采用強(qiáng)夯置換墩加固濕地中高速公路路基探討

楊 軍

(聞垣高速公路建設(shè)管理處，山西 運(yùn)城 044000)

就我國而言，軟土地基的分布范圍較廣，同時(shí)含水量較大、收縮性高、強(qiáng)度低、滲透性較差等特點(diǎn)，隨著我國高速公路的持續(xù)建設(shè)和發(fā)展，軟土地基成為了當(dāng)前高速公路施工中的常見地基狀況，高等級(jí)公路以及市政道路工程項(xiàng)目的施工當(dāng)中，由于施工的工期較緊，由此對(duì)軟土地基的處理成為了工程項(xiàng)目施工中的難點(diǎn)問題。

1 強(qiáng)夯置換墩

當(dāng)前的高速公路路面的施工當(dāng)中，通過對(duì)軟土地基處理技術(shù)的處理和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)以及積累，已經(jīng)形成了多種軟土地基的處理方式，長久以來，強(qiáng)夯置換算法由于處理面積較廣、施工工期較短并且施工方式簡便快捷等方式在公路工程項(xiàng)目的加固施工中得到了較好的應(yīng)用，同時(shí)也可用于對(duì)高飽和度粉土以及軟塑～流塑狀態(tài)下的飽和軟黏土和可塑～硬塑狀態(tài)下的濕陷性粉質(zhì)黏土等類型地基的應(yīng)用。當(dāng)前，強(qiáng)夯置換墩技術(shù)在公路、堆場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、油罐以及房屋建設(shè)工程項(xiàng)目中都得到了較好的應(yīng)用，并且取得了較好的施工效果。強(qiáng)夯置換算法有分整式以及點(diǎn)式置兩種模式，整式置換法通過在原有的公路路基地面進(jìn)行全面拋石以及強(qiáng)夯施工，置換效率較高，但施工所花費(fèi)的成本也相對(duì)較高。強(qiáng)夯置換墩的施工方式施工的方法較為簡單、快速，同時(shí)能有效節(jié)約施工材料，具有較高的承載能力和經(jīng)濟(jì)性等特征。強(qiáng)夯的置換方式將強(qiáng)夯技術(shù)、碎石樁技術(shù)融為一體，是一種新型的軟弱土地基的處理技術(shù)。該技術(shù)的發(fā)展和研究，不僅解決了高速公路的施工質(zhì)量與施工工期之間的矛盾，同時(shí)也為軟土地基的處理提供了理論與實(shí)踐依據(jù)。

2 強(qiáng)夯置換墩施工實(shí)例

某工程項(xiàng)目依托濕地建設(shè)，工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中使用挖除換填的施工措施，使用高度約4 m的路堤方案進(jìn)行加工，然而開工以來，由于沿線降雨量較大，從而在濕地造成了大面積的積水，積水深度的平均值為1.5 m，由此公路的施工條件發(fā)生了變化，則應(yīng)對(duì)施工方案進(jìn)行調(diào)整，通過將原有的路堤施工方案改為拋石擠淤施工方法對(duì)當(dāng)前施工路基進(jìn)行處理，然而該種方案的施工速度較慢，難以保證工程項(xiàng)目的工期，并且施工中的成本較高。同時(shí)，該工程中，地基處理只需要達(dá)到上部結(jié)構(gòu)的變形以及承載力要求即可，若是過度追求加固的效果，只會(huì)增加工程項(xiàng)目的成本支出，導(dǎo)致浪費(fèi)。綜合考慮到施工難度問題以及工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，最終提出了強(qiáng)夯開山石混合料置換墩的處理方式。通過在強(qiáng)夯坑內(nèi)部回填碎石以及塊石等粗顆粒的施工材料，將原有的軟土地基夯成連續(xù)強(qiáng)夯置換墩，由此有效提高了地基的承載能力。同時(shí)強(qiáng)夯置換墩也可作為下層軟弱土的排水通道，有效提高下臥層軟土排水固結(jié)，處理深度一般小于6 m。

3 強(qiáng)夯置換墩對(duì)公路路基的加固機(jī)制

強(qiáng)夯碎石、塊石墩符合地基的處理方式是通過使用強(qiáng)夯夯擊成坑，而后在夯坑內(nèi)部填入碎石等顆粒較大、體質(zhì)較硬的材料顆粒。強(qiáng)夯坑內(nèi)部的填料一般通過強(qiáng)夯處理之后將形成墩體并與周圍的土體構(gòu)成了復(fù)合地基。強(qiáng)夯置換方式通過將強(qiáng)夯施工與碎石置換結(jié)合起來，有效彌補(bǔ)了單一強(qiáng)夯法無法加固飽和軟黏土地基的缺陷，克服了強(qiáng)夯法中無法有效排出軟土中孔隙水的缺陷，有效提高了孔隙水壓力的消散效率，提高了軟黏土的滲透性。強(qiáng)夯置換碎石墩具有散體材料的擠密、加筋、置換等特征，同時(shí)也將成為軟土地基的良好排水渠道，在實(shí)際施工中濕地將大部分或者基本上形成主固結(jié)沉降，從而有效減少了次固結(jié)的沉降，有效縮短了施工工期，由此也有效提高了地基的承載能力。強(qiáng)夯碎石墩的復(fù)合地基處理方法將多種地基加固方法融合起來，其產(chǎn)生作用的機(jī)理可分為動(dòng)力擠密、排水固結(jié)以及擠淤置換三種作用形式。

