劉建民，王新岐

(1.天津?yàn)I海旅游區(qū)投資控股有限公司，天津 300480； 2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

0 引 言

天津?yàn)I海新區(qū)為濱海沖擊平原，土質(zhì)以濱海相沉積軟土為主，具有土體孔隙率大、天然含水量高、壓縮性高、強(qiáng)度低、滲透性小、承載力低等特點(diǎn)[1]。該地區(qū)地勢低洼，在進(jìn)行新城建設(shè)時(shí)防洪排澇要求較高，道路多采用填方路基，在進(jìn)行填方前應(yīng)完成淺層軟基處理。目前，國內(nèi)外進(jìn)行軟基處理的主要方式包括復(fù)合地基法、排水固結(jié)法、灰土擠密樁、立體加筋法及強(qiáng)夯法等[2-6]。其中，強(qiáng)夯法是一種環(huán)保、高效、應(yīng)用性強(qiáng)的軟土地基處理方法，主要是通過起重機(jī)將1個(gè)10～200 t的重錘起吊到6～30 m高處，使重錘脫鉤自由下落，利用重錘的沖擊對(duì)地基進(jìn)行強(qiáng)力夯實(shí)，從而提高地基土承載力，降低土的壓縮性[7-8]。通過對(duì)濱海新區(qū)多個(gè)工程場地現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，分布于沖積-海積區(qū)、吹填區(qū)及海積區(qū)的工程場地地面表層均存在一定厚度的表層硬殼，且硬殼具有一定強(qiáng)度。若能在淺層土基處理過程中合理采用強(qiáng)夯法形成硬殼層，并提升硬殼層的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及沉降協(xié)調(diào)性，對(duì)軟土地基的處理及提升土基整體承載能力均具有重要的工程意義。

基于此，本文結(jié)合天津市濱海新區(qū)軟基工程特性，在軟土路基處治中引入硬殼層設(shè)計(jì)理論，提出軟土路基強(qiáng)夯硬殼層施工方法，確定路基處理深度，分析不同施工參數(shù)下的軟基強(qiáng)夯處治效果，明確基于硬殼層理論的強(qiáng)夯法施工參數(shù)，最后對(duì)比強(qiáng)夯法與傳統(tǒng)方法處治軟基的綜合效益，為濱海新區(qū)軟土路基淺層處理提供有益借鑒。

1 濱海新區(qū)軟土路基強(qiáng)夯硬殼層設(shè)計(jì)

1.1 軟土路基硬殼層形成的力學(xué)機(jī)理

當(dāng)軟土路基上部形成硬殼層時(shí)，當(dāng)土基受到外界荷載時(shí)應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)荷載較小時(shí)，地基中大部分應(yīng)力集中在硬殼層內(nèi)，地基表現(xiàn)出明顯的板體性承載特征，下層軟弱土中的應(yīng)力相對(duì)較小，且隨深度衰減較快；當(dāng)荷載較大時(shí)，硬殼層板體性作用削弱，層內(nèi)的應(yīng)力集中程度相應(yīng)減小，但硬殼層和軟基的強(qiáng)度差和剛度差作用仍然使土基中的應(yīng)力大量聚集在土基的上部。硬殼層密實(shí)度較高、剛度較大，在荷載作用下能夠分擔(dān)荷載產(chǎn)生的部分剪力，使下臥土基在荷載剪力作用下無剪切變形或發(fā)生極小變形，同時(shí)硬殼層與下臥軟弱層間的荷載傳遞方式發(fā)生變化，硬殼層發(fā)揮著類似于板體的作用，這種作用即硬殼層的殼體效應(yīng)[9-13]。殼體效應(yīng)能夠使外荷較為均勻地傳遞到面積較大的下臥軟土中，使下臥軟土層的附加應(yīng)力低于按傳統(tǒng)擴(kuò)散方法計(jì)算出來的附加應(yīng)力，進(jìn)而改善下層軟土的受力狀況，降低上部硬殼結(jié)構(gòu)層傳遞到下臥軟土層的荷載，減小軟土層承載后的整體沉降變形[14]。

1.2 強(qiáng)夯路基硬殼層施工

基于硬殼層處理軟土路基的力學(xué)機(jī)理，結(jié)合市政道路路基強(qiáng)度、穩(wěn)定性及工后沉降要求，本文提出通過強(qiáng)夯工藝結(jié)合路基排水方案進(jìn)一步制造路基硬殼層的技術(shù)理念，對(duì)濱海新區(qū)某功能區(qū)含水量較低的粉質(zhì)黏土或粉土填筑土基進(jìn)行處治。強(qiáng)夯-排水加固素填土路基結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 強(qiáng)夯-排水加固素填土路基結(jié)構(gòu)

