強(qiáng)夯置換法處理公路深軟雜填土地基加固效果研究

黃樹榮,趙鋒,蔡靖,董炳寅,戴軒

摘 要：云南昌保高速K79+560～K79+886路段處于一舊煤礦開挖回填區(qū)內(nèi)，表層土體均為雜填土，孔隙率較大，地下水位較高，綜合考慮成本和施工工期，多方案比選后決定采用8 000 kN·m能級強(qiáng)夯置換法對地基進(jìn)行處理，經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)和試夯確定施工參數(shù)并制定施工工藝后進(jìn)行施工。通過靜載荷試驗(yàn)和動(dòng)力觸探試驗(yàn)測量強(qiáng)夯置換前后的土體承載力特征值，分析其加固效果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性。結(jié)果表明：土體承載力特征值由50 kPa～60 kPa提升到150 kPa以上;動(dòng)力觸探擊數(shù)由不足2擊提升到5～9擊，達(dá)到稍密～中密狀態(tài);采用8 000 kN·m高能級強(qiáng)夯置換處理深軟雜填土地基加固效果顯著，工藝方法設(shè)計(jì)合理，施工工藝可為其他類似公路工程所借鑒。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)夯置換;雜填土;地基處理;加固效果

0 引言

強(qiáng)夯置換法就是用起重機(jī)將夯錘吊起然后自由落下將重力勢能轉(zhuǎn)換為巨大沖擊波和高應(yīng)力，形成夯坑后回填塊石、碎石等粗顆粒材料，用夯錘連續(xù)夯擊形成強(qiáng)夯置換墩。強(qiáng)夯法和強(qiáng)夯置換處理地基技術(shù)在我國沿海地區(qū)已經(jīng)被大量使用，施工發(fā)展十分迅速，但目前仍屬于工程應(yīng)用成熟于理論研究的階段，設(shè)計(jì)施工主要靠經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范的指導(dǎo)和約束。

唐國藝等[1]研究了強(qiáng)夯在安哥拉Quelo砂中的應(yīng)用，提出強(qiáng)夯處理Quelo砂既能提高其強(qiáng)度又能消除其濕陷性;賈敏才等[2]通過不同能級強(qiáng)夯試驗(yàn)研究了濱海含軟土夾層高能級強(qiáng)夯加固效果;張延記[3]介紹了強(qiáng)夯置換法在濕陷性黃土中的應(yīng)用;水偉厚[4]通過大量工程實(shí)例總結(jié)了強(qiáng)夯置換墩長度與夯擊能關(guān)系;于海紅[5]介紹了武漢地鐵車輛基地中強(qiáng)夯置換法施工工藝流程及加固效果，曾清生[6]通過衢州東站鐵路站臺(tái)的現(xiàn)場實(shí)例檢測分析了強(qiáng)夯置換處理粉質(zhì)粘土地基效果。

而上述研究大多是在工業(yè)民用建筑領(lǐng)域，強(qiáng)夯置換法用于公路雜填土路基的處理方面較為少見。

1 工程概況

云南昌保高速K79+560～K79+886路段設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h，整體式路基寬度為25.5 m，分離式路基寬度為12.75 m。該地區(qū)降雨充沛，該路段位于清水溝煤礦回填區(qū)，采煤后地勢降低形成水塘，已人工回填1.0 m～16.0 m左右雜填土，平均厚度為10 m;其下素填土平均厚度為19 m，主要由原采煤開挖后的棄土和礦渣組成，詳細(xì)土層信息見表1。

表1 場地土層分布及特性

層號 土層名稱 揭露厚度/m 特性

1-1 人工填土 1.0～16.0 以粘性土及碎石為主，土質(zhì)較疏松

1-2 素填土 4.5～25 主要由采煤開挖后的棄土和礦渣組成

2 粉質(zhì)粘土 14（僅 ZK1 鉆孔揭露） 切面粗糙，無搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等

