HHT-8強夯法動土壓力現場試驗研究*

廖金杭 牟宏霖 闕 云 鄭 亮 劉文輝

(1.福州大學土木工程學院 福州 350116； 2.南平武沙高速公路有限公司 南平 353000；3.福建春林工程管理有限公司 廈門 361000； 4.廣東省第一建筑工程有限公司 廈門 361000)

強夯法是由Menard[1]提出并于1960年在法國發展起來的地基處理技術，該技術是通過將大噸位的夯錘提升到一定的高度后令其自由落下，沖擊地面以達到加固地基的目的。該技術以工藝簡單、加固效果良好、施工速度快、費用低廉的特點[2-3]，較快地被世界各國工程界采用。Qian J.[4]介紹了強夯從理論到實踐的應用，為強夯法的工程應用提供了更可行的理論依據。

隨著我國城市化進程的飛速發展，傳統的強夯法由于夯擊能級大，夯擊所產生的振動對周圍建筑物、構筑物產生的不利影響較大而不太適用于城市道路的夯實加固，而 HHT-8履帶式智能連續強夯機具有靈活機動的特點，能適應不同復雜地形道路的夯實，為橋涵臺背回填、涵洞基底處理、填石路基、填挖結合部、“雞爪沖溝”等特殊路段提供了有效的壓實手段。在城市道路施工中相比于重型振動壓路機和沖擊壓路機而言，具有明顯的工程施工優勢。目前對強夯的研究主要集中在試驗研究與數值模擬，試驗研究方面前人對強夯時土體的動應力隨深度的變化開展了一些測試工作[5-7]，認為這是一項困難的工作，影響量測精度的因素不但與土質性質有關，還與土壓力傳感器的構造及周圍土體的匹配關系、埋設方法等有關[8]。孔令偉等[9]對強夯的邊界接觸應力進行了理論研究。以上的研究均是基于傳統強夯法的研究，而HHT-8作為一種新型強夯方法有其獨特的適用特點[10]。深入研究HHT-8夯實法加固路基的基本原理、工作特性，對于合理有效地組織施工十分重要。

鑒于此，依托福建省某工程進行了現場實地測量試驗，在試驗路段豎直埋設了11個應變式油壓動態土壓力盒，在HHT-8強夯設備工作時動態測量夯錘擊實時的動應力分布特征及其衰減規律。以期得到各深度土壓力分布規律及距離錘擊點不同距離的土壓力變化規律，為HHT-8履帶式智能連續強夯設備在實際施工中的應用提供參考。

1 試驗簡介

1.1 HHT-8履帶式智能連續強夯機

HHT-8履帶式智能連續強夯機由履帶機動裝置及液壓夯錘系統組成, 其核心部分在于前部的液壓夯錘系統。夯錘在液壓系統與重力的共同作用下對地面進行夯實，可滿足對作業面積進行單點或連續的夯實要求。其中夯錘重80 kN，最大提升高度為3 m，夯錘尺寸為200 cm×50 cm。根據落距的不同，HHT-8強夯機有4個落距檔位，分別為0.8，1.4，2，2.6 m，分別對應一檔至四檔加載等級，加載等級所對應的夯擊能分別為64，112，160，208 kN·m。HHT-8強夯機圖見圖1。

圖1 HHT-8履帶式智能連續強夯機

1.2 工程概況

測試段位于閩中沿海地區、丘陵地帶，為填方路基，其中路基寬度32 m、坡率為1∶1.6。路基填料土為粉質黏土。在測試段沿線不同點位進行了鉆探取樣，將鉆探得到的土樣進行土工試驗，可得路基土密度大多位于1.8～2.0 g/cm3，平均含水率為23.2%，含水率明顯偏高。大部分土的孔隙比分布在0.7～0.8，路基土的平均孔隙比為0.72。

2 動土壓力現場試驗

2.1 強夯夯擊點及動土壓力測點布置

沿測試段縱向(行車方向)的中心線布置19個夯擊點。所布置的夯擊點在一條縱向直線上，相鄰夯擊點之間的距離為1 m。并且對夯擊點進行編號，其中動土壓力盒分層埋設于1號夯擊點位置下方。強夯點位及測點平面布置圖和立面圖見圖2和圖3。

圖2 強夯夯擊點位及動土壓力測點平面布置示意圖

圖3 動土壓力測點測試儀器布置立面圖(單位：cm)

