碎石土回填鐵路路基強夯試驗研究

朱洪濤，范瑩瑩，趙 錦

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

?

碎石土回填鐵路路基強夯試驗研究

朱洪濤，范瑩瑩，趙 錦

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

對碎石土回填鐵路路基強夯工程，開展孔隙水壓力、變形監(jiān)測及測量，研究強夯對碎石土路基的夯點間距、影響深度、最佳夯擊次數(shù)等相關參數(shù)，結合研究結果，得出用于指導本工程地基處理大面積施工參數(shù)，同時供本地區(qū)類似工程項目的設計與施工借鑒和參考。

強夯法；碎石土；孔隙水壓力；地面變形

引 言

錦州港區(qū)某鐵路站場區(qū)陸域由陸上回填碎石土形成，長度約2.8 km，均為填海路堤。由于鐵路路基填方體的工后沉降、強度、密實度及施工費用將是整個工程建設的重要制約因素，同時也是工程建設成敗的關鍵。因此，填料壓實的處理方法及施工工藝就顯得至關重要。強夯法作為地基處理的一種方法，適用于碎石土、砂土、素填土和雜填土等地基，由于其加固效果明顯、施工簡單等優(yōu)點得到了廣泛應用［1～3］。在進行強夯試驗時，孔隙水壓力及變形監(jiān)測為必不可少的監(jiān)測手段，利用它可以確定強夯最佳夯擊能量、夯點間距、點夯間歇時間以及強夯有效加固深度等重要參數(shù)。

1 工程地質(zhì)概況

擬建工程場地地形相對平坦，地面高程約4.99～5.36 m，場地自上而下主要為：素填土（碎石）、砂混淤泥、粉質(zhì)粘土及中粗砂。各土層特征分別描述如下：素填土（碎石）以碎石為主，一般上部稍密～中密狀，下部呈松散狀，碎石含量約占50 %～70 %，粒徑一般為2～8 cm，最大約10 cm，充填物以粗砂礫為主，厚度約5.7～6.7 m；砂混淤泥呈軟塑狀，以中砂為主，混淤泥質(zhì)土，土質(zhì)不均，厚度約0.8～2.0 m；粉質(zhì)粘土為軟塑～可塑狀，混有大量中粗砂粒，夾粉土團，厚度0.8～3.4 m。中粗砂以中密為主，局部呈密實狀。

2 強夯施工試驗方案

試驗區(qū)強夯設計點夯2遍，滿夯2遍，點夯單擊夯擊能要求為 2 500 kN·m，夯點間距為 5 m× 5 m，夯錘直徑選2.3 m左右，錘重在215 kN左右，落距為11.9 m；每遍夯完后，待孔隙水壓力消散后（消散75 %以上），再進行下一遍夯擊。點夯完成后推平場地，滿夯兩遍，滿夯單擊夯擊能600 kN·m，錘印相互搭接1/4錘底面積。滿夯施工完成后，其上再用振動力200 kN的振動壓路機碾壓6～8遍。強夯完成后要求鐵路路基基床（厚度1.9 m）地基承載力特征值不小于 180 kPa，路基基床底層以下地基承載特征值不小于150 kPa。

圖1　試驗區(qū)夯點布置

3 強夯施工監(jiān)測及結果分析

對夯坑周圍地表豎向變形、土體水平位移以及孔隙水壓力的累計增長等情況進行監(jiān)測，通過獲得的數(shù)據(jù)分析來確定強夯施工的最佳強夯參數(shù)及施工工藝。

3.1 夯擊能影響距離

將同一深度測點的孔隙水壓力（△u）與該處距離夯點中心的遠近作關系曲線，得到孔隙水壓力與距離關系曲線（圖2、圖3），對夯擊過程中的水平加固范圍進行研究。根據(jù)數(shù)據(jù)表明：孔隙水壓力隨水平距離增加迅速衰減，這與強夯時沖擊波在土體中衰減規(guī)律相似，距離夯點中心5.5 m處孔隙水壓力值約為夯點附近最大值的 80 %，距離夯點中心7.5 m處僅為34 %。

