強夯追密法在高速公路路基施工中的應用研究

宋強

（河北通宇建筑工程有限公司，河北張家口075000）

0 引言

隨著我國城市化進度的不斷發展，高填方路段公路的修筑也越來越多。為保證高填方路基段的穩定性以及運營過程中的工后沉降能夠滿足要求，在施工過程中除了分層填筑外，還需要對高填方路基段進行強夯追密處理，以提高高速公路路基的壓實度。本文以河北省延崇高速K36+290～K36+490 高填方試驗段為工程背景，對特殊路段處路基填料的工程特性進行了研究，并分析了強夯追密處理技術在高填方路基中的加固機理及強夯追密處理技術在加固過程中的影響因素，以期為相關工程提供一定的參考。

1 工程概況

河北省延崇高速整體呈現為北高南低、海拔高、地形復雜。延崇高速試驗段K36+290～K36+490 途徑黃土地區，地質條件不良。延崇高速出現了大量的高填方工程，需要利用強夯追密法對高填方路基進行處理，試驗段里程為K36+290～K36+490，最大填方高度可達24m，最大夯擊能量為3500kN·m。

2 高速公路路基填料特性

2.1 填料顆粒分析

根據公路工程室內試驗相關規范，利用篩分法對現場試驗段K36+290～K36+490 處高速公路路基填料進行篩分，得到現場路基填料的級配曲線如圖1所示。

由圖1 可知，現場試驗段路基填料的有效粒徑為0.001mm，連續粒徑為 0.005mm，限定粒徑為0.021mm。通過計算可知，填料的不均勻系數Cu等于限定粒徑與有效粒徑的比值，為21.0；填料的曲率系數Cc等于1.19；曲率系數Cc在1～3 之間，不均勻系數Cu大于5，說明填料的級配良好，滿足規范要求。

圖1 路基填料級配曲線

同時利用室內土工試驗，對路基填料的比重、液塑限進行測定，如表1所示。

表1 現場填料的物理指標

現場填料的液限為32.4%，塑性指數為7.4，滿足公路路基設計規范中關于路基填料的液限低于50%、塑性指數低于26 的要求。并結合填料的級配曲線可知，河北省延崇高速公路K36+290～K36+490 處的路基填料級配良好，滿足路基施工要求。

2.2 最大干密度及最優含水量

在公路路基施工過程中，為保證路基的強度及填料的密實度，往往通過分層填筑的方法進行施工，可以有效地降低路基填料的壓縮性，并減小填料透水性，從而獲得較好的填筑效果。在進行分層壓實前，需要通過室內擊實試驗確定路基填料的最大干密度及最優含水量。

對現場路基填料進行取樣，然后根據《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007），選取不同的擊實參數。最后將根據公式（1）可以得到不同含水量條件下路基填料的干密度[1]。

在進行擊實試驗時，應注意潤滑劑及含水率對試驗結果的影響，嚴格控制試驗過程中試樣的均勻性、含水率及潤滑劑使用情況，減少因人為因素給試驗結果造成的影響。

通過室內擊實試驗，得到不同含水率條件下路基填料的試驗結果，如表2所示，路基填料的最大干密度為1.87g/cm3，最佳含水量為13.6%。

表2 擊實試驗結果

由表2 可知，路基填料的干密度隨著含水率的增加而逐漸增加，當含水率達到最優含水量后，路基填料的干密度會隨著含水率的增加而逐漸減少，這是因為：第一，當路基填料的含水量較小時，填料顆粒之間的結合水膜較薄，干密度較小；第二，隨著含水量的增加，顆粒之間的結合水膜逐漸增大，顆粒間的移動相對容易，從而使得干密度逐漸增大；第三，當填料含水量大于最優含水量時，路基填料控制間的水分較多，孔隙水排出困難，相同擊實功下，干密度開始下降。因此，在施工過程中應通過灑水或者晾曬控制路基填料的含水量[2]。

