強夯法在加固公路路基中的應用探討*

李向群 李宗效 周 彬

(1:吉林建筑工程學院測繪與勘查工程學院，長春 130118;2:中元國際(長春)高新建筑設計院有限公司，長春 130012)

強夯法地基處理應用的領域非常大，涉及到電力、水利、港口碼頭及工民建等工程領域．特別針對位于湖泊和海洋下的軟弱地基亦試驗利用特殊工藝來強夯處理．目前，隨著現(xiàn)代科技的不斷進步，環(huán)境污染程度也逐漸加深，城市廢棄物和固體垃圾利用強夯法地基處理得到了解決．在城鎮(zhèn)處，人口較稠密的地方不適用強夯法，因強夯法在施工中震動大、噪音大等弊端所受限．

1 強夯法地基處理的原理

1．1 夯擊能的傳播原理［1］

強夯法地基處理的目的是在地基土內隨深度產生性狀相異的3個區(qū)域:

(1)彈性區(qū)． 地基土在加固區(qū)之下的埋深內，并不發(fā)生塑性變形，是因為沖擊能慢慢減弱，所以對其產生不了加固;

(2)加固區(qū)． 地基土在基表松動區(qū)之下一定埋深內，發(fā)生了體積減小的現(xiàn)象和地基表面下沉的現(xiàn)象，其是受到波中的體波影響所造成的;

(3)基表松動區(qū)． 動力置換加固地基、動力夯實加固地基和動力固結加固地基3種是強夯法地基處理的原理以作用和加固機理的角度、地基土層的種類不同來劃分的，破壞地基土的天然構造且形成新的穩(wěn)定平衡為動力置換加固地基、動力夯實加固地基和動力固結加固地基的相同特征．

1．1．1 動力置換加固地基

在動力置換加固地基時，由于飽和粘性土的滲透系數(shù)不高，孔隙水壓力不能馬上流失，其構造極易破壞，此時位于夯坑邊緣的地基土會凸起，其體積無顯著降低現(xiàn)象，所以動力置換加固地基的成效并不十分良好，也有可能形成“橡皮土”．影響飽和粘性土動力置換加固地基成效的關鍵要素是地基土滲透系數(shù)的大小與夯擊能的高低，可與地基土中用透水型土工織物長袋裝的砂礫石等方法來改變地基土的滲透系數(shù)，然后實施動力置換加固地基，這時其原理與動力固結加固地基相仿．亦適選取動力置換加固地基．

1．1．2 動力夯實加固地基

滲透系數(shù)大的非飽和粗粒土在動力夯實加固地基時，因在地基土內傳遞的夯擊能形成的動應力與沖擊能強大，逼迫非飽和粗粒土的顆粒形成瞬時的相對位移或令其顆粒破壞，以致令地基土中孔隙內的氣體被壓縮或快速逸出(地基土中孔隙縮小體積)，這時便成為更加致密的土體結構．

1．1．3 動力固結加固地基

針對強夯法加固粘性土，因在地基土內傳遞的夯擊能形成的動應力與沖擊波havok強大，從而破壞地基土原來的構造，令地基土部分形成液化，形成若干裂隙，更加便于孔隙水排出．超孔隙水流失后，地基土便固結，于是粘性土在動力固結中的強度和觸變性獲得了加強．

1．2 強夯法的時間效應理論［2］

強夯使地基土的構造破碎，使其承載力基本為0．地基土的變形模量與抗剪強度顯著增強是伴隨著孔隙水壓力的降低產生的(見圖1)，因為新形成的水化膜慢慢穩(wěn)定和地基土的顆粒之間密切接觸，促使地基土的抗剪強度在孔隙水壓力全部外排后依然能得到一定程度的增強．據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，所得到地基土的變形模量在強夯后180d左右比30d左右時上升29．5% ～79．5%，地基土的抗剪強度上升19．5% ～29．5%．由此，結合水大約需要幾個月的時間來慢慢穩(wěn)定．當?shù)鼗撂幱谟|變恢復時期，其的沉降量不會很大(0．9%以內)．當強夯施工結束30d左右來實行質檢環(huán)節(jié)最為合適，是因為參考了強夯法的時間效應因素．

