公路濕陷性黃土地基重夯法處治與分析

張靈杰

（山西交通實業發展集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

濕陷性黃土在壓實后可以達到一定的強度，但浸水后強度迅速下降，結構破壞產生沉降變形，甚至造成路基路面整體結構的破壞。重夯法是通過將重錘提升到一定高度自由落下，將重力勢能轉化為動能，沖擊地面達到加固地基的目的[1]。這種方法施工速度快、加固效果好、經濟性好，被廣泛應用在濕陷性黃土地基加固處治中。結合岢臨高速公路濕陷性黃土地基重夯法處治施工案例，建立試驗段，開展試驗對Ⅱ級非自重濕陷性黃土地基采用重夯法處治效果進行分析，為后續施工提供參考依據。

1 濕陷性黃土重夯法加固機理

與強夯法相比，重夯法的夯錘質量較小，主要用于淺層地基的加固[2]。重夯法是利用夯實機械將重錘提升到一定高度，然后以自由落體的形式下落，對濕陷性黃土地基進行沖擊和壓實，在強大的沖擊力作用下壓縮地基土，提高強度，消除濕陷性。作用在地基上部的夯擊能主要由壓縮波、剪切波和瑞利波組成[3]，壓縮波的作用是提高地基土的孔隙壓力，使土壤顆粒產生移動，剪切波的作用是使地基土產生橫向位移，在瑞利波與剪切波的共同作用下將地基土壤壓實。

重夯法對濕陷性黃土地基的壓實可分為以下4個階段[4]：階段一是夯擊能轉換，排出土體中的空氣，提高孔隙水壓力，將地基土壓實擠密；階段二是在夯擊能的作用下使土體液化，結構破壞，強度降低；階段三是土體滲透性能改變，地基土排水固結，密實度和強度提高；階段四是在夯擊能的作用下地基土內部的自由水變成薄膜水，土體進一步被擠密，強度進一步得到提升。

在巨大的沖擊力作用下，將濕陷性黃土地基原來的結構破壞，改變了土體結構排列形式，縮小了土壤顆粒之間的距離，使土體結構更加緊密，提高了土體的強度，進而提高了地基承載力。

2 依托項目簡介

岢臨高速公路設計全長124.071 km，采用雙向四車道，設計車速80 km/h。該地區為大陸性半干旱氣候，地勢起伏較大，各地區溫差較大，雨季主要集中在夏季，冬季干燥少雨雪。高速公路沿線分布有濕陷性黃土地基，其中兩段分別為K96+900—K96+987段、K108+660—K108+770段。這兩段濕陷性黃土地基主要組成成分為灰黃色粉土和粉砂土，孔隙率大，質地均勻，疏松，具有弱-中等濕陷性。重夯前，在施工現場進行取樣開展室內試驗，試驗檢測結果如表1所示。據《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB 50025—2018）中對黃土濕陷性等級的相關規定，計算確定濕陷性等級為Ⅱ級非自重濕陷，土層厚度為4～7 m。該路段路基填筑高度超過4 m，按照設計要求，采用重夯法進行濕陷性黃土地基處治，處治寬度為填方坡腳以外3 m范圍內。

表1 地基土樣室內試驗檢測結果

3 重夯施工方案

3.1 建立試驗段

為了按計劃工期完工，準確確定重夯施工參數，有效提高地基承載力，正式施工前建立試驗段進行試夯。該路段試驗段選擇K96+900—K96+930，試驗段長度為30 m，通過試夯確定落錘高度、夯擊遍數等施工參數，合理選配施工機械，制定施工方案。

3.1.1 夯點布置

夯擊前通過施工放樣確定路堤坡腳3 m以外的第一個點，用白灰標記，然后以第一個點為基準確定其他夯點，并測定各夯點高程。試驗段單點夯擊能600 kN·m，每個夯點夯擊6次，試驗段夯點平面布置如圖1所示。為了保證處治效果，以最后一擊沉降小于2 cm作為控制標準。如果達到夯擊次數沉降量不能滿足要求，應重新試夯確定落距和夯擊次數，必要時調整夯錘質量。

圖1 夯點平面布置圖（單位：m）

3.1.2 施工機械選配

試驗段重夯處治施工選用YTQU50重夯設備1臺、直徑為2 m的10 t夯錘一個，配合重夯施工的機械設備包括推土機1臺、挖掘機1臺、灑水車1臺等。重夯設備最大提升高度為9 m，夯錘底部有4個直徑為200 mm的排氣孔。

3.2 試夯

按照上述施工方案，對濕陷性黃土地基進行重夯，每個夯點夯擊次數為6次，落距為8 m，每兩次夯擊間隔時間為7 d。夯點夯擊采用滿夯，夯痕搭接不小于1/2D。試夯控制單個夯點夯擊次數不少于6次，最后一擊沉降量不大于2 cm。

分析表2數據，可以得出采用現施工方案對濕陷性黃土地基進行重夯處治，每個夯點夯擊次數達到6次后沉降量均小于2 cm，且總沉降量十分接近。分析圖2夯沉量曲線變化趨勢，隨著夯擊次數的增加，各夯點沉降量不斷變小，沉降速度不斷下降，且達到第5擊后曲線基本趨于平緩，說明地基沉降已基本穩定。因此，綜合分析后，該施工方案可以滿足濕陷性黃土地基加固處治的要求，方案可行。

