淺談強(qiáng)夯法在控制高填路基差異沉降中的應(yīng)用

■　呂靜凌（南平市交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站，南平　353000）

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淺談強(qiáng)夯法在控制高填路基差異沉降中的應(yīng)用

■呂靜凌
（南平市交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站，南平353000）

摘要本文通過(guò)分析閩北山區(qū)公路高填路基產(chǎn)生差異沉降的原因，并以南平市武夷新區(qū)省道303線改造工程（新嶺至將口大道段）中強(qiáng)夯處理現(xiàn)有高填路基實(shí)例為依托，分析影響強(qiáng)夯高填路基加固效果的因素，揭示出在強(qiáng)夯處理高填路基過(guò)程中應(yīng)注意的質(zhì)量控制要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞強(qiáng)夯法高填路基差異沉降應(yīng)用

近年來(lái)，閩北公路建設(shè)發(fā)展迅猛，據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2015年底，閩北公路通車(chē)總里程達(dá)15554.241km，其中高速公路總里程達(dá)929.672km，普通公路總里程達(dá)14624.569km，全區(qū)干線公路網(wǎng)已具規(guī)模。南平市轄區(qū)面積2.63萬(wàn)km2，占福建省的1/5，是典型的“八山一水一分田”的丘陵地貌。山區(qū)公路修建過(guò)程中，由于地形、地質(zhì)以及路線線形的要求，高填深挖路基頻頻出現(xiàn)，由此導(dǎo)致了高填路基差異沉降引起的病害，嚴(yán)重影響道路使用性能。

本文在分析閩北山區(qū)公路高填路基產(chǎn)生差異沉降原因的基礎(chǔ)上，以南平市武夷新區(qū)省道303線改造工程（新嶺至將口大道段）中強(qiáng)夯處理現(xiàn)有高填路基實(shí)例為依托，分析影響強(qiáng)夯高填路基加固效果的因素，揭示出在強(qiáng)夯處理高填路基過(guò)程中應(yīng)注意的質(zhì)量控制要點(diǎn)。

1　閩北山區(qū)公路高填方路基差異沉降產(chǎn)生的主要原因

高填路基差異沉降由施工期沉降和工后沉降組成。施工期沉降是從路基開(kāi)工到路基填筑完成時(shí)，其間產(chǎn)生的沉降，是伴隨著路基填筑施工的一個(gè)持續(xù)過(guò)程。工后沉降是從路基填筑結(jié)束后，一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，受土體自重、上部路面施工和行車(chē)荷載影響產(chǎn)生的沉降過(guò)程。引起高填路基差異沉降變形的因素很多，就閩北公路而言，差異沉降大致有以下幾種原因：

（1）高填路基自重和對(duì)天然地基處理不到位

天然地基的固結(jié)在自身的重力作用下已基本完成，但在其上修筑路堤時(shí)，由于路堤填土成為附加荷載，從而使天然地基產(chǎn)生沉降變形。這種沉降變形的大小受路堤填土的土質(zhì)和填土高度的影響。在閩北地區(qū)，很多公路路線需要經(jīng)過(guò)山壟田、菜地等軟弱土地帶，對(duì)軟弱土質(zhì)路基處理不到位，就在其上填筑新的路堤，新增的附加荷載，更加劇了天然地基的沉降。

（2）路基壓實(shí)度不足

在路基壓實(shí)度不能滿(mǎn)足要求的情況下，由于路基兩側(cè)壓實(shí)度相對(duì)較低，因此路基沉降將是臨近邊坡的路基兩側(cè)大于路基中心，這一傾向在雨水入滲與沖刷的情況下表現(xiàn)得更加明顯。在此情況下，硬路肩與行車(chē)道間將出現(xiàn)沉降差，并出現(xiàn)沉陷和錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。由于行車(chē)道板下脫空，雨水又能從錯(cuò)縫中滲入基層，在行車(chē)道頻繁行車(chē)荷載作用下，加上雨水對(duì)面層和基層連接面的不斷沖刷，導(dǎo)致了路面的斷裂。

（3）水的作用

閩北境內(nèi)溪河縱橫，流域面積在4000km2以上的河流有8條，分別為閩江、富屯溪、金溪、沙溪、建溪、崇陽(yáng)溪、南浦溪、松溪，集水面積50km2以上的河流有176條，構(gòu)成溪河眾多、流域面廣的自然水系，導(dǎo)致閩北降水豐富，此外閩北地區(qū)地下水也極為豐富。水是公路路基損壞的主要原因，水的滲流作用使得許多山區(qū)公路路基產(chǎn)生滑塌、側(cè)向位移與沉陷等。