圖1 強夯法加固中地基土的抗剪強度和時間的關系曲線

1．3 強夯法振動波的壓密理論

把機械能先轉變成勢能，然后勢能轉變成動能，最后在地基土中作用的過程是強夯法加固的特征．當重錘作自由落體運動下落與地基土表層相互接觸的剎那，地基土體便由于夯擊而發(fā)生劇烈的振動，從而形成由震源向周圍傳遞的振動波．當強大的沖擊波施加于地基土(將地基土視為彈塑性土體)時，在連續(xù)的介質內，質點振動且其振動能量能傳達到周邊的其他介質，并帶動周邊的其他介質振動．此振動流程所產生的波按其特征與性狀具體劃分成體波與面波．

體波包括壓縮波與剪切波，強夯加固是以體波影響為主．壓縮波是從震源向四周傳播的．在壓縮波中，波前進的方向和質點振動的方向相同，體積也會產生相應的轉變．通常情況下，其振幅低、周期短;剪切波也是從震源向四周傳播的．在剪切波中，波前進的方向和質點振動的方向是互成90°垂直的，體積保持不變．通常情況下，其振幅高、周期大．

在理論上，壓縮波的傳遞速度和剪切波的傳遞速度可應用以下兩式進行分析．

式中，Vp為縱波速度，m/s;Vs為橫波速度，m/s;E為介質彈性模量，kPa;G為剪切模量，kPa;ρ為介質密度，kN/m3;μ為介質泊松比．

當利用強夯法進行加固壓密地基土過程中，地基土受到強大的夯擊能量，從而使地基土出現(xiàn)側向擠壓與剪切壓縮．通常情況下，地基土的擾動松弛區(qū)在0～0．6m左右;地基土的壓密加固區(qū)在0．6m～4．9m左右．

重錘作自由落體運動下落與土體(把土體看作彈性半空間體)相互接觸的剎那，此時動能的轉化形式有3種:①局部動能轉變?yōu)闊崮?地基表層和重錘撞擊產生的);②局部動能轉變?yōu)槁暡ǘ蛑車鷤鞑?③剩下的大量動能轉變?yōu)橐员砻娌āM波、縱波3種形式的能量來提供給地基土自由振動．

通常情況下，土體是由固相、液相和氣相三相所組成的不均質層狀構造體．當錘擊地基表層的剎那，能量從土體中的一個彈性介質傳遞到另一個彈性介質中，此時其產生了強夯加固的效果，并且能量可以返回到原始的彈性介質中去，其提供地基表層土松動所需的能量．

填方土層在強夯法加固中，填方土層被沖擊波剎那壓縮而壓密且使地基土的承載力增強．因地基土的顆粒產生相對運動并重整羅列，其縫隙間的氣體擠出．通過強夯法加固，地基土變成最密實狀態(tài)，孔隙率顯著降低．

2 主要施工參數(shù)的選擇

2．1 單擊夯擊能的確定——有效加固深度的確定

憑數(shù)值模擬分析得到的相關數(shù)據(jù)或場地夯擊實驗資料來總結出強夯法的有效加固深度，亦能通過計算來求得:

其中，H為有效加固深度，m;W為錘重，kN;h為重錘的落距差，m;α為土體修正后的系數(shù)，根據(jù)各地區(qū)土質狀況的不同而有差異．

《地基處理規(guī)范》［3］中表明，當處理土層的地區(qū)經驗不足或場地夯擊實驗數(shù)據(jù)缺失時，可按表1預估．

表1 強夯法的有效加固深度(m)

2．2 夯擊能的分類

強夯時，當?shù)鼗谐霈F(xiàn)的孔隙水壓力達到上覆土層自重壓力時，此時對應的夯擊能為最佳夯擊能，夯擊能包括單位夯擊能與單擊夯擊能兩種．

2．3 確定強夯擊數(shù)

強夯擊數(shù)的確定是強夯試驗的關鍵數(shù)據(jù)．通常情況下，強夯擊數(shù)先通過試夯初步判斷，再通過夯沉量和試夯取得的強夯擊數(shù)相關曲線來斷定，還應符合以下內容:

(1)不能在夯坑較大時，出現(xiàn)提起夯錘不便的現(xiàn)象;

(2)最終2擊的夯沉量均值應小于以下數(shù)據(jù):單擊夯擊能不小于5 900kN/m時為200mm;單擊夯擊能是3 900kN/m～5 900kN/m時為100mm;單擊夯擊能不大于3 900kN/m時為50mm;

(3)夯坑四周的地面表層土體不能產生過大的凸起．

2．4 強夯次數(shù)的確定

強夯次數(shù)可憑土體的性狀來推斷，利用點夯2～3次，由于細顆粒土的滲透系數(shù)小，強夯次數(shù)應略微提高．最終兩擊應用質量小的夯錘以小夯擊能多遍數(shù)夯擊．