首先進(jìn)行道路路基兩側(cè)排水(截水)邊溝的開挖，在保證基底平整、干燥且具有一定承載力的基礎(chǔ)上，采用非飽和黏性土進(jìn)行路基填筑，隨后進(jìn)行強(qiáng)夯處理，夯實(shí)后高度與現(xiàn)地坪高相同，夯實(shí)層厚度要求不小于2.0 m，且夯實(shí)層底面位置在地下水位以上不小于1.0 m。夯實(shí)采用多遍夯擊，對(duì)地下水位線以下土層盡量少擾動(dòng)，以避免彈簧土的產(chǎn)生。同時(shí)，為保證路基工作區(qū)范圍內(nèi)土體的壓實(shí)度滿足市政道路路基要求，在路基強(qiáng)夯范圍兩側(cè)設(shè)置寬1.0 m的碎石排水通道。通過路基填筑、強(qiáng)夯與排水的有機(jī)結(jié)合，解決強(qiáng)夯施工中超孔壓的消散問題，實(shí)現(xiàn)降低土體含水量、提高密實(shí)度與承載力且減小工后沉降的目的。

由于不同土質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)差異較大，在進(jìn)行路基強(qiáng)夯時(shí)，根據(jù)土質(zhì)情況按照工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試夯設(shè)計(jì)，然后根據(jù)試夯結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，具體步驟如下。

(1)首先查明場地地質(zhì)情況、周圍環(huán)境影響以及工程規(guī)模和重要程度。

(2)根據(jù)己查明的資料、加固用途及承載力與變形要求，初步計(jì)算夯擊能量，確定加固深度，然后選擇必要的錘重、落距、夯點(diǎn)間距、夯擊次數(shù)等[15]。

(3)根據(jù)己確定的施工參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)夯布點(diǎn)設(shè)計(jì)及施工要求的說明。

(4)施工前試夯并進(jìn)行加固效果的檢驗(yàn)測試，通過對(duì)加固效果測試資料的分析，確定是否需要修改原強(qiáng)夯設(shè)計(jì)方案。

1.3 路基硬殼層處理深度的確定

路基硬殼層的處理深度主要是參照路基工作區(qū)深度來進(jìn)行確定，圖2為濱海新區(qū)軸重與工作區(qū)深度的關(guān)系曲線。

圖2 不同軸重對(duì)應(yīng)的路基工作區(qū)深度

根據(jù)濱海新區(qū)市政道路交通荷載特點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的路基工作區(qū)深度可知，濱海新區(qū)路基工作區(qū)深度主要在1.5～2.5 m，對(duì)于重載交通則可達(dá)2.5～3.0 m?？紤]到路基工作區(qū)深度一般局限在2.5 m以內(nèi)，以此確定濱海新區(qū)路基工作區(qū)深度是合適的，即進(jìn)行強(qiáng)夯加固路基硬殼層的處理深度應(yīng)覆蓋路基工作區(qū)深度，路基硬殼層的處理深度在路基表層向下3.0 m左右。

2 試驗(yàn)段強(qiáng)夯施工控制與結(jié)果分析

2.1 路基強(qiáng)夯參數(shù)

在進(jìn)行試驗(yàn)段素填土強(qiáng)夯時(shí)，主要對(duì)夯點(diǎn)間距、夯點(diǎn)布置、夯擊能量、單輪夯擊數(shù)、間歇時(shí)間、排水通道及強(qiáng)夯處理范圍等參數(shù)進(jìn)行控制。基于已有強(qiáng)夯素填土路基工程經(jīng)驗(yàn)、濱海新區(qū)軟土地基特征及試夯結(jié)果，主要設(shè)計(jì)參數(shù)的控制范圍選取如下。

(1)夯擊點(diǎn)一般采用等邊三角形、等腰三角形或正方形布點(diǎn)。夯點(diǎn)間距宜為錘徑的1.2～2.5倍，低能級(jí)時(shí)取小值，高能級(jí)及考慮能級(jí)組合時(shí)取大值，第2遍夯擊點(diǎn)位于第1遍夯擊點(diǎn)之間，第3遍夯擊點(diǎn)間距可適當(dāng)減小。

(2)基于該地區(qū)市政道路軟土路基工程特性，在進(jìn)行強(qiáng)夯施工時(shí)選用低能級(jí)強(qiáng)夯，夯擊能范圍為800～1 200 kN·m。

