黃泛區(qū)季凍粉土地基強夯處理的試驗研究

張 磊 羅 鑫

(1.浙江交工集團股份有限公司 杭州 310051； 2.成都市市政工程設計研究院 成都 610015)

魯西北黃泛沖積平原主要由黃河泥沙沖積形成，其土層主要由粉土、粉質黏土、粉砂組成，結構較為松散，固結程度低，局部地區(qū)地下水位埋深較淺，地質偏軟，不利于工程建設。同時，為了避免雨季延誤路基填土施工，干燥少雨的冬春兩季成為了地基處理的最好時機，在這個過程中，黃泛區(qū)凍土層對地基處理效果的影響不容忽視。

黃泛區(qū)路基需要科學合理的地基處理技術以保證路基填筑時的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的路基處理方式如換填、攪拌樁等如應用在一般路段的地基處理中會大幅度增加工程造價，且無法控制施工的工期。

強夯法由于具有效率高和經濟性好的優(yōu)點，被廣泛用于地基處理[1]。不少工程在處理濕陷性黃土時采用了強夯法，有效地降低了工后沉降[2-3]；強夯法也大量應用于處理填石路基[4]，并能有效地提高填筑層的密實度。此外，強夯法還被用于軟土地基的處理[5]、爐渣填料的改良[6]、拋石基床的加固等[7]。然而很少有研究者針對凍土區(qū)強夯技術進行研究，強夯法也尚未形成完善的技術指標并且頒布行業(yè)規(guī)范，因此，本研究依托德商高速公路建設工程，探究季節(jié)性凍土層對強夯的夯實效果及其施工參數(shù)的影響，為季凍區(qū)強夯法施工提出科學的指導。

1 強夯技術原理

強夯法是將夯錘用起重機吊起，從高處落下，將夯錘的重力勢能轉化為動能，利用強大的動力沖擊，提高地基密實度和強度的方法。它將一定質量的重錘以一定的落距給地基以沖擊和振動，通過對地基施加強大的沖擊力，從而達到提高地基土的強度，降低壓縮變形，改善振動液化，消除黃土濕陷性作用的地基加固方法[8]。同時，強夯法還著重于對深層土體進行加固，通過破壞土體結構，增加排水通道，使孔隙水逸出，土體發(fā)生固結，從而提高土體強度和穩(wěn)定性[9]。

2 現(xiàn)場試驗方案

2.1 試驗段工程地質條件

強夯試驗段的地質條件及土層概況見表1。

表1 土層條件

強夯試驗段淺層地基以粉土為主，較深層地基夾雜粉砂顆粒，其滲透性較好，有利于孔隙水壓力的消散，能在施工期較好地完成地基土體固結。

2.2 試驗段施工方案

現(xiàn)場試驗段于2013年12月底進行第一遍強夯，氣溫在-10 ℃～-2 ℃，地表存在15～20 cm厚的凍土層。2014年3月中旬進行第二遍強夯，氣溫在0 ℃～10 ℃，凍土層已消融。

試驗過程中，通過埋設的孔隙水壓力計和地下水位管實時監(jiān)控試驗段的孔隙水壓力和地下水位?？紫端畨毫τ嬄裨O的原則為每個試驗區(qū)域左右幅各埋設1處，埋設深度分別為3，5和7 m。試驗段分2個區(qū)域，第一遍施工時，A區(qū)夯擊能為1 000 kN·m，B區(qū)夯擊能為700 kN·m。第二遍施工時，夯擊能統(tǒng)一為800 kN·m。夯擊方式采用每點1擊，夯點滿布試驗段，夯印搭接1/4。

3 監(jiān)測結果與效果評價

3.1 沉降量觀測

強夯施工作業(yè)時，隨機選擇若干夯點，觀測夯坑在夯擊前后的高程變化，以確定夯沉量，從而確定該夯擊參數(shù)下地基加固的效果。其中第一遍強夯施工期間受凍土層的影響較為顯著，而第二遍強夯施工期為春季，無凍土層的影響。

