地濕陷性等級低的路段進行淺層處理。對于濕陷性土層厚度H＞130 cm的Ⅰ級、Ⅱ級非自重濕陷路段，采用加強防排水設(shè)計和重錘夯實綜合處理方案。

3 重錘強夯處理法要點分析

通過實施不同夯擊遍數(shù)，繪制夯擊遍數(shù)與沉降量關(guān)系曲線，對比土體夯擊前后壓實度、濕限系數(shù)、地基承載力、孔隙比的變化，確定消除濕限性的夯擊次數(shù)，并對設(shè)計的夯擊能、夯擊遍數(shù)等參數(shù)進行檢驗和修正及指導(dǎo)大面積施工。

夯點采用矩形布置，夯點間距4 m，夯錘底面為圓形，直徑1.5～2.0 m，落距4.0～8.0 m;第二遍夯擊點位于第一遍夯擊點之間，施工時可根據(jù)試夯合理調(diào)整夯擊點間距。重夯共夯擊四遍，單點擊數(shù)應(yīng)按現(xiàn)場試夯得到的夯擊次數(shù)和夯降量關(guān)系曲線確定。并滿足:(1)最后兩擊的平均夯降量不宜大于50 mm;(2)夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大的隆起;(3)不應(yīng)因夯坑過深而發(fā)生提錘困難。

試驗過程中主、副夯以800 kN·m的單點夯擊能跳夯兩遍，最后再以600 kN·m的低能量滿夯兩遍。重夯處理范圍為路堤底寬+(2×3 m)。

根據(jù)設(shè)計給定夯擊能計算夯擊的有效深度H，單擊夯擊能(kN·m)=錘重M(kN)×落距h(m)。

夯擊的有效深度4 m大于本項目最大濕陷性黃土層厚度2.7 m，滿足要求。

4 重錘夯實試驗段試夯步驟

(1)清理并平整施工場地，清除高空及地面障礙物，測量場地高程，布設(shè)主副夯的夯點，以不漏夯為布設(shè)原則;夯點布設(shè)情況見圖1，第一遍夯點即為設(shè)計主夯點，第二遍夯點為設(shè)計的副夯點。

(2)測定夯錘質(zhì)量、面積，確定夯錘落距，對所有夯擊錘進行稱重，落距根據(jù)單擊夯擊能和錘重確定，即 錘重M(kN)×落距h(m)=單擊夯擊能(kN·m)，并對每個夯錘落距做好標記。詳見表1。

(3)起重機就位，使夯錘對準夯點位置，測量夯前錘頂高程。

(4)將夯錘起吊到標記高度，待夯錘自動脫鉤自由下落后，放下吊鉤，測量錘頂高程，發(fā)現(xiàn)因坑底傾斜而造成夯錘歪斜時，及時將坑底整平。

(5)按設(shè)計規(guī)定的單點夯擊能為800 kN·m、最后兩擊下沉量小于5 cm為控制標準，完成一個夯點的夯擊;重復(fù)步驟③～⑥，完成第一遍全部夯點的夯擊。

(6)用推土機將夯坑填平，再在第一遍夯點間布設(shè)第二遍夯點，重復(fù)步驟③～⑥完成第二遍全部夯點的夯擊。

(7)第二遍夯點完畢后，用推土機平整場地，按全幅連續(xù)滿夯2擊，完成600 kN·m的低能量滿夯2遍，將表層土夯實拍平，滿夯時彼此搭接1/4夯錘直徑。

(8)經(jīng)7 d后，測試土層承載力，取土層底部土樣進行室內(nèi)試驗，測定土濕陷性，對比夯擊前后結(jié)果。

圖1 夯點布設(shè)圖

表1 夯錘重量及落距一覽表

5 重錘強夯法處理濕陷性黃土效果分析

選取K121+000～K121+200段為試驗段，該段濕陷性黃土厚度為1.3～2.0 m，屬Ⅰ級非自重濕陷性黃土。本項目設(shè)計重錘夯實路段的濕陷性黃土層平均厚度均在1.3～2.0 m間，具有代表性。該段地表土試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 地表原狀土試驗數(shù)據(jù)

對各夯實機的第一遍和第二遍夯擊點的沉降量進行統(tǒng)計分析，試驗結(jié)果見表3;夯擊數(shù)與夯沉量關(guān)系圖，見圖2;取重錘夯實前后土層的濕陷性系數(shù)及承載力情況，見表4。