2.2 試驗方案

在現場試驗中，HHT-8強夯機的行車路線位于測試路段的中線，以埋設傳感器的位置(即夯擊點1)為終點，在傳感器左側水平距離25 m處做一起點標記。HHT-8強夯機在該處啟動，沿著行車方向前進并加速到正常工作速度，當強夯機行駛到夯擊點19處時動態數據采集系統開始采集數據。當行駛到夯擊點1后動態數據采集系統停止工作，數據采集階段結束。沿著相同的路徑，改變HHT-8強夯機的加載擋位，由一級加載至四級加載一共行駛4遍，對其在行駛過程中不同檔位作用下對測點位置不同深度的豎向動土壓力和水平向動土壓力數據進行采集并應用于后面的分析。

2.3 試驗儀器及土壓力盒埋設

動土壓力測試儀器有：DH5920動態數據采集系統；DHDAS數據處理軟件；應變式油壓動態土壓力盒。

影響土壓力量測精度的因素甚多，除了土介質應力-應變關系非線性、傳感器外形尺寸等因素外，埋設條件也是重要影響因素。如夯擊點距土壓力盒的水平距離、夯擊的能級、土壓力盒埋設的深度及夯擊的遍數等，對水平向動土壓力和豎向動土壓力都會產生影響。故埋設方法及要求如下。

1) 將5個0.6 MPa動態土壓力盒編號為1號至5號，用于豎向動態土壓力測試，埋設朝向為受力膜板面與路面平行；6個0.4 MPa動態土壓力盒編號為6號至11號，用于水平向動態土壓力測試，埋設朝向為受力膜板面與路面相垂直。

2) 埋設時應保證與傳感器兩面接觸的土介質顆粒細膩，不能與較大的而且有尖角的石子接觸，以免在受力時將受力膜板破壞。因此，本次埋設時在土壓力盒周邊鋪設薄砂層。

3) 由于測試段路基填筑高度為3.6 m，故挖深為3.6 m。而土壓力傳感器的深度間距取0.6 m是因為土壓力盒還有0.1 m的厚度，下一層土壓力盒頂面至上一層土壓力盒底的實際距離為0.5 m。在測試樁號處用反鏟挖土機從路床頂面往下挖3.6 m深溝，采用機械挖掘時挖深略深于3.6 m，然后由人工將土回填到略高于埋設傳感器的標高并進行人工夯實，土的密度接近于原始狀態下的密度，而后修成水平面埋設最底層的2個傳感器，用水平尺校準傳感器的水平度。回填土逐層壓實回填一定的高度，用夯夯實，而后準備埋設上一層傳感器。

2.4 試驗數據的收集

在HHT-8沿著行車方向夯擊1次的過程中，共有19個夯擊點，在每個夯擊點進行夯擊后能夠采集5個豎向動土壓力數值和6個水平向動土壓力數值。在次夯擊過程中能夠采集209個動土壓力數據。HHT-8強夯機有4個不同檔位的加載等級，變換不同加載等級，由一級加載到四級加載檔位沿著相同的行駛路徑夯擊4遍，一共采集836個動土壓力數據。利用動態數據采集系統將各土壓力盒的數據進行采集，并且用數據處理軟件得到所需的數據。

3 試驗結果及分析

3.1 豎向動土壓力隨夯擊點水平距離變化

在HHT-8履帶式智能連續強夯機在4個不同檔位下沿著相同的夯擊路線夯擊4遍，測得同夯擊功能作用下測點不同深度豎向動土壓力隨夯擊點距測點水平距離變化土壓力數據見圖4。由圖4可見，在不同能級的夯擊下，動土壓力的衰減規律大致相同。比較各級加載中的測點數據可以看出，在夯擊作用下埋深為3.6 m處的測點5所測得的豎向動土壓力數值明顯大于其他4個測點的動土壓力，測點1至測點4所得到的豎向動土壓力相對集中。

圖4 各深度測點土壓力隨錘擊點縱向距離變化曲線

隨著HHT-8的加載等級不斷升高，土壓力總體呈變大趨勢，三級荷載個別點因測量誤差，其值小于二級荷載。隨著夯擊點的距離與測點的水平距離的增加，其豎向動土壓力數值明顯減小。由圖4可以看出，隨著水平距離的增加，動土壓力先以極快的速率減小，曲線很陡，而后減小速率保持穩定，曲線趨于平緩，其間有一個分界，因此可以看出動土壓力的衰減規律出現拐點現象。在同級加載作用下，土壓力的衰減速率在拐點前非常明顯，并且埋深越淺衰減的速率越快。以四級加載為例，從夯擊點1位置到夯擊點4位置范圍內衰減速率極大，從土壓力測點1至測點5的豎向動土壓力分別衰減了88.0%，83.9%，87.0%，86.3%和82.3%。其余加載等級下的衰減幅度見表1。

