公路濕陷性黃土地基重夯法處治與分析

張靈杰

（山西交通實(shí)業(yè)發(fā)展集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

濕陷性黃土在壓實(shí)后可以達(dá)到一定的強(qiáng)度，但浸水后強(qiáng)度迅速下降，結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生沉降變形，甚至造成路基路面整體結(jié)構(gòu)的破壞。重夯法是通過(guò)將重錘提升到一定高度自由落下，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，沖擊地面達(dá)到加固地基的目的[1]。這種方法施工速度快、加固效果好、經(jīng)濟(jì)性好，被廣泛應(yīng)用在濕陷性黃土地基加固處治中。結(jié)合岢臨高速公路濕陷性黃土地基重夯法處治施工案例，建立試驗(yàn)段，開(kāi)展試驗(yàn)對(duì)Ⅱ級(jí)非自重濕陷性黃土地基采用重夯法處治效果進(jìn)行分析，為后續(xù)施工提供參考依據(jù)。

1 濕陷性黃土重夯法加固機(jī)理

與強(qiáng)夯法相比，重夯法的夯錘質(zhì)量較小，主要用于淺層地基的加固[2]。重夯法是利用夯實(shí)機(jī)械將重錘提升到一定高度，然后以自由落體的形式下落，對(duì)濕陷性黃土地基進(jìn)行沖擊和壓實(shí)，在強(qiáng)大的沖擊力作用下壓縮地基土，提高強(qiáng)度，消除濕陷性。作用在地基上部的夯擊能主要由壓縮波、剪切波和瑞利波組成[3]，壓縮波的作用是提高地基土的孔隙壓力，使土壤顆粒產(chǎn)生移動(dòng)，剪切波的作用是使地基土產(chǎn)生橫向位移，在瑞利波與剪切波的共同作用下將地基土壤壓實(shí)。

重夯法對(duì)濕陷性黃土地基的壓實(shí)可分為以下4個(gè)階段[4]：階段一是夯擊能轉(zhuǎn)換，排出土體中的空氣，提高孔隙水壓力，將地基土壓實(shí)擠密；階段二是在夯擊能的作用下使土體液化，結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低；階段三是土體滲透性能改變，地基土排水固結(jié)，密實(shí)度和強(qiáng)度提高；階段四是在夯擊能的作用下地基土內(nèi)部的自由水變成薄膜水，土體進(jìn)一步被擠密，強(qiáng)度進(jìn)一步得到提升。

在巨大的沖擊力作用下，將濕陷性黃土地基原來(lái)的結(jié)構(gòu)破壞，改變了土體結(jié)構(gòu)排列形式，縮小了土壤顆粒之間的距離，使土體結(jié)構(gòu)更加緊密，提高了土體的強(qiáng)度，進(jìn)而提高了地基承載力。

2 依托項(xiàng)目簡(jiǎn)介

岢臨高速公路設(shè)計(jì)全長(zhǎng)124.071 km，采用雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速80 km/h。該地區(qū)為大陸性半干旱氣候，地勢(shì)起伏較大，各地區(qū)溫差較大，雨季主要集中在夏季，冬季干燥少雨雪。高速公路沿線分布有濕陷性黃土地基，其中兩段分別為K96+900—K96+987段、K108+660—K108+770段。這兩段濕陷性黃土地基主要組成成分為灰黃色粉土和粉砂土，孔隙率大，質(zhì)地均勻，疏松，具有弱-中等濕陷性。重夯前，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行取樣開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025—2018）中對(duì)黃土濕陷性等級(jí)的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算確定濕陷性等級(jí)為Ⅱ級(jí)非自重濕陷，土層厚度為4～7 m。該路段路基填筑高度超過(guò)4 m，按照設(shè)計(jì)要求，采用重夯法進(jìn)行濕陷性黃土地基處治，處治寬度為填方坡腳以外3 m范圍內(nèi)。

表1 地基土樣室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

3 重夯施工方案

3.1 建立試驗(yàn)段

為了按計(jì)劃工期完工，準(zhǔn)確確定重夯施工參數(shù)，有效提高地基承載力，正式施工前建立試驗(yàn)段進(jìn)行試夯。該路段試驗(yàn)段選擇K96+900—K96+930，試驗(yàn)段長(zhǎng)度為30 m，通過(guò)試夯確定落錘高度、夯擊遍數(shù)等施工參數(shù)，合理選配施工機(jī)械，制定施工方案。

