分層強夯填筑法在濕陷性黃土高填方路基中的應(yīng)用

隋秀華，張帥珂

(中交一公局集團(tuán)第七工程有限公司，河南鄭州 451450)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展以及公路交通網(wǎng)的不斷完善，公路工程建設(shè)將不可避免地要進(jìn)行高挖深填，從而會對路基工程施工提出更高要求。當(dāng)路基兩端挖方棄方數(shù)最充足，材料質(zhì)勻及地基條件較好、縱向運距較適中時，高填方路基施工方案較其他方案（例如橋梁等）表現(xiàn)出更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。通常，高填方路基常采用分層填筑、分層壓實的方法施工，但具體施工工藝及參數(shù)若設(shè)計不當(dāng)，則易表現(xiàn)出路基整體沉陷或局部小范圍區(qū)域的沉陷而導(dǎo)致的不均勻沉降問題，或者出現(xiàn)路基縱向開裂、路基滑動或高填方臨空面的邊坡滑塌等病害，從而影響公路的正常使用[3-4]。因此，對于公路，特別是高速公路而言，高填方路基的施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和施工工藝要求較高，而填筑工藝及參數(shù)與填土的土性參數(shù)具有密切關(guān)系。

濕陷性黃土地質(zhì)在我國分布較廣[5]，工程中很難避免在濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行建設(shè)施工。對于一般工民建來講，采用樁基或鉆孔灌注樁、灰土擠密樁甚至回填土等方法可較好地處理地基濕陷性問題。但一般公路工程中路基所占面積較大，涉及土方量多，處理難度相對較大。目前在公路路基工程施工中對于濕陷性黃土的濕陷性處理可采用重錘夯擊及強夯法處理、預(yù)浸水處理、局部小范圍的灰土或素土換填、重點區(qū)域地石灰或二灰土擠密樁等方法。但是各方法因成本不同、施工工藝難度不同，無法在施工中全過程采用。因而需要結(jié)合實際工程需求，根據(jù)地基濕陷類型、等級、公路等級以及對路基要求等條件進(jìn)行選用[6-7]。針對于黃土地區(qū)的高填方路基，采用強夯法既可達(dá)到需要的壓實效果又可消除黃土濕陷性，因此表現(xiàn)出良好的優(yōu)越性。然而，目前國內(nèi)濕陷性黃土填方路基施工，Ⅱ級自重濕陷性黃土全部作為路基填料的較少，且填土高度一般不超過35 米。并且，目前暫沒有準(zhǔn)確的針對濕陷性黃土地基的強夯理論及對應(yīng)參數(shù)。除此之外，相對應(yīng)的施工工法、施工指南以及設(shè)計條例等指導(dǎo)性文件并不完善，對于較高以及超高路基的強夯填筑經(jīng)驗仍舊存在空缺和漏洞，在建設(shè)設(shè)計時的參數(shù)依據(jù)缺少[8]。

鑒于此，本文以三門峽崤函項目48.5 米的濕陷性黃土填方路基工程為背景，重點介紹了強夯填筑施工方法的基本原理、施工工藝、關(guān)鍵參數(shù)、效果評價以及常見質(zhì)量問題的防治及管理措施等內(nèi)容。研究成果可為類似項目提供參考。

1 施工方法基本原理

1.1 強夯壓實原理

高填方路基填筑時應(yīng)對地基進(jìn)行夯實處理，保證地基壓實度符合工程要求。強夯法處理黃土地基是利用夯錘自由下落產(chǎn)生的沖擊動力荷載使地基密實，該方法相對比較成熟，目前已經(jīng)應(yīng)用于黃土地區(qū)的各種工程中。其原理是將重錘機械能作用于需要夯實土體上，使得土體中的氣體或部分液體被排出，從而使孔隙體積減少、土顆粒間的間距減小。進(jìn)而土體的有效密度增大，土體變得較為密實，土體強度增大以保證有較高的地基承載力。此外，由于夯實土體的孔隙減小，其滲透性也減弱，從而減少雨水等侵蝕對土體的影響作用。該方法通常適用于加固顆粒較大、孔隙較多的非飽和土。

