石安高速公路路基強(qiáng)夯法關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)分析

鄭瑞君，李海濱

(1.河北高速公路石安改擴(kuò)建籌建處;2.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院)

1 引 言

強(qiáng)夯法是指使用起重機(jī)械設(shè)備將大噸位(一般10～25 t)夯錘起吊至8～20 m 高度后，自由落下，對(duì)路基土加以強(qiáng)大沖擊能量的夯擊，在高強(qiáng)沖擊應(yīng)力作用下，壓縮土體孔隙，排除孔隙中的水，使得土粒重新排列，迅速固結(jié)，從而提高路基承載能力，降低其壓縮性的一種路基處理方法。強(qiáng)夯法適用于處理低飽和度粉土、粘性土等土質(zhì)路基，有效處理深度為5～8 m。處理后的路基承載力約為100～120 kPa，工后沉降約為10～20 cm。強(qiáng)夯法具有技術(shù)簡(jiǎn)單，易于施工，工期較短，節(jié)省材料，降低造價(jià)，壓實(shí)度高，適用范圍廣，處治效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有施工噪聲大，對(duì)鄰近構(gòu)造物產(chǎn)生破壞等缺點(diǎn)。

強(qiáng)夯法的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括:夯擊能量、夯擊次數(shù)、間隔時(shí)間、夯擊遍數(shù)、及夯擊點(diǎn)布置等。其中，夯擊能量和夯擊次數(shù)是影響強(qiáng)夯加固效果的關(guān)鍵因素，因此在強(qiáng)夯設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。

石安高速公路路基在路堤及車(chē)輛荷載作用影響深度范圍內(nèi)的主要土體為:

(1)黃土狀土，厚度3.6～4.6 m，淺灰黃色，土質(zhì)均一，0～0.5 m 為耕植土，含植物根系，稍濕，稍密，無(wú)濕陷性;

(2)粉質(zhì)粘土，厚度5.4～7.2 m，黃褐色，土質(zhì)較均，含少量鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)及鈣質(zhì)結(jié)核，局部夾粉土薄層，可塑。

(3)粉土，厚度2.8～3.3 m，黃褐色，土質(zhì)較均，手捻砂感強(qiáng)，可見(jiàn)少量鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，局部夾粉質(zhì)粘土薄層，濕，中密。

2 夯擊能量

目前夯擊能量一般采用Menard 經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算，即:W=10 ×H2/a2×h，根據(jù)工程要求的加固深度和加固后需要的地基土承載力來(lái)確定單擊夯擊能量。但是該公式因?yàn)槭墙?jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算方法存在片面性。由于強(qiáng)夯法加固路基的原理是利用強(qiáng)大的夯擊能使路基產(chǎn)生塑性變形而趨于密實(shí)狀態(tài)，因此根據(jù)路基土在不同夯擊能作用下塑性變形區(qū)域的發(fā)展變化分析夯擊能的加固效果。不同夯擊能作用下不同深度路基處塑性變形量見(jiàn)表1 和圖1。

表1 不同夯擊能作用下不同深度路基處塑性變形量 單位:cm

圖1 不同夯擊能作用下不同深度路基處塑性變形量關(guān)系曲線(xiàn)

由表1 和圖1 可知，隨著夯擊能的增加，路基塑性變形和變形區(qū)深度均逐漸增大。當(dāng)夯擊能由250 kN·m 增加至750 kN·m 及由750 kN·m 增加至1 500 kN·m 時(shí)，路基塑性變形和變形區(qū)深度增加較為明顯，而當(dāng)夯擊能由1 500 kN·m 增加至3 000 kN·m 時(shí)，路基塑性變形和變形區(qū)深度增加減小。當(dāng)夯擊能為1 500 kN·m 時(shí)，強(qiáng)夯影響深度可達(dá)7 m 左右，夯擊中心點(diǎn)以下5～6 m 深度處的路基塑形變形約為路基頂面塑形變形的20%，該范圍內(nèi)路基得到有效壓實(shí)，可以認(rèn)為強(qiáng)夯能為1 500 kN·m 時(shí)路基有效加固深度為5～6 m。

3 夯擊次數(shù)