3-1 全風(fēng)化泥巖 10.00～22.20 原巖已完全風(fēng)化，巖質(zhì)較軟，遇水易散解

3-1-1 炭質(zhì)頁巖 7.00～12.00 片狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育

3-2 強(qiáng)風(fēng)化泥巖 39.80 泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)極軟

路線范圍內(nèi)采煤過程均為露天開挖，因此可不考慮地下采空區(qū)的影響。但整體土質(zhì)均勻性差、壓縮性高、承載力低、含水率高，地基承載力基本容許值不滿足天然地基承載力要求，不適合采用天然地基，因此需要進(jìn)行地基處理。

經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)場試驗(yàn)論證，在“強(qiáng)夯法+CFG樁+路堤沖擊補(bǔ)壓加筋”和“強(qiáng)夯置換+泡沫輕質(zhì)土”兩種地基處理方法中選擇后者，節(jié)約經(jīng)費(fèi)30%以上、縮短工期約50%。但該技術(shù)還沒有相關(guān)公路工程實(shí)例參考，因此有必要通過該工程實(shí)測數(shù)據(jù)研究其加固效果，并補(bǔ)充強(qiáng)夯置換聯(lián)合泡沫輕質(zhì)土處理地基技術(shù)的現(xiàn)場工程資料，為以后類似工程提供指導(dǎo)。

2 施工工藝

本工程采用8 000 kN·m夯擊能進(jìn)行高能級強(qiáng)夯置換。整個(gè)設(shè)計(jì)方案施工目的是為了最終在滿足承載力要求情況下控制工后沉降，施工簡要工藝流程如下：

（1）場地平整：控制場地標(biāo)高平整至1 625.0 m，平整后壓實(shí)，壓實(shí)度大于90%。

（2）強(qiáng)夯置換：采用夯能8 000 kN·m平錘夯擊兩遍，夯點(diǎn)整體呈正方形布置，夯點(diǎn)間距為2.5倍夯錘直徑，具體見圖1，圖中D為夯錘直徑。當(dāng)最后兩擊夯沉量小于20 cm時(shí)停止夯擊，每點(diǎn)均夯8～10次。同時(shí)夯擊過程中往夯坑內(nèi)充填片石形成碎石墩。整個(gè)路堤夯后回填碎石并用大功率壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)5遍，直至達(dá)到場地平整設(shè)計(jì)標(biāo)高為止。

（3）垂直填筑泡沫輕質(zhì)土路堤[7]，降低路基對地基承載力要求，控制路基沉降變形。現(xiàn)場施工情況見圖2。待達(dá)到強(qiáng)度要求后進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層施工。

（4）路基防排水設(shè)施施工。

圖1 夯點(diǎn)布置圖

圖2 泡沫輕質(zhì)土施工現(xiàn)場

3 承載力檢測試驗(yàn)

采用平板載荷試驗(yàn)[8]和重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)[9]分別在強(qiáng)夯置換處理地基前后進(jìn)行地基承載力檢測，試驗(yàn)設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。由于置換碎石墩密實(shí)度極高難以直接進(jìn)行觸探試驗(yàn)，因此采用鉆機(jī)鉆進(jìn)穿過碎石置換墩后再進(jìn)行動(dòng)力觸探試驗(yàn)，同時(shí)量取穿土深度并測量強(qiáng)夯置換碎石墩高度。

平板載荷試驗(yàn)采用的承載板面積為2 m2，控制最大加載量為設(shè)計(jì)承載力的2倍即300 kPa，選擇6個(gè)有代表性的測點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，其中3個(gè)測點(diǎn)選擇在強(qiáng)夯前夯區(qū)外填土處，另外3點(diǎn)為強(qiáng)夯后測點(diǎn)，其中2點(diǎn)選擇在夯點(diǎn)中間處，1點(diǎn)在夯點(diǎn)處。