表2 地基夯點沉降觀測記錄

圖2 地基夯沉量隨夯擊次數變化曲線

4 地基重夯效果檢測與分析

4.1 土樣室內試驗檢測結果分析

重夯試驗完成后，進行現場取樣并對土樣的濕陷系數、含水率等進行檢測，結果見表3。

表3 重夯后地基各深度土樣檢測結果

分析表3數據，與重夯前的土樣檢測結果（表1）相比，重夯處治后濕陷性黃土地基的各項指標得到較大改善，重夯后土樣濕陷性系數均小于0.015，大大降低了土體的濕陷性。另外，通過分析不同深度土樣的檢測結果，地基以下4 m范圍內的土樣濕陷性均明顯下降，遠低于0.015。分析不同深度土樣的含水率和干密度變化，含水率有所下降，干密度明顯提高，說明夯實后部分水分被排出，地基土密實度提高，進而提高了地基土的強度。說明采用重夯處治后地基土濕陷性明顯下降，土樣強度和穩定性明顯提高。

4.2 夯沉量檢測結果分析

為了確定夯沉量與夯擊次數之間的關系，在施工現場選取3個夯點開展試驗。夯點使用白灰標記，每夯擊一次檢測一次沉降量，夯沉量隨夯擊次數變化曲線如圖3所示。

圖3 夯沉量隨夯擊次數變化曲線

分析圖3夯沉量變化曲線，隨著夯擊次數的增加，3個夯點的夯沉量增加值不斷下降，夯擊5次以后3個夯點沉降量均接近20 mm，說明已經達到了施工要求。第6次夯擊沉降量增加幅度進一步下降，且均小于20 mm，說明夯擊次數滿足重夯的施工要求。前4次夯擊地基產生了較大的沉降，后2次夯擊所產生的沉降量較小，說明濕陷性黃土地基在夯錘沖擊力的作用下已經達到密實，地基土的強度和承載力都得到了明顯提高，可有效抵抗完工后的變形破壞。

4.3 壓實度檢測結果分析

為了確定重夯處治后地基土密實度，在試驗段上選取兩個有代表性的測點，間隔距離為40 m，分別在重夯處治前后采用灌砂法對地基頂面以下5 m范圍內的壓實度進行檢測，檢測結果如表4所示。

表4 不同深度地基土重夯前后壓實度檢測結果 %

分析表4壓實度檢測結果，深度在4 m以內的地基土體重夯前后壓實度有較大幅度的增加，其中深度為4 m處地基土壓實度由原來的76%左右，增至接近93%，說明重夯后地基土的密實度得到明顯提高，進而提高了地基土的強度和承載能力，說明重夯處治對濕陷性黃土的加固效果明顯。另外，4 m以上的地基土壓實度增長幅度較小，說明重夯法對4 m以上的濕陷性黃土地基處治效果不顯著。

4.4 路堤填筑沉降監測結果分析

為了確定重夯施工效果，分別在K96+900—K96+987段和K108+660—K108+770段各選取兩個監測斷面，進行沉降監測。監測斷面分別為K96+920、K96+960、K108+700、K108+740，布置測點進行了1年的沉降觀測，監測結果如表5所示。

表5 完工后沉降監測數據統計表

分析表5數據，可以得出各監測斷面重夯處治后1年的累積沉降量為9 mm左右，且沉降已基本趨于穩定，路基結構也沒有出現明顯的變形破壞。重夯處治半年后路堤沉降已基本穩定，后期監測所產生的變形量很小，說明這兩段濕陷性黃土地基經過重夯處治后地基承載力得到了明顯提高，有效控制了沉降變形。

5 結語

結合岢臨高速公路Ⅱ級非自重濕陷性黃土地基重夯法處治實踐，制定施工方案，建立試驗段，通過試夯確定施工參數，并開展試驗檢測重夯前后地基土的變化情況，分析后得出以下結論：

a）分析室內試驗檢測結果，重夯前后土樣各方面性能指標變化明顯，濕陷性系數均下降到0.015以下，地基土干密度明顯提高，含水率下降，說明重夯處治后消除了地基土的濕陷性，提高了密實度，進而使地基土的強度和穩定性得到了提升。

b）對比分析重夯前后壓實度檢測結果，重夯前后地基表面以下4 m深度范圍內地基土壓實度增幅明顯，說明重夯處治可有效提高地基土的密實度，對濕陷性黃土地基的加固效果明顯。

c）分析沉降觀測結果，重夯處治后前半年沉降速度較快，沉降量也較大，但半年后沉降基本穩定，1年后兩個監測斷面累積沉降量為9 mm左右，說明采用重夯處治后地基承載力得到了明顯提高，有效控制了沉降變形。

綜上所述，對Ⅱ級非自重濕陷性黃土采用重夯法進行加固處理，可有效消除地基土的濕陷性，提高密實度和承載能力，達到了預期效果。