■　呂靜凌（南平市交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站，南平　353000）

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淺談強夯法在控制高填路基差異沉降中的應用

■呂靜凌
（南平市交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站，南平353000）

摘要本文通過分析閩北山區(qū)公路高填路基產(chǎn)生差異沉降的原因，并以南平市武夷新區(qū)省道303線改造工程（新嶺至將口大道段）中強夯處理現(xiàn)有高填路基實例為依托，分析影響強夯高填路基加固效果的因素，揭示出在強夯處理高填路基過程中應注意的質(zhì)量控制要點。

關(guān)鍵詞強夯法高填路基差異沉降應用

近年來，閩北公路建設(shè)發(fā)展迅猛，據(jù)統(tǒng)計，至2015年底，閩北公路通車總里程達15554.241km，其中高速公路總里程達929.672km，普通公路總里程達14624.569km，全區(qū)干線公路網(wǎng)已具規(guī)模。南平市轄區(qū)面積2.63萬km2，占福建省的1/5，是典型的“八山一水一分田”的丘陵地貌。山區(qū)公路修建過程中，由于地形、地質(zhì)以及路線線形的要求，高填深挖路基頻頻出現(xiàn)，由此導致了高填路基差異沉降引起的病害，嚴重影響道路使用性能。

本文在分析閩北山區(qū)公路高填路基產(chǎn)生差異沉降原因的基礎(chǔ)上，以南平市武夷新區(qū)省道303線改造工程（新嶺至將口大道段）中強夯處理現(xiàn)有高填路基實例為依托，分析影響強夯高填路基加固效果的因素，揭示出在強夯處理高填路基過程中應注意的質(zhì)量控制要點。

1　閩北山區(qū)公路高填方路基差異沉降產(chǎn)生的主要原因

高填路基差異沉降由施工期沉降和工后沉降組成。施工期沉降是從路基開工到路基填筑完成時，其間產(chǎn)生的沉降，是伴隨著路基填筑施工的一個持續(xù)過程。工后沉降是從路基填筑結(jié)束后，一個較長的時間內(nèi)，受土體自重、上部路面施工和行車荷載影響產(chǎn)生的沉降過程。引起高填路基差異沉降變形的因素很多，就閩北公路而言，差異沉降大致有以下幾種原因：

（1）高填路基自重和對天然地基處理不到位

天然地基的固結(jié)在自身的重力作用下已基本完成，但在其上修筑路堤時，由于路堤填土成為附加荷載，從而使天然地基產(chǎn)生沉降變形。這種沉降變形的大小受路堤填土的土質(zhì)和填土高度的影響。在閩北地區(qū)，很多公路路線需要經(jīng)過山壟田、菜地等軟弱土地帶，對軟弱土質(zhì)路基處理不到位，就在其上填筑新的路堤，新增的附加荷載，更加劇了天然地基的沉降。

（2）路基壓實度不足

在路基壓實度不能滿足要求的情況下，由于路基兩側(cè)壓實度相對較低，因此路基沉降將是臨近邊坡的路基兩側(cè)大于路基中心，這一傾向在雨水入滲與沖刷的情況下表現(xiàn)得更加明顯。在此情況下，硬路肩與行車道間將出現(xiàn)沉降差，并出現(xiàn)沉陷和錯臺現(xiàn)象。由于行車道板下脫空，雨水又能從錯縫中滲入基層，在行車道頻繁行車荷載作用下，加上雨水對面層和基層連接面的不斷沖刷，導致了路面的斷裂。

（3）水的作用

閩北境內(nèi)溪河縱橫，流域面積在4000km2以上的河流有8條，分別為閩江、富屯溪、金溪、沙溪、建溪、崇陽溪、南浦溪、松溪，集水面積50km2以上的河流有176條，構(gòu)成溪河眾多、流域面廣的自然水系，導致閩北降水豐富，此外閩北地區(qū)地下水也極為豐富。水是公路路基損壞的主要原因，水的滲流作用使得許多山區(qū)公路路基產(chǎn)生滑塌、側(cè)向位移與沉陷等。

（4）邊坡失穩(wěn)

高填路基邊坡穩(wěn)定性直接影響路基穩(wěn)定性。由于路堤土屬于非飽和土，在降雨作用下，降雨入滲會首先在路堤邊坡坡腳引起滑動破壞，一旦坡腳發(fā)生滑動，就會觸發(fā)坡腳以上部位更多的滑動發(fā)生，從而成為形成路基沉降的又一個重要因素。

（5）工后沉降［3］

高填路堤的工后沉降難以避免。根據(jù)土的物理性質(zhì)，土為塑性材料，在土的原狀被破壞以后，不論人為壓實得多么密實，工后沉降也是難以避免的。

（6）受工期的影響

高填方路基沉降是一個持續(xù)的過程，短時間內(nèi)不可能全部完成。施工期也是沉降控制的一個重要因素，目前國內(nèi)公路建設(shè)周期短，工期內(nèi)路基的沉降還未完成，這樣為工后過大沉降埋下隱患，容易造成基層或面層的破壞。

