強(qiáng)夯法在濕陷性黃土地基處理中的實(shí)際應(yīng)用

曾 祥 玉

(陜西通宇公路研究所有限公司，陜西 西安 710064)

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強(qiáng)夯法在濕陷性黃土地基處理中的實(shí)際應(yīng)用

曾 祥 玉

(陜西通宇公路研究所有限公司，陜西 西安 710064)

介紹了濕陷性黃土的機(jī)理，依托國(guó)內(nèi)外已有研究成果，并結(jié)合韋羅高速公路施工和設(shè)計(jì)過(guò)程中的實(shí)際情況,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了強(qiáng)夯法對(duì)韋羅高速公路的適用性,同時(shí)分析了強(qiáng)夯法的施工參數(shù)及施工工藝，以達(dá)到預(yù)期的處理效果。

濕陷性黃土，強(qiáng)夯法，地基，承載力

0 引言

濕陷性黃土是一種黃色粉狀土，在自重應(yīng)力及附加應(yīng)力作用下，受地表水或地下水浸濕后，土質(zhì)發(fā)生形變，強(qiáng)度隨之迅速降低。項(xiàng)目所在地黃土為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，具Ⅱ級(jí)～Ⅲ級(jí)濕陷性,根據(jù)物理性質(zhì)，濕陷性分為非自重濕陷性和自重濕陷性兩種。雖然各地區(qū)黃土受自然條件的影響較大，土質(zhì)各有不同，但總體具有結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育等特點(diǎn)，成分主要為粉土顆粒，而粉土顆粒中又以粗粉土顆粒為多，粘土顆粒較少，夾雜部分細(xì)砂顆粒，同時(shí)含有多種礦物成分及水溶鹽。在未受水浸濕時(shí)，一般強(qiáng)度較高，壓縮性較小。當(dāng)在一定壓力下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)會(huì)迅速破壞，產(chǎn)生較大附加下沉，強(qiáng)度迅速降低。在天然孔隙比和含水量不變的情況下，隨著壓力的增大，黃土的濕陷量增加，但當(dāng)壓力超過(guò)某一數(shù)值后，再增加壓力，濕陷性反而減少。

濕陷性黃土地基處理的目的主要是通過(guò)消除黃土的濕陷性，提高地基的承載力。目前，在濕陷性黃土處置過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外最常用的幾種方法為換填墊層法、土樁擠密法、強(qiáng)夯法、樁基礎(chǔ)、重錘夯實(shí)法、預(yù)浸水法等，工作機(jī)理是破壞濕陷性黃土的孔隙結(jié)構(gòu)， 以便全部或部分消除地基的濕陷性。

各種方法各有其利弊，濕陷性黃土地區(qū)工程重中之重便是“因地制宜，適時(shí)處治”。

1 設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)濕陷性黃土地基處理方式的選擇

韋羅高速公路位于陜西省關(guān)中平原東部，是榆(林)商(州)線高速公路的重要組成段落,采用雙向四車道高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h。韋羅高速全線可劃分為兩個(gè)工程地質(zhì)分區(qū)：黃土臺(tái)塬區(qū)和沖積平原區(qū)。處理地段多處于黃土臺(tái)塬區(qū)。

韋羅高速公路線位位于《中國(guó)濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)略圖》Ⅲ4區(qū)——關(guān)中地區(qū)。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)中更新世(Q2)離石組黃土的上層及上更新世(Q3)馬蘭組黃土、晚更新世(Q4)黃土狀土均具有濕陷性，主要分布于線路北部黃土臺(tái)塬和渭河兩岸高階地上。濕陷性黃土路段，大多集中在K13+850～K32+800段,黃土濕陷性較大，濕陷系數(shù)在0.015以上，且隨著深度的增加濕陷等級(jí)呈有規(guī)律的變化，一般地表至10.0 m深處濕陷性最大，濕陷系數(shù)達(dá)0.20；10.0 m～15.3 m之間的濕陷系數(shù)為0.03～0.01；15 m以下介于0.15～0.03。此段內(nèi)黃土層厚度為10 m～25 m，多具Ⅱ級(jí)～Ⅲ級(jí)自重濕陷性，對(duì)路基有較大影響。

對(duì)黃土路段如何進(jìn)行處置，是否需要進(jìn)行強(qiáng)夯處理，采取何種處理工藝更符合項(xiàng)目區(qū)的特點(diǎn)，以及處理效果和檢測(cè)技術(shù)問(wèn)題，都一直備受爭(zhēng)議。

