強(qiáng)夯加固技術(shù)在軟土路基設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

□文 /劉建民

強(qiáng)夯法被證實(shí)具有高效、應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地基處理[1～4]。本文將強(qiáng)夯法引入道路工程路基設(shè)計(jì)中，對(duì)天津?yàn)I海新區(qū)部分區(qū)域路基進(jìn)行設(shè)計(jì)，使路基滿足承載和道路日后使用要求。

1 應(yīng)用背景

1）濱海新區(qū)因多數(shù)為沿海歷史形成陸域，軟土居多；含水量高，一般在40%～60%；孔隙比在1.0～1.3；軟土壓縮系數(shù)通常＜1.0 MPa-1，壓縮模量多＞2.0 MPa；一般容許承載力在50～80 kPa。

2）濱海新區(qū)多數(shù)地勢(shì)低洼，新城建設(shè)滿足解決防洪排澇要求，在傳統(tǒng)處理軟基的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)行較高填方。

3）濱海新區(qū)地處北方，每年有超過(guò)3月的冬季停工期，可利用冬季停工期解決預(yù)壓?jiǎn)栴}。

4）基地土質(zhì)一般，強(qiáng)夯設(shè)計(jì)需借用客土。

5）以節(jié)約工程造價(jià)出發(fā)點(diǎn)，有效結(jié)合應(yīng)用強(qiáng)夯硬殼層設(shè)計(jì)理論[5]。

2 工程概況

選取天津市濱海新區(qū)兩個(gè)有代表性的功能區(qū)，功能區(qū)A為地基條件較好，承載力較高的區(qū)域；功能區(qū)B為地基條件和承載力很差，軟土層深厚的吹填土區(qū)域。

1.1 功能區(qū)A

包括3條市政道路：規(guī)劃路一為城市主干路，長(zhǎng)1 840 m，道路紅線寬50 m，設(shè)計(jì)車速60 km/h；規(guī)劃路二為城市主干路，長(zhǎng)1 260 m，道路紅線寬34 m，設(shè)計(jì)車速60 km/h；規(guī)劃路三為城市次干路，長(zhǎng)1 290 m，道路紅線寬30 m，設(shè)計(jì)車速40 km/h。

1.2 功能區(qū)B

包括2條配套市政道路，全長(zhǎng)約2 900 m，道路紅線寬30 m，均為城市次干路，設(shè)計(jì)車速40 km/h。

3 地質(zhì)狀況

3.1 功能區(qū)A

原為鹽場(chǎng)制鹽、養(yǎng)殖用池塘，蓄水時(shí)水深1～1.5 m，除進(jìn)水、排鹽溝外，地勢(shì)較為平坦。地質(zhì)大致可分為三層：第一層為新近組坑底新近沉積，層厚0.10～0.80 m，主要為淤泥，灰黑色，流塑，含有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)，可見(jiàn)少量碎貝殼；第二層為新近組古河道、洼淀沉積，層厚2.00～5.00 m，主要為粉質(zhì)粘土、粘土，灰黃、灰褐～灰色，主要揭示為粘性土，個(gè)別鉆孔揭示有淤泥質(zhì)土，軟塑～流塑，含鐵質(zhì)、云母、有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、貝殼，高壓縮性；第三層為第Ⅰ海相淺海相沉積，層厚4.80～13.50 m，主要為粉土、粉砂，灰～褐灰色，飽和、稍密狀態(tài)，含有機(jī)質(zhì)、云母、碎貝殼、有層理，中壓縮性。

2.2 功能區(qū)B

在原有近海灘涂上圍海造陸而成，地表主要為吹填土，除工程建設(shè)臨時(shí)用房外，無(wú)現(xiàn)有建筑。場(chǎng)地地形簡(jiǎn)單，地勢(shì)平坦。地質(zhì)基本概況自上而下分為三層：第一層為人工填土層，全場(chǎng)地均有分布，厚度8.00～9.00 m，土質(zhì)結(jié)構(gòu)性差，具有不均勻性、弱滲透性、高飽和性、沉降速度慢、低強(qiáng)度、干縮性和流變性等特點(diǎn)，填墊年限＜10 a；第二層為全新統(tǒng)中組海相沉積層，位于埋深約9.00～21.00 m段，埋深約9.00～17.00 m段為淤泥質(zhì)粘土，呈灰色，流塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，局部夾粘土透鏡體，屬高壓縮性土，埋深約17.00～21.00 m段為粘土，呈灰～褐灰色，軟塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬高壓縮性土；第三層為全新統(tǒng)上組陸相沖積層，在埋深24.00 m內(nèi)未穿透該層，揭示最大厚度約3.00 m，主要由粉質(zhì)粘土組成，呈黃褐色，可塑狀態(tài)，無(wú)層理，含鐵質(zhì)，屬中壓縮性土，局部鉆孔底部夾粉土透鏡體。

3 強(qiáng)夯加固方案設(shè)計(jì)

