宋修廣，岳紅亞，周志東，張宏博

(1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061;2.山東省路基安全工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南 250061)

強(qiáng)夯法是由法國工程師L.Menard于1969年提出的一種地基處理技術(shù)，在使用初始階段僅用于加固砂土和碎石土地基。強(qiáng)夯技術(shù)因其施工簡便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、效果顯著等特點(diǎn)在工程中得到了廣泛應(yīng)用，中國于1978年引進(jìn)該技術(shù)并在實(shí)際工程中予以研究，取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)，將其應(yīng)用范圍擴(kuò)大到了軟黏土［1-5］。

對(duì)于飽和土，孔隙中充滿水，這些水在穩(wěn)定狀態(tài)下有一個(gè)平衡的壓力，就是孔隙水壓力。根據(jù)太沙基提出的有效應(yīng)力原理，孔隙水壓力=總應(yīng)力σ－有效應(yīng)力σ1，在總應(yīng)力保持不變時(shí)，有效應(yīng)力和孔隙水壓力可相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)土體受到外力擠壓，土中原有水壓力會(huì)上升，上升的這部分壓力就是超孔隙水壓力［6］。強(qiáng)夯作用機(jī)理就是利用夯錘強(qiáng)大的沖擊動(dòng)能擠壓土體，使得上部土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，形成裂隙，夯擊產(chǎn)生的超孔隙水壓力通過土體內(nèi)部裂隙形成排水通道慢慢消散，地基中的有效應(yīng)力增加，土體強(qiáng)度提高，可壓縮性降低。因此，利用強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理時(shí)，土體超孔隙水壓力消散的速度和程度在一定程度上反映了土體加固效果的好壞，而且超孔隙水壓力的消散速度還可用來控制強(qiáng)夯的間隔時(shí)間［7-11］。

本文以濟(jì)樂高速公路試驗(yàn)區(qū)超孔隙水壓力為研究對(duì)象，分析強(qiáng)夯作用下地基中超孔隙水壓力的增長與消散規(guī)律，確定強(qiáng)夯的時(shí)間間隔和夯點(diǎn)間距等施工參數(shù)，為工程施工提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)區(qū)工程概況

工程場地地形較為平坦，地勢開闊，場地地層為第四系全新統(tǒng)沖積層)、第四系上更新統(tǒng)沖積層，巖性主要為粉土、黏土、粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂，地下水位約3.0 m。根據(jù)地質(zhì)年代、地層巖性、地基土的工程性質(zhì)將揭露地層分為7大層:①粉土。褐黃色，中密，濕，局部夾層狀的粉質(zhì)黏土，層厚1.50～5.25 m。②黏土。淺棕黃色～褐黃色，以可塑狀態(tài)為主，局部軟塑，該層土局部相變?yōu)榉圪|(zhì)黏土，濕，夾粉土薄層，層厚一般0.70～5.80 m。③粉土。褐黃色，中密～密實(shí)，濕～很濕，局部夾粉砂透鏡體和粉質(zhì)黏土夾層，層厚一般1.80～6.00 m。④粉質(zhì)黏土。黃褐～灰褐色，以可塑狀態(tài)為主，局部軟塑，該層土局部相變?yōu)轲ね?，很濕，夾粉土薄層。層厚一般1.50～5.30 m。⑤粉土。黃褐～灰褐色，中密～密實(shí)，以密實(shí)為主，很濕，局部夾黏土薄層，層厚一般0.55～5.20 m。⑥粉砂。褐黃～黃灰色，土質(zhì)均勻，中密，飽和，層厚一般0.70～6.90 m，層底埋深14.90～21.00 m，相應(yīng)層底高程9.49～16.00 m。⑦粉土?；尹S、灰褐色，密實(shí)，局部為中密，很濕，局部相變?yōu)榉凵?。該層未揭穿，最大揭露厚?2.33 m。試驗(yàn)區(qū)各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

2 地基處理及超孔隙水壓力測點(diǎn)布置

試驗(yàn)區(qū)長度約60 m，寬度為整個(gè)路基的寬度，在強(qiáng)夯區(qū)域以間距6 m按正方形由路中線向路兩側(cè)布置第一遍夯點(diǎn)位置，單點(diǎn)夯擊能1 500 kN·m。夯擊時(shí)由內(nèi)向外逐點(diǎn)夯擊，先夯擊路中線處的夯點(diǎn)，然后平行于路中線向路兩側(cè)分別夯擊，夯擊數(shù)8～12擊。根據(jù)孔隙水壓力計(jì)測定的超孔隙水壓力消散時(shí)間，在第1遍正方形中間進(jìn)行第2遍夯擊，夯擊能為1 500 kN·m。強(qiáng)夯施工程序?yàn)?測量放線定位→表土清理→測量清表后高程→第1遍夯點(diǎn)布置→夯機(jī)就位開夯→場地平整→第2遍夯點(diǎn)布置→夯機(jī)就位開夯→場地平整→第3遍低能級(jí)滿夯→場地振動(dòng)碾壓機(jī)壓實(shí)平整并測量平整后高程→施工質(zhì)量驗(yàn)收→進(jìn)入下一道施工工序。夯點(diǎn)布置見圖1。

