李玉平

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,湖北武漢 430200)

淺談強夯法在軟土地基處理中的應(yīng)用＊

李玉平

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,湖北武漢 430200)

隨著我國高等級公路建設(shè)的飛速發(fā)展,設(shè)計速度的提高,對線形指標(biāo)的選用也隨之提高,從而不可避免地帶來公路路基穿過軟土地區(qū)的情況。本文從實際出發(fā),以實用性作為切入點,簡要敘述了當(dāng)前在我國公路施工軟土地基處理中使用較為廣泛的強夯法的技術(shù)和方法。

軟土地基;公路施工;強夯法

一、強夯法的概念

強夯法又名為動力固結(jié)法或動力壓實法。這種方法是反復(fù)將重錘(一般為10～40t)提到高處使其自由落下(一般落距為10～40m)夯擊地基,從而使地基的強度提高、壓縮性得到降低的方法。強夯法的雛形產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代末, 1957年英格蘭道路研究所曾運用普羅克特(Proctov)擊實原理進行過深層土體的壓實,到60年代末期,強夯法才在法國工程師路易斯.梅納(Louis Menard)的倡議下開始使用。強夯法最早僅用于處理砂土和碎石地基,后來隨著施工方法的改進和排水條件的改善,強夯法被應(yīng)用到了細粒土地基。強夯法以其加固效果好、施工方便、節(jié)省勞力、適用土類廣、節(jié)約材料、設(shè)備簡單、施工期短、施工文明和施工費用低等優(yōu)點,很快在世界各地得到了廣泛的傳播。

我國在20世紀(jì)70年代后期開始引進此項技術(shù),并分別在天津、河北、山西等地首先進行了試驗研究,由于取得的效果較好,很快就在全國各地推廣開來。20世紀(jì)80年代中期,我國在處理填海地基的工程中使用強夯法取得了成功,強夯法便在沿海地區(qū)進行了推廣應(yīng)用,取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。強夯法適用于處理碎石土、粉土、砂土、粘性土、雜填土和素填土等地基,它不僅能提高地基的強度、降低其壓縮性、還能改善其抗振動液化的能力和消除土的濕陷性,因此還常用于處理可液化砂土地基和濕陷性黃土地基等。當(dāng)然,強夯法也不是萬能的,對于飽和度較高的粘性土,處理效果就不是十分顯著,尤其是淤泥和淤泥質(zhì)土地基,處理效果更差。因此對于淤泥質(zhì)土地基處理時應(yīng)謹慎選用或采取其他方法。

二、強夯法的加固原理

J.K.米切爾(J.K.Mitchell)在1981年召開的第十屆國際土力學(xué)和基礎(chǔ)工程學(xué)會上所作的“土質(zhì)改良——技術(shù)狀態(tài)”報告中,曾對強夯法的加固機理進行了概括:當(dāng)強夯法應(yīng)用于非飽和土?xí)r,壓密過程基本上同實驗室中擊實法(普羅克特擊實法)相同;對于飽和無粘性土,夯擊過程中,土體可能會產(chǎn)生液化,其致密過程與爆破和振動壓密過程相似;對于飽和細粒粘土的效果尚不明確,成功和失敗的例子均有報道,對于這類飽和的細顆粒土,要求破壞土的結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生超孔隙水壓力、山裂隙形成排水通道。簡單來說,強夯法處理軟土地基的加固原理是利用重錘自上落下產(chǎn)生的沖擊波使地基密實,這種沖擊力引起的振動在土中是以波的形式向地下傳播的。

用能量守恒定律來解釋的話,我們可以將地基視為具有彈性的空間體,那么,夯錘自由下落過程也就是重力勢能轉(zhuǎn)換為動能的過程,即隨著夯錘下落重力勢能越來越小,動能則隨之越來越大,在落到地面以前的瞬間,重力勢能的極大部分都轉(zhuǎn)換為動能,夯錘夯擊地面時,這部分動能被分化成三部分:一部分以聲波形式向四周傳播,一部分由于夯錘和土體摩擦而變成熱能外,其余的大部分沖擊能則使土體產(chǎn)生自由振動,并以壓縮波(也稱為縱波)、剪切波(也稱為橫波)和瑞利波(也稱為表面波)的波體系聯(lián)合在地基內(nèi)傳播,在地基中產(chǎn)生一個波場。強夯理論認為:壓縮波大部分通過液相運動,使孔隙水壓力增大,同時使土顆粒錯位,土體骨架解體。而隨后到的剪切波使土顆粒處于更密實的狀態(tài)。占總能量67%的瑞利波,其豎向分量起到松動土的作用,但其水平分量可使土得到密實。

