黃泛區季凍粉土地基強夯處理的試驗研究

張 磊 羅 鑫

(1.浙江交工集團股份有限公司 杭州 310051； 2.成都市市政工程設計研究院 成都 610015)

魯西北黃泛沖積平原主要由黃河泥沙沖積形成，其土層主要由粉土、粉質黏土、粉砂組成，結構較為松散，固結程度低，局部地區地下水位埋深較淺，地質偏軟，不利于工程建設。同時，為了避免雨季延誤路基填土施工，干燥少雨的冬春兩季成為了地基處理的最好時機，在這個過程中，黃泛區凍土層對地基處理效果的影響不容忽視。

黃泛區路基需要科學合理的地基處理技術以保證路基填筑時的穩定性。傳統的路基處理方式如換填、攪拌樁等如應用在一般路段的地基處理中會大幅度增加工程造價，且無法控制施工的工期。

強夯法由于具有效率高和經濟性好的優點，被廣泛用于地基處理[1]。不少工程在處理濕陷性黃土時采用了強夯法，有效地降低了工后沉降[2-3]；強夯法也大量應用于處理填石路基[4]，并能有效地提高填筑層的密實度。此外，強夯法還被用于軟土地基的處理[5]、爐渣填料的改良[6]、拋石基床的加固等[7]。然而很少有研究者針對凍土區強夯技術進行研究，強夯法也尚未形成完善的技術指標并且頒布行業規范，因此，本研究依托德商高速公路建設工程，探究季節性凍土層對強夯的夯實效果及其施工參數的影響，為季凍區強夯法施工提出科學的指導。

1 強夯技術原理

強夯法是將夯錘用起重機吊起，從高處落下，將夯錘的重力勢能轉化為動能，利用強大的動力沖擊，提高地基密實度和強度的方法。它將一定質量的重錘以一定的落距給地基以沖擊和振動，通過對地基施加強大的沖擊力，從而達到提高地基土的強度，降低壓縮變形，改善振動液化，消除黃土濕陷性作用的地基加固方法[8]。同時，強夯法還著重于對深層土體進行加固，通過破壞土體結構，增加排水通道，使孔隙水逸出，土體發生固結，從而提高土體強度和穩定性[9]。

2 現場試驗方案

2.1 試驗段工程地質條件

強夯試驗段的地質條件及土層概況見表1。

表1 土層條件

強夯試驗段淺層地基以粉土為主，較深層地基夾雜粉砂顆粒，其滲透性較好，有利于孔隙水壓力的消散，能在施工期較好地完成地基土體固結。

2.2 試驗段施工方案

現場試驗段于2013年12月底進行第一遍強夯，氣溫在-10 ℃～-2 ℃，地表存在15～20 cm厚的凍土層。2014年3月中旬進行第二遍強夯，氣溫在0 ℃～10 ℃，凍土層已消融。

試驗過程中，通過埋設的孔隙水壓力計和地下水位管實時監控試驗段的孔隙水壓力和地下水位。孔隙水壓力計埋設的原則為每個試驗區域左右幅各埋設1處，埋設深度分別為3，5和7 m。試驗段分2個區域，第一遍施工時，A區夯擊能為1 000 kN·m，B區夯擊能為700 kN·m。第二遍施工時，夯擊能統一為800 kN·m。夯擊方式采用每點1擊，夯點滿布試驗段，夯印搭接1/4。

3 監測結果與效果評價

3.1 沉降量觀測

強夯施工作業時，隨機選擇若干夯點，觀測夯坑在夯擊前后的高程變化，以確定夯沉量，從而確定該夯擊參數下地基加固的效果。其中第一遍強夯施工期間受凍土層的影響較為顯著，而第二遍強夯施工期為春季，無凍土層的影響。

夯坑的夯沉量如圖1所示，在800 kN·m的夯擊能下，夯坑平均沉降量約為21.0 cm，相對于700 kN·m夯擊能下16.7 cm的平均沉降量有明顯增大，其原因一方面是由于地表土層在凍土解凍后強度降低，另一方面是由于凍土解凍后的翻曬使地表土層變得松散。

隨著中國第一座水電站——石龍壩水電站的投產發電，1912年5月28日，昆明夜空第一次被電燈照亮。106年過去了，昆明電網已覆蓋全市各縣(市)區，供電面積達21473平方公里、供電人口720萬、用電客戶270.5595萬戶，形成以昆明主城區為中心的500千伏“口”字形環網和220千伏雙環網，是云南電網“西電東送”的重要樞紐。

圖1 夯坑沉降量

采用推土機將夯坑推平后，通過測量強夯前及每遍強夯后地表高程，得到地表平均沉降量見表2。

表2 地表沉降量 cm

由表2可知，2遍強夯后地表沉降量能夠達到約21 cm，滿足設計規定的10 cm要求。

3.2 地下水位和超孔隙水壓力

試驗段的初始地下水位深度在地表下約1.6 m，第一遍強夯施工后，地下水位迅速上升至距地表0.65 m處，并在10 d時間內下降并趨于穩定。

第二遍強夯施工后，地下水位從地下1.7 m上升至地下0.9 m。整個強夯試驗期間地下水位觀測統計見圖2。

以地表高程為0。

在強夯施工過程中，根據有效應力原理，隨著孔隙水壓力的消散，有效應力不斷增加，土體得到加固。而孔隙水壓力的變化主要取決于夯后超孔隙水壓力的累積情況，因此，超孔隙水壓力的累積與消散是反映地基土體加固效果的重要指標。