表1 試驗(yàn)區(qū)各土層物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 夯點(diǎn)布置(單位:m)

進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)之前埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)，16個(gè)孔隙水壓力計(jì)分別埋設(shè)在試驗(yàn)區(qū)中間的一個(gè)橫斷面上。考慮到試驗(yàn)段地下水位埋深較淺(約3 m)，故最淺孔隙水壓力計(jì)埋深定為4 m，測點(diǎn)布置見圖2。

超孔隙水壓力的監(jiān)測應(yīng)該貫穿整個(gè)夯擊過程，每擊夯完后，立刻對(duì)孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行讀數(shù)并記錄。在該點(diǎn)夯擊后 1，2，5，10，30 min，1 h 對(duì)孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行讀數(shù)并記錄。兩遍單點(diǎn)夯擊完成之后每隔1 d測量孔隙水壓力計(jì)的讀數(shù)并記錄，持續(xù)時(shí)間為10 d。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 有效加固深度的確定

圖2 孔隙水壓力計(jì)布置(單位:m)

強(qiáng)夯的影響深度和有效加固深度是兩個(gè)不同的概念。目前關(guān)于兩者尚無統(tǒng)一的說法。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，影響深度指強(qiáng)夯法處理后的地基中土性指標(biāo)有所變化的深度;有效加固深度指在正常的施工條件下，地基土的控制指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求的深度。在本次試驗(yàn)中，強(qiáng)夯產(chǎn)生的超孔隙水壓力即為強(qiáng)夯引起的附加應(yīng)力。一般來說，強(qiáng)夯的影響深度大于其有效加固深度，但目前有效加固深度的判別指標(biāo)也尚不統(tǒng)一。本文按照強(qiáng)夯作用下產(chǎn)生的附加應(yīng)力與自重應(yīng)力比值為0.2處的深度來界定有效加固深度［12-14］。本文在監(jiān)測點(diǎn)1處進(jìn)行了單點(diǎn)夯擊試驗(yàn)，夯擊能為1 500 kN·m，連續(xù)夯擊12擊。夯擊過程中，每1擊夯完后，立刻對(duì)孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行讀數(shù)并記錄。超孔隙水壓力變化曲線見圖3。由圖可知，夯擊時(shí)在錘下8.5 m處仍有10 kPa左右的超孔隙水壓力，這就說明強(qiáng)夯產(chǎn)生的沖擊波能作用到錘下8.5 m處，而沖擊波作用的地方能引起土性指標(biāo)的變化，表明強(qiáng)夯的影響深度超過8.5 m。經(jīng)計(jì)算，在夯擊能為1 500 kN·m時(shí)，強(qiáng)夯有效加固深度在6 m左右，與上述超孔隙水壓力變化規(guī)律相一致。

圖3 夯錘正下方不同深度處超孔隙水壓力隨夯擊次數(shù)的變化曲線

本試驗(yàn)通過超孔隙水壓力變化規(guī)律獲得的有效加固深度為6 m左右，根據(jù)Menard公式，可推算出試驗(yàn)區(qū)α=0.490，可為今后類似地質(zhì)條件下強(qiáng)夯的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

3.2 超孔隙水壓力隨夯擊次數(shù)的變化規(guī)律

圖3表明，隨著夯擊次數(shù)的增加，強(qiáng)夯的巨大能量產(chǎn)生超孔隙水壓力。在單擊夯擊能1 500 kN·m作用下，埋深4.0～5.5 m的超孔隙水壓力隨著夯擊次數(shù)的增加而增加，且增加的幅度十分明顯，而埋深7.0～8.5 m的超孔隙水壓力增加幅度不明顯。

由圖4可見，隨著夯擊次數(shù)的增加，累計(jì)夯沉量逐漸增大;單擊夯沉量呈逐漸減小的趨勢。夯擊能量1 500 kN·m下，單點(diǎn)12擊平均每擊夯沉量為5.3 cm，最終夯沉量達(dá)到了64 cm;當(dāng)擊數(shù)超過7次時(shí)，單擊夯沉量＜5 cm，說明土體已經(jīng)較密實(shí)，達(dá)到止夯要求［15］。個(gè)別點(diǎn)夯沉量出現(xiàn)波動(dòng)可能是由于夯錘偏心所致。