表1 夯擊點1位置到夯擊點4位置范圍內衰減幅度 %

以豎向動土壓力變化幅度小于5%為界限，由數據和圖形分析可以得到豎向動土壓力隨著水平夯擊距離的增大，一級～四級加載檔位下拐點的位置出現在夯擊點5和夯擊點6之間。在拐點位置后隨著夯擊距離的增大，豎向動土壓力值基本保持穩定，變化幅度很小。說明HHT-8強夯擊在夯擊時動土壓力的水平影響范圍主要為以夯擊點為中心、4 m為半徑的圓內。

3.2 不同夯擊點作用下豎向動土壓力隨埋深變化

根據上述規律可知動土壓力的變化在夯擊點1附近變化較明顯且變化幅度大，值得進一步探究。故取夯擊點1至夯擊點8，一共8個夯擊點進行分析。以動土壓力值為橫軸，測點深度為縱軸做出不同夯擊點下的豎向動土壓力折線圖，結果見圖5。

圖5 豎向動土壓力

由圖5可見，隨著測點深度的增加，在HHT-8強夯機一級至四級加載檔位的夯擊作用下，各檔位下豎向動土壓力的變化基本呈現出相同的變化規律。各級加載檔位的變化規律相同但是隨著加載檔位的升高，變化曲線的數值出現整體性的增加。豎向動土壓力的變化規律為：隨著測點埋深的增加，動土壓力呈現先大幅度減小后略微增大，然后繼續減小的趨勢。距離土壓力測點水平距離越近的夯擊點，這種規律就越明顯。并且豎向動土壓力的衰減同樣具有拐點現象，分析夯擊點1至夯擊點8可以得到拐點出現位置的規律。除了夯擊點3處由于測量時的誤差影響，拐點位置出現在埋深2.4 m處，其余夯擊點位下拐點都出現在埋深為1.8 m的測點位置處，拐點埋深以下動土壓力的衰減幅度很小，動土壓力趨于穩定。

3.3 不同夯擊點作用下水平向動土壓力隨埋深變化

選取夯擊點1～8在不同加載等級情況下的數據，對HHT-8履帶式智能連續強夯機在不同夯擊功能作用下測點不同深度水平向動土壓力隨夯擊點距測點水平距離變化規律進行分析，結果見圖6。

圖6 水平向動土壓力

由圖6可見，隨著深度的增加，水平向的動土壓力呈現出先迅速減小后趨于穩定的變化規律。這種規律在夯擊點3以后顯得尤為明顯。與豎向動土壓力衰減規律相比，水平向動土壓力的衰減表現出拐點現象。從地面到拐點埋深位置水平向動土壓力減小趨勢明顯，夯擊點位距測點的水平位置越近，動土壓力減小的趨勢越明顯，在拐點位置以下，水平動土壓力變化幅度很小并趨于穩定。

在同一個夯擊點處，不同等級加載作用下水平向動土壓力拐點出現的埋深位置相同，但是比較于不同的夯擊點，拐點出現的埋深位置不同。由圖6可以得到，在夯擊點1和夯擊點2處，水平向動土壓力衰減的拐點位置出現在埋深為3.0 m處，在夯擊點3至夯擊點8處，水平向動土壓力變化的拐點深度均為1.2 m。

4 結語

1) 隨著HHT-8的加載等級不斷升高，土壓力總體呈變大趨勢，但增大的趨勢不明顯。隨著錘擊點與測點水平距離的增大，豎向動土壓力隨著夯擊點與測點水平距離的增加，其衰減規律出現拐點現象。一級～四級加載檔位下拐點的位置出現在距離與測點頂部水平距離的4～5 m之間(即夯擊點5和夯擊點6之間)。說明了HHT-8強夯機在夯擊時動土壓力的水平影響范圍主要為以夯擊點為中心，4 m為半徑的圓內。

2) 不同夯擊功能作用下測點不同深度豎向向動土壓力隨夯擊點距測點水平距離變化規律同樣有拐點現象。豎向動土壓力隨著深度衰減的拐點位置不會由于夯擊點距離測點的水平距離的變化而變化，在每個夯擊點為下，拐點出現的埋深位置均為1.8 m。

3) 關于水平向動土壓力，隨著深度的增加，在距土壓力測點不同水平距離的夯擊點位下，水平動土壓力的衰減也出現拐點現象。但是距離測點不同的夯擊點下，水平動土壓力衰減拐點出現的深度有所不同，在夯擊點1和夯擊點2處，水平向動土壓力衰減的拐點位置出現在埋深為3.0 m處，在夯擊點3至夯擊點8處，水平向動土壓力變化的拐點深度均為1.2 m。