強(qiáng)夯法在路基濕陷性黃土地基處理中的應(yīng)用

王 巖

(張家口路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司)

濕陷性黃土主要是指第四紀(jì)全新統(tǒng)(Q4)沖洪積壤土和上更新統(tǒng)(Q3)沖洪積、坡洪積黃土狀壤土、部分風(fēng)積黃土、次生黃土，以粉質(zhì)壤土為主，少部分砂壤土也具有濕陷性。土木至膠泥灣高速公路地處河北省的西北部，毗鄰山西、內(nèi)蒙古地區(qū)，濕陷性黃土分部廣、厚度變化較大。在L10合同段K54+968～K57+518段路基范圍內(nèi)濕陷性黃土分布厚度達(dá)3．7～6．2m，如果濕陷性黃土地基處理不當(dāng)會(huì)發(fā)生很大的沉降，從而引起路基失穩(wěn)。

濕陷性黃土地基的處理方法主要有墊層法、夯實(shí)法、擠密法、樁基法、預(yù)浸水法、單液硅化和堿液加固法等。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，有效加固深度小于3m一般采用墊層法、夯實(shí)法進(jìn)行處理;3～12m采用強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理;大于12m采用預(yù)浸水法或擠密樁法進(jìn)行處理;單液硅化和堿液加固法一般用于既有建筑物(構(gòu)筑物)的地基加固糾偏。所以本工程采用強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基。

1 濕陷性黃土的性質(zhì)

濕陷性黃土主要由粉粒組成，質(zhì)地疏松，具有肉眼可見的大孔隙和垂直節(jié)理，含水量小時(shí)可以直立，遇水崩解并發(fā)生顯著沉降。濕陷性黃土的濕陷深度大多為5～8m，5～8m以下一般不具備濕陷性。在自然界中，黃土的濕陷性不連續(xù)，呈層狀相間濕陷，反映出黃土的濕陷性無論在水平方向還是垂直方向都具有不均勻性。

濕陷性黃土可分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土。在上覆土的自重壓力下受水浸濕，發(fā)生顯著附加下沉(自重濕陷量＞70mm時(shí))的濕陷性黃土為自重濕陷性黃土;在上覆土層的自重壓力下受水浸濕，不發(fā)生顯著附加下沉(自重濕陷量≤70mm)的濕陷性黃土為非自重濕陷性黃土。通過試驗(yàn)L10合同段路基范圍內(nèi)分布為非自重濕陷性黃土。

2 強(qiáng)夯機(jī)理

強(qiáng)夯法又稱動(dòng)力固結(jié)法，其原理是用幾噸或幾十噸重錘以高處落下，反復(fù)夯擊地面，這種強(qiáng)大的夯擊能在地基中產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波(壓縮波、剪切波、瑞利波)和動(dòng)應(yīng)力，并向地基縱深方向傳播，通過動(dòng)力加密和動(dòng)力固結(jié)兩種方式(動(dòng)力加密，即強(qiáng)大的沖擊能強(qiáng)制壓密地基，使土中氣體體積大幅減少;動(dòng)力固結(jié)，即強(qiáng)大的沖擊能與沖擊波破壞土的結(jié)構(gòu)，使土體局部液化并產(chǎn)生許多裂隙，作為孔隙水排水通道)使淺層和深處的地基土的骨架不同程度地被迫壓縮或顆粒重新排列而密實(shí)固結(jié)，提高地基土的強(qiáng)度并降低其壓縮性。

目前強(qiáng)夯法加固地基的作用機(jī)理大致有3種理論：(1)動(dòng)力密實(shí)機(jī)理：即強(qiáng)夯法加固非飽和土?xí)r，強(qiáng)大的沖擊能強(qiáng)制壓密地基，使土中的氣相體積大幅度減少，改變土顆粒骨架結(jié)構(gòu)、壓縮其孔隙，從而增加地基土密實(shí)度;(2)動(dòng)力固結(jié)機(jī)理：強(qiáng)夯加固細(xì)粒飽和土為動(dòng)力固結(jié)機(jī)理，即強(qiáng)大的沖擊能與沖擊波破壞土的結(jié)構(gòu)，使土體局部液化并產(chǎn)生許多裂隙，作為孔隙水的排水通道，使土體固結(jié);(3)動(dòng)力置換機(jī)理：強(qiáng)夯加固淤泥為動(dòng)力置換機(jī)理，即強(qiáng)夯將碎石整體擠入淤泥成整式置換或間隔夯入淤泥成樁式碎石墩。

3 工程應(yīng)用

3．1 強(qiáng)夯參數(shù)的選擇

(1)單擊夯擊能。

夯擊能是影響強(qiáng)夯有效加固深度的重要因素。在濕陷性黃土地區(qū)，強(qiáng)夯的有效加固深度是指濕陷性消失和強(qiáng)度提高的深度。而這個(gè)深度與強(qiáng)夯的單點(diǎn)夯擊能有關(guān)，計(jì)算強(qiáng)夯加固深度的基本公式是。H為加固深度，m;ω為錘重，kN;H為落距，m;α為與土性、厚度、地下水位有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于濕陷性黃土，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取0．35～0．5。