夯坑的夯沉量如圖1所示，在800 kN·m的夯擊能下，夯坑平均沉降量約為21.0 cm，相對于700 kN·m夯擊能下16.7 cm的平均沉降量有明顯增大，其原因一方面是由于地表土層在凍土解凍后強度降低，另一方面是由于凍土解凍后的翻曬使地表土層變得松散。

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圖1 夯坑沉降量

采用推土機將夯坑推平后，通過測量強夯前及每遍強夯后地表高程，得到地表平均沉降量見表2。

表2 地表沉降量 cm

由表2可知，2遍強夯后地表沉降量能夠達到約21 cm，滿足設計規(guī)定的10 cm要求。

3.2 地下水位和超孔隙水壓力

試驗段的初始地下水位深度在地表下約1.6 m，第一遍強夯施工后，地下水位迅速上升至距地表0.65 m處，并在10 d時間內下降并趨于穩(wěn)定。

第二遍強夯施工后，地下水位從地下1.7 m上升至地下0.9 m。整個強夯試驗期間地下水位觀測統(tǒng)計見圖2。

以地表高程為0。

在強夯施工過程中，根據有效應力原理，隨著孔隙水壓力的消散，有效應力不斷增加，土體得到加固。而孔隙水壓力的變化主要取決于夯后超孔隙水壓力的累積情況，因此，超孔隙水壓力的累積與消散是反映地基土體加固效果的重要指標。

第一遍強夯過程超孔隙水壓力變化情況見圖3、圖4。

圖3 1 000 kN·m作用下孔隙水壓力變化過程

圖4 700 kN·m作用下孔隙水壓力變化過程

由圖3、圖4可知，強夯施工作業(yè)引起的超孔隙水壓力在施工后的1 d時間內消散50%～60%，前3 d時間內消散70%，強夯施工作業(yè)后7 d，孔隙水壓力完成消散80%以上。

從熵的角度來看，巖土體的變形是耗散結構[10]，雖然試驗場地上覆有堅硬的凍土層，地基仍然處于非平衡狀態(tài)，粉土地基土質松散，顆粒之間接觸不緊密，孔隙比大，外界條件改變時顆粒運動具有隨機性，這樣的系統(tǒng)其實是不穩(wěn)定的。對凍土進行強夯，實際上是向系統(tǒng)輸入負熵流，減小系統(tǒng)熵，增大土體密度，減小孔隙率，使系統(tǒng)向有序狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)的方向發(fā)展。

系統(tǒng)向有序性和穩(wěn)定性進化不僅取決于外界輸入的能量的大小，也與系統(tǒng)自身所處的狀態(tài)有關，雖然夯擊能增大，但1 000 kN·m的夯擊能破壞了凍土層，使凍土層發(fā)生了相當程度的隆起與碎裂，如圖5所示，系統(tǒng)增加的這部分混亂度需要消耗一些外界輸入的負熵流進行平衡，從而導致被系統(tǒng)吸收的用于提高自身有序性和穩(wěn)定性的負熵流減小，加固效果因此降低。

圖5 1 000 kN·m夯擊能作用下夯錘傾斜

從能量的角度來看，在1 000 kN·m的夯擊能下，地表凍土層在沖擊荷載作用下完全剪切破壞，能量一部分消耗在對地表15～20 cm凍土層的破壞上，向地基深處傳遞的夯擊能大幅被削弱。同時，在沖擊荷載的作用下，孔隙水壓力迅速上升，大部分能量通過孔隙水橫向傳遞消散，宏觀上表現(xiàn)為地表的隆起，從而無法達到預期的加固效果。

而在700 kN·m的夯擊能下，凍土層并沒有完全破壞，如圖6所示。凍土層作為強夯的施工作業(yè)面，一方面防止能量消耗在對凍土層的破壞上，另一方面，完整的凍土層可以防止地表發(fā)生隆起，大大減少了夯擊能的消耗，使更多能量向下傳遞，從而取得更好的加固效果。

