強夯作用下地基超孔隙水壓力的變化規(guī)律現(xiàn)場試驗研究

宋修廣，岳紅亞，周志東，張宏博

(1.山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250061;2.山東省路基安全工程技術研究中心，山東濟南 250061)

強夯法是由法國工程師L.Menard于1969年提出的一種地基處理技術，在使用初始階段僅用于加固砂土和碎石土地基。強夯技術因其施工簡便、經(jīng)濟實用、效果顯著等特點在工程中得到了廣泛應用，中國于1978年引進該技術并在實際工程中予以研究，取得了豐富的經(jīng)驗，將其應用范圍擴大到了軟黏土［1-5］。

對于飽和土，孔隙中充滿水，這些水在穩(wěn)定狀態(tài)下有一個平衡的壓力，就是孔隙水壓力。根據(jù)太沙基提出的有效應力原理，孔隙水壓力=總應力σ－有效應力σ1，在總應力保持不變時，有效應力和孔隙水壓力可相互轉化。當土體受到外力擠壓，土中原有水壓力會上升，上升的這部分壓力就是超孔隙水壓力［6］。強夯作用機理就是利用夯錘強大的沖擊動能擠壓土體，使得上部土體結構產(chǎn)生破壞，形成裂隙，夯擊產(chǎn)生的超孔隙水壓力通過土體內(nèi)部裂隙形成排水通道慢慢消散，地基中的有效應力增加，土體強度提高，可壓縮性降低。因此，利用強夯法進行地基處理時，土體超孔隙水壓力消散的速度和程度在一定程度上反映了土體加固效果的好壞，而且超孔隙水壓力的消散速度還可用來控制強夯的間隔時間［7-11］。

本文以濟樂高速公路試驗區(qū)超孔隙水壓力為研究對象，分析強夯作用下地基中超孔隙水壓力的增長與消散規(guī)律，確定強夯的時間間隔和夯點間距等施工參數(shù)，為工程施工提供指導。

1 試驗區(qū)工程概況

工程場地地形較為平坦，地勢開闊，場地地層為第四系全新統(tǒng)沖積層)、第四系上更新統(tǒng)沖積層，巖性主要為粉土、黏土、粉質(zhì)黏土及粉細砂，地下水位約3.0 m。根據(jù)地質(zhì)年代、地層巖性、地基土的工程性質(zhì)將揭露地層分為7大層:①粉土。褐黃色，中密，濕，局部夾層狀的粉質(zhì)黏土，層厚1.50～5.25 m。②黏土。淺棕黃色～褐黃色，以可塑狀態(tài)為主，局部軟塑，該層土局部相變?yōu)榉圪|(zhì)黏土，濕，夾粉土薄層，層厚一般0.70～5.80 m。③粉土。褐黃色，中密～密實，濕～很濕，局部夾粉砂透鏡體和粉質(zhì)黏土夾層，層厚一般1.80～6.00 m。④粉質(zhì)黏土。黃褐～灰褐色，以可塑狀態(tài)為主，局部軟塑，該層土局部相變?yōu)轲ね?，很濕，夾粉土薄層。層厚一般1.50～5.30 m。⑤粉土。黃褐～灰褐色，中密～密實，以密實為主，很濕，局部夾黏土薄層，層厚一般0.55～5.20 m。⑥粉砂。褐黃～黃灰色，土質(zhì)均勻，中密，飽和，層厚一般0.70～6.90 m，層底埋深14.90～21.00 m，相應層底高程9.49～16.00 m。⑦粉土?；尹S、灰褐色，密實，局部為中密，很濕，局部相變?yōu)榉凵?。該層未揭穿，最大揭露厚?2.33 m。試驗區(qū)各土層物理力學指標見表1。

