真空降水聯(lián)合強(qiáng)夯法加固粉土路基的研究

彭中浩，陳永輝，陳 庚，高世虎，張婉璐

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京210098;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098)

目前，隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)往來(lái)的日益頻繁，在沿海沿江地區(qū)興建了大量的公路，這些公路的路基多處于軟土地區(qū)［1］。對(duì)于占地面積60% ～80%的公路、道路，如何經(jīng)濟(jì)、快速、高效地處理軟土路基將影響整個(gè)工程的造價(jià)、質(zhì)量和進(jìn)度［2］。真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯法作為一種飽和軟土地基的快速處理工法［3］，由于施工快速、造價(jià)低廉、節(jié)能環(huán)保、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展［4－5］。本文以紹興濱海新城新東線公路軟土路基工程為實(shí)例，結(jié)合真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯法，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及加固效果研究。

1 工程概況

本公路工程位于紹興濱海新城，西起臨江新城一號(hào)路，東至東區(qū)與余姚市交界處的規(guī)劃疏港公路，此公路為雙向八車(chē)道，路基處理寬度為53.5 m。且要求處理后的地基表層承載力特征值達(dá)140 kPa。

表1 土的物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 The physical and mechanical properties of soil

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，此工程位于沖擊平原，地勢(shì)低平，多分布有魚(yú)塘，場(chǎng)地淺層為厚層沖海積粉土層，局部夾粉砂，厚約20.10 m，狀態(tài)松散－中密，性質(zhì)較差，可能發(fā)生液化;深部為厚層海積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土層，流塑 －軟塑狀，厚約6.6 m，壓縮性高、性質(zhì)差。物理力學(xué)指標(biāo)如表1。固”的夯擊方式［8］。具體流程為:第一遍降水—第一遍強(qiáng)夯—第二遍降水—第二遍強(qiáng)夯—第三遍降水—第三遍強(qiáng)夯—滿夯。

2 試驗(yàn)方案

在進(jìn)行大面積真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯法加固處理之前，為分析此方法的適用性以及為大面積加固提供設(shè)計(jì)依據(jù)，選取50 m×60 m試驗(yàn)塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。地基處理的土層主要為去除表層植被后的原狀土層，要求處理后的地基承載力特征值滿足140 kPa。

真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯法，包括真空井點(diǎn)降水和強(qiáng)夯兩部分［6－7］，兩部分的試驗(yàn)參數(shù)選擇如下:

(1)真空降水環(huán)節(jié)，間隔設(shè)置深管和淺管，深管長(zhǎng)為 6 m，淺管長(zhǎng)為 3 m，間排距為 3.5 m×3.5 m。

(2)強(qiáng)夯擊密工序采用3遍點(diǎn)夯和1次滿夯。夯擊能分別為:第1遍，1 500 kN·m，3擊;第2遍，1 800 kN·m，4擊;第3遍，2 200 kN·m，4擊;滿夯，800 kN·m，2擊。

其中夯擊能E=m×g×h，m為夯錘重，h為夯錘提起高度。

點(diǎn)夯施工過(guò)程中，高真空強(qiáng)排水持續(xù)進(jìn)行。一遍強(qiáng)夯完成后，待孔隙水壓力消散80%以后進(jìn)行下一遍強(qiáng)夯。第一、二遍點(diǎn)夯實(shí)行跳夯，兩遍夯完后夯點(diǎn)間距3.5 m×3.5 m，第三遍點(diǎn)夯打在第一遍夯點(diǎn)上，對(duì)第一遍夯能進(jìn)行加強(qiáng)，滿夯搭接1/4錘直徑。三遍點(diǎn)夯的夯點(diǎn)布置圖如圖1所示。

真空井點(diǎn)降水和強(qiáng)夯擊密兩工序穿插進(jìn)行，并采用“先輕后重，逐級(jí)加能，少擊多遍，逐層加

3 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)分析的內(nèi)容包括場(chǎng)地孔隙水壓力變化、加固過(guò)程中水位變化以及每遍強(qiáng)夯后夯沉量?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與原位試驗(yàn)點(diǎn)位平面布置如圖2所示。

