濕陷性黃土路基加固強夯法施工振動技術研究

楊臻杰

（中交一公局第三工程有限公司，北京 101102）

1 引言

黃土沉積過程中特殊的生成環境和物質成分形成了欠壓密、多孔隙、弱膠結的結構特征和特殊的工程性質黃土在一定壓力作用下沉穩定后，受水浸濕結構迅速破壞并產生顯著附加下沉的性質稱為濕陷性，是其最典型的特殊工程性質之一[1-3]。濕陷變形是一種下沉量大、下沉速率快的失穩性變形，對于道路工程危害很大。

為減輕濕陷性黃土地區路基承載力和工后沉降對鐵路帶來的影響，一般采用沖擊碾壓法、強夯法、灰土擠密樁法、柱錘擴沖樁法等對黃土路基進行處理[4-6]，取得了良好的效果，但也遇到了一系列的問題，如強夯法由于其巨大的夯擊能，在現場施工時給附近的建筑物帶來了不同程度的損壞，現場隔振技術成為決定其成敗的關鍵因素之一；黃土的性質具有很強的地域性，其不同的路基處理措施在不同的區域處理效果存在差異，需要通過現場試驗來確定相關施工工藝和關鍵參數。

鑒于此，對上述問題的深入研究不僅能夠提高濕陷性黃土地區路基地基處理的施工水平，同時也具有重要的工程實用價值。

國道109線樂都至平安段公路改擴建工程標段，起訖樁號K2+000～K34+500，長32.4 km。項目區間部分路段路基主要為濕陷性黃土，屬于Ⅱ級（中等）自重濕陷場地，主要有砂質新黃土、細圓礫土、細角礫土、黏土、粉質黏土等。

（1）路基為濕陷性黃土路基，施工要避開雨季并做好路基防水處理；

（2）地基及基礎采用強夯加固處理，路基加固處理的施工質量控制為重點工程；

（3）強夯面積大，時間間隔長，地基加固處理要求高；

（4）區間線路穿越居民區，風險源多，地基處理產生的震動容易造成居民房屋及地下管線破壞。

綜上所述，濕陷性黃土路基加固施工困難大，為保證施工安全，保障工期，有必要對淺層濕陷性黃土地基加固處理施工振動控制技術進行研究。形成的一整套研究成果能夠為工程安全提供科學支撐和技術幫助，為類似工程地基處理施工項目提供借鑒和參考。

2 強夯加固機理

強夯加固地基的作用機制主要是：加密、固結和預壓變形的共同作用。由于土體由固相、液相、氣相組成，在強夯過程中土體中的氣體被排出壓密后，基本上只有固相和液相而成為飽和土，這樣在重錘作用下，排水而使土體得到固結。

3 模型建立

3.1 本構模型

針對濕陷性黃土路基強夯施工技術參數問題，利用ABAQUS有限元數值模擬軟件，建立Mohr-Coulomb（摩爾-庫侖）模型。

3.2 材料參數

土體模型計算初始參數見表1：

表1 模型計算初始參數

3.3 有限元分析模型的建立

單元類型采用一階8節點的三維實體縮減積分單元（C3D8R）。計算共劃分為45 356個單元，53 428個節點，邊界條件采用四周水平位移約束，底面三向位移約束條件。

4 強夯監測及隔震施工技術研究

強夯施工過程中，會產生強大的沖擊波，沖擊波以夯點為中心向四周傳播并衰減，衰減幅度較小時，會對附近管線和建筑物產生破壞。

4.1 強夯施工參數

4.1.1 主夯

主夯遍數為3遍，每遍夯擊數10擊，每遍之間的時間間隔5 d。錘重23.8 t，吊高17.1 m，夯擊能為4 000 kN·m。

4.1.2 滿夯

主夯遍數為2遍，每遍夯擊數3擊。錘重23.8 t，吊高4.3 m，夯擊能為1 000 kN·m。

4.2 隔振溝結構形式確定

根據隔振原理并結合現場可實施性，選取了4種隔振溝，通過測定溝前、溝后振動峰值速度及振動峰值加速度確定4種隔振溝的隔振效果[7-9]，由表2分析得：空隔振溝隔振效果最佳。

表2 隔振溝結構型式對隔振效果的影響

4.3 強夯振動監測方案

強夯試驗監測中，采用891-2型拾振器對速度信號進行采集。監測方案如下：

（1）自由場夯擊振動試驗：總計11監測點，監測點距夯點中心的間距分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、80 m、100 m、150 m、200 m、250 m。

（2）隔振溝與夯點的間距試驗：總計3條隔振溝，每條隔振溝長度20 m，深度4 m，寬度2 m。隔振溝距夯點中心的間距分別為10 m、30 m和50 m。拾振器分別布置在隔振溝兩側，共6個監測點（如圖1）。