2 地基處理及超孔隙水壓力測點布置

試驗區(qū)長度約60 m，寬度為整個路基的寬度，在強夯區(qū)域以間距6 m按正方形由路中線向路兩側布置第一遍夯點位置，單點夯擊能1 500 kN·m。夯擊時由內(nèi)向外逐點夯擊，先夯擊路中線處的夯點，然后平行于路中線向路兩側分別夯擊，夯擊數(shù)8～12擊。根據(jù)孔隙水壓力計測定的超孔隙水壓力消散時間，在第1遍正方形中間進行第2遍夯擊，夯擊能為1 500 kN·m。強夯施工程序為:測量放線定位→表土清理→測量清表后高程→第1遍夯點布置→夯機就位開夯→場地平整→第2遍夯點布置→夯機就位開夯→場地平整→第3遍低能級滿夯→場地振動碾壓機壓實平整并測量平整后高程→施工質(zhì)量驗收→進入下一道施工工序。夯點布置見圖1。

表1 試驗區(qū)各土層物理力學指標

圖1 夯點布置(單位:m)

進行強夯試驗之前埋設孔隙水壓力計，16個孔隙水壓力計分別埋設在試驗區(qū)中間的一個橫斷面上?？紤]到試驗段地下水位埋深較淺(約3 m)，故最淺孔隙水壓力計埋深定為4 m，測點布置見圖2。

超孔隙水壓力的監(jiān)測應該貫穿整個夯擊過程，每擊夯完后，立刻對孔隙水壓力計進行讀數(shù)并記錄。在該點夯擊后 1，2，5，10，30 min，1 h 對孔隙水壓力計進行讀數(shù)并記錄。兩遍單點夯擊完成之后每隔1 d測量孔隙水壓力計的讀數(shù)并記錄，持續(xù)時間為10 d。

3 試驗結果與分析

3.1 有效加固深度的確定

圖2 孔隙水壓力計布置(單位:m)

強夯的影響深度和有效加固深度是兩個不同的概念。目前關于兩者尚無統(tǒng)一的說法。多數(shù)學者認為，影響深度指強夯法處理后的地基中土性指標有所變化的深度;有效加固深度指在正常的施工條件下，地基土的控制指標滿足設計要求的深度。在本次試驗中，強夯產(chǎn)生的超孔隙水壓力即為強夯引起的附加應力。一般來說，強夯的影響深度大于其有效加固深度，但目前有效加固深度的判別指標也尚不統(tǒng)一。本文按照強夯作用下產(chǎn)生的附加應力與自重應力比值為0.2處的深度來界定有效加固深度［12-14］。本文在監(jiān)測點1處進行了單點夯擊試驗，夯擊能為1 500 kN·m，連續(xù)夯擊12擊。夯擊過程中，每1擊夯完后，立刻對孔隙水壓力計進行讀數(shù)并記錄。超孔隙水壓力變化曲線見圖3。由圖可知，夯擊時在錘下8.5 m處仍有10 kPa左右的超孔隙水壓力，這就說明強夯產(chǎn)生的沖擊波能作用到錘下8.5 m處，而沖擊波作用的地方能引起土性指標的變化，表明強夯的影響深度超過8.5 m。經(jīng)計算，在夯擊能為1 500 kN·m時，強夯有效加固深度在6 m左右，與上述超孔隙水壓力變化規(guī)律相一致。

圖3 夯錘正下方不同深度處超孔隙水壓力隨夯擊次數(shù)的變化曲線

本試驗通過超孔隙水壓力變化規(guī)律獲得的有效加固深度為6 m左右，根據(jù)Menard公式，可推算出試驗區(qū)α=0.490，可為今后類似地質(zhì)條件下強夯的設計和施工提供參考。

3.2 超孔隙水壓力隨夯擊次數(shù)的變化規(guī)律

圖3表明，隨著夯擊次數(shù)的增加，強夯的巨大能量產(chǎn)生超孔隙水壓力。在單擊夯擊能1 500 kN·m作用下，埋深4.0～5.5 m的超孔隙水壓力隨著夯擊次數(shù)的增加而增加，且增加的幅度十分明顯，而埋深7.0～8.5 m的超孔隙水壓力增加幅度不明顯。

由圖4可見，隨著夯擊次數(shù)的增加，累計夯沉量逐漸增大;單擊夯沉量呈逐漸減小的趨勢。夯擊能量1 500 kN·m下，單點12擊平均每擊夯沉量為5.3 cm，最終夯沉量達到了64 cm;當擊數(shù)超過7次時，單擊夯沉量＜5 cm，說明土體已經(jīng)較密實，達到止夯要求［15］。個別點夯沉量出現(xiàn)波動可能是由于夯錘偏心所致。

