強夯法在路基濕陷性黃土地基處理中的應用

王 巖

(張家口路橋建設集團有限公司)

濕陷性黃土主要是指第四紀全新統(Q4)沖洪積壤土和上更新統(Q3)沖洪積、坡洪積黃土狀壤土、部分風積黃土、次生黃土，以粉質壤土為主，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、內蒙古地區，濕陷性黃土分部廣、厚度變化較大。在L10合同段K54+968～K57+518段路基范圍內濕陷性黃土分布厚度達3．7～6．2m，如果濕陷性黃土地基處理不當會發生很大的沉降，從而引起路基失穩。

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

1 濕陷性黃土的性質

濕陷性黃土主要由粉粒組成，質地疏松，具有肉眼可見的大孔隙和垂直節理，含水量小時可以直立，遇水崩解并發生顯著沉降。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，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，發生顯著附加下沉(自重濕陷量＞70mm時)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L10合同段路基范圍內分布為非自重濕陷性黃土。

2 強夯機理

強夯法又稱動力固結法，其原理是用幾噸或幾十噸重錘以高處落下，反復夯擊地面，這種強大的夯擊能在地基中產生強烈的沖擊波(壓縮波、剪切波、瑞利波)和動應力，并向地基縱深方向傳播，通過動力加密和動力固結兩種方式(動力加密，即強大的沖擊能強制壓密地基，使土中氣體體積大幅減少;動力固結，即強大的沖擊能與沖擊波破壞土的結構，使土體局部液化并產生許多裂隙，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固結，提高地基土的強度并降低其壓縮性。

目前強夯法加固地基的作用機理大致有3種理論：(1)動力密實機理：即強夯法加固非飽和土時，強大的沖擊能強制壓密地基，使土中的氣相體積大幅度減少，改變土顆粒骨架結構、壓縮其孔隙，從而增加地基土密實度;(2)動力固結機理：強夯加固細粒飽和土為動力固結機理，即強大的沖擊能與沖擊波破壞土的結構，使土體局部液化并產生許多裂隙，作為孔隙水的排水通道，使土體固結;(3)動力置換機理：強夯加固淤泥為動力置換機理，即強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 工程應用

3．1 強夯參數的選擇

(1)單擊夯擊能。

夯擊能是影響強夯有效加固深度的重要因素。在濕陷性黃土地區，強夯的有效加固深度是指濕陷性消失和強度提高的深度。而這個深度與強夯的單點夯擊能有關，計算強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、地下水位有關的系數，對于濕陷性黃土，根據經驗一般取0．35～0．5。

根據鉆探資料，K54+968～K57+518段路基范圍內濕陷性黃土平均厚度為5．5m，根據公式計算其所需單點夯擊能為1200～2500kN·m。

(2)強夯機具。

夯錘的選擇：因圓形夯錘在施工過程中不易旋轉、定位方便、穩定性好、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，內部焊接鋼筋骨架后灌注 C30混凝土，錘重8～10t。

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

(3)夯點平面布置。

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

(4)單點夯擊次數。

為了能較好地指導施工，確保施工質量，提高工效，在大面積施工前進行試夯是非常必要的。確定各個夯擊點的夯擊數應符合下列條件。

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①最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm，當單擊能較大時，不大于100mm。

②夯坑周圍底面不應發生過大隆起。

③不應夯坑過深而發生起錘困難。

本工程選擇6個夯點進行試夯，試夯結果見表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，如果繼續增加單擊次數不僅加固效果得不到提高，反而會造成施工費用的增加，給工程施工造成浪費。所以本工程單點夯擊次數確定為7擊。

(5)夯擊遍數。

根據地基土的特性，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，其夯擊能為前兩遍夯擊能的1/4錘擊數為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)夯擊時間間隔。

3．2 施工要點

(1)強夯施工前應平整場地，用推土機預壓2遍，場地周圍做好排水溝。

(2)嚴格進行夯點定位，現場施工時用白灰標示出每個夯點中心位置。

(3)為了保證強夯處理效果，強夯范圍擴大至路基邊線外側各1m。

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

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

(6)在強夯施工過程中應做好監測和記錄工作，檢查項目包括夯錘重和落距，對夯點放線進行復測、檢查夯坑位置，按要求檢查每個夯點的夯擊次數和每擊的夯沉量等，并對各項參數及施工情況進行詳細記錄。

4 結語

強夯法處理軟弱地基的歷史雖然只有幾十年，但它的發展是非常快的。在濕陷性黃土處理方面，已經摸索出一套成功經驗。由于強夯法具有省時、經濟、效果好的明顯優勢，目前已廣泛的應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，該段路基沒有發生沉降。