徐建勇

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北武漢 430056)

強夯法加固公路地基的設計方法研究

徐建勇

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北武漢 430056)

強夯法指的是為提高軟弱地基的承載力,用重錘自一定高度下落夯擊土層使地基迅速固結(jié)的方法。由于強夯法能處理大部分土質(zhì)地基,目前被廣泛應用于公路建設之中。本文通過工程實例介紹了強夯法在加固公路地基中的設計方法。

強夯 地基 承載力

1 強夯法及其加固機理

強夯法又稱動力固結(jié)法,指的是為提高軟弱地基的承載力,用重錘自一定高度下落夯擊土層使地基迅速固結(jié)的方法。強夯法目前已廣泛適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土、雜填土和素填土等公路地基的處理之中。對非飽和的粘性土地基,一般采用連續(xù)夯擊或分遍間歇夯擊的方法;并根據(jù)工程需要通過現(xiàn)場試驗以確定夯實次數(shù)和有效夯實深度?，F(xiàn)有經(jīng)驗表明：在100～200噸米夯實能量下,一般可獲得3～6米的有效夯實深度。

強夯法加固機理如下：強夯法主要通過重錘自重能量將松散土體中的孔隙迅速壓密,減小孔隙率;動載產(chǎn)生的剪切波在土顆粒間傳播,使松散土體顆粒重新排列而趨向更緊密,并將土顆粒間孔隙水擠出。在土體整體穩(wěn)定得到保證的情況下,體積壓縮作用使土顆粒排列加密、孔隙體積減小,從而快速實現(xiàn)地基固結(jié)變形及強度提高。對高飽和度的粉土與粘性土等地基,宜在夯坑內(nèi)回填塊石、碎石或其他粗顆粒材料進行強夯置換,可達到較好效果。

2 強夯法設計方法

2.1 設計的基本程序

根據(jù)現(xiàn)場的工程地質(zhì)條件、待處理地基的厚度、填土高度、填土材料確定強夯方案與要求,初步計算夯擊能、夯擊遍數(shù)、錘間距及加固深度等參數(shù);根據(jù)確定的參數(shù),編寫方案說明;根據(jù)設計方案在施工現(xiàn)場試夯,確定加固效果,確認是否需要修改設計參數(shù)。

2.2 強夯的目的

使用強夯提高地基承載力。

2.3 主要參數(shù)的選擇

2.3.1 有效加固深度

強夯法的有效加固深度應根據(jù)現(xiàn)場試夯試驗或當?shù)亟?jīng)驗確定,也可按下列公式計算確定：

式中：H——有效加固深度,m;W——錘重,KN;h——落距,m;α——地基土修正系數(shù),(m/KN)1/2,其值為0．5～0．8,依土層情況而定。一般隨粘性含量和含水量增大而減小。

2.3.2 夯擊能的確定

圖1

強夯時,當?shù)鼗谐霈F(xiàn)的孔隙水壓力達到上覆土層自重壓力時,此時對應的夯擊能為最佳夯擊能。

夯擊能分為單擊夯擊能和單位夯擊能。

(1)單擊夯擊能。即夯錘重量與落距的乘積。一般根據(jù)加固深度來確定,加固深度大,單擊夯擊能要求大,反之亦反。單擊夯擊能越大,加固效果越好。

(2)單位夯擊能。單位夯擊能是指施工場地單位面積上所施加的總夯擊能,即單位夯擊能=夯錘重×夯錘落距×總夯擊遍數(shù)÷加固面積。

強夯的單位夯擊能應根據(jù)地基土類別、結(jié)構(gòu)類型、荷載大小和要求處理深度等綜合考慮,并可通過試驗確定。一般情況,粗顆粒土可取1000～3000KN．m/m2,細顆粒土可取1500～4000KN．m/m2。

2.3.3 夯擊次數(shù)

它是強夯設計中的一個重要參數(shù)。夯擊次數(shù)一般由試夯確定,由試夯得到的夯擊次數(shù)與夯沉量之間的關(guān)系曲線確定,且要同時滿足下列條件：

(1)最后兩擊的夯沉量均不宜大于下列數(shù)值：當單擊夯擊能小于4000KN．m時為50mm;單擊夯擊能為4000～6000KN．m時為100mm;單擊夯擊能大于6000KN．m時為200mm。

(2)夯坑周圍地面不應發(fā)生過大的隆起。

(3)不因夯坑過深而發(fā)生提錘困難。

2.3.4 夯擊遍數(shù)

夯擊遍數(shù)應根據(jù)地基土的性質(zhì)確定,可采用2～3遍,對于滲透性較差的細顆粒土,必要時夯擊遍數(shù)可適當增加。最后再以低能量滿夯1～2遍,滿夯可采用低能量(輕錘或低錘落距)多次夯擊,錘面搭接。

工程實踐中,對于碎石、砂礫、砂質(zhì)土、垃圾土,夯擊遍數(shù)為2～3遍;粘性土為3～8遍,泥炭為3～8遍。然后再以低能滿夯1遍,使表層1～2m范圍內(nèi)的土得以夯實。