3.1.1 夯點(diǎn)布置

夯擊前通過(guò)施工放樣確定路堤坡腳3 m以外的第一個(gè)點(diǎn)，用白灰標(biāo)記，然后以第一個(gè)點(diǎn)為基準(zhǔn)確定其他夯點(diǎn)，并測(cè)定各夯點(diǎn)高程。試驗(yàn)段單點(diǎn)夯擊能600 kN·m，每個(gè)夯點(diǎn)夯擊6次，試驗(yàn)段夯點(diǎn)平面布置如圖1所示。為了保證處治效果，以最后一擊沉降小于2 cm作為控制標(biāo)準(zhǔn)。如果達(dá)到夯擊次數(shù)沉降量不能滿足要求，應(yīng)重新試夯確定落距和夯擊次數(shù)，必要時(shí)調(diào)整夯錘質(zhì)量。

圖1 夯點(diǎn)平面布置圖（單位：m）

3.1.2 施工機(jī)械選配

試驗(yàn)段重夯處治施工選用YTQU50重夯設(shè)備1臺(tái)、直徑為2 m的10 t夯錘一個(gè)，配合重夯施工的機(jī)械設(shè)備包括推土機(jī)1臺(tái)、挖掘機(jī)1臺(tái)、灑水車(chē)1臺(tái)等。重夯設(shè)備最大提升高度為9 m，夯錘底部有4個(gè)直徑為200 mm的排氣孔。

3.2 試夯

按照上述施工方案，對(duì)濕陷性黃土地基進(jìn)行重夯，每個(gè)夯點(diǎn)夯擊次數(shù)為6次，落距為8 m，每?jī)纱魏粨糸g隔時(shí)間為7 d。夯點(diǎn)夯擊采用滿夯，夯痕搭接不小于1/2D。試夯控制單個(gè)夯點(diǎn)夯擊次數(shù)不少于6次，最后一擊沉降量不大于2 cm。

分析表2數(shù)據(jù)，可以得出采用現(xiàn)施工方案對(duì)濕陷性黃土地基進(jìn)行重夯處治，每個(gè)夯點(diǎn)夯擊次數(shù)達(dá)到6次后沉降量均小于2 cm，且總沉降量十分接近。分析圖2夯沉量曲線變化趨勢(shì)，隨著夯擊次數(shù)的增加，各夯點(diǎn)沉降量不斷變小，沉降速度不斷下降，且達(dá)到第5擊后曲線基本趨于平緩，說(shuō)明地基沉降已基本穩(wěn)定。因此，綜合分析后，該施工方案可以滿足濕陷性黃土地基加固處治的要求，方案可行。

表2 地基夯點(diǎn)沉降觀測(cè)記錄

圖2 地基夯沉量隨夯擊次數(shù)變化曲線

4 地基重夯效果檢測(cè)與分析

4.1 土樣室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析

重夯試驗(yàn)完成后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣并對(duì)土樣的濕陷系數(shù)、含水率等進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 重夯后地基各深度土樣檢測(cè)結(jié)果

分析表3數(shù)據(jù)，與重夯前的土樣檢測(cè)結(jié)果（表1）相比，重夯處治后濕陷性黃土地基的各項(xiàng)指標(biāo)得到較大改善，重夯后土樣濕陷性系數(shù)均小于0.015，大大降低了土體的濕陷性。另外，通過(guò)分析不同深度土樣的檢測(cè)結(jié)果，地基以下4 m范圍內(nèi)的土樣濕陷性均明顯下降，遠(yuǎn)低于0.015。分析不同深度土樣的含水率和干密度變化，含水率有所下降，干密度明顯提高，說(shuō)明夯實(shí)后部分水分被排出，地基土密實(shí)度提高，進(jìn)而提高了地基土的強(qiáng)度。說(shuō)明采用重夯處治后地基土濕陷性明顯下降，土樣強(qiáng)度和穩(wěn)定性明顯提高。

4.2 夯沉量檢測(cè)結(jié)果分析

為了確定夯沉量與夯擊次數(shù)之間的關(guān)系，在施工現(xiàn)場(chǎng)選取3個(gè)夯點(diǎn)開(kāi)展試驗(yàn)。夯點(diǎn)使用白灰標(biāo)記，每夯擊一次檢測(cè)一次沉降量，夯沉量隨夯擊次數(shù)變化曲線如圖3所示。