（4）邊坡失穩(wěn)

高填路基邊坡穩(wěn)定性直接影響路基穩(wěn)定性。由于路堤土屬于非飽和土，在降雨作用下，降雨入滲會(huì)首先在路堤邊坡坡腳引起滑動(dòng)破壞，一旦坡腳發(fā)生滑動(dòng)，就會(huì)觸發(fā)坡腳以上部位更多的滑動(dòng)發(fā)生，從而成為形成路基沉降的又一個(gè)重要因素。

（5）工后沉降［3］

高填路堤的工后沉降難以避免。根據(jù)土的物理性質(zhì)，土為塑性材料，在土的原狀被破壞以后，不論人為壓實(shí)得多么密實(shí)，工后沉降也是難以避免的。

（6）受工期的影響

高填方路基沉降是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，短時(shí)間內(nèi)不可能全部完成。施工期也是沉降控制的一個(gè)重要因素，目前國(guó)內(nèi)公路建設(shè)周期短，工期內(nèi)路基的沉降還未完成，這樣為工后過(guò)大沉降埋下隱患，容易造成基層或面層的破壞。

2　強(qiáng)夯控制高填方路基差異沉降的機(jī)理

大量工程實(shí)踐表明，公路工程中沉降的發(fā)生不可避免，但是過(guò)大的不均勻沉降將導(dǎo)致路基和路面的破壞，因此，國(guó)外許多發(fā)達(dá)國(guó)家也積極研究控制差異沉降的方法。如從路基填料、地基處治技術(shù)、土工合成材料等方面著手。本文著重探討強(qiáng)夯法在高填路基加固中的應(yīng)用及其施工質(zhì)量控制。

強(qiáng)夯法又稱(chēng)為動(dòng)力固結(jié)法［4］，將重錘從高處自由落下給地基以強(qiáng)大沖擊力和振動(dòng)，從而達(dá)到提高地基土的強(qiáng)度并降低其壓縮性的目的。強(qiáng)夯法具有許多優(yōu)點(diǎn)，如壓實(shí)效果顯著、設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便、適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)易行和節(jié)省材料等。

通常認(rèn)為，強(qiáng)夯加固路基過(guò)程有四個(gè)階段：（1）夯擊能量轉(zhuǎn)化，同時(shí)伴隨強(qiáng)制壓縮或振密；（2）土體液化或土體結(jié)構(gòu)破壞，表現(xiàn)為土體強(qiáng)度降低或抗剪強(qiáng)度喪失；（3）排水固結(jié)壓密，表現(xiàn)為滲透性能改變，土體裂隙發(fā)展，土體強(qiáng)度提高；（4）觸變恢復(fù)并伴隨固結(jié)壓密，包括部分自由水又變成薄膜水，土體強(qiáng)度繼續(xù)提高。

強(qiáng)夯在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)路基土體施加一個(gè)巨大的沖擊能量，加荷歷時(shí)幾十毫秒至一百毫秒，沖擊能轉(zhuǎn)化為各種波型傳遞到路基土體內(nèi)。由強(qiáng)夯產(chǎn)生的沖擊波按其在土中傳播和對(duì)土作用的特性可分為體波和面波。體波包括縱波和橫波，從夯擊點(diǎn)沿著一個(gè)半球波陣面徑向向路基深處傳播，對(duì)路基土可起壓縮和剪切作用，引起路基土的壓密固結(jié)。面波從夯擊點(diǎn)沿地表傳播，其隨距離的增加而衰減的幅度比體波慢的多，對(duì)路基土不起加固作用，其豎向分量對(duì)表層土起松動(dòng)作用。因此，強(qiáng)夯的結(jié)果是在路基中沿深度形成性質(zhì)不同的三個(gè)區(qū)：路基表層松動(dòng)區(qū)，加固區(qū)和彈性區(qū)。路基土體發(fā)生動(dòng)力反應(yīng)，由于路基土明顯的非彈性性質(zhì)，經(jīng)動(dòng)力作用后一定范圍內(nèi)路基土的工程性質(zhì)發(fā)生一定程度的改變，即路基土得以加固。強(qiáng)夯加固路基的作用機(jī)制主要是：加密、固結(jié)和預(yù)加變形的共同作用。當(dāng)重錘自由下落夯擊時(shí)，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在夯擊地面的瞬間，動(dòng)能的一部分以聲波形式向四周擴(kuò)散，一部分由于重錘與土體摩擦而變成熱能，其余大部分動(dòng)能則使土體產(chǎn)生自由振動(dòng)，使空氣或氣體從土中排出，從而使土重新定向排列。