三、強夯法的適用條件

強夯法不是萬能,它無法實用于所用的地質(zhì)。同其他軟土地基處理技術(shù)一樣,強夯法也有其一定的適用范圍和特殊要求。從國內(nèi)外工程實踐經(jīng)驗看,強夯法加固軟土地基的關(guān)鍵性問題主要包括:土的粒徑、土層特性及土層含水量。

一般認為強夯法目前除了對厚層淤泥質(zhì)和淤泥不適用外,對某些類型的軟土強夯效果還是比較好的。從土的性質(zhì)分析,軟土強夯效果決定于地基土的含水量、粒徑級配及孔隙比的大小。此外,軟土的土層性質(zhì)也很重要。我國工程技術(shù)人員根據(jù)多年的工程經(jīng)驗,認為對含水量大于60%,孔隙比大于1.5,粒徑小于0.005mm粘粒占30%以上的飽和軟粘土不宜采用強夯法。國外,一些國家認為粘土粒徑小于0.002mm不能用強夯法處理。第十屆土力學(xué)及基礎(chǔ)工程會議認為土中小于0.035mm的顆粒占25%～35%時不適宜采用強夯法處理。德國有學(xué)者認為顆粒直徑小于0.002mm占10%～15%時,采用強夯法要慎重,如果采用,夯擊的間隙時間要加長。中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-91)規(guī)定:強夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、濕陷性黃土、雜填土、和素填土等地基,當(dāng)采用在夯坑內(nèi)回填塊石、碎石或其他粗顆粒材料進行強夯置換時,應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定其適用性。

采用強夯法處理軟土地基,其加固效果決定于地基土的滲透性,所以必須創(chuàng)造排水通道。因此在強夯時,為了取得更好的效果,根據(jù)軟土的物理力學(xué)性質(zhì),可以采用綜合加固方法進行,但是此種方法費用較高,對路基大面積采用得不償失。

1、強夯加袋裝砂井(或塑料排水板法),以加速飽和軟粘土的排水固結(jié);

2、強夯擠淤加固法。對于厚度不太大的淤泥層,采用拋填塊石或礦渣等材料后再夯實,使大石塊強迫落到底層硬土上,同時將大部分淤泥擠出,這是一種強夯置換法;

3、在飽和軟粘土上加鋪0.5～2m厚的墊層(可用礦渣、鋼渣、碎石或山皮土等),在高能量夯擊作用下,使墊層與軟土層發(fā)生接銜混合,改變軟土的性質(zhì),提高地基土的承載力。

四、強夯施工

(一)起吊機械起吊重錘的能力應(yīng)大于錘重力的3倍,能脫落吊鉤時,起重能力可大于錘重力1.5倍。

(二)夯錘質(zhì)量取5 t,落距一般為2.5～4.5m,確保達到600～1000kN/m的夯擊能量。錘重力與底面積的關(guān)系,應(yīng)符合重力在底面上的單位靜壓力為15～20kPa。在最佳含水量情況下進行夯實。

(三)夯打施工時,一般采用先周邊后中間,一夯挨一夯順序進行,在一次循環(huán)中同一夯位應(yīng)連夯兩次;下一循環(huán)的夯位應(yīng)與前一循環(huán)錯開1/2錘底直徑。

(四)夯實工作完成后,將場地表面松土清除,并拍實整平至設(shè)計標(biāo)高。夯打過程中應(yīng)及時作好施工記錄。

(五)重錘夯實完工后,應(yīng)進行質(zhì)量檢驗,檢查施工記錄,除應(yīng)符合試夯最后下沉量的規(guī)定要求外,同時還要求完成最底面的總下沉量不小于試夯總下沉量的90%。

五、總結(jié)

總之,強夯法在我國公路施工軟土地基處理中的運用價值大,具有加固效果好、施工方便、節(jié)省勞力、適用土類廣、節(jié)約材料、設(shè)備簡單、施工期短、施工文明和施工費用低等特點,適用于我國大多數(shù)地區(qū),特別是欠發(fā)達地區(qū)。強夯法的特點彌補了我國欠發(fā)達地區(qū)大型施工欠缺,施工費用緊張的問題。

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[2]蘇建林.公路工程施工技術(shù)[J].北京:人民交通出版社,2005.

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2010-04-27

李玉平(1975-),女,河北行唐人,工程師。