圖3 夯沉量隨夯擊次數(shù)變化曲線

分析圖3夯沉量變化曲線，隨著夯擊次數(shù)的增加，3個(gè)夯點(diǎn)的夯沉量增加值不斷下降，夯擊5次以后3個(gè)夯點(diǎn)沉降量均接近20 mm，說(shuō)明已經(jīng)達(dá)到了施工要求。第6次夯擊沉降量增加幅度進(jìn)一步下降，且均小于20 mm，說(shuō)明夯擊次數(shù)滿足重夯的施工要求。前4次夯擊地基產(chǎn)生了較大的沉降，后2次夯擊所產(chǎn)生的沉降量較小，說(shuō)明濕陷性黃土地基在夯錘沖擊力的作用下已經(jīng)達(dá)到密實(shí)，地基土的強(qiáng)度和承載力都得到了明顯提高，可有效抵抗完工后的變形破壞。

4.3 壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果分析

為了確定重夯處治后地基土密實(shí)度，在試驗(yàn)段上選取兩個(gè)有代表性的測(cè)點(diǎn)，間隔距離為40 m，分別在重夯處治前后采用灌砂法對(duì)地基頂面以下5 m范圍內(nèi)的壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 不同深度地基土重夯前后壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果 %

分析表4壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果，深度在4 m以?xún)?nèi)的地基土體重夯前后壓實(shí)度有較大幅度的增加，其中深度為4 m處地基土壓實(shí)度由原來(lái)的76%左右，增至接近93%，說(shuō)明重夯后地基土的密實(shí)度得到明顯提高，進(jìn)而提高了地基土的強(qiáng)度和承載能力，說(shuō)明重夯處治對(duì)濕陷性黃土的加固效果明顯。另外，4 m以上的地基土壓實(shí)度增長(zhǎng)幅度較小，說(shuō)明重夯法對(duì)4 m以上的濕陷性黃土地基處治效果不顯著。

4.4 路堤填筑沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為了確定重夯施工效果，分別在K96+900—K96+987段和K108+660—K108+770段各選取兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)斷面分別為K96+920、K96+960、K108+700、K108+740，布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了1年的沉降觀測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 完工后沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

分析表5數(shù)據(jù)，可以得出各監(jiān)測(cè)斷面重夯處治后1年的累積沉降量為9 mm左右，且沉降已基本趨于穩(wěn)定，路基結(jié)構(gòu)也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變形破壞。重夯處治半年后路堤沉降已基本穩(wěn)定，后期監(jiān)測(cè)所產(chǎn)生的變形量很小，說(shuō)明這兩段濕陷性黃土地基經(jīng)過(guò)重夯處治后地基承載力得到了明顯提高，有效控制了沉降變形。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合岢臨高速公路Ⅱ級(jí)非自重濕陷性黃土地基重夯法處治實(shí)踐，制定施工方案，建立試驗(yàn)段，通過(guò)試夯確定施工參數(shù)，并開(kāi)展試驗(yàn)檢測(cè)重夯前后地基土的變化情況，分析后得出以下結(jié)論：

a）分析室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，重夯前后土樣各方面性能指標(biāo)變化明顯，濕陷性系數(shù)均下降到0.015以下，地基土干密度明顯提高，含水率下降，說(shuō)明重夯處治后消除了地基土的濕陷性，提高了密實(shí)度，進(jìn)而使地基土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到了提升。

b）對(duì)比分析重夯前后壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果，重夯前后地基表面以下4 m深度范圍內(nèi)地基土壓實(shí)度增幅明顯，說(shuō)明重夯處治可有效提高地基土的密實(shí)度，對(duì)濕陷性黃土地基的加固效果明顯。

c）分析沉降觀測(cè)結(jié)果，重夯處治后前半年沉降速度較快，沉降量也較大，但半年后沉降基本穩(wěn)定，1年后兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面累積沉降量為9 mm左右，說(shuō)明采用重夯處治后地基承載力得到了明顯提高，有效控制了沉降變形。

綜上所述，對(duì)Ⅱ級(jí)非自重濕陷性黃土采用重夯法進(jìn)行加固處理，可有效消除地基土的濕陷性，提高密實(shí)度和承載能力，達(dá)到了預(yù)期效果。