土石混填路基強夯法施工的質量控制研究

劉淑艷,張振瑋,張健富,魏殿林

(天津市市政工程研究院)

隨著我國經濟的快速發展,公路建設也不斷向山區延伸。我國西部及北部山區地質地貌情況復雜,自然條件差,生態環境脆弱,給工程建設帶來了較大困難。一方面高填深挖多,路基良性土填料缺乏,工程投資大,工程質量控制難;另一方面,路塹開挖產生大量廢棄石方,造成大量植物遭破壞,引起水土流失,惡化當地自然環境,誘發地質災害。因此,就地取材的碎石土作為路堤填料越來越普遍。

施工中采用粒徑 10～30cm含量超過 40%的土石混合料不經二次破碎,每層 50～60cm鋪筑碾壓 4～5遍后,進行強夯施工,對于控制路基工后沉降具有良好的效果。但用多石料且級配離散性非常大的土石混合料填筑路基后,常規路基施工質量檢測方法和評價指標難以實現對路基的整體評價。根據多年的強夯施工經驗,總結了一套基于施工工序控制的超粒徑土石混填料路基強夯施工質量控制方法,能有效的保證土石混填路基施工質量。

1 強夯施工加固機理

強夯法是將重型夯錘(8～40t)從很高的落距(5～30m)利用自動脫鉤法,使錘自由落下,對土體產生巨大的沖擊能,強大的沖擊波通過地表迅速到達一定深度,對路基材料進行擠密,從而導致路基土體產生物理力學性質的一系列變化,路基立即壓縮下沉,從而提高路基的強度并降低其壓縮性,達到加固路基的目的。其機理基本是利用重錘高落距產生的高夯擊能給地基一沖擊力,并在地基中產生沖擊波,在沖擊力作用下,夯錘對上部土體進行沖切,土體結構破壞,形成夯坑,并對周圍土進行動力擠壓。巨大的能量瞬間釋放產生的壓縮波使土體孔隙水壓力急劇增大,土體局部液化,其強度銳減,隨之在剪切波作用下使土體的原有結構解體,待波消失后,土粒落到一個新的較穩定的位置,同時有相當一部分水排走,從而使土體迅速固結,降低了土體的壓縮性,提高了地基的承載力。如圖 1所示。

圖 1 強夯加固機理示意圖

經過強夯加固后,土體強度提高過程可分為四個階段：(1)夯擊能量轉化,伴隨著對土體的強制壓縮或振密,其中包括氣體和孔隙水壓力上升;(2)土體液化或土體結構破壞,表現為土體強度的降低或強度的喪失;(3)排水固結壓密,表現為滲透性能改變、土體裂隙發展和土體強度提高;(4)觸變恢復并伴隨固結壓實,包括部分自由水又變成薄膜水,土體強度繼續增強。

2 超粒徑土石混填路基強夯施工方案

考慮到土石混填料粒徑較大,均勻性很差,宜離析等特點,在振動壓實施工的基礎上為克服超粒徑石料對壓實效果的影響,采用強夯方案加速路基沉降,使石塊重新排列,嵌鎖緊密,保證土石混填路基的穩定性。

強夯施工之前路基分層鋪筑,每層填筑厚度為 60cm,采用 18t拖式振動光輪壓路機碾壓 2遍,用18t自行式振動壓路機振動碾壓 4遍,連續填筑七層(總填高 4m左右)時進行一次強夯加固。

圖 2 夯點位置布置示意圖

路基填筑高度達到 4m后,對分層填筑的路基進行強夯施工,強夯施工參數為：夯錘重 20t,直徑 2.2m。起吊高度為 10m,夯擊能 2000kN?m,采用大間距兩遍夯的方案,夯點布置如圖 2所示。第一遍夯擊夯點①、②、③、④點,即正方形的四角,夯點中心間距為 6m,每點夯擊 10次,但應保證最后一次沉降量＜5cm;第二遍夯擊夯點⑤即正方形的中心位置,采用 1600kN?m夯擊能,每點夯擊 8次。強夯采用隔點不隔行進行施工,路基邊角處適當調整,夯點距路基邊線 1m處,用低于 1000kN?m夯擊能進行夯實 10次,涵洞上方及兩側 5m內不夯。

3 強夯加固施工要求

(1)人員配置。

一臺強夯機為一個強夯組,如采取機械連續作業人員換班制,共需配備 12人。其中起重機司機 2人,起重工 2～6人,測量和記錄 2人,推土機司機 2人。

(2)施工前的準備工作。

強夯施工前,應查明場地范圍內的地下構筑物和各種地下管線的位置及標高等,并采取必要的措施,以免因強夯施工而造成損壞。

(3)試夯要求。

考慮到土石混合料的離散性,在大面積強夯之前應進行試夯,以驗證確定的強夯施工方案是否滿足要求。應根據確定的強夯參數,在施工現場有代表性的場地上選取一個或幾個試驗區,進行試夯或試驗性施工,驗證不同路段推薦的強夯參數是否滿足實際要求。當試夯滿足下列條件時,再進行強夯施工：①最后兩擊的平均夯沉量不大于 50mm;②夯坑周圍地面不應發生過大的隆起;③不因夯坑過深而發生起錘困難。

(4)施工要領。

強夯施工的合適順序為先兩邊,后中間,即在同一排(橫向)強夯施工時,先施工靠近路肩的夯點,再施工中間的夯點。采用上述方法的主要目的是在強夯施工時,通過合理的施工工序,盡量使強夯施工時,先在路堤周邊形成一個強度較高的側壁,為后續的強夯施工提供良好的環境,提高強夯的處治效果。

4 強夯施工質量控制

施工單位在施工過程中應對各項參數及施工情況進行詳細記錄。強夯施工過程中應有專人負責下列監測工作。

(1)開夯前應檢查夯錘重和落距,以確保單擊夯擊能量符合設計要求。

(2)在每遍夯擊前,應對夯點放線進行復核,夯完后檢查夯坑位置,發現偏差或漏夯應及時糾正。

(3)夯沉量檢測：用水準儀塔尺,配合小鋼尺測量。

(4)測點位置選擇：水準尺架立點和夯擊點的距離要大于15.0m。

(5)施工工序控制。每一道施工工序都是保證施工質量的重要環節,按規定施工步驟操作是保證施工順利進行的關鍵。在強夯施工中,應嚴格按圖 3進行施工工序控制。

5 結 語

通過近 5年的土石混填路基強夯法施工試驗研究及應用效果,得出以下結論。

(1)對超粒徑土石混合料在分層振動壓實的基礎上采用強夯施工能緩解加速路基沉降,使石塊重新排列,嵌鎖緊密,保證土石混填路基的穩定性。

(2)強夯施工采用“大間距兩遍夯”的施工方案,保證最后一次沉降量小于 5cm,能夠保證強夯施工的質量。

圖 3 分層填筑強夯施工工序

(3)強夯采用隔點不隔行進行施工,路基邊角處適當調整,夯點距路基邊線 1m處,用低于 1000kN?m夯擊能進行夯實 10次,涵洞上方及兩側 5m內不夯。

(4)根據野外施工的特殊性,提出土石混填路堤強夯法施工質量控制流程,以保證施工順利進行。

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