砂性土路基的強夯法加固機理及應用

魯建榮

（灤南交通運輸局，河北 唐山 063500）

路基是整個公路構造的重要組成部分，承受著由路面傳來的行車荷載、路基本身及路面的重力，它的強度和穩定性，是保證路面強度和穩定性的基本條件。強夯法是一種廣泛應用于高速公路路基加固處理的方法，具有施工簡便、縮短工期、經濟可行和效果顯著等優點。其基本原理是將重型夯錘（8～40t）從很高的落距（8～40m）自由落下，對土體產生巨大的沖擊能（一般能量為500～8000kN·m），強大的沖擊波通過地表迅速到達一定深度，從而導致路基土體產生局部液化，在夯擊點周圍產生豎向裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水和氣體逸出，夯坑出現冒氣冒水現象、土粒重新排列等一系列物理力學性質的變化，路基立即壓縮下沉，有效地改善地基的承載能力。同時，還可提高土體的均勻程度，減少可能出現的差異沉降。

由于地域不同，地質條件差別也很大，強夯法施工不能直接套用，鑒于此，本文針對唐山地區砂性土路基的特點，對其強夯加固機理進行分析，并通過現場試驗對該地區砂性土路基強夯加固施工展開研究，以此來選擇最佳處理方案，為保證工程的順利進行提供參考。

1 強夯法加固機理

從土的結構來看，砂性土是一種含砂土粒較多且具有一定粘性的土，砂性土修筑的路基適應于行車時的壓實作用，能構成平整堅實的路基表面，雨天不泥濘，晴天不揚塵，但需要解決砂性土液化的問題。該類路基的強夯加固機理可用動力夯實（即動力壓密）來解釋。將砂性土路基視為彈性半空間體，重錘從空中自由下落夯擊，這是由勢能轉化為動能的一個過程。在夯擊地面的瞬間，動能的一部分以聲波形式擴散出去，一部分由于重錘與土體摩擦而變成熱能，其余大部分動能則使路基土產生自由振動，并主要以壓縮波（縱波）、剪切波（橫波）和瑞雷波（表面波）三種波形在地基內傳播。路基一般是不均勻的、成層狀的，土體中的孔隙為空氣、水或其他液體所填充。在夯擊地面的瞬間，一部分波能在成層狀地基中從一個彈性介質傳播到另一個介質。同時，另一部分波能會反射回第一個介質，傳播到另一個介質的波能起強夯加固的作用，反射回來的波能則使路表土層變松。這也是強夯施工中局部地表隆起的原因。沖擊動力荷載在接觸土體瞬間使其中孔隙體積減小，土體密實，承載力得到提高。該類路基的夯實變形主要是由于土顆粒的強烈振動，使其移動到相對最穩定的位置沉落下來，重新排列而引起的，亦是土體孔隙中氣相（空氣）被排除的過程，經強夯處理，土體達到最密實的狀態，孔隙體積可減少60%。

2 施工參數的確定

需要根據現場砂性土路基的具體情況和工程要求，選用合理的強夯加固參數，達到提高工程質量和節省施工成本的目的。

2.1 有效加固深度

表1 有效加固深度

2.2 單擊夯擊能的確定

單擊夯擊能等于錘重乘以落距。它是影響強夯有效加固深度的重要因素。在預估強夯有效加固深度的基礎上，確定夯擊能的大小。施工過程中需根據具體情況選用合適的錘重以及落距，重型的夯錘一般為8～40t，落距為8～40m，所用的夯錘為帶有氣孔的圓錘，可以減少夯錘著地的瞬時氣墊上拉力所造成的能力損失，也可以減小起吊夯錘的吸力。同時，根據砂性土的性質選擇合適的錘底面積，夯錘確定后根據要求的夯擊能，就能確定夯錘的落距。強夯過程中，處理厚度內土層從上部到下部，其所受到的夯擊能量由大變小。在進行強夯法施工設計時，為獲得較大的接地速度，強化路基深層夯實效果，常選用大落距方案。

2.3 夯點布置與夯點間距的確定

夯擊點布置是否合理，將影響強夯的加固效果，應綜合建筑物（或構筑物）平面形狀、基礎類型、場地土情況及含水量大小和工程要求等因素來選擇布點方案。夯擊點位置根據建筑結構類型一般可采用等邊三角形、等腰三角形或正方形布點。對于某些基礎面積較大的建筑物或構筑物，為便于施工，可按等邊三角形或正方形布置夯點。因此，夯擊點的布置應視建筑結構類型、荷載大小和地基條件等具體情況，區別對待。

2.4 夯擊次數及遍數的確定

單擊夯擊是強夯設計中的一個重要參數，夯擊次數與路基加固要求有關，因為施加于單位面積上的夯擊能大小直接影響加固效果，而夯擊能量的大小是根據地基加固后應達到的規定指標來確定的。夯擊要求使土體豎向壓縮最大，側向移動最小。根據土的性質和土層的厚薄不同，夯擊次數也不同。目前夯擊次數一般通過現場試夯確定，常以夯坑的壓縮量最大、夯坑周圍隆起量最小為確定的原則，且通過現場試夯得到夯擊次數與夯沉量的關系曲線。