圖2　水平距離與△u關系曲線（第一遍點夯）

圖3　水平距離與△u關系曲線（第二遍點夯）

點夯進行中每擊實測夯錘底面夯沉量，同時對夯坑周邊進行凹陷及隆起的變形測量，具體結果的關系曲線見圖 4，結果表明，在點夯過程中，靠近夯點中心4個觀測點下沉顯著，遠離夯錘各點下沉逐漸減小，在大于5.5 m測點下沉不明顯；同時夯擊過程中未發(fā)生隆起，表明夯擊能量的利用率較高，有效夯實系數(shù)較大。綜合考慮孔隙水壓力監(jiān)測及夯坑變形測量結果，夯點在水平方向上的影響距離4.5～5.5 m，設計點夯間距5.0 m合理。

圖4　豎向變形與夯點距離關系曲線

3.2 夯擊能的有效影響深度

將同一測點不同深度范圍孔隙水壓力（△u）與地面高程作關系曲線，得到孔隙水壓力與深度關系（圖5、圖6），對試驗區(qū)強夯影響深度進行分析，可以看出，孔隙水壓力增量在深度方向分布相差較大，在-1.5 m處出現(xiàn)拐點，之后衰減迅速，深層（大于-3.0 m）的孔隙水壓力相對較低，此時在-3.0 m處孔隙水壓力僅為-1.5 m處的20 %～50 %，在設計夯擊能下，加固影響深度約在-1.5～-3.0 m之間，此高程之下土層的受強夯影響在迅速減弱，加固強度與效果也相應減弱。

圖5　影響深度與△u關系曲線（第一遍點夯）

圖6　影響深度與△u關系曲線（第二遍點夯）

有研究認為［4］，孔隙水壓力大小為自重應力的20 %點處深度為強夯有效影響深度，由此定義，在此夯擊能下，剔除個別差異較大數(shù)據(jù)，在高程-1.5 m處孔隙水壓力為19.9～29.6 kPa，此處自重應力約為126 kPa，占16 %～23 %。

根據(jù)監(jiān)測成果及以上計算綜合判定，有效加固深度分布在6.5～7.0 m之間。

3.3 最佳夯擊擊數(shù)

將孔隙水壓力（△u）與夯擊次數(shù)作關系曲線，如圖7、圖8所示，隨著夯擊次數(shù)的增加，碎石填筑體密實度的增加，不同深度孔壓增量也逐漸增大，尤其是在前3擊增加效果顯著，但是隨著夯擊次數(shù)（8擊以后）的繼續(xù)增加，相臨兩擊孔隙水壓力累計增量迅速減小，趨于穩(wěn)定，增加夯擊次數(shù)對提高加固深度的作用逐漸減弱。同時，由于第一遍夯擊后地基中形成的豎向裂縫，在第二遍夯擊時起到了一定的降壓作用，第一遍夯擊時孔隙水壓力積聚的水平明顯高于第二遍夯擊，這一現(xiàn)象說明，一遍點夯后土層顆粒間密實性增大，二遍點夯時的能量主要作用于土層顆粒間而不是用于增加孔隙水壓力。

圖7　夯擊次數(shù)與△u關系曲線（第一遍點夯）

圖8　夯擊次數(shù)與△u關系曲線（第二遍點夯）

圖9　單擊夯沉量與夯擊次數(shù)關系曲線

將單點單擊夯沉量與單點試驗夯擊次數(shù)作關系曲線，如圖9所示，夯沉量第一擊最大，隨著夯擊次數(shù)的增加，同一位置處的動應力不斷增大，3～5擊后土體動應力趨于穩(wěn)定，夯錘下土體的夯沉量也不斷增加并在7～10擊后趨于穩(wěn)定，說明土體得到了壓密，加固深度也有所增長，但增長幅度不大。