圖4 夯沉量隨夯擊次數(shù)的變化曲線

3.3 超孔隙水壓力的徑向變化規(guī)律

圖5為單點(diǎn)夯試驗(yàn)時(shí)錘下4 m深度處不同徑向距離處超孔隙水壓力的變化曲線?？梢钥闯?，在單擊夯擊能1 500 kN·m作用下，錘下4 m深處距夯錘中心0～2 m的超孔隙水壓力隨著夯擊次數(shù)的增加而增加，且增幅明顯，而距夯錘中心4～6 m的超孔隙水壓力增幅不明顯。由此可見，1 500 kN·m的夯擊能徑向影響距離可達(dá)6 m，但徑向有效加固范圍在2～4 m。

圖5 不同徑向距離處超孔隙水壓力隨夯擊次數(shù)的變化曲線

由于距夯錘中心4～6 m的超孔隙水壓力增幅不明顯，而且設(shè)計(jì)要求夯點(diǎn)間距為6 m，因此可判定，在夯擊一點(diǎn)時(shí)，對(duì)相鄰夯點(diǎn)處的孔隙水壓力的影響很小，故相鄰夯點(diǎn)可以連續(xù)夯擊，而不必間隔跳夯。

3.4 地基超孔隙水壓力的消散規(guī)律

圖6為單點(diǎn)夯擊后夯錘正下方不同深度處超孔隙水壓力消散曲線?？梢?，單點(diǎn)夯擊完成后，超孔隙水壓力立即進(jìn)入了消散的過程，由于單點(diǎn)夯只是對(duì)特定的夯點(diǎn)進(jìn)行夯擊，強(qiáng)夯影響范圍小，所以超孔隙水壓力消散很快。深度越淺，超孔隙水壓力消散越明顯。夯后3 h超孔隙水壓力消散90%左右;夯后6 h超孔隙水壓力趨于穩(wěn)定;夯后24 h超孔隙水壓力基本消散。

圖6 不同深度處超孔隙水壓力消散曲線

4 強(qiáng)夯前后地基承載力對(duì)比

為檢測強(qiáng)夯加固效果，在夯前和夯后分別對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。通過貫入擊數(shù)來判定不同深度的密實(shí)度、壓縮性及地基承載力等有關(guān)指標(biāo)，以判斷地基處理效果［16-18］。夯擊前后地基承載力試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 夯擊前后地基承載力對(duì)比

由圖7可見，在地表以下11.4 m范圍的地基承載力有所增強(qiáng)。7 m范圍內(nèi)地基承載力的提高比較明顯，最大可提高2倍以上，這也驗(yàn)證了前述有效加固深度大約6 m的結(jié)論。總體來說，強(qiáng)夯加固效果明顯，在有效加固深度范圍內(nèi)地基承載力明顯提高。

5 結(jié)語

1)1 500 kN·m的夯擊能影響深度可達(dá)8.5 m，但有效加固深度在6 m左右，符合設(shè)計(jì)要求(有效加固深度＞5 m)，說明設(shè)計(jì)夯擊能是合理的。根據(jù)Menard公式，推算出試驗(yàn)區(qū)有效加固深度系數(shù)為0.490，可為今后相同或類似地質(zhì)條件下強(qiáng)夯的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

2)隨著夯擊次數(shù)的增加，超孔隙水壓力逐漸增大，在單擊夯擊能1 500 kN·m作用下埋深4.0～5.5 m超孔隙水壓力的增幅較埋深7.0～8.5 m明顯;點(diǎn)夯擊數(shù)超過7次時(shí)，單擊夯沉量＜5 cm，達(dá)到止夯要求。

3)1 500 kN·m的夯擊能最大徑向影響寬度可達(dá)6 m，但徑向有效加固寬度約為2～4 m。試驗(yàn)地基單點(diǎn)夯擊時(shí)對(duì)相鄰夯點(diǎn)處孔隙水壓力的影響很小，相鄰夯點(diǎn)可以連續(xù)夯擊，不必間隔跳夯，說明設(shè)計(jì)的夯點(diǎn)間距合理。

4)單點(diǎn)夯后超孔隙水壓力6 h趨于穩(wěn)定，24 h基本消散。因此，建議類似條件的地基強(qiáng)夯間歇時(shí)間調(diào)整為24 h，但對(duì)于與試驗(yàn)段差異較大的路段，在調(diào)整施工參數(shù)時(shí)還要考慮到特殊地質(zhì)條件、地下水位高度等因素。

5)強(qiáng)夯處理后有效加固深度范圍內(nèi)土體標(biāo)貫擊數(shù)和地基承載力明顯提高，且淺層土體地基承載力增長更明顯，可提高2倍以上。

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