第一遍強夯過程超孔隙水壓力變化情況見圖3、圖4。

圖3 1 000 kN·m作用下孔隙水壓力變化過程

圖4 700 kN·m作用下孔隙水壓力變化過程

由圖3、圖4可知，強夯施工作業引起的超孔隙水壓力在施工后的1 d時間內消散50%～60%，前3 d時間內消散70%，強夯施工作業后7 d，孔隙水壓力完成消散80%以上。

從熵的角度來看，巖土體的變形是耗散結構[10]，雖然試驗場地上覆有堅硬的凍土層，地基仍然處于非平衡狀態，粉土地基土質松散，顆粒之間接觸不緊密，孔隙比大，外界條件改變時顆粒運動具有隨機性，這樣的系統其實是不穩定的。對凍土進行強夯，實際上是向系統輸入負熵流，減小系統熵，增大土體密度，減小孔隙率，使系統向有序狀態和穩定狀態的方向發展。

系統向有序性和穩定性進化不僅取決于外界輸入的能量的大小，也與系統自身所處的狀態有關，雖然夯擊能增大，但1 000 kN·m的夯擊能破壞了凍土層，使凍土層發生了相當程度的隆起與碎裂，如圖5所示，系統增加的這部分混亂度需要消耗一些外界輸入的負熵流進行平衡，從而導致被系統吸收的用于提高自身有序性和穩定性的負熵流減小，加固效果因此降低。

圖5 1 000 kN·m夯擊能作用下夯錘傾斜

從能量的角度來看，在1 000 kN·m的夯擊能下，地表凍土層在沖擊荷載作用下完全剪切破壞，能量一部分消耗在對地表15～20 cm凍土層的破壞上，向地基深處傳遞的夯擊能大幅被削弱。同時，在沖擊荷載的作用下，孔隙水壓力迅速上升，大部分能量通過孔隙水橫向傳遞消散，宏觀上表現為地表的隆起，從而無法達到預期的加固效果。

而在700 kN·m的夯擊能下，凍土層并沒有完全破壞，如圖6所示。凍土層作為強夯的施工作業面，一方面防止能量消耗在對凍土層的破壞上，另一方面，完整的凍土層可以防止地表發生隆起，大大減少了夯擊能的消耗，使更多能量向下傳遞，從而取得更好的加固效果。

圖6 700 kN·m夯擊能作用下的凍土層

從墊層強夯的角度來看，凍土層可以看作一層天然的墊層。沖擊荷載能量是依靠顆粒接觸傳遞的，接觸點數多的墊層更利于能量的傳遞。當碎石墊層孔隙被破碎的小顆粒填滿后，由于接觸點個數變多，夯擊的效果會明顯提高。在凍土層被破壞前，凍土層是一個整體，眾多的接觸點可以較好地傳遞沖擊荷載的能量，而凍土層被破壞后，由于接觸點的減少，沖擊荷載能量傳遞的效率變低，因此出現了高夯擊能加固效果反而不如低夯擊能的現象。

由此觀之，夯擊能不同，夯錘對地表凍土層有不同的作用效果，一味增加夯擊能可能會適得其反。凍土層在15～20 cm時，已經形成一個較為完整的結構層，在凍土區進行強夯作業時，應當注意保護凍土層，使其成為強夯的作業面。夯擊能量在1 000 kN·m以上，夯印搭接1/4時，凍土層一部分會率先破壞，導致夯錘底部支撐條件不均勻，從而產生夯錘向夯進方向傾斜的現象。夯錘的傾斜不僅造成了地表局部更大范圍的隆起，浪費了夯擊的能量，還使夯錘作用力分布不均勻，嚴重降低了強夯的加固效果。

因此在對凍土層進行強夯加固時，應當通過試夯確定最佳夯擊能，避免陷入傳統地基處理夯擊能越大加固深度也越大的誤區。

第二遍強夯過程超孔隙水壓力變化情況見圖7。

圖7 800 kN·m超孔隙水壓力變化過程

由圖7超孔隙水壓力累計與消散規律可知，3 m與5 m處的超孔隙水壓力消散較快。其中3 m深度的超孔隙水壓力變化峰值在30 kPa左右，在3 d內消散約70%，在5 d內消散80%。5 m深度的超孔隙水壓力變化峰值在25 kPa左右，消散的時間與3 m處相似。

可以發現，凍土消融后，在800 kN·m的夯擊能作用下，7 m處產生約8 kPa的超孔隙水壓力，比在凍土區作業時1 000 kN·m夯擊能所產生的超孔隙水壓力更大。進一步證明了凍土區強夯加固時，夯擊能不是越高越好。

3.3 壓實度

壓實度檢測需分別在強夯處理前、每遍強夯處理后進行。采用環刀法，分別測試10～20，30～40，50～60 cm深度的壓實度，檢測結果見表3。

表3 壓實度檢測表

檢測結果表明，強夯法對地表下20～40 cm深度土體的密實加固效果顯著，對地表土層的加固存在一定難度，這是因為地表土層在施工過程中擾動較大，無法有效地將其壓實。凍土層在消融后，通過后續的夯擊達到了90%壓實度的控制要求。

4 結論

1) 對于高地下水位(地表下僅1.5 m左右)、地表土層過濕路段，強夯法對地基土有較好的動力固結效果。

2) 表層凍土層可作為過濕地基的施工作業面，供機械進行施工，同時完整的凍土層能夠防止地表發生隆起，減少夯擊能量的額外消耗。

3) 700 kN·m和1 000 kN·m夯擊能的處理效果表明，夯擊能并不是越大越好。夯擊能過大時，大量能量在破壞表層凍土層過程中被損耗，失去凍土層的地基土產生隆起，嚴重降低了強夯的加固效果。

4) 季凍區路基施工時，應充分利用凍土層，而不是對其進行破壞。凍土層的壓實可以通過解凍后對其進行后續的夯擊，提高表層土體的壓實度。