圖6 700 kN·m夯擊能作用下的凍土層

從墊層強夯的角度來看，凍土層可以看作一層天然的墊層。沖擊荷載能量是依靠顆粒接觸傳遞的，接觸點數(shù)多的墊層更利于能量的傳遞。當碎石墊層孔隙被破碎的小顆粒填滿后，由于接觸點個數(shù)變多，夯擊的效果會明顯提高。在凍土層被破壞前，凍土層是一個整體，眾多的接觸點可以較好地傳遞沖擊荷載的能量，而凍土層被破壞后，由于接觸點的減少，沖擊荷載能量傳遞的效率變低，因此出現(xiàn)了高夯擊能加固效果反而不如低夯擊能的現(xiàn)象。

由此觀之，夯擊能不同，夯錘對地表凍土層有不同的作用效果，一味增加夯擊能可能會適得其反。凍土層在15～20 cm時，已經形成一個較為完整的結構層，在凍土區(qū)進行強夯作業(yè)時，應當注意保護凍土層，使其成為強夯的作業(yè)面。夯擊能量在1 000 kN·m以上，夯印搭接1/4時，凍土層一部分會率先破壞，導致夯錘底部支撐條件不均勻，從而產生夯錘向夯進方向傾斜的現(xiàn)象。夯錘的傾斜不僅造成了地表局部更大范圍的隆起，浪費了夯擊的能量，還使夯錘作用力分布不均勻，嚴重降低了強夯的加固效果。

因此在對凍土層進行強夯加固時，應當通過試夯確定最佳夯擊能，避免陷入傳統(tǒng)地基處理夯擊能越大加固深度也越大的誤區(qū)。

第二遍強夯過程超孔隙水壓力變化情況見圖7。

圖7 800 kN·m超孔隙水壓力變化過程

由圖7超孔隙水壓力累計與消散規(guī)律可知，3 m與5 m處的超孔隙水壓力消散較快。其中3 m深度的超孔隙水壓力變化峰值在30 kPa左右，在3 d內消散約70%，在5 d內消散80%。5 m深度的超孔隙水壓力變化峰值在25 kPa左右，消散的時間與3 m處相似。

可以發(fā)現(xiàn)，凍土消融后，在800 kN·m的夯擊能作用下，7 m處產生約8 kPa的超孔隙水壓力，比在凍土區(qū)作業(yè)時1 000 kN·m夯擊能所產生的超孔隙水壓力更大。進一步證明了凍土區(qū)強夯加固時，夯擊能不是越高越好。

3.3 壓實度

壓實度檢測需分別在強夯處理前、每遍強夯處理后進行。采用環(huán)刀法，分別測試10～20，30～40，50～60 cm深度的壓實度，檢測結果見表3。

表3 壓實度檢測表

檢測結果表明，強夯法對地表下20～40 cm深度土體的密實加固效果顯著，對地表土層的加固存在一定難度，這是因為地表土層在施工過程中擾動較大，無法有效地將其壓實。凍土層在消融后，通過后續(xù)的夯擊達到了90%壓實度的控制要求。

4 結論

1) 對于高地下水位(地表下僅1.5 m左右)、地表土層過濕路段，強夯法對地基土有較好的動力固結效果。

2) 表層凍土層可作為過濕地基的施工作業(yè)面，供機械進行施工，同時完整的凍土層能夠防止地表發(fā)生隆起，減少夯擊能量的額外消耗。

3) 700 kN·m和1 000 kN·m夯擊能的處理效果表明，夯擊能并不是越大越好。夯擊能過大時，大量能量在破壞表層凍土層過程中被損耗，失去凍土層的地基土產生隆起，嚴重降低了強夯的加固效果。

4) 季凍區(qū)路基施工時，應充分利用凍土層，而不是對其進行破壞。凍土層的壓實可以通過解凍后對其進行后續(xù)的夯擊，提高表層土體的壓實度。