濕陷性黃土地基強(qiáng)夯加固分析

摘 要：文章以高速公路濕陷性黃土地基加固處治為研究背景，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果制定強(qiáng)夯處治方案，并通過(guò)試樁確定施工參數(shù)；在強(qiáng)夯處治后分別采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)地基承載力開(kāi)展檢驗(yàn)，確定濕陷性黃土地基的加固效果。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為強(qiáng)夯加固后地基土干密度得到大幅提升，在有效加固深度范圍內(nèi)消除了地基土濕陷性，達(dá)到了預(yù)期的加固目的，說(shuō)明強(qiáng)夯加固方案可行，可進(jìn)行路堤填筑施工。

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土；地基；強(qiáng)夯；標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗(yàn)；淺層平板試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U416.1

0"引言

黃土在我國(guó)分布廣泛，其中濕陷性黃土約占我國(guó)黃土總量的60%左右［1］。在公路建設(shè)沿線分布有大量濕陷性黃土地基。濕陷性黃土孔隙大，吸水后強(qiáng)度迅速下降［2］，在外部荷載作用下黃土結(jié)構(gòu)破壞，如處治不當(dāng)路基工后容易產(chǎn)生沉降、開(kāi)裂等病害，影響行車安全。經(jīng)過(guò)多年的施工實(shí)踐，我國(guó)學(xué)者主要采用化學(xué)處治法和物理處治法對(duì)濕陷性黃土地基進(jìn)行加固處理［3-4］，其中強(qiáng)夯法是常用的物理處治方法之一。強(qiáng)夯法通過(guò)將夯錘提升到一定高度，使夯錘以自由落體的形式?jīng)_擊地面，排出濕陷性黃土地基中多余的水分和空氣［5］，可快速消除黃土的濕陷性，提升地基的承載能力。與其他處治方法相比，強(qiáng)夯法具有節(jié)省施工材料、降低成本、施工速度快、施工簡(jiǎn)便、處治效果好等技術(shù)優(yōu)勢(shì)［6］。本文以高速公路濕陷性黃土地基加固處治為研究背景，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果制定強(qiáng)夯處治方案，并通過(guò)試樁確定施工參數(shù)；在強(qiáng)夯處治后分別采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)地基承載力開(kāi)展檢驗(yàn)，分析確定濕陷性黃土地基的加固效果。

1"工程概況

某高速公路沿線分布有大量濕陷性黃土，其內(nèi)部孔隙大、黏粒含量高，浸水后在自重壓力和外部荷載作用下很容易破壞黃土結(jié)構(gòu)。該高速公路路基設(shè)計(jì)寬度為25.5 m，道路沿線濕陷性黃土厚度為3.6～13.5 m，均為非自重濕陷性黃土，濕陷性系數(shù)δs為0.019～0.029，屬于Ⅰ級(jí)輕微濕陷性黃土。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，對(duì)距離較遠(yuǎn)、上部覆蓋層≤5 m的濕陷性黃土地基，擬采用強(qiáng)夯法進(jìn)行加固處理。橫向處治范圍超出路基外緣3 m以上，強(qiáng)夯施工按照主夯、副夯、滿夯的施工順序。夯點(diǎn)按正方形布置，每四個(gè)主夯點(diǎn)中間設(shè)置一個(gè)副夯點(diǎn)。

本文取K38+420.5～K38+550段作為試驗(yàn)路段，該路段地勢(shì)較平坦，濕陷性黃土地基自上而下土層分別為粉土、粉質(zhì)黏土、砂土和碎石土。其中，粉土呈黃褐色，天然含水量為17.5%～19.4%，干密度為1.42～1.44 g/cm3，孔隙比為0.888～0.912，可塑狀態(tài)，壓縮系數(shù)為0.14～0.20 MPa-1，厚度為3.5～4.2 m；粉質(zhì)黏土呈褐色，天然含水量為19.4%～20.4%，干密度為1.42～1.43 g/cm3，孔隙比為0.897～0.916，可塑狀態(tài)，壓縮系數(shù)為0.14～0.18 MPa-1，厚度為3.2～4.0 m。地基土其他物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。該施工區(qū)域地表水主要來(lái)源于大氣降水，雨季降雨量相對(duì)較多，地下水位深度在10 m以上，對(duì)路基施工影響可忽略。按照設(shè)計(jì)要求，該路段為填方路堤，處治后地基承載力應(yīng)≥150 kPa，黃土濕陷性系數(shù)≤0.015，有效加固深度應(yīng)≥5 m。

2"強(qiáng)夯加固施工方案

2.1"強(qiáng)夯施工參數(shù)

