HHT-8強(qiáng)夯法動(dòng)土壓力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究*

廖金杭 牟宏霖 闕 云 鄭 亮 劉文輝

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福州 350116； 2.南平武沙高速公路有限公司 南平 353000；3.福建春林工程管理有限公司 廈門(mén) 361000； 4.廣東省第一建筑工程有限公司 廈門(mén) 361000)

強(qiáng)夯法是由Menard[1]提出并于1960年在法國(guó)發(fā)展起來(lái)的地基處理技術(shù)，該技術(shù)是通過(guò)將大噸位的夯錘提升到一定的高度后令其自由落下，沖擊地面以達(dá)到加固地基的目的。該技術(shù)以工藝簡(jiǎn)單、加固效果良好、施工速度快、費(fèi)用低廉的特點(diǎn)[2-3]，較快地被世界各國(guó)工程界采用。Qian J.[4]介紹了強(qiáng)夯從理論到實(shí)踐的應(yīng)用，為強(qiáng)夯法的工程應(yīng)用提供了更可行的理論依據(jù)。

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的強(qiáng)夯法由于夯擊能級(jí)大，夯擊所產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)周?chē)ㄖ?、?gòu)筑物產(chǎn)生的不利影響較大而不太適用于城市道路的夯實(shí)加固，而 HHT-8履帶式智能連續(xù)強(qiáng)夯機(jī)具有靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，能適應(yīng)不同復(fù)雜地形道路的夯實(shí)，為橋涵臺(tái)背回填、涵洞基底處理、填石路基、填挖結(jié)合部、“雞爪沖溝”等特殊路段提供了有效的壓實(shí)手段。在城市道路施工中相比于重型振動(dòng)壓路機(jī)和沖擊壓路機(jī)而言，具有明顯的工程施工優(yōu)勢(shì)。目前對(duì)強(qiáng)夯的研究主要集中在試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬，試驗(yàn)研究方面前人對(duì)強(qiáng)夯時(shí)土體的動(dòng)應(yīng)力隨深度的變化開(kāi)展了一些測(cè)試工作[5-7]，認(rèn)為這是一項(xiàng)困難的工作，影響量測(cè)精度的因素不但與土質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，還與土壓力傳感器的構(gòu)造及周?chē)馏w的匹配關(guān)系、埋設(shè)方法等有關(guān)[8]?？琢顐サ萚9]對(duì)強(qiáng)夯的邊界接觸應(yīng)力進(jìn)行了理論研究。以上的研究均是基于傳統(tǒng)強(qiáng)夯法的研究，而HHT-8作為一種新型強(qiáng)夯方法有其獨(dú)特的適用特點(diǎn)[10]。深入研究HHT-8夯實(shí)法加固路基的基本原理、工作特性，對(duì)于合理有效地組織施工十分重要。

鑒于此，依托福建省某工程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量試驗(yàn)，在試驗(yàn)路段豎直埋設(shè)了11個(gè)應(yīng)變式油壓動(dòng)態(tài)土壓力盒，在HHT-8強(qiáng)夯設(shè)備工作時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量夯錘擊實(shí)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力分布特征及其衰減規(guī)律。以期得到各深度土壓力分布規(guī)律及距離錘擊點(diǎn)不同距離的土壓力變化規(guī)律，為HHT-8履帶式智能連續(xù)強(qiáng)夯設(shè)備在實(shí)際施工中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 HHT-8履帶式智能連續(xù)強(qiáng)夯機(jī)

HHT-8履帶式智能連續(xù)強(qiáng)夯機(jī)由履帶機(jī)動(dòng)裝置及液壓夯錘系統(tǒng)組成, 其核心部分在于前部的液壓夯錘系統(tǒng)。夯錘在液壓系統(tǒng)與重力的共同作用下對(duì)地面進(jìn)行夯實(shí)，可滿足對(duì)作業(yè)面積進(jìn)行單點(diǎn)或連續(xù)的夯實(shí)要求。其中夯錘重80 kN，最大提升高度為3 m，夯錘尺寸為200 cm×50 cm。根據(jù)落距的不同，HHT-8強(qiáng)夯機(jī)有4個(gè)落距檔位，分別為0.8，1.4，2，2.6 m，分別對(duì)應(yīng)一檔至四檔加載等級(jí)，加載等級(jí)所對(duì)應(yīng)的夯擊能分別為64，112，160，208 kN·m。HHT-8強(qiáng)夯機(jī)圖見(jiàn)圖1。