圖1 隔振溝與夯點間距試驗平面布置圖（單位：m）

（3）隔振溝深度與寬度：3條溝，離距夯點距離30 m，隔振溝長度20 m，1#、2#、3#深寬分別為：2 m和4 m、2 m和2 m、4 m和4 m。拾振器分別布置在隔振溝兩側，總計6個監測點（如圖2）。

圖2 隔振溝深寬試驗監測點平面布置圖

4.4 振動評價標準

國內外對于強夯對建（構）筑物安全允許振動有多種評價方式，主要包括時程曲線反應譜法、振動強度法和質點振動功率法[10-11]。經現場調查，強夯工點周邊居民區的建筑物主要為磚混結構，屬于《爆破安全規程》中規定的一般磚房，其振動安全允許標準為2.0～3.0 m/s，為防止夯擊的累積作用對建筑物造成的損害，采取提高一級安全等級進行設防，即振動安全標準為0.5～1.5 m/s，考慮到部分建筑年代久遠，取≤0.5 m/s=5 mm/s為建筑物振動安全閾值。

4.5 結果分析

4.5.1 自由場夯擊振動試驗

由圖3可知隨著距離的增大，1～9擊隨著夯擊次數的增加，振動速度峰值增幅明顯，9～10擊，振動速度峰值增幅很小，為保證施工質量，試驗區土體的最佳夯擊能可確定為10擊。

圖3 強夯振動速度峰值隨距離的變化趨勢圖

由圖4可知，同一質點隨著夯擊次數的增大，振動速度峰值呈遞增趨勢，但越靠近夯點，增幅越明顯。同時，還可以看出9～10擊可達到該夯擊能下的最佳加固效果，與前述分析結果一致。

圖4 強夯振動速度峰值隨夯擊次數變化趨勢圖

圖5為R=250 m處（最遠監測點）強夯振動速度峰值隨夯擊次數變化趨勢圖，1～5擊時，振動速度峰值Vmax≤5 mm/s；6～10擊時，振動速度峰值Vmax＞5 mm/s，故在強夯施工過程中需要采取措施，降低夯擊能對建筑的影響。

圖5 R=250 m振動速度峰值隨夯擊次數變化趨勢圖

4.5.2 隔振溝效果試驗

（1）隔振溝與夯點的間距。隔振溝試驗后，距離10 m、30 m和50 m處，隔振溝前后質點振動速度峰值平均衰減率分別為63.2%，58.2%和43.6%，隨著隔振溝靠近夯點中心，隔振效果越明顯。因此，在現場施工時應讓隔振溝盡量靠近夯點中心，提高隔振溝的隔振效果。

（2）隔振溝深度與寬度。當寬度為2 m時，深度從2 m增加至4 m時，振動峰值速度平均衰減率增幅達21.2%，隔振效果明顯；當深度為4 m時，寬度從2 m增加至4 m時，振動峰值速度平均衰減率增幅達0.2%，隔振效果很差。分析得：影響隔振溝隔振效果的關鍵因素是深度，若采用隔振溝進行隔振，應優先加大隔振溝的深度。

（3）隔振方案效果分析。基于以上的試驗結果，擬采用隔振溝進行隔振，設計參數為：深度4 m，寬度2 m，距夯點中心距離為30 m，居民區邊緣（R=250 m）振動速度峰值亦滿足要求。因此，在強夯現場施工過程中，該隔振方案可行，宜在全線推廣應用。

4.6 強夯振動實時監測結果分析

黃土地基加固處理部分區段采用強夯法施工，施工過程對臨近居民房屋產生干擾，強夯引起的地表振動帶動房屋產生振動，影響沿線居民的生活。為確保強夯施工振動不致使影響居民房屋的安全性，采取施工全過程監控量測。

傳統強夯振動監測手段具有：量測數據受主觀影響較大、觀測反射片極易丟失或損壞、作業量大、以點帶面的數據結構說服力度欠缺等不足。本項目創新性地采用三維激光掃描技術進行強夯振動監測，對房屋進行臨街面全覆蓋監控，基于點云數據，設計數據剔除及分析算法，利用MATLAB語言編制計算程序，進行房屋面域變形監控。

由圖6、圖7可知，B墻Z軸方向（上下方向）變形較大，但到后期變形趨于穩定。變形觀測數據反映強夯施工振動控制措施可以滿足房屋安全性要求。

圖6 B墻Z軸方向變形量分析

圖7 B墻Z軸方向累計變形量分析

5 結論

濕陷性黃土路基加固施工振動控制技術施工中，使用了高含水率濕陷性黃土區強夯時間間隔控制技術、三維激光掃描變形監控技術、強夯施工隔振及監測技術，歸納總結出了適合于該區域的強夯施工休止周期和隔振技術，采用三維激光掃描儀對建筑物進行實時動態監測，確保線路附近建筑物的安全，為類似地區交通建設提供技術儲備，提高線路施工質量。