傅 海 龍

(鄭州路橋建設(shè)投資集團有限公司， 河南 鄭州 450100)

強夯法作為一種處理特殊路基的施工方法，具有效果明顯、施工成本較少、施工速度較快等優(yōu)點，被廣大工程人員作為首選的特殊路基施工技術(shù)措施[1-4]，與此同時也吸引了國內(nèi)外許多學者研究強夯法處理軟黏土地基，Menard等[5]根據(jù)現(xiàn)有的動力固結(jié)理論和大量的工程實踐分析研究，認為強夯法可應(yīng)用于加固處理飽和軟黏土，利用力學模型解釋了飽和黏性土地基強夯法加固成功的原因。Yuan等[6]認為飽和黏性土的強夯效果是否成功，完全取決于土體在沖擊作用下土體結(jié)構(gòu)破壞時土中裂隙的形成能否使孔隙水進行排除，當土體中小顆粒(粒徑d<0.035 mm)占四分之一以上時，不適合采用強夯來進行加固。張學武等[7]結(jié)合實際工程分析研究了強夯置換對軟土地基的加固處理效果，并取得了良好的效果。鄒超群等[8]進行了現(xiàn)場的強夯振動測試，分析了在不同場地條件、不同能級強夯作用對土體的振動衰減規(guī)律、影響距離及振動主頻等特征。王智合[9]采用平板荷載、標準貫入、靜力觸探、重型動力觸探及室內(nèi)土工試驗研究對比，分析了強夯法處理素填土和液化土地基的適用性與設(shè)計參數(shù)選取的合理性。Leonards等[10]研究認為強夯法加固地基，其加固效果與加密、固結(jié)用、預(yù)加變形作機理有關(guān)。但在特殊地質(zhì)條件下，路基的強夯設(shè)計參數(shù)和加固機理仍有待進一步完善[11-12]?；诖?，本文依托公路軟黏土路基強夯加固工程展開了現(xiàn)場試驗研究。旨在確定路基強夯施工參數(shù)，并為相應(yīng)軟黏土地基強夯工程提供借鑒。

1 工程概況

本工程試驗區(qū)位于某高速公路項目K54+200—K54+400段，試驗段長度為200 m，寬度為路基底寬24.5 m，通過對該試驗段路基的強夯試驗，以期對全路段強夯可行性提供參考。該高速公路主線設(shè)計標準為雙向四車道高速公路，其中整體式路基寬度為24.5 m，分離式路基寬度為12.25 m，汽車荷載等級按公路I級設(shè)計，主線設(shè)計行車速度80 km/h。

1.1 場區(qū)自然條件

本區(qū)屬浸蝕河谷II級階地地貌，階地地勢平緩，表層為土層覆蓋，自然縱坡5°～10°，相對高差小于10 m，植被一般發(fā)育，局部松林密布。該工程地處亞中熱地帶向南亞帶過渡的季風氣候帶，夏長炎熱，冬短不寒，雨量充沛，光溫豐足，雨熱同季，無霜期長，垂直溫差大于維度差，中南部多年氣溫為20.6°，而北部山區(qū)在16.5℃之間。

1.2 場區(qū)地質(zhì)條件

場地區(qū)域內(nèi)主要是由水系沿線的地下滲流、降水等方式補給。場地內(nèi)原始地層如下：

(1) 軟黏土：本場地中軟黏土，厚度一般在6 m～10 m。土體含水量很高、土體中孔隙比大，含水率一般超過30%。具有變形大、強度低的特點，承載力僅為50 kPa～170 kPa，本地區(qū)軟黏土與規(guī)范定義的軟土相比：含水量稍高但與液限接近，承載力在規(guī)范定義范圍內(nèi)，與規(guī)范定義的軟土稍有差異，但工程性質(zhì)較為接近，因此定義為軟黏土。軟黏土往往夾有多層砂土。