3.1 路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合土壤環(huán)境和地質(zhì)條件特征，提出了適用于濱海新區(qū)的兩種典型路基結(jié)構(gòu)：強(qiáng)夯素填土路基（適用于功能區(qū)A）和強(qiáng)夯置換路基（適用于功能區(qū)B）。

1）功能區(qū)A強(qiáng)夯素填土路基典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)填筑素填土和強(qiáng)夯工藝施作機(jī)械承托層，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的山皮土或混渣等石質(zhì)材料，同時(shí)也代替6%的石灰土路基部分。路床部分30 cm碎石墊層和60 cm石灰土（或水泥石灰土、水泥石灰固化土）。見(jiàn)圖1。

圖1 強(qiáng)夯素填土路基典型結(jié)構(gòu)

2）功能區(qū)B強(qiáng)夯置換路基典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在深厚吹填土地基條件下，用土石混合料作為路基填料，采用強(qiáng)夯工藝進(jìn)行擠淤填筑，形成機(jī)械承托層，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的山皮土或混渣等石質(zhì)材料填筑厚度，去掉30 cm碎石墊層，直接施作路床部分為60 cm石灰土（或水泥石灰土、水泥石灰固化土）。強(qiáng)夯置換層的厚度或置換墩長(zhǎng)度，應(yīng)根據(jù)軟土層厚度、所要求的承載力標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算確定。見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 強(qiáng)夯置換（整式置換）路基典型結(jié)構(gòu)

圖3 強(qiáng)夯置換（樁式置換）路基典型結(jié)構(gòu)

3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

針對(duì)兩個(gè)功能區(qū)路基特點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的強(qiáng)夯處理方式，設(shè)計(jì)了不同的強(qiáng)夯參數(shù)指標(biāo)，主要包括有效加固深度、夯點(diǎn)間距和夯點(diǎn)布置、夯擊能量的確定、單輪夯擊數(shù)和夯擊遍數(shù)、間歇時(shí)間、排水通道和處理范圍等。

1）有效加固深度。根據(jù)濱海新區(qū)市政道路交通荷載特點(diǎn)，研究分析得出濱海新區(qū)路基工作區(qū)深度在1.5～2.5 m之間，對(duì)于重載交通濱海新區(qū)路基工作區(qū)深度達(dá)2.5～3.0 m。考慮到路基工作區(qū)深度一般局限在2.5 m以下，因此，強(qiáng)夯加固路基硬殼層的處理深度要求能覆蓋路基工作區(qū)深度要求，即路基下3.0 m左右，盡量對(duì)下層軟土做到少擾動(dòng)。

2）夯點(diǎn)間距及夯點(diǎn)布置。夯擊點(diǎn)位置一般可采用等邊三角形、等腰三角形或正方形布設(shè)。夯點(diǎn)間距的選擇宜根據(jù)工程結(jié)構(gòu)類型、加固土層厚度和土質(zhì)條件、強(qiáng)夯能級(jí)、夯錘直徑等因素通過(guò)試夯確定，宜為錘徑的1.2～2.5倍，低能級(jí)時(shí)取小值，高能級(jí)及考慮能級(jí)組合時(shí)取大值；第二遍夯擊點(diǎn)位于第一遍夯擊點(diǎn)之間，以后各遍夯擊點(diǎn)間距可適當(dāng)減小。

3）夯擊能量的確定。本文研究適合市政道路路基硬殼層的強(qiáng)夯施工工藝，有效處理深度決定適用低能級(jí)強(qiáng)夯，確定本工程素填土路基夯擊能為800～1 200 kN·m，強(qiáng)夯置換夯擊能為1 000～2 000 kN·m。

4）單輪夯擊數(shù)和夯擊遍數(shù)。單輪夯擊次數(shù)一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試夯確定，以夯坑的壓縮量最大、夯坑周圍隆起量最小為原則，以加固后應(yīng)達(dá)到的設(shè)計(jì)指標(biāo)為依據(jù)。經(jīng)試夯，確定單輪夯擊8次。夯擊遍數(shù)一般情況下為2～4遍，具體可根據(jù)夯擊期間的沉降量達(dá)到計(jì)算最終沉降量的60%～90%或根據(jù)設(shè)計(jì)要求已經(jīng)夯到預(yù)定標(biāo)高進(jìn)行控制。

5）間歇時(shí)間。根據(jù)試驗(yàn)段超孔隙水壓力消散時(shí)間確定間歇時(shí)間。在強(qiáng)夯實(shí)施過(guò)程中，利用埋設(shè)孔隙水壓力測(cè)頭及時(shí)觀測(cè)孔壓變化情況，從而確定間隔時(shí)間。本研究確定超孔隙水壓力消散80%后，進(jìn)行第二遍的夯擊。