根據(jù)鉆探資料，K54+968～K57+518段路基范圍內(nèi)濕陷性黃土平均厚度為5．5m，根據(jù)公式計(jì)算其所需單點(diǎn)夯擊能為1200～2500kN·m。

(2)強(qiáng)夯機(jī)具。

夯錘的選擇：因圓形夯錘在施工過程中不易旋轉(zhuǎn)、定位方便、穩(wěn)定性好、重合性好、采用較廣，故本工程采用圓形夯錘，夯錘底直徑2m，用鋼板制作外殼，內(nèi)部焊接鋼筋骨架后灌注 C30混凝土，錘重8～10t。

起重機(jī)械的選擇：由于履帶式起重機(jī)重心低、穩(wěn)定性好、行走方便，故在本工程施工中采用帶自動(dòng)脫鉤裝置的履帶式起重機(jī)，起重能力為25t，落距為14m。

(3)夯點(diǎn)平面布置。

本工程為路基工程，主要考慮強(qiáng)夯加固效果的均勻性，故采用梅花形布點(diǎn)方式。強(qiáng)夯布點(diǎn)時(shí)，夯距的大小也直接影響強(qiáng)夯對(duì)地基的加固效果。根據(jù)工程實(shí)踐得出的一個(gè)結(jié)論為：夯距不宜大于強(qiáng)夯的有效影響深度，也不易小于夯錘直徑的1．5倍。所以本工程在夯點(diǎn)布置時(shí)，夯點(diǎn)中心距采用夯錘直徑的2倍即4m。

(4)單點(diǎn)夯擊次數(shù)。

為了能較好地指導(dǎo)施工，確保施工質(zhì)量，提高工效，在大面積施工前進(jìn)行試夯是非常必要的。確定各個(gè)夯擊點(diǎn)的夯擊數(shù)應(yīng)符合下列條件。

但是我終于出來了。我越過那堆積著像山一樣的十八年的長歲月，回到了生我養(yǎng)我而且讓我刻印了無數(shù)兒時(shí)回憶的地方。我走了很多的路。

①最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm，當(dāng)單擊能較大時(shí)，不大于100mm。

②夯坑周圍底面不應(yīng)發(fā)生過大隆起。

③不應(yīng)夯坑過深而發(fā)生起錘困難。

本工程選擇6個(gè)夯點(diǎn)進(jìn)行試夯，試夯結(jié)果見表1、表2。

表1 試夯總夯沉量記錄表

表2 夯每擊夯沉量記錄表

通過試夯結(jié)果可以看出，在第6～7擊之后夯沉量增加已不明顯，且夯沉量逐漸趨于0cm。在這種情況下，如果繼續(xù)增加單擊次數(shù)不僅加固效果得不到提高，反而會(huì)造成施工費(fèi)用的增加，給工程施工造成浪費(fèi)。所以本工程單點(diǎn)夯擊次數(shù)確定為7擊。

(5)夯擊遍數(shù)。

根據(jù)地基土的特性，本工程采用2遍夯擊，最后再以低能滿夯一遍的施工工藝。低能滿夯時(shí)，其夯擊能為前兩遍夯擊能的1/4錘擊數(shù)為2擊，夯跡之間搭接1/4，以加固前兩遍之間的松土和被振松的表土。

(6)夯擊時(shí)間間隔。

3．2 施工要點(diǎn)

(1)強(qiáng)夯施工前應(yīng)平整場地，用推土機(jī)預(yù)壓2遍，場地周圍做好排水溝。

(2)嚴(yán)格進(jìn)行夯點(diǎn)定位，現(xiàn)場施工時(shí)用白灰標(biāo)示出每個(gè)夯點(diǎn)中心位置。

(3)為了保證強(qiáng)夯處理效果，強(qiáng)夯范圍擴(kuò)大至路基邊線外側(cè)各1m。

(4)夯錘必須設(shè)置排氣孔，避免產(chǎn)生“氣墊效應(yīng)”和“真空效應(yīng)”，影響夯擊效果。

(5)夯錘必須平穩(wěn)自由下落，傾斜下落或坑底面傾斜時(shí)，能量損失較大，影響施工質(zhì)量。

(6)在強(qiáng)夯施工過程中應(yīng)做好監(jiān)測和記錄工作，檢查項(xiàng)目包括夯錘重和落距，對(duì)夯點(diǎn)放線進(jìn)行復(fù)測、檢查夯坑位置，按要求檢查每個(gè)夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)和每擊的夯沉量等，并對(duì)各項(xiàng)參數(shù)及施工情況進(jìn)行詳細(xì)記錄。

4 結(jié)語

強(qiáng)夯法處理軟弱地基的歷史雖然只有幾十年，但它的發(fā)展是非?？斓?。在濕陷性黃土處理方面，已經(jīng)摸索出一套成功經(jīng)驗(yàn)。由于強(qiáng)夯法具有省時(shí)、經(jīng)濟(jì)、效果好的明顯優(yōu)勢(shì)，目前已廣泛的應(yīng)用于地基處理施工中。土木至膠泥灣高速公路L10合同段的濕陷性黃土地基處理于2009年6月完工，路基填筑與2009年11月完成，通過一年多的觀測，該段路基沒有發(fā)生沉降。