3.1 孔隙水壓力分析

為觀測(cè)土層在降水固結(jié)試驗(yàn)中孔隙水壓力消散情況，在場(chǎng)地中線布置5個(gè)孔壓觀測(cè)孔(KY1－KY5)，埋深分別為2、4、6、8、10 m。在距場(chǎng)地邊線20 m處布置1個(gè)孔壓觀測(cè)孔KY6，埋深4 m?？讐簭牡谝槐榻邓?，第二遍強(qiáng)夯前開(kāi)始監(jiān)測(cè)，歷時(shí)2周。并在群夯之前進(jìn)行單點(diǎn)點(diǎn)夯，分別距KY6為0、2、4、6 m 處進(jìn)行三次點(diǎn)夯，夯擊能為 1 500 kN·m，研究距夯點(diǎn)不同徑向距離超靜孔隙水壓力變化規(guī)律。

(1)圖3為在距KY6不同徑向距離處進(jìn)行點(diǎn)夯，超孔隙水壓力的變化規(guī)律，其中超靜孔隙水壓力值是由夯擊產(chǎn)生的孔隙水壓力與靜水壓力的差值。由圖可以看出，在距夯點(diǎn)不同距離處，埋深4 m的超孔隙水壓力值不同，隨徑向距離增大而減小，在距夯點(diǎn)7.5 m時(shí)，超孔隙水壓力值變化較小，可知點(diǎn)夯的徑向有效影響范圍可達(dá)7.5 m。

(2)圖4為真空降水聯(lián)合強(qiáng)夯加固過(guò)程中，觀測(cè)孔隙水壓力的變化曲線。由此曲線可以看出，隨著深度的增加，夯擊后孔壓變化減小，如圖中埋深8 m處的孔壓在夯擊時(shí)變化幅度明顯減緩，說(shuō)明夯擊效果隨著土層深度增加呈遞減趨勢(shì)。且由于粉土滲透性較好，每遍強(qiáng)夯后降水3～5 d，孔壓消散達(dá)80%以上。如埋深4 m處孔壓第一次夯擊后達(dá)44.6 kPa，最終消散為 8.1 kPa，孔壓消散約90%。且在降水到2 m以下時(shí)，由于真空作用，埋深2 m的孔壓將出現(xiàn)負(fù)值。

3.2 地下水位監(jiān)測(cè)

圖5給出了自降水預(yù)壓以來(lái)，包括前三次強(qiáng)夯階段地下水位降深s隨抽水時(shí)間t的變化規(guī)律。如圖所示，在真空強(qiáng)降水作用下，地下水呈階梯狀直線下降，3 d內(nèi)平均降至地表下3.2 m。在各個(gè)階段強(qiáng)夯期間，地下水會(huì)出現(xiàn)較明顯的回升，夯擊過(guò)程中水位回升峰值最大增量約為1.48 m。由于粉土滲透性較大，夯擊引起升高的地下水位回落速度很快。夯擊結(jié)束3～4 d后地下水位幾乎與施工前持平。圖中曲線較大波動(dòng)處是受強(qiáng)降雨天氣的影響。

3.3 夯沉量監(jiān)測(cè)

在每遍夯擊結(jié)束后，推平場(chǎng)地，按10 m×10 m網(wǎng)格對(duì)處理前和處理后的場(chǎng)地地面標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)取均值，求出每遍高真空擊密后的地表沉降值，結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 施工沉降監(jiān)測(cè)表Tab.2 Construction settlement monitoring table

由表2可以看出，經(jīng)真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯擊密后，試驗(yàn)區(qū)施工沉降可達(dá)68.5 m。夯沉量主要集中在第一遍和第二遍高真空擊密，其中第一遍擊密后地表沉降最大，占總沉降的44%，后面幾遍夯沉量逐級(jí)減小。

4 加固效果分析

為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)地基加固效果，在試驗(yàn)區(qū)完工后14 d進(jìn)行了靜力觸探試驗(yàn)和載荷板試驗(yàn)。

4.1 靜力觸探試驗(yàn)

在試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)布置3組靜力觸探試驗(yàn)，為便于各階段加固前后對(duì)比分析，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)處在加固前和每一遍強(qiáng)夯后均進(jìn)行了單橋靜力觸探試驗(yàn)。選取其中一組JT3進(jìn)行地基加固分析，得到第一遍擊密、第二遍擊密、滿夯處理后14 d的Ps值對(duì)比曲線，曲線如圖6所示。