在K38+420.5～K38+550段建立試驗(yàn)段，根據(jù)設(shè)計(jì)要求制定強(qiáng)夯加固方案。試驗(yàn)段強(qiáng)夯夯錘重量為15.5 t，底面直徑為2.4 m，通過(guò)試樁確定強(qiáng)夯施工參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案要求加固深度≥5 m，因此點(diǎn)夯夯擊能選擇2 000 kN·m，滿夯夯擊能選擇1 000 kN·m。

強(qiáng)夯分主夯、副夯和滿夯三步。其中，主夯夯點(diǎn)按正方形布置，相互間距為400 cm；副夯布置在主夯夯點(diǎn)之間，布置間距也是400 cm。主副夯夯點(diǎn)間距布置如下頁(yè)圖1所示。點(diǎn)夯后平整場(chǎng)地進(jìn)行滿夯，以提高表層土體的壓實(shí)度，滿夯各夯點(diǎn)夯痕重復(fù)為1/2，夯擊順序從路基邊緣向路基中心，如下頁(yè)圖2所示。

最佳夯擊次數(shù)按最后兩擊夯擊沉降差≤5 cm來(lái)確定，主夯和副夯夯擊遍數(shù)為6遍以上，滿夯為2遍。根據(jù)地基土內(nèi)部孔隙水壓力消散情況確定強(qiáng)夯間歇時(shí)間，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果確定在點(diǎn)夯完成后5～7 d進(jìn)行滿夯施工。

2.2"強(qiáng)夯施工工序

施工前對(duì)原地面進(jìn)行清表處理，清除地表灌木、樹(shù)根等雜物，挖除地基表面種植土，平整場(chǎng)地碾壓密實(shí)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工放樣，確定主夯點(diǎn)位置，并對(duì)測(cè)點(diǎn)高程進(jìn)行測(cè)量。場(chǎng)地施工準(zhǔn)備工作做好后夯機(jī)就位，對(duì)準(zhǔn)夯點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)夯施工。強(qiáng)夯施工前預(yù)先設(shè)定好夯錘高度，保證夯擊能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的2 000 kN·m。強(qiáng)夯過(guò)程中測(cè)量夯坑下沉量，如發(fā)現(xiàn)夯坑底部?jī)A斜應(yīng)做平整處理后再繼續(xù)進(jìn)行夯擊。當(dāng)兩擊夯沉量＜5 cm時(shí)即可停夯，移動(dòng)機(jī)具進(jìn)行下一個(gè)夯點(diǎn)施工。主夯完成后平整場(chǎng)地，復(fù)測(cè)高程，計(jì)算夯沉量。按照同樣的施工工序進(jìn)行副夯施工，最后進(jìn)行滿夯，滿夯后平整場(chǎng)地，使用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓密實(shí)后再次復(fù)測(cè)高程，計(jì)算施工場(chǎng)地夯沉量。

3"濕陷性黃土地基強(qiáng)夯效果檢驗(yàn)

3.1"標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢測(cè)濕陷性黃土地基強(qiáng)夯加固效果，在完工后開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入深度和地基承載力進(jìn)行檢驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗(yàn)采用對(duì)開(kāi)式管狀貫入器，從76 cm的高度將重量為63.5 kg的穿心錘自由落下，錘擊錘墊，當(dāng)錘墊下的貫入器貫入土層15 cm后，分三次記錄每貫入10 cm的錘擊次數(shù)，統(tǒng)計(jì)累計(jì)貫入深度達(dá)到30 cm的錘擊次數(shù)即得到標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N。本文分別收集試驗(yàn)前后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比分析確定加固效果。在施工現(xiàn)場(chǎng)分別取三個(gè)測(cè)點(diǎn)，在強(qiáng)夯前后分別對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)各個(gè)深度的標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)進(jìn)行記錄，試驗(yàn)深度分別為1 m、2 m、3 m、4 m和5 m，每個(gè)深度貫入深度均為30 cm。整理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，繪制對(duì)比分析曲線如圖3所示。

對(duì)比分析圖3曲線得出，在強(qiáng)夯后各測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)均得到明顯提升，且越接近地基頂面的提升幅度越大。通過(guò)對(duì)比分析，強(qiáng)夯后地基以下1～4 m標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)增幅較大，深度達(dá)到5 m時(shí)標(biāo)準(zhǔn)貫入深度增幅相對(duì)較小。其中深度為1 m、2 m位置較強(qiáng)夯前增加幅度超過(guò)了100%，深度為3 m位置增幅超過(guò)了60%，4 m位置增幅為40%左右，在深度達(dá)到5 m時(shí)增幅為10%左右。根據(jù)上述分析結(jié)果，強(qiáng)夯能有效加固深度達(dá)5 m以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2"淺層平板試驗(yàn)結(jié)果分析