動(dòng)力觸探檢測深度為15 m，共計(jì)18個(gè)測點(diǎn)。分別是強(qiáng)夯前6點(diǎn)，其中3個(gè)在回填土上進(jìn)行，3個(gè)在回填塊石地基上進(jìn)行;強(qiáng)夯后12點(diǎn)，其中夯點(diǎn)間、夯點(diǎn)處各進(jìn)行6個(gè)點(diǎn)。檢測現(xiàn)場如圖3所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

編號 儀器設(shè)備名稱 規(guī)格型號

1 重Ⅱ型動(dòng)力

觸探檢測儀 XY-150（鉆機(jī)）、63.5 kg（落錘）

42 mm（探桿直徑）60°（圓錐探頭）

2 地基載荷試

驗(yàn)檢測儀 100 t（千斤頂）、0.4級100 MPa

（壓力表）、（0～30）mm（百分表）

圖3 動(dòng)力觸探檢測現(xiàn)場

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 平板載荷試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》[10]要求，對于強(qiáng)夯置換復(fù)合地基承載力特征值可按下列方法綜合分析確定：

（1）當(dāng) 曲線上有比例界限時(shí)，取該比例界限所對應(yīng)的荷載值，即;

（2）當(dāng)極限荷載小于對應(yīng)比例界限的荷載值的2倍時(shí)，取極限荷載值的一半，即;

（3）當(dāng)不能按上述兩點(diǎn)確定時(shí)，承載力特征值取曲線上相對變形值處對應(yīng)的荷載，但其值不應(yīng)大于最大加載量的一半。對于強(qiáng)夯置換工程，相對變形值（沉降量/承壓板邊長）取0.01或根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定，原地基土為高壓縮性土層時(shí)相對變形值的最大值不應(yīng)大于0.015。

強(qiáng)夯置換前后檢測點(diǎn)平板載荷試驗(yàn)曲線如圖4所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，相對變形值中取10 mm，滿足上述要求。夯前承載力特征值根據(jù)對應(yīng)的荷載直接確定。夯后承載力特征值由于時(shí)荷載值均大于最大加載量的一半，取，而實(shí)際承載力要大于150 kPa，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)最大加載量僅為承載力最低要求150 kPa的2倍。根據(jù)圖4匯總出平板載荷試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表如表3所示。

圖4 平板載荷試驗(yàn)p-s曲線

表3 平板載荷試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

測點(diǎn) 區(qū)域 fak/kPa fak平均值/kPa

1# 夯前填土 80 65

2# 70

3# 40

4# 夯后夯點(diǎn) ≥150 ≥150

5# 夯后夯間 ≥150

6# ≥150

通過夯前夯后對比可知，強(qiáng)夯置換法可以明顯使深軟雜填土地基提高承載力、降低壓縮性。承載力特征值由約65 kPa提高到150 kPa以上。

4.2 動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果

圖5給出了具有代表性的夯前夯區(qū)內(nèi)外及夯后夯點(diǎn)處和夯點(diǎn)間的動(dòng)力觸探曲線圖。根據(jù)所有15 m范圍內(nèi)動(dòng)力觸探次數(shù)確定N63.5的平均值，匯總后如表4所示。施工前由于場地平整壓實(shí)以及鋪設(shè)墊層片石，夯區(qū)內(nèi)土體強(qiáng)度已經(jīng)明顯得到初步小幅度提升，承載力特征值從小于30 kPa提升到50 kPa～60 kPa，但仍處于松散狀態(tài)。