強(qiáng)夯加固效果主要受以下因素影響，包括夯擊能、夯錘面積、夯擊次數(shù)、夯擊間距、土體參數(shù)等。

（1）單點(diǎn)夯擊能

最佳夯擊能可采用單點(diǎn)夯沉量與夯擊次數(shù)關(guān)系曲線來(lái)確定，且滿(mǎn)足最后兩擊平均夯沉量≤5cm，夯坑周?chē)孛娌话l(fā)生過(guò)大隆起及不因夯坑過(guò)深而發(fā)生起錘困難。

（2）夯錘面積

夯錘面積的大小直接決定夯錘著地時(shí)的沖擊壓力，進(jìn)而影響強(qiáng)夯的有效加固深度。在夯擊能一定的情況下，夯錘面積與加固深度呈反比關(guān)系。

（3）夯擊次數(shù)

夯擊次數(shù)一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試夯來(lái)確定，常以夯坑的壓縮量最大、夯坑周?chē)穆∑鹆孔钚榇_定原則。目前，常通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試夯得到的夯擊次數(shù)與夯沉量的關(guān)系曲線來(lái)確定。

（4）夯點(diǎn)間距

夯點(diǎn)間距過(guò)大，使各夯點(diǎn)間的土體得到不有效加固；夯點(diǎn)間距過(guò)小，或采用夯點(diǎn)搭接的方法往往使后續(xù)強(qiáng)夯降低前期強(qiáng)夯形成的路基沉降，降低加固效果。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般選取5～10m。實(shí)際工程實(shí)踐中，往往是先進(jìn)行一邊點(diǎn)夯，第二遍采用搭接的方法強(qiáng)夯。

（5）土體參數(shù)

土體天然含水率是影響強(qiáng)夯加固效果的重要因素。土體過(guò)于干燥，土體顆粒與顆粒間處于分散狀態(tài)，夯擊的結(jié)果可能因振動(dòng)引起土體松動(dòng)，達(dá)不到夯實(shí)效果；適當(dāng)?shù)暮蕰?huì)使土體分散的顆粒膠結(jié)在一起；但是過(guò)高的含水率，易使土體產(chǎn)生液化，使土體強(qiáng)度降低。所以要控制好土體含水率，使其接近最佳含水率，有利于土體夯實(shí)。

3　強(qiáng)夯法在省道303處理高填方路基應(yīng)用實(shí)例分析

3.1工程概況

南平市武夷新區(qū)省道303線改造工程（新嶺至將口大道段）路線全長(zhǎng)約8.80km（其中包含隧道1179m/1座、大橋146m/1座、涵洞19道），一級(jí)公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度80km/h，路基寬度約42m，總投資約人民幣50000萬(wàn)元。其中K17+880～K18+080段路基由其他施工隊(duì)開(kāi)挖及填筑，回填厚度為8米。通過(guò)對(duì)該路段進(jìn)行壓實(shí)度和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，結(jié)果表明，上述路段填方壓實(shí)度和承載力均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工多方會(huì)審，決定對(duì)該路段路基進(jìn)行強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)（要求強(qiáng)夯設(shè)備能力為3000kN·m，夯錘重25t、直徑2.5m），使原填土壓實(shí)度達(dá)到合格要求后予以利用。

3.2強(qiáng)夯方案設(shè)計(jì)

強(qiáng)夯設(shè)備夯擊能采用3000kN·m，夯錘重25t、直徑2.5m。

第一遍夯擊能3000kN·m，落距12m，夯點(diǎn)間距6m，等邊三角形布置，每點(diǎn)7擊，若夯沉量小于1.3m，增加1擊。

第二遍夯擊能3000kN·m，落距12m，夯點(diǎn)間距6m，等邊三角形布置，每點(diǎn)6擊，若夯沉量小于1.0m，增加1擊。

第三遍夯擊能1200kN·m，落距4.8m，滿(mǎn)夯，1/3錘印搭接，搭接長(zhǎng)度0.83m，每點(diǎn)2擊。

第二遍強(qiáng)夯點(diǎn)位置應(yīng)在第一遍強(qiáng)夯點(diǎn)的中間，即第二遍與第一遍的強(qiáng)夯點(diǎn)間隔應(yīng)錯(cuò)開(kāi)。每遍強(qiáng)夯之間間隔5～7d。

