濕陷性黃土路基加固強夯法施工振動技術研究

楊臻杰

（中交一公局第三工程有限公司，北京 101102）

1 引言

黃土沉積過程中特殊的生成環(huán)境和物質成分形成了欠壓密、多孔隙、弱膠結的結構特征和特殊的工程性質黃土在一定壓力作用下沉穩(wěn)定后，受水浸濕結構迅速破壞并產(chǎn)生顯著附加下沉的性質稱為濕陷性，是其最典型的特殊工程性質之一[1-3]。濕陷變形是一種下沉量大、下沉速率快的失穩(wěn)性變形，對于道路工程危害很大。

為減輕濕陷性黃土地區(qū)路基承載力和工后沉降對鐵路帶來的影響，一般采用沖擊碾壓法、強夯法、灰土擠密樁法、柱錘擴沖樁法等對黃土路基進行處理[4-6]，取得了良好的效果，但也遇到了一系列的問題，如強夯法由于其巨大的夯擊能，在現(xiàn)場施工時給附近的建筑物帶來了不同程度的損壞，現(xiàn)場隔振技術成為決定其成敗的關鍵因素之一；黃土的性質具有很強的地域性，其不同的路基處理措施在不同的區(qū)域處理效果存在差異，需要通過現(xiàn)場試驗來確定相關施工工藝和關鍵參數(shù)。

鑒于此，對上述問題的深入研究不僅能夠提高濕陷性黃土地區(qū)路基地基處理的施工水平，同時也具有重要的工程實用價值。

國道109線樂都至平安段公路改擴建工程標段，起訖樁號K2+000～K34+500，長32.4 km。項目區(qū)間部分路段路基主要為濕陷性黃土，屬于Ⅱ級（中等）自重濕陷場地，主要有砂質新黃土、細圓礫土、細角礫土、黏土、粉質黏土等。

（1）路基為濕陷性黃土路基，施工要避開雨季并做好路基防水處理；

（2）地基及基礎采用強夯加固處理，路基加固處理的施工質量控制為重點工程；

（3）強夯面積大，時間間隔長，地基加固處理要求高；

（4）區(qū)間線路穿越居民區(qū)，風險源多，地基處理產(chǎn)生的震動容易造成居民房屋及地下管線破壞。

綜上所述，濕陷性黃土路基加固施工困難大，為保證施工安全，保障工期，有必要對淺層濕陷性黃土地基加固處理施工振動控制技術進行研究。形成的一整套研究成果能夠為工程安全提供科學支撐和技術幫助，為類似工程地基處理施工項目提供借鑒和參考。

2 強夯加固機理

強夯加固地基的作用機制主要是：加密、固結和預壓變形的共同作用。由于土體由固相、液相、氣相組成，在強夯過程中土體中的氣體被排出壓密后，基本上只有固相和液相而成為飽和土，這樣在重錘作用下，排水而使土體得到固結。

3 模型建立

3.1 本構模型

針對濕陷性黃土路基強夯施工技術參數(shù)問題，利用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件，建立Mohr-Coulomb（摩爾-庫侖）模型。

3.2 材料參數(shù)

土體模型計算初始參數(shù)見表1：

表1 模型計算初始參數(shù)

3.3 有限元分析模型的建立

單元類型采用一階8節(jié)點的三維實體縮減積分單元（C3D8R）。計算共劃分為45 356個單元，53 428個節(jié)點，邊界條件采用四周水平位移約束，底面三向位移約束條件。

4 強夯監(jiān)測及隔震施工技術研究

強夯施工過程中，會產(chǎn)生強大的沖擊波，沖擊波以夯點為中心向四周傳播并衰減，衰減幅度較小時，會對附近管線和建筑物產(chǎn)生破壞。

4.1 強夯施工參數(shù)

4.1.1 主夯

主夯遍數(shù)為3遍，每遍夯擊數(shù)10擊，每遍之間的時間間隔5 d。錘重23.8 t，吊高17.1 m，夯擊能為4 000 kN·m。

4.1.2 滿夯

主夯遍數(shù)為2遍，每遍夯擊數(shù)3擊。錘重23.8 t，吊高4.3 m，夯擊能為1 000 kN·m。

4.2 隔振溝結構形式確定

根據(jù)隔振原理并結合現(xiàn)場可實施性，選取了4種隔振溝，通過測定溝前、溝后振動峰值速度及振動峰值加速度確定4種隔振溝的隔振效果[7-9]，由表2分析得：空隔振溝隔振效果最佳。

表2 隔振溝結構型式對隔振效果的影響

4.3 強夯振動監(jiān)測方案

強夯試驗監(jiān)測中，采用891-2型拾振器對速度信號進行采集。監(jiān)測方案如下：

（1）自由場夯擊振動試驗：總計11監(jiān)測點，監(jiān)測點距夯點中心的間距分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、80 m、100 m、150 m、200 m、250 m。

（2）隔振溝與夯點的間距試驗：總計3條隔振溝，每條隔振溝長度20 m，深度4 m，寬度2 m。隔振溝距夯點中心的間距分別為10 m、30 m和50 m。拾振器分別布置在隔振溝兩側，共6個監(jiān)測點（如圖1）。