(2) 卵礫石：厚度一般在1 m～5 m,局部大于5 m，多為粉土覆蓋，埋藏深度為10 m左右。卵礫石磨圓較好，以圓或次圓為主，卵礫石顆粒級配分析結(jié)果表明，卵石含量在44.0～73.5之間，為良好的持力層，其承載力一般在500 kPa～1 000 kPa。

(3) 黏性土：黏性土多數(shù)夾在粉土層或碎石土中，為各土層結(jié)構(gòu)的軟弱夾層。一般土層厚度<1 m，埋藏深度一般在3 m～5 m。

由于現(xiàn)場條件限制，本道路工程只能在軟弱地層軟黏土上回填礫石土，由于軟黏土的承載力很低，所以需要對路基進行回填加固才能保證路基的穩(wěn)定。軟黏土本身性質(zhì)容易引起路基土體的承載力較低。加之路基施工周期較短，土體固結(jié)狀態(tài)不佳，只有采取合適的路基加固措施處理，才能保證道路有足夠的承載力保證車輛的通行安全，才能有效減少施工后的道路的沉降量。該項目軟黏土填方試驗區(qū)的軟黏土深度大約在7 m左右，為褐黃色的粉質(zhì)軟黏土，性狀為軟塑，填土的原始承載力為80 kPa～100 kPa。

2 試驗方案

由于強夯施工工藝的施工設(shè)備比較簡單、施工很容易操作、施工材料較為節(jié)省、施工后的效果較為明顯等諸多優(yōu)點，目前強夯法加固處理公路路基加固已廣泛用于工程實踐當中，本工程路基處理擬采用強夯法施工，對于該工程的軟黏土的地質(zhì)條件，其施工的施工參數(shù)必須經(jīng)過現(xiàn)場試驗分析驗證以及對該地質(zhì)土質(zhì)進行現(xiàn)場強夯施工的效果檢驗來確定。本工程強夯試驗強夯吊機采用50 t履帶式吊機，使用帶有自動脫鉤的吊鉤裝置起吊夯錘，強夯夯錘采用圓形夯錘，夯錘重10 t，夯錘直徑2.0 m。

2.1 加固參數(shù)及方案確定

強夯法的主要設(shè)計參數(shù)包括:夯擊遍數(shù)、每遍夯擊次數(shù)、單擊夯擊能、有效加固深度、每遍間隔時間、夯擊點布置方式和間距和夯實處理范圍等。

強夯法的有效加固深度是強夯設(shè)計的最重要最基本的參數(shù)，強夯法創(chuàng)始人Menard[6]曾提出下式(1)可估算單次夯擊的影響深度H：

(1)

式中：M為夯錘重，t，h為夯錘落距，m。

我國《公路路基設(shè)計規(guī)范》[13](JTG D30—2015)中規(guī)定,強夯的有效加固深度d可按式(2)估算。

(2)

式中：m為夯錘質(zhì)量，t；h為夯錘落距，m；α為修正系數(shù)，與土質(zhì)條件、地下水位、夯擊能大小、夯錘底面積等因素有關(guān)，其范圍值為0.34～0.80，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試夯結(jié)果確定。

該項目軟黏土路基試驗區(qū)的路基深度大約在7 m左右，根據(jù)公式(1)得所需夯錘落距為4.9 m。按照《規(guī)范》[13]，取α=0.5，根據(jù)公式(2)得所需夯錘落距為8.0 m。最終確定以夯擊落距大于8 m為準。

《公路路基設(shè)計規(guī)范》[13](JTG D30—2015)中規(guī)定，夯擊遍數(shù)應(yīng)根據(jù)路基土的性質(zhì)確定，可采用點夯2～4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，滿夯可采用輕錘或低落距錘多次夯擊，錘印搭接。