在具體試驗中，泥炭和粘性土的強夯次數(shù)一般是4～7遍;砂質土、砂礫與碎石土一般是3～4遍．最終利用小夯擊能夯擊一次，將地層表面附近的地基壓密夯實．

2．5 強夯夯擊的時間間隔

地基土內超孔隙水壓力的排擠時間決定時間間隔，兩遍強夯夯擊需存在間隔時間．場地夯擊試驗數(shù)據(jù)缺失時，能通過土體的滲透系數(shù)來推斷，滲透系數(shù)大的土層適合持續(xù)強夯;粘性土層的滲透系數(shù)小，其時間間隔需大于20d～30d．

2．6 強夯夯擊點設置

憑借構筑物的構造種類并利用長方形或三角形設置強夯夯擊點的部位．兩強夯夯擊點的距離約為4．5m～10m，此后各次兩強夯夯擊點的距離同前一次一樣，亦能略微縮短．單擊夯擊能略高的土體或地基處理埋深略大的地基，首次夯擊的兩強夯夯擊點的距離應略微提高．

2．7 強夯加固的作用范圍

強夯加固地基處理作用的范圍最好不小于構筑物基礎的范圍，且所有邊緣是地基底部以下埋深的0．5～0．66倍且超過3m或需大于構筑物基礎外邊緣的寬度．

3 強夯法實例

3．1 強夯法實例情況

長吉高速公路中某一級汽車專用公路，其里程為83．555km．此高速的行車道路面及其兩側路肩寬度之和是19．5m．此高速全程的地層巖性分布較復雜．粉質粘土層厚0．9m～12．5m．土體的壓縮系數(shù)大，含水率很高，故利用強夯法加固此高速K111+14～K111+70段地基土路基．

3．2 地基土性狀和路段地質概況

此高速公路的表層是粉質黏土組成的，黏土層和粉土層依次分布在粉質黏土層之下．地基土層較均勻，土質濕度較低，密實度偏低，粒徑級配良好．表2為此高速Klll+14～Klll+70段土質的物理性質相關數(shù)據(jù)．

表2 長吉高速K111+14～K111+70段土質的物理性質相關數(shù)據(jù)

4 強夯加固公路路基實驗探究

因長吉高速Klll+14～Klll+70段粉質粘土層的壓縮系數(shù)較大，我們通過現(xiàn)場試驗獲得一些土體夯沉量的測量數(shù)據(jù)(見表3)．處理此路段應先利用強夯法以3，5和7擊加固此高速路段［4］(試夯后，以每個夯點7擊加固)．則經過試驗，可得到如下結果(見表4)．

表3 土體夯沉量的試驗測量數(shù)據(jù)

通過表3分析得，利用所有夯點最終2擊在地基土中用重力擊打貫入體時，貫入體進入土體中的深度的均值不大于5．0cm和夯沉量的均值不小于50cm來為強夯質量所控制是可以的．故位于此路段之外的路段以每個夯點7擊加固可符合規(guī)范要求．

表4 利用靜力觸探方法測試得到的夯擊前后的數(shù)據(jù)結果

通過表3和表4分析得，地基土層被強夯處理后壓密而引起的地基表面下沉量明顯降低，地基土體所能承受荷載的能力被強夯處理后明顯增強．

5 結語

強夯高效、迅速和經濟的地基處理方法正得到越來越多的應用，本文得出以下結論:

(1)此道路路基通過強夯加固處理后，利用所有夯點最終2擊在地基土中用重力擊打貫入體時，貫入體進入土體中的深度的均值不大于5．0cm～6．0cm和夯沉量的均值不小于50cm～60cm來為強夯質量所控制是可以的．地基土層被強夯處理后壓密而引起的地基表面下沉量明顯降低，地基土體所能承受荷載的能力被強夯處理后明顯增強;

(2)地基土產生固結、地基土部分液化、地基土的壓實作用和孔隙水的外排是強夯加固土體的重要作用原理．在強夯加固土體里，地基土產生固結、地基土部分液化、地基土的壓實作用和孔隙水的外排同時作用．

［1］張慶國，畢秀麗．強夯法加固機理與應用［M］．山東:科技出版社，2003:2-5．

［2］李向群，王巖松．強夯法處理雜填土實例［J］．工程勘查，2003(3):38-39．

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部．建筑地基處理技術規(guī)范(JGJ79-2002)［S］．北京:中國計劃出版社，1998．

［4］譚永樂．高速公路路基強夯技術施工質量控制指標的研究［M］．濟南:山東大學出版社，2007:40-45．