圖1 HHT-8履帶式智能連續(xù)強(qiáng)夯機(jī)

1.2 工程概況

測(cè)試段位于閩中沿海地區(qū)、丘陵地帶，為填方路基，其中路基寬度32 m、坡率為1∶1.6。路基填料土為粉質(zhì)黏土。在測(cè)試段沿線不同點(diǎn)位進(jìn)行了鉆探取樣，將鉆探得到的土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，可得路基土密度大多位于1.8～2.0 g/cm3，平均含水率為23.2%，含水率明顯偏高。大部分土的孔隙比分布在0.7～0.8，路基土的平均孔隙比為0.72。

2 動(dòng)土壓力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 強(qiáng)夯夯擊點(diǎn)及動(dòng)土壓力測(cè)點(diǎn)布置

沿測(cè)試段縱向(行車(chē)方向)的中心線布置19個(gè)夯擊點(diǎn)。所布置的夯擊點(diǎn)在一條縱向直線上，相鄰夯擊點(diǎn)之間的距離為1 m。并且對(duì)夯擊點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，其中動(dòng)土壓力盒分層埋設(shè)于1號(hào)夯擊點(diǎn)位置下方。強(qiáng)夯點(diǎn)位及測(cè)點(diǎn)平面布置圖和立面圖見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 強(qiáng)夯夯擊點(diǎn)位及動(dòng)土壓力測(cè)點(diǎn)平面布置示意圖

圖3 動(dòng)土壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)試儀器布置立面圖(單位：cm)

2.2 試驗(yàn)方案

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，HHT-8強(qiáng)夯機(jī)的行車(chē)路線位于測(cè)試路段的中線，以埋設(shè)傳感器的位置(即夯擊點(diǎn)1)為終點(diǎn)，在傳感器左側(cè)水平距離25 m處做一起點(diǎn)標(biāo)記。HHT-8強(qiáng)夯機(jī)在該處啟動(dòng)，沿著行車(chē)方向前進(jìn)并加速到正常工作速度，當(dāng)強(qiáng)夯機(jī)行駛到夯擊點(diǎn)19處時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。當(dāng)行駛到夯擊點(diǎn)1后動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)停止工作，數(shù)據(jù)采集階段結(jié)束。沿著相同的路徑，改變HHT-8強(qiáng)夯機(jī)的加載擋位，由一級(jí)加載至四級(jí)加載一共行駛4遍，對(duì)其在行駛過(guò)程中不同檔位作用下對(duì)測(cè)點(diǎn)位置不同深度的豎向動(dòng)土壓力和水平向動(dòng)土壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并應(yīng)用于后面的分析。

2.3 試驗(yàn)儀器及土壓力盒埋設(shè)

動(dòng)土壓力測(cè)試儀器有：DH5920動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；DHDAS數(shù)據(jù)處理軟件；應(yīng)變式油壓動(dòng)態(tài)土壓力盒。

影響土壓力量測(cè)精度的因素甚多，除了土介質(zhì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系非線性、傳感器外形尺寸等因素外，埋設(shè)條件也是重要影響因素。如夯擊點(diǎn)距土壓力盒的水平距離、夯擊的能級(jí)、土壓力盒埋設(shè)的深度及夯擊的遍數(shù)等，對(duì)水平向動(dòng)土壓力和豎向動(dòng)土壓力都會(huì)產(chǎn)生影響。故埋設(shè)方法及要求如下。