(3)根據(jù)現(xiàn)場試夯結(jié)果，單輪夯擊次數(shù)為8次，夯擊遍數(shù)為2～4遍，具體可根據(jù)夯擊期間的沉降量以達(dá)到最終沉降量的60%～90%，或根據(jù)設(shè)計(jì)要求到預(yù)定標(biāo)高進(jìn)行控制夯擊遍數(shù)。

(4)間歇時(shí)間主要根據(jù)試驗(yàn)段超孔隙水壓力消散時(shí)間進(jìn)行確定，待擊實(shí)結(jié)構(gòu)層中超孔隙水壓力消散80%后，方可進(jìn)行第2遍的夯擊。

(5)基于路基工作區(qū)深度要求及強(qiáng)夯后，路基下沉量進(jìn)行降排水通道設(shè)置，同時(shí)控制路基填土表層高度位于地下水位3.0 m以上。

(6)由于路基的應(yīng)力擴(kuò)散作用，加固范圍大于路基坡腳邊緣基礎(chǔ)范圍，故確定強(qiáng)夯處理范圍時(shí)兩邊超出路基坡腳基礎(chǔ)外緣的寬度為設(shè)計(jì)處理深度的1/2～1/3，且不小于3 m。

2.2 試驗(yàn)段強(qiáng)夯方案設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步細(xì)化強(qiáng)夯路基硬殼層的施工方案，對(duì)不同夯擊方案的加固效果進(jìn)行分析，選擇某功能區(qū)規(guī)劃路為試驗(yàn)段，由南往北選取3個(gè)小試驗(yàn)段，各試驗(yàn)段長度約120 m，采用素填土直接填筑路基，填筑高度為2.0～3.0 m，各試驗(yàn)段均進(jìn)行3遍夯擊，具體方案如表1所示。

表1 不同試驗(yàn)段強(qiáng)夯方案

2.3 強(qiáng)夯結(jié)果分析

強(qiáng)夯完成后采用面波測試、靜力觸探測試、淺層平板載荷試驗(yàn)及回彈模量試驗(yàn)對(duì)強(qiáng)夯結(jié)果進(jìn)行分析。圖3為不同方法的現(xiàn)場測試情況。

圖3 強(qiáng)夯結(jié)果現(xiàn)場測試

面波波速分析結(jié)果表明：3個(gè)試驗(yàn)段路基的中心線附近面波波速均明顯高于兩側(cè)，且路基兩側(cè)波速離散性較大；1 000 kN夯擊能的滿夯對(duì)試驗(yàn)段地基土波速的有效影響深度為2.5～3.0 m；采用3遍滿夯的試驗(yàn)段3的面波波速分布的離散性較其他2個(gè)試驗(yàn)段小，且波速提高的數(shù)值相對(duì)較大，即試驗(yàn)段3強(qiáng)夯加固效果較好。

靜力觸探測試結(jié)果表明：強(qiáng)夯完成后，各試驗(yàn)段淺層路基加固效果較為顯著，淺層素填土和粉質(zhì)黏土的平均錐頭阻力和平均側(cè)阻力整體呈明顯增大趨勢，平均錐頭阻力增加約20%，平均側(cè)阻力增加約16%；而3個(gè)試驗(yàn)段中深層粉土層以下地基土層的錐頭阻力整體表現(xiàn)為微弱的負(fù)增長趨勢，深層土基軟土整體受強(qiáng)夯影響較小。地基土層的增長變化幅度以試驗(yàn)段1、2最為顯著，但均勻性較差，試驗(yàn)段3增長變化幅度相對(duì)較低且均勻性略好，強(qiáng)夯路基在一定程度上表現(xiàn)為復(fù)合地基的性狀。

圖4 傳統(tǒng)路基淺層處理典型結(jié)構(gòu)

對(duì)強(qiáng)夯前后的土基進(jìn)行淺層平板載荷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：強(qiáng)夯后試驗(yàn)段內(nèi)的土基承載力基本值均明顯增大，增大比例為6%～10%，能夠滿足施工機(jī)械承托層需要。3個(gè)試驗(yàn)段的不同深度位置土樣的平均含水率隨深度逐步增大，且均大于最優(yōu)含水率16.4%～16.5%；各試驗(yàn)段的不同深度位置土樣的平均壓實(shí)度隨深度逐步減小，0.1～0.5 m壓實(shí)度為88%～90%，0.5～0.8 m壓實(shí)度為85%～87%，1.1～1.3 m壓實(shí)度為79%～81%，3個(gè)試驗(yàn)段的壓實(shí)度差別較小?；貜椖Ａ吭囼?yàn)結(jié)果顯示：各試驗(yàn)段強(qiáng)夯后的路基回彈模量標(biāo)準(zhǔn)值均大于23 MPa，能夠滿足市政道路路基設(shè)計(jì)要求。