2.3 孔隙比及壓縮模量

通過固結試驗可以得到路基填料在外力作用下的變形特性，并可以獲得路基填料的變形特性指標，如壓縮模量、孔隙比及壓縮系數等，以此對路基填料的力學特性進行評價或者計算路基的沉降。通過室內單軸壓縮儀器，對最優含水量條件下（13.6%）的壓實度分別為95%、96%和97%的路基填料進行固結試驗，得到不同壓實度條件下路基填料的變形特性參數如表3所示。

表3 固結試驗結果

從表3 可以看出，相同含水量條件下，路基填料的孔隙比和壓縮模量隨著壓實度的增加而增加，壓縮系數逐漸降低，填料的壓縮性也越低。因此在實際施工過程中，可通過強夯追密技術增加路基填料的壓縮模量，降低填料壓縮性，從而進一步提高路基的強度及整體穩定性，并有效控制地基的沉降量。

3 強夯追密技術在高速公路路基施工中應用

強夯追密技術是將一定重量的夯錘起吊8～30m，然后松開夯錘，讓夯錘做自由落體運動，在夯錘自重的作用下，對路基填料產生一定的沖擊，從而對路基薄弱處進行加固，以此來提高路基承載力，減小路基沉降的一種路基加固方法。強夯追密法具有施工速度快，對環境污染較小等優點，但由于在利用夯錘荷載對路基進行加固過程中，會發生振動現象，可能對周圍建筑物產生一定的影響，而且在強夯過程中會產生噪聲，因此在人口密集處不宜使用強夯追密法[3]。

3.1 強夯追密技術的加固機理

強夯追密法的加固機理大致可分為宏觀及微觀兩個方面，其中宏觀方面可以從沖擊力、應力波的傳播和土體強度三個角度進行分析;當夯錘從一定高度下落到路基表面時，會對路基填料產生巨大的沖擊力，從而使得路基填料的強度得到改善。路基表面從淺到深依次可分為表面松動層、加固層及彈性層。路基表面的沖擊波，透過路基表面松動層，對路基內部的土體進行加固，使得路基內部的結構形式發生變化，強度提高，從而形成加固層。沖擊波繼續向下傳播，但傳播能量逐漸降低，當傳播到加固層以下某個深度以后，路基的塑性變形可忽略不計，從而形成彈性層。

從微觀角度考慮，夯錘從一定高度下落到路基表面后，夯錘的勢能全部轉換成動能，而夯錘的大部分動能又會以聲波的形式傳遞給路基，從而降低了路基填料顆粒之間的孔隙，土顆粒重新排列。在填料顆粒中存在一定數量的封閉氣泡，隨著夯錘的沖擊，對路基填料產生巨大的振動，從而使得土體產生一定的裂縫，土體內的孔隙不斷被壓縮，快速發生固結，土體的壓縮模量也不斷增大，地基承載力也會得以提高[4]。

在強夯追密施工過程中，強夯追密的加固深度是影響施工質量的重要因素，實際施工過程中，多根據經驗確定強夯追密的加固深度，如公式（2）所示。

式（2）中：H為有效加固深度，m；G為夯錘的重量，t；z為夯錘的落距，m；在確定強夯追密的加固深度時，還需要考慮地下水位及填料特性的影響，對加固深度進行修正。

3.2 強夯追密技術加固路基的影響因素分析

3.2.1 單擊夯擊能

單擊夯擊能越大，對路基表面淺層土體的壓密效果越好，由于夯擊能在土體傳遞過程中不斷擴散，所以對路基表面以下深層土體的加固效果，會隨著豎向深度的增加而逐漸減小。

單擊夯擊能的大小由夯錘的重量及高度決定，在實際施工過程中，夯錘的重量及高度不宜過大或者過小。夯錘的重量及高度過小則夯實能量不足，從而導致路基的強度和承載力達不到要求；夯錘的重量及高度過大，則會在路基表面形成一層橡皮土，加固效果減弱，還會造成資源浪費。