1) 將5個(gè)0.6 MPa動(dòng)態(tài)土壓力盒編號(hào)為1號(hào)至5號(hào)，用于豎向動(dòng)態(tài)土壓力測(cè)試，埋設(shè)朝向?yàn)槭芰δぐ迕媾c路面平行；6個(gè)0.4 MPa動(dòng)態(tài)土壓力盒編號(hào)為6號(hào)至11號(hào)，用于水平向動(dòng)態(tài)土壓力測(cè)試，埋設(shè)朝向?yàn)槭芰δぐ迕媾c路面相垂直。

2) 埋設(shè)時(shí)應(yīng)保證與傳感器兩面接觸的土介質(zhì)顆粒細(xì)膩，不能與較大的而且有尖角的石子接觸，以免在受力時(shí)將受力膜板破壞。因此，本次埋設(shè)時(shí)在土壓力盒周邊鋪設(shè)薄砂層。

3) 由于測(cè)試段路基填筑高度為3.6 m，故挖深為3.6 m。而土壓力傳感器的深度間距取0.6 m是因?yàn)橥翂毫羞€有0.1 m的厚度，下一層土壓力盒頂面至上一層土壓力盒底的實(shí)際距離為0.5 m。在測(cè)試樁號(hào)處用反鏟挖土機(jī)從路床頂面往下挖3.6 m深溝，采用機(jī)械挖掘時(shí)挖深略深于3.6 m，然后由人工將土回填到略高于埋設(shè)傳感器的標(biāo)高并進(jìn)行人工夯實(shí)，土的密度接近于原始狀態(tài)下的密度，而后修成水平面埋設(shè)最底層的2個(gè)傳感器，用水平尺校準(zhǔn)傳感器的水平度?；靥钔林饘訅簩?shí)回填一定的高度，用夯夯實(shí)，而后準(zhǔn)備埋設(shè)上一層傳感器。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集

在HHT-8沿著行車(chē)方向夯擊1次的過(guò)程中，共有19個(gè)夯擊點(diǎn)，在每個(gè)夯擊點(diǎn)進(jìn)行夯擊后能夠采集5個(gè)豎向動(dòng)土壓力數(shù)值和6個(gè)水平向動(dòng)土壓力數(shù)值。在次夯擊過(guò)程中能夠采集209個(gè)動(dòng)土壓力數(shù)據(jù)。HHT-8強(qiáng)夯機(jī)有4個(gè)不同檔位的加載等級(jí)，變換不同加載等級(jí)，由一級(jí)加載到四級(jí)加載檔位沿著相同的行駛路徑夯擊4遍，一共采集836個(gè)動(dòng)土壓力數(shù)據(jù)。利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將各土壓力盒的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且用數(shù)據(jù)處理軟件得到所需的數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 豎向動(dòng)土壓力隨夯擊點(diǎn)水平距離變化

在HHT-8履帶式智能連續(xù)強(qiáng)夯機(jī)在4個(gè)不同檔位下沿著相同的夯擊路線夯擊4遍，測(cè)得同夯擊功能作用下測(cè)點(diǎn)不同深度豎向動(dòng)土壓力隨夯擊點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)水平距離變化土壓力數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，在不同能級(jí)的夯擊下，動(dòng)土壓力的衰減規(guī)律大致相同。比較各級(jí)加載中的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以看出，在夯擊作用下埋深為3.6 m處的測(cè)點(diǎn)5所測(cè)得的豎向動(dòng)土壓力數(shù)值明顯大于其他4個(gè)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)土壓力，測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)4所得到的豎向動(dòng)土壓力相對(duì)集中。