2　強夯控制高填方路基差異沉降的機理

大量工程實踐表明，公路工程中沉降的發(fā)生不可避免，但是過大的不均勻沉降將導致路基和路面的破壞，因此，國外許多發(fā)達國家也積極研究控制差異沉降的方法。如從路基填料、地基處治技術(shù)、土工合成材料等方面著手。本文著重探討強夯法在高填路基加固中的應用及其施工質(zhì)量控制。

強夯法又稱為動力固結(jié)法［4］，將重錘從高處自由落下給地基以強大沖擊力和振動，從而達到提高地基土的強度并降低其壓縮性的目的。強夯法具有許多優(yōu)點，如壓實效果顯著、設(shè)備簡單、施工方便、適用范圍廣、經(jīng)濟易行和節(jié)省材料等。

通常認為，強夯加固路基過程有四個階段：（1）夯擊能量轉(zhuǎn)化，同時伴隨強制壓縮或振密；（2）土體液化或土體結(jié)構(gòu)破壞，表現(xiàn)為土體強度降低或抗剪強度喪失；（3）排水固結(jié)壓密，表現(xiàn)為滲透性能改變，土體裂隙發(fā)展，土體強度提高；（4）觸變恢復并伴隨固結(jié)壓密，包括部分自由水又變成薄膜水，土體強度繼續(xù)提高。

強夯在極短的時間內(nèi)對路基土體施加一個巨大的沖擊能量，加荷歷時幾十毫秒至一百毫秒，沖擊能轉(zhuǎn)化為各種波型傳遞到路基土體內(nèi)。由強夯產(chǎn)生的沖擊波按其在土中傳播和對土作用的特性可分為體波和面波。體波包括縱波和橫波，從夯擊點沿著一個半球波陣面徑向向路基深處傳播，對路基土可起壓縮和剪切作用，引起路基土的壓密固結(jié)。面波從夯擊點沿地表傳播，其隨距離的增加而衰減的幅度比體波慢的多，對路基土不起加固作用，其豎向分量對表層土起松動作用。因此，強夯的結(jié)果是在路基中沿深度形成性質(zhì)不同的三個區(qū)：路基表層松動區(qū)，加固區(qū)和彈性區(qū)。路基土體發(fā)生動力反應，由于路基土明顯的非彈性性質(zhì)，經(jīng)動力作用后一定范圍內(nèi)路基土的工程性質(zhì)發(fā)生一定程度的改變，即路基土得以加固。強夯加固路基的作用機制主要是：加密、固結(jié)和預加變形的共同作用。當重錘自由下落夯擊時，勢能轉(zhuǎn)化為動能，在夯擊地面的瞬間，動能的一部分以聲波形式向四周擴散，一部分由于重錘與土體摩擦而變成熱能，其余大部分動能則使土體產(chǎn)生自由振動，使空氣或氣體從土中排出，從而使土重新定向排列。

強夯加固效果主要受以下因素影響，包括夯擊能、夯錘面積、夯擊次數(shù)、夯擊間距、土體參數(shù)等。

（1）單點夯擊能

最佳夯擊能可采用單點夯沉量與夯擊次數(shù)關(guān)系曲線來確定，且滿足最后兩擊平均夯沉量≤5cm，夯坑周圍地面不發(fā)生過大隆起及不因夯坑過深而發(fā)生起錘困難。

（2）夯錘面積

夯錘面積的大小直接決定夯錘著地時的沖擊壓力，進而影響強夯的有效加固深度。在夯擊能一定的情況下，夯錘面積與加固深度呈反比關(guān)系。

（3）夯擊次數(shù)

夯擊次數(shù)一般通過現(xiàn)場試夯來確定，常以夯坑的壓縮量最大、夯坑周圍的隆起量最小為確定原則。目前，常通過現(xiàn)場試夯得到的夯擊次數(shù)與夯沉量的關(guān)系曲線來確定。

（4）夯點間距

夯點間距過大，使各夯點間的土體得到不有效加固；夯點間距過小，或采用夯點搭接的方法往往使后續(xù)強夯降低前期強夯形成的路基沉降，降低加固效果。根據(jù)工程經(jīng)驗，一般選取5～10m。實際工程實踐中，往往是先進行一邊點夯，第二遍采用搭接的方法強夯。

（5）土體參數(shù)

土體天然含水率是影響強夯加固效果的重要因素。土體過于干燥，土體顆粒與顆粒間處于分散狀態(tài)，夯擊的結(jié)果可能因振動引起土體松動，達不到夯實效果；適當?shù)暮蕰雇馏w分散的顆粒膠結(jié)在一起；但是過高的含水率，易使土體產(chǎn)生液化，使土體強度降低。所以要控制好土體含水率，使其接近最佳含水率，有利于土體夯實。