1.2 強夯消除黃土濕陷性原理

土體是由固、液、氣三相組成，濕陷性黃土相比于一般黃土而言，土體顆粒表面上含有較多呈固態(tài)或半固態(tài)分布的水溶鹽。土體骨架是由大量的砂礫、粘粒、水溶鹽及類似其他的各種聚集在大顆粒周圍形成膠結(jié)和半膠結(jié)的化學(xué)物質(zhì)組成。這些膠結(jié)物質(zhì)在遇水時產(chǎn)生軟化作用，進(jìn)而使得土的強度下降，產(chǎn)生濕陷。強夯施工是利用夯錘巨大的沖擊荷載產(chǎn)生的擊實能作用于土體，使得土顆粒產(chǎn)生移動、相互聚集，擠壓孔隙中的氣體和液體使其逐漸排出，以增大土體的干密度。除產(chǎn)生壓實效果外，在沖擊同時也破壞了膠結(jié)狀的水溶鹽，因而使得土體失去了濕陷特性。土體顆粒由原來天然紊亂狀態(tài)變成穩(wěn)定有序的狀態(tài)，改善土的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，減小土的滲水性、壓縮性，從而控制其濕陷性的發(fā)生，并且達(dá)到土體加密的效果。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

三門峽崤函大道道路工程項目所處地貌單元為黃河臺塬地貌，該區(qū)域土層以黃土狀粉土和粉質(zhì)黏土為主，黃土狀土具濕陷性，濕陷等級為Ⅱ級，土質(zhì)均勻，上部表層土層由于人類擾動，多呈松散狀，承載力低。該道路工程項目路段高填路基共計2 處，邊坡的最大高度為48.5m。針對高達(dá)48.5 m 的濕陷性黃土路基填筑施工，目前尚無類似工程經(jīng)驗可供借鑒。

2.2 工藝流程及要點

圖1 為高填方濕陷性黃土路基強夯填筑施工工藝流程，全部工藝可分為3 個階段：

圖1 濕陷性黃土高填方強夯路基施工流程

（1）準(zhǔn)備階段

在正式強夯填筑之前必須進(jìn)行包含測量放線、清表、填前碾壓等在內(nèi)的前期準(zhǔn)備工作。測量放線采用全站儀，按照基本測量要求完成路基中心線的確定。放線后需要采用木樁或其他標(biāo)識物對中心線進(jìn)行標(biāo)記，本工程中標(biāo)記間隔為20 m。道路邊線可直接根據(jù)中心線和對應(yīng)標(biāo)記樁進(jìn)行放線。同樣地，需均勻布置邊樁標(biāo)記，且需采用水準(zhǔn)儀測量控制標(biāo)高并做出標(biāo)記。

（2）強夯階段

強夯施工前應(yīng)進(jìn)行強夯試驗段施工。試驗場地面積應(yīng)大于20 m×20 m。強夯試驗需對不同的夯擊能和夯擊次數(shù)下的夯擊效果進(jìn)行比對，評價夯實效果的因素包含：1）消除濕陷性的土層厚度；2）夯擊后土層的壓實度；3）夯擊后土層的強度。試驗段按照試驗預(yù)定的目標(biāo)要求做完后，通過數(shù)據(jù)對比分析得出適用于該施工段土層的最佳夯實方案，包含強夯技術(shù)參數(shù)（夯擊能、夯擊次數(shù)、填層厚度等）和施工機械組合，進(jìn)而以此進(jìn)行強夯填筑施工組織，經(jīng)監(jiān)理審核合格后，方可進(jìn)行大面積強夯施工。