由各階段夯擊后的靜力觸探Ps對(duì)比曲線可以得出以下規(guī)律:

(1)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)各階段真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯擊密處理后，試驗(yàn)區(qū)土層的Ps值都有大幅度的提高。第一遍強(qiáng)夯擊密處理后的Ps值相較于未處理之前的Ps值提高幅度最大，尤其在4 m深度范圍內(nèi)提高了2.1～3倍，因此真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯擊密可形成約4 m的較為良好的硬殼層。

(2)6 m深度范圍內(nèi)，每遍處理后土體強(qiáng)度都有比較明顯的增長(zhǎng)。第一遍強(qiáng)夯擊密處理后，接下來(lái)每遍處理使得Ps值提高1.2～1.5倍，處理完后的Ps值是處理前的3.8倍。6～8 m深度范圍內(nèi)，地基處理后的Ps值是地基處理前的1.6倍。說(shuō)明此次真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯試驗(yàn)的有效加固深度可達(dá)8 m。

強(qiáng)夯加固深度通常由修正的Menard公式計(jì)算:

式中H為加固深度，單位:m;M為夯錘重，單位:t;h為夯錘提升高度，單位:m。

第一遍夯擊能為1 500 kN·m，由靜力觸探結(jié)果可看出，有效加固深度約6.5 m，由上式計(jì)算修正系數(shù)α約取0.531。第二、三遍夯擊能分別為1 800 kN·m和2 200 kN·m，相應(yīng)的處理深度為7 ～7.2 m 和7.5～8 m，由修正的 Menard公式計(jì)算所得修正系數(shù)α為0.534～0.552。修正系數(shù)與土的含水率和地下水位有關(guān)，在當(dāng)前水位降深和施工參數(shù)下，此土層強(qiáng)夯加固深度的Menard修正系數(shù)可取0.53 ～0.55。

4.2 載荷板試驗(yàn)

為進(jìn)一步檢驗(yàn)加固后該路基的承載力情況，進(jìn)行載荷板試驗(yàn)。試驗(yàn)采用面積為1 m2的正方形厚鋼板，加荷最大值為300 kPa，加載級(jí)差為30 kPa，逐級(jí)等量加載，得到載荷板試驗(yàn)的P－S曲線如圖7所示。根據(jù)平板載荷試驗(yàn)要點(diǎn)［9－10］，并結(jié)合檢測(cè)結(jié)果P－S曲線圖，加載至最大荷載300 kPa，地基并未出現(xiàn)破壞，其承載力特征值不低于150 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。因此，粉土地基經(jīng)真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯法處理后，可得到有效加固，形成硬殼層，并且有利于消除工后沉降和不均勻沉降。

5 結(jié)論

1)真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯法運(yùn)用于深厚粉土公路軟基加固處理后，地基承載力和靜力觸探等指標(biāo)可以得到顯著提高。

2)真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯法運(yùn)用“壓差”主動(dòng)排水，大大縮短了施工工期。由于在強(qiáng)夯擊密施工過(guò)程中進(jìn)行持續(xù)真空排水，既起到了降水預(yù)壓的作用，又加速了因夯擊產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力的消散使得每遍夯后約3～4 d孔壓即消散80%以上，且水位降至3 m以下，達(dá)到進(jìn)行下一遍強(qiáng)夯施工的標(biāo)準(zhǔn)，提高工作效率。

3)強(qiáng)夯擊密間距和夯擊能對(duì)加固效果有影響，隨擊密間距的增大，加固效果減小。在本文試驗(yàn)方案的1 500 kN·m的夯擊能下，點(diǎn)夯的有效徑向影響范圍可達(dá)7.5 m，在施工中宜采用小間距擊密方案且夯點(diǎn)間距在7.5 m范圍內(nèi)為宜。

4)真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯法處理此深厚粉土路基的有效深度約8.0 m，紹興濱海地區(qū)此類(lèi)軟土路基有效加固深度的Menard修正系數(shù)為0.53～0.55，有效加固深度和地基承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。此方法處理后的軟基淺層可形成較良好的硬殼層，達(dá)到提高承載力效果。

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