淺談強夯法在軟土地基處理中的應用＊

李玉平

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,湖北武漢 430200)

淺談強夯法在軟土地基處理中的應用＊

李玉平

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,湖北武漢 430200)

隨著我國高等級公路建設的飛速發(fā)展,設計速度的提高,對線形指標的選用也隨之提高,從而不可避免地帶來公路路基穿過軟土地區(qū)的情況。本文從實際出發(fā),以實用性作為切入點,簡要敘述了當前在我國公路施工軟土地基處理中使用較為廣泛的強夯法的技術和方法。

軟土地基;公路施工;強夯法

一、強夯法的概念

強夯法又名為動力固結法或動力壓實法。這種方法是反復將重錘(一般為10～40t)提到高處使其自由落下(一般落距為10～40m)夯擊地基,從而使地基的強度提高、壓縮性得到降低的方法。強夯法的雛形產生于20世紀50年代末, 1957年英格蘭道路研究所曾運用普羅克特(Proctov)擊實原理進行過深層土體的壓實,到60年代末期,強夯法才在法國工程師路易斯.梅納(Louis Menard)的倡議下開始使用。強夯法最早僅用于處理砂土和碎石地基,后來隨著施工方法的改進和排水條件的改善,強夯法被應用到了細粒土地基。強夯法以其加固效果好、施工方便、節(jié)省勞力、適用土類廣、節(jié)約材料、設備簡單、施工期短、施工文明和施工費用低等優(yōu)點,很快在世界各地得到了廣泛的傳播。

我國在20世紀70年代后期開始引進此項技術,并分別在天津、河北、山西等地首先進行了試驗研究,由于取得的效果較好,很快就在全國各地推廣開來。20世紀80年代中期,我國在處理填海地基的工程中使用強夯法取得了成功,強夯法便在沿海地區(qū)進行了推廣應用,取得了較好的經濟效益和社會效益。強夯法適用于處理碎石土、粉土、砂土、粘性土、雜填土和素填土等地基,它不僅能提高地基的強度、降低其壓縮性、還能改善其抗振動液化的能力和消除土的濕陷性,因此還常用于處理可液化砂土地基和濕陷性黃土地基等。當然,強夯法也不是萬能的,對于飽和度較高的粘性土,處理效果就不是十分顯著,尤其是淤泥和淤泥質土地基,處理效果更差。因此對于淤泥質土地基處理時應謹慎選用或采取其他方法。

二、強夯法的加固原理

J.K.米切爾(J.K.Mitchell)在1981年召開的第十屆國際土力學和基礎工程學會上所作的“土質改良——技術狀態(tài)”報告中,曾對強夯法的加固機理進行了概括:當強夯法應用于非飽和土時,壓密過程基本上同實驗室中擊實法(普羅克特擊實法)相同;對于飽和無粘性土,夯擊過程中,土體可能會產生液化,其致密過程與爆破和振動壓密過程相似;對于飽和細粒粘土的效果尚不明確,成功和失敗的例子均有報道,對于這類飽和的細顆粒土,要求破壞土的結構、產生超孔隙水壓力、山裂隙形成排水通道。簡單來說,強夯法處理軟土地基的加固原理是利用重錘自上落下產生的沖擊波使地基密實,這種沖擊力引起的振動在土中是以波的形式向地下傳播的。

用能量守恒定律來解釋的話,我們可以將地基視為具有彈性的空間體,那么,夯錘自由下落過程也就是重力勢能轉換為動能的過程,即隨著夯錘下落重力勢能越來越小,動能則隨之越來越大,在落到地面以前的瞬間,重力勢能的極大部分都轉換為動能,夯錘夯擊地面時,這部分動能被分化成三部分:一部分以聲波形式向四周傳播,一部分由于夯錘和土體摩擦而變成熱能外,其余的大部分沖擊能則使土體產生自由振動,并以壓縮波(也稱為縱波)、剪切波(也稱為橫波)和瑞利波(也稱為表面波)的波體系聯(lián)合在地基內傳播,在地基中產生一個波場。強夯理論認為:壓縮波大部分通過液相運動,使孔隙水壓力增大,同時使土顆粒錯位,土體骨架解體。而隨后到的剪切波使土顆粒處于更密實的狀態(tài)。占總能量67%的瑞利波,其豎向分量起到松動土的作用,但其水平分量可使土得到密實。