圖1 隔振溝與夯點間距試驗平面布置圖（單位：m）

（3）隔振溝深度與寬度：3條溝，離距夯點距離30 m，隔振溝長度20 m，1#、2#、3#深寬分別為：2 m和4 m、2 m和2 m、4 m和4 m。拾振器分別布置在隔振溝兩側，總計6個監(jiān)測點（如圖2）。

圖2 隔振溝深寬試驗監(jiān)測點平面布置圖

4.4 振動評價標準

國內(nèi)外對于強夯對建（構）筑物安全允許振動有多種評價方式，主要包括時程曲線反應譜法、振動強度法和質點振動功率法[10-11]。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，強夯工點周邊居民區(qū)的建筑物主要為磚混結構，屬于《爆破安全規(guī)程》中規(guī)定的一般磚房，其振動安全允許標準為2.0～3.0 m/s，為防止夯擊的累積作用對建筑物造成的損害，采取提高一級安全等級進行設防，即振動安全標準為0.5～1.5 m/s，考慮到部分建筑年代久遠，取≤0.5 m/s=5 mm/s為建筑物振動安全閾值。

4.5 結果分析

4.5.1 自由場夯擊振動試驗

由圖3可知隨著距離的增大，1～9擊隨著夯擊次數(shù)的增加，振動速度峰值增幅明顯，9～10擊，振動速度峰值增幅很小，為保證施工質量，試驗區(qū)土體的最佳夯擊能可確定為10擊。

圖3 強夯振動速度峰值隨距離的變化趨勢圖

由圖4可知，同一質點隨著夯擊次數(shù)的增大，振動速度峰值呈遞增趨勢，但越靠近夯點，增幅越明顯。同時，還可以看出9～10擊可達到該夯擊能下的最佳加固效果，與前述分析結果一致。

圖4 強夯振動速度峰值隨夯擊次數(shù)變化趨勢圖

圖5為R=250 m處（最遠監(jiān)測點）強夯振動速度峰值隨夯擊次數(shù)變化趨勢圖，1～5擊時，振動速度峰值Vmax≤5 mm/s；6～10擊時，振動速度峰值Vmax＞5 mm/s，故在強夯施工過程中需要采取措施，降低夯擊能對建筑的影響。

圖5 R=250 m振動速度峰值隨夯擊次數(shù)變化趨勢圖

4.5.2 隔振溝效果試驗

（1）隔振溝與夯點的間距。隔振溝試驗后，距離10 m、30 m和50 m處，隔振溝前后質點振動速度峰值平均衰減率分別為63.2%，58.2%和43.6%，隨著隔振溝靠近夯點中心，隔振效果越明顯。因此，在現(xiàn)場施工時應讓隔振溝盡量靠近夯點中心，提高隔振溝的隔振效果。

（2）隔振溝深度與寬度。當寬度為2 m時，深度從2 m增加至4 m時，振動峰值速度平均衰減率增幅達21.2%，隔振效果明顯；當深度為4 m時，寬度從2 m增加至4 m時，振動峰值速度平均衰減率增幅達0.2%，隔振效果很差。分析得：影響隔振溝隔振效果的關鍵因素是深度，若采用隔振溝進行隔振，應優(yōu)先加大隔振溝的深度。

（3）隔振方案效果分析。基于以上的試驗結果，擬采用隔振溝進行隔振，設計參數(shù)為：深度4 m，寬度2 m，距夯點中心距離為30 m，居民區(qū)邊緣（R=250 m）振動速度峰值亦滿足要求。因此，在強夯現(xiàn)場施工過程中，該隔振方案可行，宜在全線推廣應用。

4.6 強夯振動實時監(jiān)測結果分析

黃土地基加固處理部分區(qū)段采用強夯法施工，施工過程對臨近居民房屋產(chǎn)生干擾，強夯引起的地表振動帶動房屋產(chǎn)生振動，影響沿線居民的生活。為確保強夯施工振動不致使影響居民房屋的安全性，采取施工全過程監(jiān)控量測。

傳統(tǒng)強夯振動監(jiān)測手段具有：量測數(shù)據(jù)受主觀影響較大、觀測反射片極易丟失或損壞、作業(yè)量大、以點帶面的數(shù)據(jù)結構說服力度欠缺等不足。本項目創(chuàng)新性地采用三維激光掃描技術進行強夯振動監(jiān)測，對房屋進行臨街面全覆蓋監(jiān)控，基于點云數(shù)據(jù)，設計數(shù)據(jù)剔除及分析算法，利用MATLAB語言編制計算程序，進行房屋面域變形監(jiān)控。

由圖6、圖7可知，B墻Z軸方向（上下方向）變形較大，但到后期變形趨于穩(wěn)定。變形觀測數(shù)據(jù)反映強夯施工振動控制措施可以滿足房屋安全性要求。

圖6 B墻Z軸方向變形量分析

圖7 B墻Z軸方向累計變形量分析

5 結論

濕陷性黃土路基加固施工振動控制技術施工中，使用了高含水率濕陷性黃土區(qū)強夯時間間隔控制技術、三維激光掃描變形監(jiān)控技術、強夯施工隔振及監(jiān)測技術，歸納總結出了適合于該區(qū)域的強夯施工休止周期和隔振技術，采用三維激光掃描儀對建筑物進行實時動態(tài)監(jiān)測，確保線路附近建筑物的安全，為類似地區(qū)交通建設提供技術儲備，提高線路施工質量。