表3 夯擊數(shù)與夯沉量關(guān)系表

表4 重錘夯實前后土層的濕陷性系數(shù)及承載力對比表

圖2 夯擊數(shù)與沉降量關(guān)系圖

對以上圖表進行分析可以得出以下結(jié)論:單擊夯沉量隨著夯擊次數(shù)增加而逐漸減小，累計總夯沉量隨著夯擊次數(shù)增加逐漸增大，但增幅逐漸減小，趨于穩(wěn)定，經(jīng)7次夯擊后夯沉量變化不大，坑底土微隆起，并向坑內(nèi)擠出。說明土體逐漸密實，已處于彈性狀態(tài)，可停止夯擊。最后兩次夯擊的夯沉量為3.7 mm，遠小于設(shè)計要求的50 mm，滿足設(shè)計要求，并消除了黃土的濕陷性;容許承載力提高了280%，達到夯擊加固地基效果。

可確定夯擊遍數(shù)不小于7遍、夯實后7 d地基承載力不小于380 kPa、最后兩擊的平均夯降量不大于50 mm作為質(zhì)量控制指標，指導(dǎo)本項目沖擊碾壓對濕陷性黃土地基處理的施工。

6 施工注意事項

(1)夯點布設(shè):強夯布點時，夯距的大小也直接影響強夯對地基的加固，根據(jù)工程實踐得出，夯距不宜大于強夯的有效影響深度，也不宜小于夯錘直徑的1.5倍。按照不漏夯布設(shè)原則，當錘徑為2.5 m時，夯點間距為5 m;當錘徑為1.5～2 m時，夯點間距為4 m。

(2)單擊夯擊次數(shù)控制:強夯法處理地基過程中，存在最佳夯擊次數(shù)，在此夯擊次數(shù)范圍內(nèi)，加固效果隨夯擊次數(shù)的增加而加強，當超過此次數(shù)后，對土體的加固效果不大，此時被夯實地基已經(jīng)達到壓密極限。所以施工過程中不應(yīng)盲目的增加夯擊數(shù)，應(yīng)按照試驗段確定夯擊數(shù)施工，否則夯擊數(shù)過多不利于功效的提高，甚至會對土體產(chǎn)生剪切破壞，帶來不良的影響。

(3)夯錘面積選擇:錘底面積的大小直接決定夯錘著地時的沖擊壓力，進而影響強夯的有效加固深度。在單擊夯擊能一定情況下，錘底面積過大，則單位面積上的沖擊應(yīng)力小，不足以破壞土的結(jié)構(gòu)，貫入度就小，達到相同的加固效果所需夯擊次數(shù)就越多，加固效果不顯著;如果錘底面積過小，雖然單位面積的沖擊應(yīng)力增大，容易破壞土的結(jié)構(gòu)，貫入度就大，所需夯擊次數(shù)較少可以達到較好加固效果，但塑性狀態(tài)的土易于向側(cè)面擠出，同時夯錘底面積太小，夯擊時所需的夯擊點相應(yīng)增加，從而增加工程量。所以，只有選擇適當?shù)腻N底面積，才能得到比較滿意的加固效果。根據(jù)本項目實踐，建議錘底直徑控制在1.5～2.5 m之間。

(4)夯擊時間間隔控制:兩遍夯擊之間應(yīng)有一定的時間間隔，以利于土中超孔隙水壓力的消散，待地基穩(wěn)定后再夯下一遍，一般時間間隔為1～4周，若無地下水或地下水在5 m以下，可以取1～2 d時間間隔，甚至不需要時間間隔，夯完一遍后，將土推平，連續(xù)夯擊。本項目處于干旱少雨區(qū)，地下水在40 m以下，采用連續(xù)夯擊。

7 結(jié)束語

強夯法設(shè)備簡單、原理直觀、施工速度快、不添加特殊材料、造價低特點，是一種較好的、行之有效的地基處理方法，已廣泛應(yīng)用于高速公路軟弱地基的加固工程，值得推廣。強夯施工應(yīng)注重理論與實踐經(jīng)驗相結(jié)合，不能生搬硬套，一定要結(jié)合實際情況認真進行分析。提出科學合理的施工方案，制定恰當?shù)尿炇罩笜耍苊馊肆ξ锪Y源的浪費。

［1］公路路基施工技術(shù)規(guī)范(JTG F10-2006)［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范(GB 50025-2004)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.