三、強夯法的適用條件

強夯法不是萬能,它無法實用于所用的地質。同其他軟土地基處理技術一樣,強夯法也有其一定的適用范圍和特殊要求。從國內外工程實踐經驗看,強夯法加固軟土地基的關鍵性問題主要包括:土的粒徑、土層特性及土層含水量。

一般認為強夯法目前除了對厚層淤泥質和淤泥不適用外,對某些類型的軟土強夯效果還是比較好的。從土的性質分析,軟土強夯效果決定于地基土的含水量、粒徑級配及孔隙比的大小。此外,軟土的土層性質也很重要。我國工程技術人員根據多年的工程經驗,認為對含水量大于60%,孔隙比大于1.5,粒徑小于0.005mm粘粒占30%以上的飽和軟粘土不宜采用強夯法。國外,一些國家認為粘土粒徑小于0.002mm不能用強夯法處理。第十屆土力學及基礎工程會議認為土中小于0.035mm的顆粒占25%～35%時不適宜采用強夯法處理。德國有學者認為顆粒直徑小于0.002mm占10%～15%時,采用強夯法要慎重,如果采用,夯擊的間隙時間要加長。中華人民共和國行業(yè)標準《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79-91)規(guī)定:強夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、濕陷性黃土、雜填土、和素填土等地基,當采用在夯坑內回填塊石、碎石或其他粗顆粒材料進行強夯置換時,應通過現(xiàn)場試驗確定其適用性。

采用強夯法處理軟土地基,其加固效果決定于地基土的滲透性,所以必須創(chuàng)造排水通道。因此在強夯時,為了取得更好的效果,根據軟土的物理力學性質,可以采用綜合加固方法進行,但是此種方法費用較高,對路基大面積采用得不償失。

1、強夯加袋裝砂井(或塑料排水板法),以加速飽和軟粘土的排水固結;

2、強夯擠淤加固法。對于厚度不太大的淤泥層,采用拋填塊石或礦渣等材料后再夯實,使大石塊強迫落到底層硬土上,同時將大部分淤泥擠出,這是一種強夯置換法;

3、在飽和軟粘土上加鋪0.5～2m厚的墊層(可用礦渣、鋼渣、碎石或山皮土等),在高能量夯擊作用下,使墊層與軟土層發(fā)生接銜混合,改變軟土的性質,提高地基土的承載力。

四、強夯施工

(一)起吊機械起吊重錘的能力應大于錘重力的3倍,能脫落吊鉤時,起重能力可大于錘重力1.5倍。

(二)夯錘質量取5 t,落距一般為2.5～4.5m,確保達到600～1000kN/m的夯擊能量。錘重力與底面積的關系,應符合重力在底面上的單位靜壓力為15～20kPa。在最佳含水量情況下進行夯實。

(三)夯打施工時,一般采用先周邊后中間,一夯挨一夯順序進行,在一次循環(huán)中同一夯位應連夯兩次;下一循環(huán)的夯位應與前一循環(huán)錯開1/2錘底直徑。

(四)夯實工作完成后,將場地表面松土清除,并拍實整平至設計標高。夯打過程中應及時作好施工記錄。

(五)重錘夯實完工后,應進行質量檢驗,檢查施工記錄,除應符合試夯最后下沉量的規(guī)定要求外,同時還要求完成最底面的總下沉量不小于試夯總下沉量的90%。

五、總結

總之,強夯法在我國公路施工軟土地基處理中的運用價值大,具有加固效果好、施工方便、節(jié)省勞力、適用土類廣、節(jié)約材料、設備簡單、施工期短、施工文明和施工費用低等特點,適用于我國大多數(shù)地區(qū),特別是欠發(fā)達地區(qū)。強夯法的特點彌補了我國欠發(fā)達地區(qū)大型施工欠缺,施工費用緊張的問題。

[1]李強.河灘相軟土地基處理研究[J].中外公路,2005.

[2]蘇建林.公路工程施工技術[J].北京:人民交通出版社,2005.

[3]李彰明.軟土地基加固的理論、設計與施工[J].北京:中國電力出版社,2006.

[4]戢英.軟土地基處理技術及在公路施工中的應用[D].天津:天津大學建筑工程學院,2006.

2010-04-27

李玉平(1975-),女,河北行唐人,工程師。