綜合分析結(jié)果可知，3個(gè)試驗(yàn)段內(nèi)的土基承載力基本值均明顯增大，且能夠滿足施工機(jī)械承托層需求。而根據(jù)面波測試及觸探測試結(jié)果可知，試驗(yàn)段3經(jīng)過強(qiáng)夯處治后均勻性較好，承載能力更強(qiáng)，即在實(shí)際工程中采取試驗(yàn)段3的強(qiáng)夯方案進(jìn)行施工，能夠保證夯擊后土基承載力較高。

3 強(qiáng)夯路基與傳統(tǒng)路基的綜合對(duì)比

基于濱海新區(qū)某功能區(qū)的土壤環(huán)境和地質(zhì)條件特征及強(qiáng)夯分析結(jié)果，進(jìn)一步提出適用于該功能區(qū)的強(qiáng)夯素填土路基典型結(jié)構(gòu)。其設(shè)計(jì)思路是：通過填筑素填土并采用強(qiáng)夯工藝制作施工機(jī)械承托層，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的山皮土或混渣等石質(zhì)材料，同時(shí)也代替6%的石灰土路基部分；路床部分仍維持30 cm碎石墊層和60 cm石灰土(水泥石灰土、水泥石灰固化土)不變。圖4、5依次為傳統(tǒng)路基淺層處理典型結(jié)構(gòu)及強(qiáng)夯素填土路基結(jié)構(gòu)。表2為不同路基填筑結(jié)構(gòu)的綜合效益分析。

圖5 強(qiáng)夯素填土路基結(jié)構(gòu)

對(duì)比圖4、5中傳統(tǒng)路基與強(qiáng)夯素填土路基結(jié)構(gòu)可知：強(qiáng)夯素填土路基能夠有效利用素填土，減少了石料、水泥及石灰等建材用量，降低了此類建筑材料生產(chǎn)的能耗和污染。同時(shí)濱海新區(qū)優(yōu)質(zhì)建材匱乏，采用傳統(tǒng)路基填筑結(jié)構(gòu)時(shí)消耗建材較多，而采用強(qiáng)夯素填土路基結(jié)構(gòu)能夠降低外運(yùn)石料、山土皮等運(yùn)輸成本，同時(shí)減少運(yùn)輸材料的重載車輛對(duì)濱海新區(qū)已經(jīng)建成的道路基礎(chǔ)設(shè)施的破壞。進(jìn)一步分析表2可知，采用強(qiáng)夯素填土方案的工程造價(jià)僅為150～210 元·m-2，且路基承載力能夠滿足市政道路路基的設(shè)計(jì)要求，具有良好的社會(huì)、環(huán)境效益，有利于促進(jìn)濱海新區(qū)筑路方式向著節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)的方向發(fā)展。

表2 路基處理綜合效益對(duì)比分析

4 結(jié) 語

(1)采用強(qiáng)夯法進(jìn)行路基處治時(shí)夯實(shí)層厚度約為3.0 m左右，應(yīng)大于路基工作區(qū)深度，同時(shí)夯實(shí)層底面應(yīng)位于地下水位高度上1.0 m以上位置。

(2)對(duì)淺層素填土路基進(jìn)行強(qiáng)夯的優(yōu)選方案為：前后夯擊3次，均為低能級(jí)滿夯，夯擊能依次為1 000、1 000、800 kN·m。采用該夯擊方案處治后的路基承載能力較高、均勻性較好。

(3)基于硬殼層理論的強(qiáng)夯素填土路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能夠適合天津市濱海新區(qū)軟土路基處治，處治后路基強(qiáng)度、穩(wěn)定度及工后沉降均滿足市政道路要求，實(shí)用性良好。

(4)所設(shè)計(jì)強(qiáng)夯路基典型結(jié)構(gòu)可推廣性較高，且 在施工中可減少或取消山皮土(混渣)、石料和石灰土等材料的消耗，相比于傳統(tǒng)方案更為節(jié)能環(huán)保，其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益顯著，有利于促進(jìn)濱海新區(qū)筑路方式向著綠色生態(tài)的方向發(fā)展。