本項目施工中確定的強夯層每層填筑厚度為4 米。同一填筑層內(nèi)的夯擊遍數(shù)設(shè)計為三遍。三遍夯擊分別為主夯、副夯和全幅滿夯。主夯隔1 點跳夯，副夯補主夯的空隙，主夯和副夯完成后，最后再以低能量滿夯達(dá)到錘印彼此搭接。主夯點、副夯點均按正方形布置，夯點間距為4.5m。主夯采用錘重16.2 t，落距15.74 m，夯擊能量2500 kN·m，夯錘直徑為2.5 m，夯錘底面積4.9 m2，并設(shè)通氣孔。夯擊錘的選擇應(yīng)根據(jù)工程單位設(shè)備儲備及實際工程需求，但錘擊數(shù)及錯距等參數(shù)應(yīng)當(dāng)根據(jù)前期強夯實驗結(jié)果選擇，且需經(jīng)過論證。本路段工點初定每遍夯擊中每一個夯點進(jìn)行6 次夯擊才算完成。夯擊過程中，當(dāng)出現(xiàn)因坑底傾斜面造成夯錘歪斜時，應(yīng)及時將坑底整平。副夯布點與主夯布點形式相同，副夯（第二遍夯擊）點位于主夯（第一遍夯擊）點之間，與主夯布點位置相互錯開。主副夯完成后進(jìn)行滿幅滿夯，滿夯落距6.3m，夯擊能量為1000 kN.m，滿夯按照夯印搭接1/2 錘徑的原則逐點夯擊，即滿夯重疊范圍為1.25m。滿夯夯擊時每個點的夯擊次數(shù)為3 次；滿夯完成后進(jìn)行清除塘土、平整場地、測量高程等其他必要任務(wù)。每層均按主、副夯和滿夯進(jìn)行連續(xù)夯擊，主、副夯以最后兩擊的平均夯沉降量不大于5 cm 作為收錘標(biāo)準(zhǔn)，滿夯以最后兩擊的平均夯沉降量不大于5cm 且夯坑周圍地面隆起量不超過10 cm 做為收錘標(biāo)準(zhǔn)。

（3）填筑階段

下承層的土夯實完成后，將場地進(jìn)行平整，然后鋪設(shè)土工格柵，必須按設(shè)計要求的寬度鋪設(shè)，且鋪設(shè)過程中應(yīng)當(dāng)保證其上下層填料無刺壞土工格柵的雜物。遵照檢測清理下承層→人工鋪設(shè)土工格柵→搭接固定→攤鋪上層路基→碾壓、檢測工藝流程進(jìn)行施工。土工格柵施工完成之后需要對其進(jìn)行驗收，驗收中重點檢驗格柵平整度。確保施工質(zhì)量之后需要及時完成下一層填料的填筑。當(dāng)然，在此過程中應(yīng)適當(dāng)管制各方面機械的運行線路，保證土工格柵不起鼓，不起皺。

路基填筑采用分層填筑壓實方法，流程為放樣→運輸→攤鋪→整平→檢測→碾壓→驗收，之后再循環(huán)進(jìn)行下層填筑工藝流程進(jìn)行施工。為保證修整路基邊坡后的路堤邊緣有足夠的壓實度，填筑時應(yīng)適當(dāng)超出路堤設(shè)計寬度并作好臨時排水。填土過程中以“三桿三線”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。路基土層填筑完成后進(jìn)行場地平整，布設(shè)夯點位置，并測量出場地高程。由此，將進(jìn)入下一層的強夯施工過程中。

2.3 夯實效果評價

充分考慮高填方路基承載力與沉降要求以及黃土濕陷性對路基的影響特征，為保證強夯效果，分別從壓實度檢測、夯實后土層的濕陷性檢測以及強夯地基承載力檢驗三方面對夯實效果評價提出了具體要求：

（1）壓實度檢測

對每一層夯實碾壓完畢后，質(zhì)檢人員必須及時對路基工作面進(jìn)行嚴(yán)格自檢且出具自檢報告。自檢合格后進(jìn)行壓實度檢測，檢測指標(biāo)如下：下路堤填筑不應(yīng)超過40cm，填料CBR 為3%，壓實度不小于93%；上路堤填筑不應(yīng)超過30cm，填料CBR 為5%，壓實度不小于94%。

（2）夯實后土層的濕陷性檢測

每層強夯填筑結(jié)束后，對夯實層取土樣進(jìn)行濕陷性檢測，要求所有土樣濕陷性均消除，即所有土樣所測濕陷系數(shù)δs小于0.015，濕陷系數(shù)δs的計算公式為：