圖4 各深度測(cè)點(diǎn)土壓力隨錘擊點(diǎn)縱向距離變化曲線

隨著HHT-8的加載等級(jí)不斷升高，土壓力總體呈變大趨勢(shì)，三級(jí)荷載個(gè)別點(diǎn)因測(cè)量誤差，其值小于二級(jí)荷載。隨著夯擊點(diǎn)的距離與測(cè)點(diǎn)的水平距離的增加，其豎向動(dòng)土壓力數(shù)值明顯減小。由圖4可以看出，隨著水平距離的增加，動(dòng)土壓力先以極快的速率減小，曲線很陡，而后減小速率保持穩(wěn)定，曲線趨于平緩，其間有一個(gè)分界，因此可以看出動(dòng)土壓力的衰減規(guī)律出現(xiàn)拐點(diǎn)現(xiàn)象。在同級(jí)加載作用下，土壓力的衰減速率在拐點(diǎn)前非常明顯，并且埋深越淺衰減的速率越快。以四級(jí)加載為例，從夯擊點(diǎn)1位置到夯擊點(diǎn)4位置范圍內(nèi)衰減速率極大，從土壓力測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)5的豎向動(dòng)土壓力分別衰減了88.0%，83.9%，87.0%，86.3%和82.3%。其余加載等級(jí)下的衰減幅度見(jiàn)表1。

表1 夯擊點(diǎn)1位置到夯擊點(diǎn)4位置范圍內(nèi)衰減幅度 %

以豎向動(dòng)土壓力變化幅度小于5%為界限，由數(shù)據(jù)和圖形分析可以得到豎向動(dòng)土壓力隨著水平夯擊距離的增大，一級(jí)～四級(jí)加載檔位下拐點(diǎn)的位置出現(xiàn)在夯擊點(diǎn)5和夯擊點(diǎn)6之間。在拐點(diǎn)位置后隨著夯擊距離的增大，豎向動(dòng)土壓力值基本保持穩(wěn)定，變化幅度很小。說(shuō)明HHT-8強(qiáng)夯擊在夯擊時(shí)動(dòng)土壓力的水平影響范圍主要為以夯擊點(diǎn)為中心、4 m為半徑的圓內(nèi)。

3.2 不同夯擊點(diǎn)作用下豎向動(dòng)土壓力隨埋深變化

根據(jù)上述規(guī)律可知?jiǎng)油翂毫Φ淖兓诤粨酎c(diǎn)1附近變化較明顯且變化幅度大，值得進(jìn)一步探究。故取夯擊點(diǎn)1至夯擊點(diǎn)8，一共8個(gè)夯擊點(diǎn)進(jìn)行分析。以動(dòng)土壓力值為橫軸，測(cè)點(diǎn)深度為縱軸做出不同夯擊點(diǎn)下的豎向動(dòng)土壓力折線圖，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 豎向動(dòng)土壓力

由圖5可見(jiàn)，隨著測(cè)點(diǎn)深度的增加，在HHT-8強(qiáng)夯機(jī)一級(jí)至四級(jí)加載檔位的夯擊作用下，各檔位下豎向動(dòng)土壓力的變化基本呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。各級(jí)加載檔位的變化規(guī)律相同但是隨著加載檔位的升高，變化曲線的數(shù)值出現(xiàn)整體性的增加。豎向動(dòng)土壓力的變化規(guī)律為：隨著測(cè)點(diǎn)埋深的增加，動(dòng)土壓力呈現(xiàn)先大幅度減小后略微增大，然后繼續(xù)減小的趨勢(shì)。距離土壓力測(cè)點(diǎn)水平距離越近的夯擊點(diǎn)，這種規(guī)律就越明顯。并且豎向動(dòng)土壓力的衰減同樣具有拐點(diǎn)現(xiàn)象，分析夯擊點(diǎn)1至夯擊點(diǎn)8可以得到拐點(diǎn)出現(xiàn)位置的規(guī)律。除了夯擊點(diǎn)3處由于測(cè)量時(shí)的誤差影響，拐點(diǎn)位置出現(xiàn)在埋深2.4 m處，其余夯擊點(diǎn)位下拐點(diǎn)都出現(xiàn)在埋深為1.8 m的測(cè)點(diǎn)位置處，拐點(diǎn)埋深以下動(dòng)土壓力的衰減幅度很小，動(dòng)土壓力趨于穩(wěn)定。