隨擊數(shù)增加，錘底淺部地基土因密實度增加而越來越難以密實，夯擊能將很大程度上消耗在淺部地基土的進一步壓縮上，一部分也將因為淺部硬層的徑向擴散而不能傳遞到深部土層中去，在 14擊以后單擊夯沉量基本均在50 mm以下，在其他條件不變的情況下，片面地增加夯擊次數(shù)來提高強夯加固深度的做法是不合理的，在滿足工程要求的前提下存在一個最優(yōu)夯擊次數(shù)。

根據(jù)關系曲線，取曲線趨于平緩的拐點所對應的累積夯擊擊數(shù)，同時結合單點夯擊能試驗的夯擊擊數(shù)與孔隙水壓力的變化規(guī)律，綜合分析后，確定最佳夯擊夯擊次數(shù)為：第一遍點夯最佳夯擊擊數(shù)10～13擊，第二遍點夯最佳夯擊擊數(shù)10～12擊。

3.4 地面沉降及加固效果

根據(jù)強夯前后地面高程測量結果（表1），最終地面夯沉量為0.66 m。

表1　地表總夯沉量監(jiān)測

強夯結束 14天以后，進行動力觸探或標貫及載荷板檢測，將檢測結果與強夯前土體進行對比，見表2。表層0～3 m范圍內(nèi)N63.5大于6擊，土體密實度達到中密以上，交工面0～2 m范圍內(nèi)地基承載力特征值不小于180 kPa，2 m以下地基承載力特征值不小于150 kPa，處理效果滿足設計要求。

表2　強夯試驗前后力學指標對比

4 結 論

本文結合工程實例，對填海碎石土鐵路地基開展強夯試驗研究，通過對試驗區(qū)監(jiān)測資料的綜合分析，為本地區(qū)該類回填土地基處理施工方案及提供參考。

1）2 500 kN·m強夯夯點間距：對于碎石土回填地基，夯點間距5.0 m×5.0 m布置是適宜的。

2）2 500 kN·m強夯最佳夯擊次數(shù)：對于碎石土回填地基，結合根據(jù)孔隙水壓力分析、夯坑沉降量及設計終錘標準，第一遍夯的最佳夯擊擊數(shù)10～13擊；第二遍夯的最佳夯擊擊數(shù)為10～12擊。

3）2 500 kN·m強夯有效影響深度：對孔隙水壓力隨深度的變化規(guī)律綜合分析，試驗區(qū)在設計單擊夯擊能量下，其強夯的有效影響深度約 6.5～7.0 m。

［1]JGJ79-2012 建筑地基處理技術規(guī)范［S］. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

［2]曾國熙， 盧肇鈞， 蔣國澄， 等. 地基處理手冊: 2版［M］.北京: 中國建筑工業(yè)出版社， 2000.

［3]高政國， 杜雨龍， 黃曉波， 等. 碎石填筑場地強夯加固機制及施工工藝［J］. 巖石力學與工程學報， 2013， 2: 377-383.

［4]周榮官， 何開勝， 陳金昌. 強夯試驗中孔壓的作用［J］.水運工程， 2005， 10: 70-73.

Research on Dynamic Compaction Test of Railway Bed Backfilled with Crushed Stone Soil

Zhu Hongtao， Fan Yingying， Zhao Jin
（CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China）

The pore water pressure and ground deformation are monitored and measured in the dynamic compaction project of railway bed backfilled with crushed stone soil. Some parameters obtained during the dynamic compaction are studied， i.e. the spacing between two tamping points， impact depth and the optimum tamping times etc. The research results produce the large-size construction parameters for guiding the foundation treatment of the project， which may serve as

for the design and construction of local projects.

dynamic compaction； crushed stone soil； pore water pressure； ground deformation

TU472.3+1

A

1004-9592（2016）03-0087-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160322

2015-12-16

朱洪濤（1983-），男，工程師，主要從事港口地基處理及堆場道路設計工作。