夯擊次數(shù)是強(qiáng)夯設(shè)計(jì)中的另一個(gè)重要參數(shù)，目前夯擊次數(shù)一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試夯得到的夯擊次數(shù)與夯沉量的關(guān)系曲線(xiàn)確定現(xiàn)場(chǎng)試夯確定，常以夯坑沉降量與夯坑徑向加固范圍為確定的原則。

本工程施工前進(jìn)行了強(qiáng)夯加固試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù):夯錘重25 t，夯錘落距6 m，錘底直徑2 m，錘底靜壓力79.62 kPa，試驗(yàn)區(qū)填筑厚度為4.5 m，面積為30 m ×30 m，選取3 處夯擊點(diǎn)沉降量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2 和圖2。

表2 夯擊次數(shù)與累計(jì)夯沉量 單位:cm

圖2 夯擊次數(shù)與累計(jì)夯沉量關(guān)系曲線(xiàn)

由表2 和圖2 可知，累計(jì)夯沉量隨夯擊次數(shù)增加而增大，單點(diǎn)夯擊6～7 次后，夯沉量增加明顯減小，且3 次試驗(yàn)相鄰兩次夯擊的夯沉量之差均小于5 cm，此時(shí)累計(jì)夯沉量已達(dá)總夯沉量的89.7%～96.1%，可以認(rèn)為6～7 次為最佳單點(diǎn)夯擊次數(shù)。

表3 夯點(diǎn)徑向范圍地面沉降量 單位:cm

圖3 地面沉降量與距夯錘邊緣距離關(guān)系曲線(xiàn)

由表3 和圖3 可知，夯點(diǎn)徑向范圍地面沉降量隨與夯點(diǎn)距離增加而減弱，3 次試驗(yàn)距夯錘邊緣0.25 m 處地面沉降量為夯點(diǎn)總夯沉量的90.0%～93.1%，而距夯錘邊緣3 m 處地面沉降量為夯點(diǎn)總夯沉量的11.2%～18.0%，可以認(rèn)為0.25 m 為夯擊徑向有效加固范圍，3 m 為夯擊徑向有效影響范圍。

4 夯擊點(diǎn)布置

夯擊點(diǎn)布置是否合理，將影響強(qiáng)夯的加固效果，應(yīng)根據(jù)路基填料土性質(zhì)和強(qiáng)夯加固范圍等因素來(lái)選擇布點(diǎn)方案。夯點(diǎn)間距不宜過(guò)小，一是為便于超靜孔隙水壓力的消散，二是為避免夯擊時(shí)在路基土淺層形成密實(shí)層而影響夯擊能往深層傳遞，這是因?yàn)槿绻粨酎c(diǎn)過(guò)密，相鄰夯點(diǎn)的夯擊作用在路基土淺層處疊加造成過(guò)度夯擊形成硬層，并且影響能量波的傳播導(dǎo)致能量損失。

實(shí)踐證明，間隔夯擊比連續(xù)夯擊好，原因是連續(xù)夯擊使地基土全面產(chǎn)生超孔隙水壓，孔隙水因地基土各層壓力平衡不容易排出，而間隔夯擊便于能量的吸收，使夯擊能有利于向深層傳遞，地基土部分產(chǎn)生超孔隙水壓，孔隙水容易向低壓區(qū)排出，可以先固結(jié)一部分地基土。第二遍夯擊時(shí)，夯擊能使充滿(mǎn)孔隙水的另一部分土體得到能量，將孔隙水?dāng)D出而加固土體，提高了土體強(qiáng)度。

考慮強(qiáng)夯加固效果及施工條件等因素，本工程第1 遍夯點(diǎn)與第2 遍夯點(diǎn)采用的夯點(diǎn)間距為4 m，相鄰上下兩層夯點(diǎn)交錯(cuò)布置，以上層夯點(diǎn)加強(qiáng)補(bǔ)充下層兩夯點(diǎn)間加固效果不足的區(qū)域，兩層夯點(diǎn)布置如圖4 所示。

圖4 上下層夯點(diǎn)布置圖(單位:m)

5 結(jié) 語(yǔ)

強(qiáng)夯法是一種經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的路基處理方法，但由于強(qiáng)夯法提出的時(shí)間較晚，加固機(jī)理比較復(fù)雜，其理論研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐。本文確定的夯擊能量和夯擊次數(shù)等影響強(qiáng)夯加固效果的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)還要在實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證和修正。

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