3 施工工藝

在施工路段K11＋420～K11＋520長為100m、寬為32m、面積3 200m2的范圍內采用履帶式強夯機，夯錘直徑為2.2m，錘重為14t，落距為13m，單位夯擊能1 800k N·m，有效加固深度預計5～6m，夯點正方形布置，夯點間距5m×5m，單點夯擊數6～8次（試驗確定），夯擊2遍。單點夯擊次數以最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm控制，兩遍夯擊之間時間間隔定為24h。主要機械設備包括履帶式強夯機1臺、挖掘機1臺、推土機1臺，平地機1臺和振動壓路機1臺、自卸車5輛、發電機（30k W）1臺、小型抽水泵1臺等。

3.1 施工流程

3.1.1 清理并平整場地，測量在路基夯擊前場地的平均高程，并檢測路基彎沉值、壓實度（或干密度）。

3.1.2 測量放線并標出夯點的位置。夯點間距5m×5m，放樣用鋼尺依據四角定位放點，在地面上標定出每遍點夯的位置，夯點定位偏差不大于5cm，應有明顯的標記，在每夯點圓心放置白灰，作為夯錘找點依據。第1遍夯點按路基邊緣1m往內翻放，每行橫向共7個夯點，共21行；第2遍夯擊點位于第一遍夯擊點之間，每行橫向6個夯點，共20行，每個夯點三擊。

3.1.3 開挖排水溝。周邊開挖寬1.5m×深2.0m排水溝及時排水，排水溝同時起隔振溝作用。采用抽水機抽排水，夯坑和施工場地不得積水。設備就位，使夯錘對準夯點位置.

3.1.4 開夯前應檢查夯錘質量和落距，以確保單擊夯擊能量符合要求；在每一遍夯擊前，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。強夯機就位，夯錘置于夯點位置，測量夯前錘頂高程。

3.1.5 將夯錘起吊到預定高度，開啟脫鉤裝置，待夯錘脫鉤自由下落后，放下吊鉤，測量錘頂高程，若發現因坑底傾斜而造成夯錘歪斜時，應及時將坑底整平。

3.1.6 在24h后，按上述步驟逐次完成第二遍全部夯點的夯擊。在24h后，再對全部場地進行最后一次低能量夯擊。

3.1.7 夯擊結束24h后，平地機整平，振動壓路機碾壓收面，并進行質量檢測。

3.2 施工注意事項

3.2.1 在夯機處于工作狀態時，起重臂仰角應置于70°，起重臂旋轉半徑內嚴禁站人。作業時，人員應在10m以外并戴安全帽，嚴禁在吊臂前站立。吊車就位后一定要檢查門架是否平穩。作業后，應將夯錘下降，放實在地面上，嚴禁將錘懸掛在空中。

3.2.2 在施工過程中，要用水平儀檢測每個夯擊點的沉降量。

3.2.3 施工過程中按設計和試驗要求，檢查每個夯點的夯擊次數和每擊的夯沉量，并進行詳細記錄。

4 效果分析與評價

為檢驗強夯實施方案的效果，進一步落實強夯設計參數，在試驗區對強夯加固的砂性土路基進行動力觸探試驗、標準貫入試驗、沉降量及壓實度的檢測，結果見表2和表3。

表2 夯擊前后的標高變化情況

表3 夯擊后路基檢測結果

由檢測結果可知，相對于該地區砂性土，所確定的強夯設計參數和施工方案是可行的，強夯加固處理的效果較為理想，主要表現在：

a）路基的夯沉量超過了60cm，在有效影響深度范圍內（有效加固深度大于7m），所檢路基壓實度都得到了明顯的提高，達到96%以上（30cm處），滿足施工技術規范要求；

b）對砂性土路基的影響深度平均為10m，7m以上為密實，并且基本消除砂性土液化情況；

c）沉降量滿足設計要求，路基的穩定性和耐久性得到保障。

5 結語

強夯法進行高速公路砂性土路基加固具有效果顯著、適應性廣泛、加工費用低、節省材料和施工快捷等優點。但是，由于路基土性質千差萬別，至今尚未形成一致的看法和系統的理論，強夯設計大都以經驗為基礎，并基于試夯結果確定各項施工參數，加固效果基本上也只能借助夯后檢測確定。針對唐山地區砂性土路基，確定了強夯加固施工的夯擊遍數、夯擊擊數及最佳夯擊深度和最佳處理厚度等，并提出了各項參數的確定方法以指導強夯設計與施工，并在實際工程中進行了應用。

[1]胡振南，王桂堯，黃慶，等.強夯法處理石灰巖碎石路基試驗研究[J].公路交通科技，2006，23（12）：45-49.

[2]葉書麟.地基處理工程實例應用手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1998.

[3]張江亭，龍海霞.強夯法處理飽和砂土液化地基[J].公路，2002，（3）：33-36.

[4]崔振東.強夯法在地基處理中的應用及質量控制[J].山西交通科技，2004，（1）：44-46.