3.3 不同夯擊點(diǎn)作用下水平向動(dòng)土壓力隨埋深變化

選取夯擊點(diǎn)1～8在不同加載等級(jí)情況下的數(shù)據(jù)，對(duì)HHT-8履帶式智能連續(xù)強(qiáng)夯機(jī)在不同夯擊功能作用下測(cè)點(diǎn)不同深度水平向動(dòng)土壓力隨夯擊點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)水平距離變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 水平向動(dòng)土壓力

由圖6可見(jiàn)，隨著深度的增加，水平向的動(dòng)土壓力呈現(xiàn)出先迅速減小后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。這種規(guī)律在夯擊點(diǎn)3以后顯得尤為明顯。與豎向動(dòng)土壓力衰減規(guī)律相比，水平向動(dòng)土壓力的衰減表現(xiàn)出拐點(diǎn)現(xiàn)象。從地面到拐點(diǎn)埋深位置水平向動(dòng)土壓力減小趨勢(shì)明顯，夯擊點(diǎn)位距測(cè)點(diǎn)的水平位置越近，動(dòng)土壓力減小的趨勢(shì)越明顯，在拐點(diǎn)位置以下，水平動(dòng)土壓力變化幅度很小并趨于穩(wěn)定。

在同一個(gè)夯擊點(diǎn)處，不同等級(jí)加載作用下水平向動(dòng)土壓力拐點(diǎn)出現(xiàn)的埋深位置相同，但是比較于不同的夯擊點(diǎn)，拐點(diǎn)出現(xiàn)的埋深位置不同。由圖6可以得到，在夯擊點(diǎn)1和夯擊點(diǎn)2處，水平向動(dòng)土壓力衰減的拐點(diǎn)位置出現(xiàn)在埋深為3.0 m處，在夯擊點(diǎn)3至夯擊點(diǎn)8處，水平向動(dòng)土壓力變化的拐點(diǎn)深度均為1.2 m。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 隨著HHT-8的加載等級(jí)不斷升高，土壓力總體呈變大趨勢(shì)，但增大的趨勢(shì)不明顯。隨著錘擊點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)水平距離的增大，豎向動(dòng)土壓力隨著夯擊點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)水平距離的增加，其衰減規(guī)律出現(xiàn)拐點(diǎn)現(xiàn)象。一級(jí)～四級(jí)加載檔位下拐點(diǎn)的位置出現(xiàn)在距離與測(cè)點(diǎn)頂部水平距離的4～5 m之間(即夯擊點(diǎn)5和夯擊點(diǎn)6之間)。說(shuō)明了HHT-8強(qiáng)夯機(jī)在夯擊時(shí)動(dòng)土壓力的水平影響范圍主要為以夯擊點(diǎn)為中心，4 m為半徑的圓內(nèi)。

2) 不同夯擊功能作用下測(cè)點(diǎn)不同深度豎向向動(dòng)土壓力隨夯擊點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)水平距離變化規(guī)律同樣有拐點(diǎn)現(xiàn)象。豎向動(dòng)土壓力隨著深度衰減的拐點(diǎn)位置不會(huì)由于夯擊點(diǎn)距離測(cè)點(diǎn)的水平距離的變化而變化，在每個(gè)夯擊點(diǎn)為下，拐點(diǎn)出現(xiàn)的埋深位置均為1.8 m。

3) 關(guān)于水平向動(dòng)土壓力，隨著深度的增加，在距土壓力測(cè)點(diǎn)不同水平距離的夯擊點(diǎn)位下，水平動(dòng)土壓力的衰減也出現(xiàn)拐點(diǎn)現(xiàn)象。但是距離測(cè)點(diǎn)不同的夯擊點(diǎn)下，水平動(dòng)土壓力衰減拐點(diǎn)出現(xiàn)的深度有所不同，在夯擊點(diǎn)1和夯擊點(diǎn)2處，水平向動(dòng)土壓力衰減的拐點(diǎn)位置出現(xiàn)在埋深為3.0 m處，在夯擊點(diǎn)3至夯擊點(diǎn)8處，水平向動(dòng)土壓力變化的拐點(diǎn)深度均為1.2 m。