通過(guò)多次方案研討會(huì)和設(shè)計(jì)論證，并根據(jù)已有土工資料和施工技術(shù)條件，結(jié)合國(guó)內(nèi)外同等道路條件的施工經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)參數(shù)，確定項(xiàng)目處理方式為：重夯法、強(qiáng)夯法和灰土擠密樁相結(jié)合的方式進(jìn)行地基處理。

2 強(qiáng)夯法的特點(diǎn)

強(qiáng)夯法又稱動(dòng)力固結(jié)法，通過(guò)一般8 t～35 t的重錘和8阻～20阻的落距，錘底靜壓力27 kPa,反復(fù)對(duì)地基土施加很大的沖擊能，一般能量為1 000 kN·m～8 000 kN·m，因巨大的沖擊力使土體遭受沖擊破壞，并產(chǎn)生較大的瞬時(shí)沉降，夯錘底部土形成土塞向下運(yùn)動(dòng)。因錘底面下土中壓力超過(guò)土強(qiáng)度使得土結(jié)構(gòu)破壞，從而使土軟化、側(cè)壓力系數(shù)上升，使土不僅被豎向壓密而且被側(cè)向擠密。巨大的沖擊能量在土中產(chǎn)生很大的應(yīng)力波，氣體體積壓縮，孔壓增大，隨后氣體有所膨脹，孔隙水排出的同時(shí)，孔壓就減少。破壞了土體原有的結(jié)構(gòu)，土體中氣體體積百分比為零時(shí)，就變成不可壓縮的。相應(yīng)于孔隙水壓力上升到覆蓋壓力相等的能量級(jí)，土體即產(chǎn)生液化并出現(xiàn)許多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水順利溢出，待超孔隙水壓力消散到小于顆粒間的側(cè)向壓力時(shí)，土體固結(jié)。繼而因粘性土的觸變性，使土基的強(qiáng)度得到恢復(fù)和增強(qiáng)。強(qiáng)夯法面世之初，僅用來(lái)加固砂土和碎石土地基，20多年的發(fā)展使得它已適用于碎石土、砂土、濕陷性黃土、雜填土、素填土等地基的處理，現(xiàn)廣泛地被應(yīng)用于工民建、公路、鐵路路基等地基處理工程。

3 研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線

基于目前國(guó)內(nèi)濕陷性黃土研究成果，依托韋羅高速公路項(xiàng)目，對(duì)實(shí)際施工中技術(shù)方案、施工工藝以及處理效果等問(wèn)題開展試驗(yàn)比較。

項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容為：

1)依托已有公路工程濕陷性黃土研究成果，探討其對(duì)韋羅高速公路工程適用與否。

2)高等級(jí)公路濕陷性黃土地基不同處理方法及工藝等。

3)依據(jù)巖或土分別統(tǒng)計(jì)含水量、容重(干容重)、孔隙比、液塑限、塑性指數(shù)、粒徑、抗剪強(qiáng)度、壓縮系數(shù)、壓縮模量、固結(jié)系數(shù)、膨脹率及原位測(cè)試成果等。

4)研究不同施工方法處理濕陷性黃土地基的施工工藝、關(guān)鍵技術(shù)及評(píng)定指標(biāo)。

研究工作的技術(shù)路線為：

根據(jù)韋羅項(xiàng)目濕陷性黃土地基實(shí)際情況以及影響深度，分別采用重夯、強(qiáng)夯、灰土擠密樁等三種方法對(duì)地基進(jìn)行處理效果的測(cè)試。

4 強(qiáng)夯試驗(yàn)

表1 地基土物理性質(zhì)

試驗(yàn)參數(shù)如下：

1)夯錘。

直徑2.5 m，重量10 t，強(qiáng)夯夯擊能為1 200 kN·m，滿夯夯擊能為600 kN·m。

2)夯擊點(diǎn)布置。

點(diǎn)夯時(shí)，采用梅花樁形布置，行距4 m，排距4 m；滿夯時(shí)，夯點(diǎn)間距4 m，重疊1/4間距。

3)夯擊遍數(shù)。

點(diǎn)夯每點(diǎn)每遍6下，共3遍，隔行夯擊。

試夯區(qū)點(diǎn)夯分2遍完成，隔點(diǎn)不隔行，點(diǎn)擊擊數(shù)一次完成，滿夯分2遍完成。

5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯處理后土體干密度明顯增大，濕陷系數(shù)顯著減小，地基土的孔隙比顯著減小，地基土體從而變得較為密實(shí)。夯擊后通過(guò)靜載試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)灌入試驗(yàn)，對(duì)土基的承載力、壓縮模量、有效加固深度、濕陷性等指標(biāo)進(jìn)行樣體檢測(cè)。夯后地基土的物理性質(zhì)見表2。