（a）zk1動(dòng)力觸探圖

（b）zk4動(dòng)力觸探圖

（c）zk7動(dòng)力觸探圖

（d）zk10動(dòng)力觸探圖

圖5 動(dòng)力觸探結(jié)果圖

表4 動(dòng)力觸探試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

區(qū)域 測點(diǎn) 碎石墩高度/m 填土層厚度/m N63.5/擊 承載力特征值/kPa 密實(shí)度

夯前

夯區(qū)外 zk1 0 15 1.37 ≤30 松散

zk2 0 15 1.05 ≤30 松散

zk3 0 15 1.00 ≤30 松散

夯前

夯區(qū)內(nèi) zk4 0 15 1.90 60 松散

zk5 0 15 1.66 50 松散

zk6 0 15 1.98 60 松散

夯點(diǎn)處 zk7 4.7 10.3 8.32 330 密實(shí)

zk8 5.2 9.8 8.10 320 密實(shí)

zk9 5 10 8.16 330 密實(shí)

zk13 5.8 9.2 5.43 210 稍密

zk15 5.1 9.9 8.70 340 密實(shí)

zk17 5.5 9.5 8.12 330 密實(shí)

夯點(diǎn)間 zk10 0 15 6.13 250 中密

zk11 0 15 6.28 250 中密

zk12 0 15 5.73 230 稍密

zk14 0 15 5.74 230 稍密

zk16 0 15 8.12 250 密實(shí)

zk18 0 15 5.74 230 稍密

強(qiáng)夯置換施工后，夯點(diǎn)處土體強(qiáng)度的提升幅度大于墩間土體強(qiáng)度提升幅度，但相較于夯前土強(qiáng)度均得到大幅提升，夯后土體承載力特征值從50 kPa～60 kPa提升到200 kPa以上，達(dá)到稍密～密實(shí)狀態(tài)。與平板載荷試驗(yàn)結(jié)果相吻合，滿足設(shè)計(jì)要求。

6個(gè)夯點(diǎn)測量點(diǎn)處碎石墩高度大約在5 m～6 m之間，平均5.2 m，加上表層檢測時(shí)開挖1 m左右的碎石層，強(qiáng)夯置換墩平均高度在6 m以上，與水偉厚[4]研究的8 000 kN·m能級置換墩6 m～7 m一致。

根據(jù)夯后的動(dòng)力觸探檢測數(shù)據(jù)可知，有效加固深度[11]達(dá)到10 m以上，處理深度達(dá)到要求的12 m以上。而根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[12]中粗顆粒土在8 000 kN·m的強(qiáng)夯中有效加固深度在9 m～9.5 m，而結(jié)果偏大的原因可能是表層雜填土的含水率和孔隙率比較大，強(qiáng)夯置換施工使得地下水的析出以及土顆粒之間的重組，表層土體總體積減小較多。

5 結(jié)論

（1）采用8 000 kN·m高能級強(qiáng)夯置換處理深軟雜填土地基加固效果顯著，工藝方法設(shè)計(jì)合理。

（2）強(qiáng)夯置換處理前，夯區(qū)內(nèi)地基承載力不能滿足天然地基承載力要求。經(jīng)強(qiáng)夯置換處理后，平板載荷試驗(yàn)表明地基承載力特征值由約65 kPa提升到150 kPa以上。動(dòng)力觸探檢測表明地基承載力由50 kPa～60 kPa提升到200 kPa以上，結(jié)果大體一致，均滿足設(shè)計(jì)要求的150 kPa。

（3）強(qiáng)夯置換處理前，填土區(qū)動(dòng)力觸探擊數(shù)平均值小于2擊，土體為松散狀態(tài);強(qiáng)夯置換處理后平均動(dòng)力觸探擊數(shù)5～9擊，達(dá)到稍密～密實(shí)狀態(tài)，孔隙率顯著提升，在軟弱層處強(qiáng)度明顯提升。

（4）本項(xiàng)目高能級強(qiáng)夯置換墩平均高度在6 m以上，有效加固深度大于10 m，符合初期預(yù)想。

（5）其它類似地質(zhì)條件及環(huán)境的公路工程施工可借鑒本項(xiàng)目施工工藝，可節(jié)約成本30%以上，縮短工期約50%。

（下轉(zhuǎn)第166頁）

（上接第164頁）

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