式中，h0為土樣的原始高度（cm）；hp為保持天然濕度和天然結(jié)構(gòu)的土樣，加壓至規(guī)定壓力時，下沉穩(wěn)定后的高度（cm）；h'p為加壓穩(wěn)定后的土樣，在浸水作用下，下沉穩(wěn)定后的高度（cm）。

（3）強夯地基承載力檢驗

在本工程項目中，對于強夯達(dá)到預(yù)定標(biāo)高處時，應(yīng)進(jìn)行強夯地基的承載力檢驗，可采用載荷試驗進(jìn)行檢測，該場地的監(jiān)測點可設(shè)為3 個。場地監(jiān)測點的設(shè)置以及載荷試驗過程可參考對應(yīng)規(guī)范確定。表1 為K4+441-k4+601 高填方段第40 層（高程366.378 m）夯實后的地基承載力檢測結(jié)果。

表1 第40 層夯實后的地基承載力

2.4 強夯過程數(shù)值模擬

運用ABAQUS 模擬設(shè)計尺寸下的工況，分六步強夯地基。土體采用Mohr-Coulomb 模型，根據(jù)試驗所測土體參數(shù)為：密度1740 kg/m3，彈性模量11.66 MPa，泊松比0.28，粘聚力27kPa，內(nèi)摩擦角22°。圖2 為地基經(jīng)過強夯后的位移云圖。重錘特性與2.2 節(jié)保持一致。

圖2 地基夯后位移云圖

為了更好的反映路堤分層填筑后總的沉降量，故選取地基表面作為特征點來分析沉降量，如圖3 即為路堤分層填筑沉降圖。從中可以看出，該模型填方完成后，路堤沉降總量為0.039 m，與2.3節(jié)實測結(jié)果接近，且沉降量符合實際工程需求。

圖3 路堤分層填筑沉降圖

2.5 沉降與穩(wěn)定監(jiān)測

由于高填方強夯填筑路基土體并未達(dá)到完全固結(jié)狀態(tài)，其沉降及位移會隨時間、施工進(jìn)程和降雨的變化而有所發(fā)展，為保證對路基沉降和穩(wěn)定性的要求，需要對高填方濕陷性黃土強夯填筑路基設(shè)置短期和長期的沉降與穩(wěn)定性監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容主要是監(jiān)測高填路堤和斜坡路堤的沉降或位移，可采用全站儀或水準(zhǔn)儀測量邊樁高度，本項目同時研發(fā)了一種可直接用于快速檢測填方邊坡工后沉降的裝置及方法，配合傳統(tǒng)監(jiān)測方法，用于試驗驗證。傳統(tǒng)監(jiān)測方法要求在施工期間每3 天觀測一次固定樁位移，測量路基沉降；而研發(fā)的方法可每天隨時測量，僅需在監(jiān)測盒內(nèi)讀取數(shù)據(jù)即可。對于強降雨及突發(fā)性暴雨天氣，應(yīng)考慮其對沉降的影響，在雨后增加1 次觀測。施工完成后，減小測量頻率，每2 周觀測一次。

3 結(jié)語

本文介紹的濕陷性黃土地區(qū)高填方路基填筑施工方法在三門峽崤函大道道路工程SG-1 項目段得到了有效的應(yīng)用，主要應(yīng)用于高達(dá)40 米以上的填筑路基施工段，填筑土方共計約60 萬方。施工過程中采用強夯法處理地基以消除黃土的濕陷性，嚴(yán)格按照工法要求進(jìn)行夯實處理、壓實度檢測、濕陷性檢測、沉降監(jiān)測、土工格柵鋪設(shè)等工作，在規(guī)定工期內(nèi)確保路基填筑達(dá)到了高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，同時節(jié)約了施工成本。相關(guān)施工工藝及參數(shù)、施工效果評價及安全質(zhì)量控制等重點內(nèi)容可為類似項目工程施工提供技術(shù)指導(dǎo)。