探討強夯參數對路基加固效果的影響

張開興

（貴州佳源建設工程有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

強夯法是在重錘夯實法的基礎上發展而來的一種新的地基處理方法，又稱為動力固結法，工藝原理是利用起吊設備，將夯實錘提升至一定高度，由夯實錘自由下落夯基土層，使地基夯實固結[1-6]。該方法廣泛應用于道路路基、房建地基等工程地基加固，可有效夯實碎石土、沙土、濕陷性黃土等地基。錘底半徑、夯擊能量是強夯工藝核心參數，對路基夯實加固效果具有重要影響[7-8]。該文以某高速公路路基加固工程為依托，探討強夯參數對路基加固效果的影響，可為后期路基強夯施工參數設計提供依據。

1 工程概況

高速公路工程，全長1 671 991 m，起訖樁號LK2+840～LK20+711.991，雙向四車道的設計，設計車速100 km/h，路基寬26 m，工程建設所在地土體以素填土、黏土、粉土、粉質黏土為主，力學性質較差，擬定采用強夯法加固路基。

2 數值建模

2.1 數值模型及材料參數

地質勘測報告揭露的場地土層分布自地表向下依次為：素填土、黏土、粉土、粉質黏土，平均層厚約為2 m、1 m、2 m、10 m[9]，以地質報告揭露的土層分布、土層厚度為基準，建立土層分布數值模型，模型長長（X 軸）30 m，寬（Y 軸）30 m，高（Z 軸）15 m，原點坐標（0，0，0）位于模型底部中心，夯點位置坐標為（0，0，15），見表1（a）；夯錘模型見圖1（b），錘徑取1.0 m，1.25 m，1.5 m。場地各土層土體力學指標見表1。

表1 土體的力學指標

圖1 數值模型圖

2.2 本構模型及網格劃分

該文采用摩爾-庫倫本構模型模擬土體性質。該模型網格數目為13 500 個，按照模型中各土層厚度分布，素填土層、黏土層、粉土層、粉質黏土層網格數分別為1 800、900、1 800、9 000 個；按照圖2 所示接觸力時程曲線，模擬錘重為10 t、15 t、20 t 時的夯擊能量。

圖2 接觸力時程曲線

2.3 強夯工藝參數

錘徑、錘重、下落高度是影響強夯工藝效果的核心參數，該文為降低研究難度、減少控制變量，采用夯擊能量等效替換錘重、下落高度，由此，確定該次研究的強夯工藝參數為錘底半徑、夯擊能量；通過不同錘徑、夯擊能量下土體豎向位移、豎向應力、地表位移、夯坑體積變化特征，評價兩項工藝參數對路基夯實效果的影響[10]。

3 數值結果分析

3.1 錘底半徑影響

不同錘徑下不同深度土體豎向變形數據見表2。

表2 不同錘徑下土體豎向變形隨深度變化數據統計表

由表2 可知：（1）同一錘底半徑下，土體豎向變形量隨土體深度增加而減小。

（2）0～3 m 范圍內，同一土體深度下土體豎向變形隨錘底半徑增加而減小；相較于1.0 m 錘底半徑，錘底半徑為1.25 m、1.5 m 時，相同土體深度下土體豎向位移分別減少43.7%、62.5%。

（3）土體深度在4～6 m 范圍時，錘底半徑變化對土體豎向位移影響一致，表明土體深度在0～3 m 范圍時對錘底半徑變化敏感。

不同錘徑下土體豎向應力峰值隨深度變化曲線見圖3。

圖3 不同錘徑下土體豎向應力峰值隨深度變化關系

由圖3 可知：（1）三種不同錘底半徑下，0～3 m 土層深度范圍內，豎向應力峰值減小速度較大。

（2）土層深度在4～6 m 范圍時，豎向應力峰值均在0.5 MPa 以內，減小速度較小。

（3）土層深度在0～3 m 范圍時，豎向應力峰值變化對錘底半徑變化較為敏感；相較于1.0 m 錘底半徑，錘底半徑為1.25 m、1.5 m 時，該土層深度范圍內，豎向應力峰值分別減少18.5%、37.0%。

地表土豎向變形隨錘徑變化關系見圖4。

圖4 不同錘徑下地表土體豎向變形

由圖4可知：錘底半徑分別為1.0 m、1.25 m、1.5 m時，地表土體豎向變形影響寬度分別為1.3 m、1.5 m、1.8 m；錘底中心區域地表豎向位移值分別為0.28 m、0.17 m、0.10 m，可知隨錘底半徑增加，地表位移隨之減小，夯擊影響區域寬度隨之增加，約為錘徑的1.2～1.3 倍。

3.2 夯擊能量影響

夯擊能量為夯錘自重與夯錘下落高度的乘積，同一夯錘落距下，不同錘重對應的不同深度土層豎向位移量見表3。

表3 相同落距不同錘重時土體豎向變形隨深度變化數據統計表

由表3 可知：（1）同一錘重不同深度土層豎向位移深度隨土層深度增加而減小。

（2）不同錘重同一深度土體豎向位移隨錘重增加而增加。

（3）土層深度在0～3 m 范圍內，土層豎向位移變化隨錘重增加變化顯著，4～6 m 范圍內，土層豎向位移對錘重變化幅度較小，且最大影響深度均在6.0 m 左右。

同一落距不同錘重時土體豎向應力峰值隨深度變化關系見圖5。

由圖5 可知：（1）不同錘重時，土體豎向應力隨土層深度變化趨勢基本一致。

圖5 相同落距時土體豎向應力峰值隨深度變化關系

（2）土層深度在0～3 m 范圍內時，豎向應力峰值減小速度較快。

（3）土層深度在4～6 m 范圍內時，豎向應力峰值均小于0.6 MPa，峰值變化較小。

（4）綜上可知，土體豎向應力隨錘重增加而增加，土層深度在3 m 以內時，錘重對豎向應力值影響較大。

地表豎向變形隨錘重變化曲線見圖6。

圖6 不同錘重時地表土體豎向變形

由圖6 可知：（1）隨錘底半徑增加，地表豎向變形影響寬度隨之增加。

（2）隨錘重增加，地表豎向變形影響寬度不變，表明地表豎向變形影響寬度不受錘重（夯擊能量）影響。

（3）錘重分別為10 t、15 t、20 t 時，地表豎向位移最大值分別為0.21 m、0.32 m、0.47 m，表明地表豎向位移隨錘重增加而增大。

夯坑體積隨錘重變化關系見圖7。

由圖7 可知：錘重分別為10 t、15 t、20 t 時，夯坑體積分別為473.3 m2、746.7 m2、1 080 m2，夯坑體積隨錘重增加呈線性增大趨勢。

圖7 夯坑體積隨錘重變化關系圖

4 結論

該文依托具體工程，通過數值分析軟件，研究了錘底半徑、夯擊能量兩項強夯參數對土體豎向位移、豎向應力、地表位移及夯坑體積影響，結論如下：

（1）土體深度在0～3 m 范圍內，地表位移、地表峰值應力隨錘底半徑增加而減小，相較于錘底半徑為1 m下的地表位移、地表峰值應力，錘底半徑為1.25 m、1.5 m 時地表位移分別減小43.7%、62.5%，地表峰值應力分別減小18.5%、37.0%。

（2）隨錘底半徑增加，地表最大位移隨之減小，地表夯擊影響寬度隨之線性增加，約為錘徑的1.2～1.3 倍；隨錘重增加，土體豎向峰值應力、土層位移隨之增加，夯坑體積呈線性增加趨勢。

（3）不同錘重夯擊影響深度基本在6 m 左右。