淺層平板試驗(yàn)是通過(guò)在施工現(xiàn)場(chǎng)布置剛性承壓板，在分級(jí)加載過(guò)程中測(cè)定承壓板的沉降量，通過(guò)分析確定地基的承載力。試驗(yàn)段地基承載力要求為≥150 kPa，因此最大荷載選擇300 kPa。試驗(yàn)過(guò)程中分9級(jí)加載，一級(jí)加載為60 kPa，二級(jí)加載為90 kPa，以后每級(jí)遞增30 kPa。本文選擇三個(gè)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果作為研究對(duì)象，在加載過(guò)程中記錄沉降量。卸載分為5級(jí)，每級(jí)卸載60 kPa，卸載后測(cè)量記錄殘余變形量。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制地基加固后三個(gè)測(cè)點(diǎn)P-S曲線如圖4所示。

分析圖4的曲線變化趨勢(shì)得出，三個(gè)測(cè)點(diǎn)P-S曲線均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，說(shuō)明在試驗(yàn)荷載加載到最大值時(shí)各測(cè)點(diǎn)沒(méi)有達(dá)到極限狀態(tài)。因此，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）中的相關(guān)規(guī)定，取沉降比為0.015時(shí)的加載荷載作為特征值，通過(guò)分析確定沉降比為0.015時(shí)三個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降量均為10.68 mm，進(jìn)而得出三個(gè)測(cè)點(diǎn)地基承載力特征值分別為185 kPa、180 kPa、195 kPa，均高于設(shè)計(jì)要求的150 kPa，這說(shuō)明采用強(qiáng)夯處治后地基承載力達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)夯施工方案可行，可進(jìn)行后續(xù)路堤填筑施工。

3.3"室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果分析

為檢測(cè)強(qiáng)夯加固后地基土濕陷性的消除效果和有效加固深度，在施工現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)段利用探井取樣，沿豎向在井壁上每隔1 m取樣一次，送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。同樣取三個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，整理地基土強(qiáng)夯前后濕陷性系數(shù)對(duì)比分析結(jié)果如圖5所示，干密度對(duì)比分析結(jié)果如圖6所示。

分析圖5得出，強(qiáng)夯后地基土濕陷性系數(shù)有較大幅度下降，且檢測(cè)結(jié)果均＜0.015，說(shuō)明強(qiáng)夯處治后消除了地基土的濕陷性。各深度濕陷性系數(shù)均有較大幅度下降，平均下降幅度為80%左右，處治后濕陷性系數(shù)最大值為0.008，說(shuō)明采用強(qiáng)夯處治后有效消除了地基土的濕陷性。

分析圖6得出，強(qiáng)夯后各深度地基土干密度均得到了大幅提升，說(shuō)明強(qiáng)夯后地基土密實(shí)度得到有效提升。在強(qiáng)夯前，地基土干密度分布為1.34～1.50 g/cm3，而在強(qiáng)夯后，地基土干密度最小值為1.82 g/cm3，得到了明顯提升。經(jīng)分析，強(qiáng)夯處治后地基土密實(shí)度平均提升30%左右，深度5 m位置提升超過(guò)了20%，進(jìn)一步說(shuō)明有效加固深度達(dá)到了5 m，加固后地基密實(shí)度得到大幅提升。

4"結(jié)語(yǔ)

本文以高速公路濕陷性黃土地基強(qiáng)夯加固處治為研究背景，通過(guò)試夯確定強(qiáng)夯施工方案，強(qiáng)夯處治后開(kāi)展試驗(yàn)對(duì)地基加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）強(qiáng)夯后各個(gè)深度標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)均高于強(qiáng)夯前，且隨深度增加標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)增幅下降，但在深度5 m范圍內(nèi)均有一定幅度增加，說(shuō)明強(qiáng)夯處治有效加固深度＞5 m，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

（2）各測(cè)點(diǎn)在淺層平板試驗(yàn)荷載加載至最大值時(shí)均沒(méi)有達(dá)到極限狀態(tài)，且各測(cè)點(diǎn)強(qiáng)夯后地基承載力均＞150 kPa，說(shuō)明加固后地基承載力達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可進(jìn)行后續(xù)施工。

（3）強(qiáng)夯加固后，地基土干密度明顯提升，濕陷性系數(shù)最大值為0.008，說(shuō)明強(qiáng)夯處治大幅提升了地基土的干密度，消除了地基土的濕陷性，達(dá)到了預(yù)期的加固效果，施工方案可行。

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