3.2.2 夯錘的底部面積

夯錘在與路基表面接觸的瞬間，夯錘動能會全部轉換成對路基的作用力，從而起到給路基加固的作用。在進行能量傳遞的過程中，會對路基土體的結構造成一定程度的破壞，使得路基土體孔隙之間的空氣被排出，土體的壓縮性降低，路基承載力提高。

從能量角度來看，相同夯錘沖擊作用下，夯錘底部的面積越小，對路基土體的沖擊力也就越大，土體的破壞形式以剪切破壞為主，加固深度也增大。但當夯錘底部面積過小時，雖然對夯錘底部土體的加固效果較好，但在夯錘周邊的土體可能產生隆起，這樣就需要通過增加夯錘點來達到路基整體加固效果，工程量增加。當夯錘面積過大時，相同夯錘重量及高度情況下，對路基土體的加固作用力相對較小，可能因為夯擊能不足，土體不會發生結構破壞，加固效果不能得到保證。

3.2.3 夯擊遍數

單夯擊實能量、夯錘低面積及夯點平面布置確定后，需要確定的是夯擊次數和遍數，路基底部一定范圍內土體的強度會隨著夯擊次數和遍數而逐漸增加，但當夯擊次數和遍數達到一定數量后，較深范圍內路基土體強度的變化不再明顯。

在施工過程中，利用水準儀對不同夯實遍數下的路基沉降量進行檢測，結合相關規范標準確定最佳夯擊遍數，控制擊實能為2500kN?m，得到不同擊實遍數下路基的單擊沉降量，如圖2所示。

圖2 不同夯實次數下路基單擊沉降量

由圖2 可知，不同夯擊能情況下，隨著夯擊次數的增加，路基的單擊沉降量表現為逐漸減少，最后趨于穩定。當夯擊能為2500kN·m 時，夯擊次數為1～6時，路基的單擊沉降量下降比較明顯，由32cm 下降到3cm，然后趨于穩定，最終的單擊夯沉量穩定在1cm 左右，根據建筑地基處理技術規范中的規定，夯擊次數為7 次時，能夠滿足沉降量要求。 當夯擊能為3500kN·m 時，夯擊次數為1～6 時，路基的單擊沉降量下降比較明顯，由42cm 下降到4cm，然后趨于穩定，最終的單擊夯沉量穩定在1cm 左右，根據建筑地基處理技術規范中的規定，夯擊次數為6 次時，能夠滿足沉降量要求。不同夯擊能情況下路基的單擊沉降量差值隨著夯擊遍數的增加而不斷減小，且夯擊能越大，單擊沉降量也越大：單擊沉降量差值分別為10cm、8cm、7cm、4cm、2cm、1cm、1cm、1cm、0cm、0cm，說明第六次夯擊后，夯擊達到飽和，夯沉量的值趨于穩定。

夯擊遍數以施工單位的現場試驗來確定，國內在強夯追密法施工的時候一般都是，先進行2～4 遍點夯，然后再進行1～2 遍的滿夯，具體夯擊遍數應根據路基填料的材料特性和滲透性進行適當增加或減少。

4 結論

本文以河北省延崇高速K36+290～K36+490 高填方試驗段為工程背景，對特殊路段處路基填料的工程特性進行了研究，并分析了強夯追密處理技術在高填方路基中的加固機理及強夯追密處理技術在加固過程中的影響因素，得到以下結論：一是試驗段填料的不均勻系數Cu為21.0，曲率系數Cc等于1.19，液限為32.4%，塑性指數為16.7，滿足公路路基設計規范中關于路基填料的要求。二是路基填料的干密度隨著含水率的增加而逐漸增加；當含水率達到最優含水量后，路基填料的干密度會隨著含水率的增加而逐漸減少。相同含水量條件下，路基填料的孔隙比和壓縮模量隨著壓實度的增加而增加，壓縮系數逐漸降低，填料的壓縮性也越低。三是強夯追密法具有施工速度快，對環境污染較小等優點。在施工過程中應合理選擇單擊夯擊能、夯錘的底部面積、夯擊次數和遍數等強夯參數，以保證強夯追密法路基加固效果。