6）排水通道。素填土路基宜設(shè)置降排水通道，考慮到路基工作區(qū)深度要求以及強(qiáng)夯后的路基下沉量，路基填土高度要求位于地下水位以上≮3.0 m；強(qiáng)夯置換通常不考慮排水要求，僅要求采用級(jí)配良好、硬質(zhì)的不規(guī)則粗顆粒料作為墊層，以提高地基承載力和強(qiáng)夯期間超孔壓的正常消散。

7）強(qiáng)夯處理范圍。路基的應(yīng)力擴(kuò)散作用加固范圍應(yīng)大于路基坡腳邊緣基礎(chǔ)范圍。根據(jù)國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，每邊超出路基坡腳基礎(chǔ)外緣的寬度宜為設(shè)計(jì)處理深度的1/2～1/3并≮3 m。

4 效果

4.1 強(qiáng)夯素填土路基

通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)，功能區(qū)A強(qiáng)夯素填土路基可滿足市政道路路基的設(shè)計(jì)要求。

1）面波測(cè)試結(jié)果表明，1 000 kN·m夯擊能的滿夯對(duì)試驗(yàn)段地基土波速的有效影響深度為2.5～3.0 m。

2）靜力觸探測(cè)試結(jié)果表明，強(qiáng)夯完成后，淺層路基加固效果較為顯著，有效加固深度范圍內(nèi)平均錐頭阻力、平均側(cè)阻力整體呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)，分別增加約20%和16%；而深層地基土受擾動(dòng)的影響程度較小。

3）輕型動(dòng)探測(cè)試結(jié)果表明，淺層3 m深度范圍內(nèi)的路基土夯擊完成后，實(shí)測(cè)錘擊數(shù)N10呈明顯提高趨勢(shì)；其表層0.9 m深度范圍內(nèi)實(shí)測(cè)錘擊數(shù)N10平均值提升最明顯且由深及表地呈線性遞增趨勢(shì)。

4）淺層平板載荷試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)段內(nèi)的地基承載力基本值均明顯增大，增大比例在6%～10%之間，能夠滿足施工機(jī)械承托層的需要。

5）回彈模量試驗(yàn)結(jié)果表明，路基回彈模量標(biāo)準(zhǔn)值均＞23 MPa，滿足市政道路路基設(shè)計(jì)要求。

4.2 強(qiáng)夯置換路基

通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)，功能區(qū)B強(qiáng)夯置換路基可滿足市政道路路基的設(shè)計(jì)要求。

1）地基沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在200 d的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，路基的最大沉降為104 mm，一般為40～60 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的路基工后沉降300 mm的要求。

2）瑞雷波測(cè)試結(jié)果表明，強(qiáng)夯后山皮石下部淤泥層厚度＜1m的占94.6%。直觀上，強(qiáng)夯后大部分淤泥被擠出。

3）對(duì)強(qiáng)夯區(qū)兩點(diǎn)進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)，兩點(diǎn)地基極限承載力為262.5 kPa，承載力特征值為131.25 kPa，均滿足地基承載力特征值120 kPa的要求。

4）重型動(dòng)力觸探結(jié)果表明，地面以下山皮土層的動(dòng)探擊數(shù)由未處理前的8～30擊提高到20～50擊；山皮土層下的淤泥層動(dòng)探擊數(shù)由未處理前2～4擊提高到4～8擊；淤泥層以下的粉質(zhì)粘土層動(dòng)探擊數(shù)由未處理前5～8擊提高到8～27擊。夯前比夯后動(dòng)探擊數(shù)有了大幅度的提高，地基土的性質(zhì)比強(qiáng)夯前明顯改善。

5 結(jié)論和建議

1）本文提出的強(qiáng)夯素填土路基和強(qiáng)夯置換路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能夠適合天津市濱海新區(qū)軟土路基處理，經(jīng)過(guò)實(shí)際工程的試驗(yàn)檢測(cè)，證明其具有較好適用性和實(shí)用性，可在某種程度為解決濱海地區(qū)軟土路基處理提供借鑒。

2）本文設(shè)計(jì)的強(qiáng)夯路基典型結(jié)構(gòu)，均可減少山皮土（混渣）和石灰土等材料的用量，較傳統(tǒng)方案更為節(jié)能、環(huán)保和生態(tài)，可降低部分工程費(fèi)用。

3）強(qiáng)夯加固軟土地基有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“橡皮土”現(xiàn)象，這是由于沖擊能量使得軟土中的孔隙水瞬時(shí)得以析出，但因軟土層過(guò)厚或排水條件不良，夯擊作用結(jié)束后，排出的孔隙水又會(huì)因軟土的觸變回到土體中，從而浪費(fèi)夯擊能量，強(qiáng)夯設(shè)計(jì)中應(yīng)予以足夠重視。

4）強(qiáng)夯路基設(shè)計(jì)需通過(guò)試夯和試驗(yàn)段研究確定諸多設(shè)計(jì)參數(shù)，具有較強(qiáng)的地域針對(duì)性，目前的研究成果僅適用于濱海新區(qū)的路基強(qiáng)夯設(shè)計(jì)，在其他區(qū)域的適用性有待進(jìn)一步研究。