表2 夯后地基土物理性質(zhì)

夯擊前后，分別取地基中不同深度位置土體，干密度變化較明顯，單次夯擊能量大，并可以通過(guò)控制夯擊點(diǎn)，密度及夯擊方式，使地基深層得到加固，不同位置干密度變化趨勢(shì)如圖1所示。

夯擊前后，分別取地基中不同深度位置土體，發(fā)現(xiàn)濕陷性系數(shù)

得到不同程度的改善，經(jīng)強(qiáng)夯加固后，可消除不均勻沉降。不同深度黃土土體濕陷性系數(shù)變化如圖2所示。

6 強(qiáng)夯試驗(yàn)分析

根據(jù)各試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)如下：

1)如圖1所示，強(qiáng)夯后地基土干密度明顯增大，表層干密度由1.31 g/cm3提高到1.81 g/cm3；在3.5 m左右深度內(nèi)變化較為明顯，3.5 m之后，曲線趨于平緩，即隨著深度加大，干密度變化逐漸減小，且夯后曲線逐漸接近夯前曲線，即干密度數(shù)值逐漸接近原地基。

2)在反復(fù)強(qiáng)夯過(guò)程中，由于強(qiáng)烈的振動(dòng)或濕度等因素，部分結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤瑳_擊能量在土體一定范圍產(chǎn)生排水網(wǎng)絡(luò)， 使孔隙水順利溢出，故夯擊前后孔徑大小有變化，濕陷系數(shù)自然下降，濕陷帶深度范圍內(nèi)的濕陷性全部消除(δs<0.008),在3 m范圍內(nèi)濕陷性消除效果尤為明顯。

根據(jù)試驗(yàn)資料，采用試夯時(shí)條件，強(qiáng)夯有效影響深度可達(dá)5 m～8 m(最大可達(dá)30 m)，且能消除濕陷范圍內(nèi)地基土的濕陷性并提高地基土承載力，滿足工程要求。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)項(xiàng)目試驗(yàn)研究表明，強(qiáng)夯法對(duì)于濕陷性黃土地基的處理是有效的。采用試夯參數(shù)，在實(shí)際施工中加固效果明顯，能有效消除地基濕陷性及提高地基承載力，且位于表層以下5 m～8 m范圍地基加固效果明顯，實(shí)際施工中也發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)夯法的一些問(wèn)題。首先強(qiáng)夯施工對(duì)于土方含水量比較敏感，當(dāng)錘擊高含水量的土體時(shí)易產(chǎn)生“橡皮土”；其次，由于強(qiáng)夯能量大，出于施工安全及機(jī)械安置的要求，施工場(chǎng)地的空間需求大，且施工中機(jī)械的穩(wěn)定性要求較高，當(dāng)重錘直接接觸磚塊、混凝土塊等硬物，容易產(chǎn)生飛濺，影響就近居民的生產(chǎn)生活。

在進(jìn)行強(qiáng)夯的同時(shí)，考慮沿線降水情況、濕陷性黃土分布厚度及路基填挖情況，對(duì)沿線的濕陷性黃土進(jìn)行全面防治。

[1] DBJ 61—9—2008，強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基技術(shù)規(guī)程[S].

[2] CECS 279—2010，強(qiáng)夯地基處理技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 萬(wàn)德臣，郭 勇.用強(qiáng)夯處理濕陷性黃土地基的技術(shù)研究與實(shí)踐[J].華東公路,2001，8(131)：4-7.

Dynamic compaction method in collapsible loess foundation treatment in the practical application

Zeng Xiangyu

(ShaanxiTongyuHighwayResearchInstituteCo.,Ltd,Xi’an710064,China)

Through analyzing the mechanism of collapsible loess, relying on the existing research results at home and abroad, combined with Wei-Luo highway construction and the design process of the actual situation, to verify the dynamic compaction method for Wei-Luo highway engineering applicable or not, at the same time analyzing the construction parameters and construction technology of dynamic compaction method, in order to achieve desired treatrment effect.

collapsible loess, dynamic compaction method, foundation, bearing capacity

1009-6825(2016)26-0091-02

2016-07-10

曾祥玉(1980- )，男，工程師

TU475.3

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