圖4 夯沉量隨夯擊次數(shù)的變化曲線

3.3 超孔隙水壓力的徑向變化規(guī)律

圖5為單點夯試驗時錘下4 m深度處不同徑向距離處超孔隙水壓力的變化曲線?？梢钥闯觯趩螕艉粨裟? 500 kN·m作用下，錘下4 m深處距夯錘中心0～2 m的超孔隙水壓力隨著夯擊次數(shù)的增加而增加，且增幅明顯，而距夯錘中心4～6 m的超孔隙水壓力增幅不明顯。由此可見，1 500 kN·m的夯擊能徑向影響距離可達6 m，但徑向有效加固范圍在2～4 m。

圖5 不同徑向距離處超孔隙水壓力隨夯擊次數(shù)的變化曲線

由于距夯錘中心4～6 m的超孔隙水壓力增幅不明顯，而且設計要求夯點間距為6 m，因此可判定，在夯擊一點時，對相鄰夯點處的孔隙水壓力的影響很小，故相鄰夯點可以連續(xù)夯擊，而不必間隔跳夯。

3.4 地基超孔隙水壓力的消散規(guī)律

圖6為單點夯擊后夯錘正下方不同深度處超孔隙水壓力消散曲線?？梢?，單點夯擊完成后，超孔隙水壓力立即進入了消散的過程，由于單點夯只是對特定的夯點進行夯擊，強夯影響范圍小，所以超孔隙水壓力消散很快。深度越淺，超孔隙水壓力消散越明顯。夯后3 h超孔隙水壓力消散90%左右;夯后6 h超孔隙水壓力趨于穩(wěn)定;夯后24 h超孔隙水壓力基本消散。

圖6 不同深度處超孔隙水壓力消散曲線

4 強夯前后地基承載力對比

為檢測強夯加固效果，在夯前和夯后分別對試驗段進行了標準貫入試驗。通過貫入擊數(shù)來判定不同深度的密實度、壓縮性及地基承載力等有關指標，以判斷地基處理效果［16-18］。夯擊前后地基承載力試驗結果見圖7。

圖7 夯擊前后地基承載力對比

由圖7可見，在地表以下11.4 m范圍的地基承載力有所增強。7 m范圍內(nèi)地基承載力的提高比較明顯，最大可提高2倍以上，這也驗證了前述有效加固深度大約6 m的結論?？傮w來說，強夯加固效果明顯，在有效加固深度范圍內(nèi)地基承載力明顯提高。

5 結語

1)1 500 kN·m的夯擊能影響深度可達8.5 m，但有效加固深度在6 m左右，符合設計要求(有效加固深度＞5 m)，說明設計夯擊能是合理的。根據(jù)Menard公式，推算出試驗區(qū)有效加固深度系數(shù)為0.490，可為今后相同或類似地質(zhì)條件下強夯的設計和施工提供依據(jù)。

2)隨著夯擊次數(shù)的增加，超孔隙水壓力逐漸增大，在單擊夯擊能1 500 kN·m作用下埋深4.0～5.5 m超孔隙水壓力的增幅較埋深7.0～8.5 m明顯;點夯擊數(shù)超過7次時，單擊夯沉量＜5 cm，達到止夯要求。

3)1 500 kN·m的夯擊能最大徑向影響寬度可達6 m，但徑向有效加固寬度約為2～4 m。試驗地基單點夯擊時對相鄰夯點處孔隙水壓力的影響很小，相鄰夯點可以連續(xù)夯擊，不必間隔跳夯，說明設計的夯點間距合理。

4)單點夯后超孔隙水壓力6 h趨于穩(wěn)定，24 h基本消散。因此，建議類似條件的地基強夯間歇時間調(diào)整為24 h，但對于與試驗段差異較大的路段，在調(diào)整施工參數(shù)時還要考慮到特殊地質(zhì)條件、地下水位高度等因素。

5)強夯處理后有效加固深度范圍內(nèi)土體標貫擊數(shù)和地基承載力明顯提高，且淺層土體地基承載力增長更明顯，可提高2倍以上。

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