1)擠密固結(jié)。強(qiáng)夯施工當(dāng)中，重錘落地的勢(shì)能很大部分將轉(zhuǎn)換為沖擊動(dòng)能，從而給土體帶來了劇烈的振動(dòng)，同時(shí)形成了強(qiáng)大的沖擊波，沖擊的能量將以波的形式向地面進(jìn)行傳播，沖擊振動(dòng)波的結(jié)構(gòu)包括波體、面波以及剪切波三種形式。剪切波以及壓縮波將攜帶能量在地基內(nèi)進(jìn)行傳播，當(dāng)剪切波與壓縮波的能量在所需加固土層進(jìn)行釋放之時(shí)，相應(yīng)的土層將得到壓密以及加固。壓縮波能實(shí)現(xiàn)在固體以及液體中傳播，由此增加了孔隙水壓力，使土體的骨架逐漸解體，而剪切波不能在液體當(dāng)中傳播，只能以固體作為傳播的介質(zhì)，同時(shí)剪切波將滯后于壓縮波，從而使解體的土體顆粒保持更為密實(shí)的狀況，實(shí)現(xiàn)加固土體的有效目的。而面波則是以強(qiáng)夯坑為中心，沿著地表向著四周進(jìn)行傳播，對(duì)地層并沒有擠壓密實(shí)的作用。

而具體的工程項(xiàng)目實(shí)踐表明，僅僅依靠強(qiáng)夯的動(dòng)力擠密作用，對(duì)于飽和度較高且透水性較低的黏性土體而言，由于所產(chǎn)生的高孔隙水壓力無法有效消散，由此加固效果十分有限。強(qiáng)夯置換算法能對(duì)軟土地基進(jìn)行良好的處理，其基本的特征在于構(gòu)建了良好的排水網(wǎng)絡(luò)。包括強(qiáng)夯施工中水力劈裂而引起的裂隙以及碎石墩的砂井作用。這二者的存在在很大程度上縮短了孔隙水的水平滲透途徑，致使孔隙水能沿著墩體排除土體，而墩間的土體由于夯擊以及擠壓或者擾動(dòng)等多方面的原因形成較大的超孔隙水壓力能迅速的消散，恢復(fù)甚至提高土體前鼓墩。由于地基的沉降以及加固的速度有效提高，由此達(dá)到了較好的地基加固的作用，而此時(shí)需注意的是，碎石墩將承擔(dān)上部所傳遞的大部分荷載，而砂井本身并無承擔(dān)荷載的作用，并且由于強(qiáng)夯置換算法復(fù)合地基排水的復(fù)雜性等特征，在地基的固結(jié)沉降計(jì)算過程中，若是按照砂井地基的固結(jié)分析方式并不合理。

2)擠淤置換。強(qiáng)夯置換通過利用強(qiáng)夯方式以間距一定并將數(shù)量一定的碎石或者塊石擊入下臥軟土當(dāng)中，同時(shí)在強(qiáng)夯坑內(nèi)部依次進(jìn)行填料，并不斷夯擊施工將擊入的塊石擠開軟土沉到強(qiáng)度較高的地層，構(gòu)成端承墩，在實(shí)際施工過程中也可不打入硬層形成浮式墩，并且由于所構(gòu)成的墩柱體持續(xù)被擊實(shí)，最終將構(gòu)成由碎石墩，以及碎石墊層之間所構(gòu)成的混合地基體系。對(duì)于黏性土壤地基，一般可通過強(qiáng)夯夯擊碎石將軟土強(qiáng)制排開并進(jìn)行置換，在墩之間土體的擠密效果并不明顯，由此可了解到，碎石墩的作用不是擠密地基，而是實(shí)現(xiàn)了地基的置換，此時(shí)，由于碎石墩的剛度大于周圍土體的剛度，由此在地基的處理當(dāng)中應(yīng)按照材料變形模量進(jìn)行重新分配，由此，碎石墩將承載大部分荷載，同時(shí)減少了軟土所承擔(dān)的壓力。而若是公路工程項(xiàng)目中軟土層的厚度并不大，那么墩體在荷載的作用下主要起到集中應(yīng)力的作用，由此使軟土地基所承擔(dān)的壓力減小。與原有的地基相比較，復(fù)合地基的承載能力較高，壓縮性有所減少，而若是軟土地基較厚，那么墩體不可完全貫穿軟土地層，而此時(shí)所加固的復(fù)合土層具有墊層的作用，通過墊層分布擴(kuò)散均勻荷載應(yīng)力，由此也有效提高了整個(gè)地基的承載能力，有效減少了沉降量。由上述分析可了解到，碎石墩是否穿過軟土層，其加固機(jī)制是不一樣的。

通過對(duì)強(qiáng)夯置換地基處理方式的有限元分析可了解到，對(duì)于懸浮墩復(fù)合地基墩體形成鼓脹以及刺入破壞的可能性都將存在。而實(shí)際的破壞形式與持力層的性質(zhì)以及墩體的長度有直接的聯(lián)系。根據(jù)實(shí)際的分析可了解到，端承墩復(fù)合地基的墩體破壞主要是由于墩體頂部的鼓脹破壞以及強(qiáng)度不夠所引發(fā)的剪切力破壞，而對(duì)于懸浮復(fù)合地基而言，鼓脹以及刺入破壞都將可能發(fā)生，破壞的模式是與這二者的加固機(jī)制不同有密切聯(lián)系。前者通過將上部荷載傳遞到更深層次的土層，而后者的加固則僅僅起到加固復(fù)合土層的墊層作用，從而使荷載保持應(yīng)力的分布均勻，由此有效提高了整體承載能力，減少了軟土地基的沉降。由于墩體破壞的形式不同，由此在實(shí)際的施工過程中要選擇相關(guān)的計(jì)算模式。

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