3　強夯法在省道303處理高填方路基應用實例分析

3.1工程概況

南平市武夷新區(qū)省道303線改造工程（新嶺至將口大道段）路線全長約8.80km（其中包含隧道1179m/1座、大橋146m/1座、涵洞19道），一級公路建設(shè)標準，設(shè)計速度80km/h，路基寬度約42m，總投資約人民幣50000萬元。其中K17+880～K18+080段路基由其他施工隊開挖及填筑，回填厚度為8米。通過對該路段進行壓實度和標準貫入試驗，結(jié)果表明，上述路段填方壓實度和承載力均達不到設(shè)計要求。經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計、施工多方會審，決定對該路段路基進行強夯補強（要求強夯設(shè)備能力為3000kN·m，夯錘重25t、直徑2.5m），使原填土壓實度達到合格要求后予以利用。

3.2強夯方案設(shè)計

強夯設(shè)備夯擊能采用3000kN·m，夯錘重25t、直徑2.5m。

第一遍夯擊能3000kN·m，落距12m，夯點間距6m，等邊三角形布置，每點7擊，若夯沉量小于1.3m，增加1擊。

第二遍夯擊能3000kN·m，落距12m，夯點間距6m，等邊三角形布置，每點6擊，若夯沉量小于1.0m，增加1擊。

第三遍夯擊能1200kN·m，落距4.8m，滿夯，1/3錘印搭接，搭接長度0.83m，每點2擊。

第二遍強夯點位置應在第一遍強夯點的中間，即第二遍與第一遍的強夯點間隔應錯開。每遍強夯之間間隔5～7d。

3.3強夯檢測及效果評價

為了評價與檢查強夯效果，分別在夯前及夯后進行了重型圓錐動力觸探試驗（N63.5）、表層土壓實度測試。

3.3.1重型圓錐動力觸探試驗

在強夯前后分別進行了6組重型圓錐動力觸探試驗，夯前夯后各試驗點的重型動力觸探修正擊數(shù)見表1，選取一組夯前夯后典型的N63.5（擊）與H（m）關(guān)系曲線詳見圖1。

表1　重型動力觸探試驗數(shù)據(jù)

圖1　夯點5的N（擊）與H（m）關(guān)系曲線圖

通過對夯前和夯后數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計對比分析，強夯處理后填土的動探平均擊數(shù)增加了近2擊，土體密實度有明顯的提高；夯前與夯后在0.0～8.0m范圍內(nèi)地基土均勻性為均勻。

3.3.2挖坑灌砂法測定壓實度試驗（見表2）后表層土的壓實度有明顯的提高。

表2　壓實度試驗數(shù)據(jù)

4　強夯處理高填方路基施工質(zhì)量控制要點

4.1強夯施工前

（1）安全施工方面

應督促施工單位查明場地范圍內(nèi)的地下構(gòu)筑物和各種地下管線的位置及標高等，并采取必要的措施，以免因強夯施工而造成損壞。當強夯施工所產(chǎn)生的振動對鄰近建筑物或設(shè)備產(chǎn)生有害的影響時，應采取防振或隔振措施。強夯施工宜采用帶有自動脫鉤裝置的履帶式起重機或其他專用設(shè)備，如采用履帶式起重機，可在臂桿端部設(shè)置輔助門架，或采取其他安全措施，防止落錘時機架傾覆；強夯施工前，組裝起吊設(shè)備及輔助門式框架時，應特別注意起立機器的自身穩(wěn)定性。

（2）技術(shù)資料方面

熟悉工程資料、掌握土質(zhì)情況，當原地面表層較濕或含水量較大時，在夯擊前應在該段鋪墊10cm～20cm厚的碎石，然后進行夯擊。夯擊時如表土過干（尤其滿夯時），則應采取加水等相應措施，增加含水量。檢查設(shè)備報審情況，對夯錘重量、落距進行驗算，確保單擊夯擊能量符合設(shè)計要求。檢查施工單位上報夯點布置圖。夯前場地標高測量時，檢查測量控制網(wǎng)點基樁及水準點，以便施工中測量夯擊沉降量。

4.2強夯施工過程中

檢查夯錘的落距，復核夯點放線、夯錘的落點誤差，嚴格控制夯擊遍數(shù)間的間隔時間，及時發(fā)現(xiàn)和處理夯擊過程中的異?，F(xiàn)象，如夯坑周圍出現(xiàn)隆起，夯沉量異常等情況。

4.3強夯施工后

檢查施工記錄，復核夯后高程，檢查檢測報告，必要時對相關(guān)試驗項目進行復測。

5　結(jié)語

本文結(jié)合南平市武夷新區(qū)省道303線改造工程（新嶺至將口大道段）處理高填路基的實際應用，結(jié)果表明合理的夯擊參數(shù)能明顯提高高填路基的密實度，且土體均勻性良好，對于控制高填路基差異沉降起到重要作用。且通過對夯前與夯后數(shù)據(jù)的比較，強夯處理后表層土的壓實度有明顯的提高，表明強夯法在控制高填路基差異沉降中的應用是成功的。

參考文獻

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