2.3.5 間隔時間

兩遍夯擊之間應有一定的時間間隔,間隔時間取決于土中孔隙水壓力的消散時間。當缺少實驗資料時,可根據(jù)地基土的滲透系數(shù)確定,對于滲透性較差的粘性土地基,間隔時間不應少于3～4周;對于滲透性好的地基可連續(xù)夯擊。

2.3.6 夯點布置

夯點位置可根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)類型,采用梅花形或正方形布置。每個錘間距可為5～9m,或夯錘直徑的2．5～3．5倍,以后各遍夯錘間距可與第一遍相同。對處理深度較深或單擊夯擊能較大的工程,第一遍錘間距宜適當增大。

2.3.7 加固范圍

強夯處理范圍應大于建筑物基礎(chǔ)范圍,每邊超出基礎(chǔ)外緣的寬度宜為基底下設計處理深度的1/2至2/3,并不宜小于3m。

3 強夯法加固公路地基的設計應用

3.1 工程概述

江甕高速公路TJ3A標路線全長4．8484公里,設計為雙向四車道,路基寬24米,行車道 寬2×7．5米,計算行車速度80Km／h。地質(zhì)勘探資料顯示,YK27+520～K28+200段表層覆蓋層為約4～5米厚粉質(zhì)黏土,基巖為強～中風化白云巖。地面橫坡約25°,路基最大填高為31．5米,為高路堤,如果不對地基進行處理,路基將會出現(xiàn)不均勻沉降,甚至路基會沿松散的粉質(zhì)黏土層橫向滑移,嚴重影響路基的穩(wěn)定性。經(jīng)過多方案比較,決定在此段采取較為經(jīng)濟、實用的強夯法進行處理。

3.2 強夯法的設計

3.2.1 路基橫向加固范圍的確定

山區(qū)高速公路路堤一般較高,路堤邊坡坡腳外與坡腳內(nèi)地基土的上覆土壓力存在較大的壓力差,導致路基邊坡坡腳以外地基發(fā)生較大沉陷。所以設計考慮加固寬度時,應將坡腳至邊溝外緣部分全部加固,從路堤穩(wěn)定的角度考慮,加固寬度達到路堤最危險滑動圓弧以外。設計加固寬度為：路堤底寬+ 2×3m。

3.2.2 加固深度的設計

加固深度計算采用Menard經(jīng)驗公式：

公式中各字母含義見前面說明。

3.2.3 夯擊能量設計

夯擊能量是決定加固深度的重要參數(shù),設計中按單擊夯擊能與最佳夯擊能考慮。

單擊夯擊能=錘重×落距

最佳夯擊能從理論上講是地基中出現(xiàn)的孔隙水壓力達到土的自重壓力時的夯擊能,它是單擊夯擊能的總和。對于砂性土地基可由觀測的孔隙水壓力增量隨夯擊次數(shù)增加的變化趨勢來決定,當孔隙水壓 力增量趨于穩(wěn)定時,所達到的能量即為最佳夯擊能。根據(jù)試驗段試驗研究,最佳夯擊能為主夯與副夯時采用1500kN．m、2000kN．m和2500kN．m三種夯擊能;滿夯時采用700kN．m、800kN．m、1000kN．m三種夯擊能。

3.2.4 夯點布置和夯點間距

夯擊點位置可根據(jù)工程結(jié)構(gòu)類型,采用等邊三角形、等腰三角形或正方形。而夯點間距的確定,應根據(jù)地基土的性質(zhì)和處理深度而定。夯點間距可取夯錘直徑的2．5～3．5倍。本工程中夯點布置如圖1所示。

3.2.5 夯擊次數(shù)的設計

單點夯擊數(shù)在夯擊能為2500kN．m及2000kN．m時采用4擊,1500kN．m時采用5擊。夯擊遍數(shù)為三遍：第一遍主夯,按規(guī)定間距正方形布置：第二遍副夯,在各主夯點位中間穿插進行,仍按規(guī)定間距布置;第三遍滿夯,亦稱“滿拍”或“搭夯”,即采用夯點彼此搭接1／4連續(xù)夯擊,滿夯的目的是加固表層。

3.2.6 間歇時間

各遍夯擊之間留有一定的時間,主要是因為加固土層中超靜孔隙水壓力需要一定的消散時間。并且該時間根據(jù)土質(zhì)的不同,會有很大區(qū)別。對于砂性土,孔隙水壓力的峰值出現(xiàn)在單點夯擊完成后的瞬間,消散時間只有2～3min,故該類土可進行連續(xù)夯擊。對于本工程的黃土地區(qū),因為土中含有滲透性較差的粘性土,兩遍夯擊的時間間隔不宜小于72小時。

4 結(jié)語

強夯法雖然己在加固公路地基中得到廣泛的應用,但至今尚無一套非常成熟的設計計算方法。因此,對于強夯法在加固公路地基中的設計,我們應當針對工程實際情況與經(jīng)驗,初步選定設計參數(shù),再通過現(xiàn)場實驗的驗證和修改,最終確定合理的設計參數(shù)。

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