3.3強(qiáng)夯檢測(cè)及效果評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)與檢查強(qiáng)夯效果，分別在夯前及夯后進(jìn)行了重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)（N63.5）、表層土壓實(shí)度測(cè)試。

3.3.1重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)

在強(qiáng)夯前后分別進(jìn)行了6組重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)，夯前夯后各試驗(yàn)點(diǎn)的重型動(dòng)力觸探修正擊數(shù)見(jiàn)表1，選取一組夯前夯后典型的N63.5（擊）與H（m）關(guān)系曲線詳見(jiàn)圖1。

表1　重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1　夯點(diǎn)5的N（擊）與H（m）關(guān)系曲線圖

通過(guò)對(duì)夯前和夯后數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，強(qiáng)夯處理后填土的動(dòng)探平均擊數(shù)增加了近2擊，土體密實(shí)度有明顯的提高；夯前與夯后在0.0～8.0m范圍內(nèi)地基土均勻性為均勻。

3.3.2挖坑灌砂法測(cè)定壓實(shí)度試驗(yàn)（見(jiàn)表2）后表層土的壓實(shí)度有明顯的提高。

表2　壓實(shí)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4　強(qiáng)夯處理高填方路基施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

4.1強(qiáng)夯施工前

（1）安全施工方面

應(yīng)督促施工單位查明場(chǎng)地范圍內(nèi)的地下構(gòu)筑物和各種地下管線的位置及標(biāo)高等，并采取必要的措施，以免因強(qiáng)夯施工而造成損壞。當(dāng)強(qiáng)夯施工所產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物或設(shè)備產(chǎn)生有害的影響時(shí)，應(yīng)采取防振或隔振措施。強(qiáng)夯施工宜采用帶有自動(dòng)脫鉤裝置的履帶式起重機(jī)或其他專(zhuān)用設(shè)備，如采用履帶式起重機(jī)，可在臂桿端部設(shè)置輔助門(mén)架，或采取其他安全措施，防止落錘時(shí)機(jī)架傾覆；強(qiáng)夯施工前，組裝起吊設(shè)備及輔助門(mén)式框架時(shí)，應(yīng)特別注意起立機(jī)器的自身穩(wěn)定性。

（2）技術(shù)資料方面

熟悉工程資料、掌握土質(zhì)情況，當(dāng)原地面表層較濕或含水量較大時(shí)，在夯擊前應(yīng)在該段鋪墊10cm～20cm厚的碎石，然后進(jìn)行夯擊。夯擊時(shí)如表土過(guò)干（尤其滿(mǎn)夯時(shí)），則應(yīng)采取加水等相應(yīng)措施，增加含水量。檢查設(shè)備報(bào)審情況，對(duì)夯錘重量、落距進(jìn)行驗(yàn)算，確保單擊夯擊能量符合設(shè)計(jì)要求。檢查施工單位上報(bào)夯點(diǎn)布置圖。夯前場(chǎng)地標(biāo)高測(cè)量時(shí)，檢查測(cè)量控制網(wǎng)點(diǎn)基樁及水準(zhǔn)點(diǎn)，以便施工中測(cè)量夯擊沉降量。

4.2強(qiáng)夯施工過(guò)程中

檢查夯錘的落距，復(fù)核夯點(diǎn)放線、夯錘的落點(diǎn)誤差，嚴(yán)格控制夯擊遍數(shù)間的間隔時(shí)間，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理夯擊過(guò)程中的異?，F(xiàn)象，如夯坑周?chē)霈F(xiàn)隆起，夯沉量異常等情況。

4.3強(qiáng)夯施工后

檢查施工記錄，復(fù)核夯后高程，檢查檢測(cè)報(bào)告，必要時(shí)對(duì)相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行復(fù)測(cè)。

5　結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合南平市武夷新區(qū)省道303線改造工程（新嶺至將口大道段）處理高填路基的實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明合理的夯擊參數(shù)能明顯提高高填路基的密實(shí)度，且土體均勻性良好，對(duì)于控制高填路基差異沉降起到重要作用。且通過(guò)對(duì)夯前與夯后數(shù)據(jù)的比較，強(qiáng)夯處理后表層土的壓實(shí)度有明顯的提高，表明強(qiáng)夯法在控制高填路基差異沉降中的應(yīng)用是成功的。

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