本工程試驗區(qū)強夯擬定方案為三遍強夯，其中第一、第二遍強夯為正式夯擊施工，最后一遍強夯為低能量滿夯。強夯施工時應(yīng)遵循“先輕后重、逐級加能”的強夯原則，工程實踐表明，對于軟黏土路基，運用這種“先輕后重、逐級加能”逐級加能的強夯方式加固的效果要優(yōu)于“先重后輕”的傳統(tǒng)強夯方法。

目前，夯點的布置方式一般有正方形布置或正三角形布置，不同的夯點的布置形式，將影響強夯加固的質(zhì)量效果和施工的工效。從強夯的工程實際以及分析計算來看，在同等單次夯擊能的情況下，正三角形布置時單位面積夯點布置更密集，夯擊能更高，在相同條件下正三角形夯點布置形式的加固效果要比正方形夯點布置形式更好[14-15]。因此，試驗區(qū)的夯點采用正三角形方式布置，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，暫取夯點之間的距離為3 m,具體布置見圖1。

圖1夯點布置示意圖

為了全面比較不同夯能下夯擊作用對軟黏土的加固效果，本工程試驗中兩遍正式夯擊將采用不同的單擊夯能，第一遍擬定單擊夯能為800 kN·m的小能量夯擊，第二遍擬定單擊夯能為1 400 kN·m的大能量夯擊，第三遍擬定單擊夯能為400 kN·m的低能量進行滿夯試驗。

試驗時每遍夯擊的次數(shù)由單點夯擊試驗確定，若以最后一次夯擊的夯沉量小于等于5 cm為夯實質(zhì)量的控制標準。單點的強夯試驗是在夯擊過程中通過對單點夯坑的沉降觀測，來分析研究單點每遍強夯的最佳夯擊次數(shù)。

2.2 試驗觀測內(nèi)容

(1) 地面沉降的觀測內(nèi)容：在試驗區(qū)內(nèi)布置5 m×5 m的測點方格網(wǎng)(見圖2)，用水準儀測量地面在強夯前和強夯后的地面沉降的情況。

圖2地面沉降觀測方格網(wǎng)

(2) 夯坑沉降的觀測內(nèi)容：在試驗區(qū)單點夯處，用水準儀量測每次夯擊引起的夯坑沉降量，實時動態(tài)的觀測土體的加固效果和夯實情況，從而確定其最佳的夯擊次數(shù)。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 夯坑沉降數(shù)據(jù)分析

施工過程中嚴格按照夯擊規(guī)定的步驟和工作要求進行現(xiàn)場觀測記錄，并在每次單點強夯試驗夯擊完成后，對夯坑觀測的沉降數(shù)值進行分析研究，觀測的沉降數(shù)值見圖3和圖4。

圖3單擊夯沉量變化直方圖

從圖3中可知，夯擊的單次沉降量隨著夯擊的次數(shù)的增加逐漸減少，在1～4次夯擊時產(chǎn)生的沉降量較大，隨著夯擊次數(shù)的不斷增加，軟黏土路基的總體夯沉量逐漸趨于一個穩(wěn)定值，施工時以最后一擊的夯沉量小于5 cm為完成標準，經(jīng)現(xiàn)場試驗和數(shù)據(jù)分析研究確定該軟黏土的最佳夯擊次數(shù)第一遍為5擊，第二遍為6擊。

從圖4中可知，試驗區(qū)第一遍采用800 kN·m夯能7次點夯后總的沉降為40.8 cm，第二遍采用1 400 kN·m夯能進行7次點夯后，總的沉降量為58.2 cm。

圖4累計夯沉量變化圖

從上述試驗數(shù)據(jù)分析，本工程應(yīng)采用的強夯單夯能量、夯擊次數(shù)施工參數(shù)見表1。

表1 試驗得強夯施工參數(shù)

3.2 地面沉降數(shù)據(jù)分析

本工程采用在試驗區(qū)內(nèi)布置5 m×5 m的地面沉降測方格網(wǎng)，進行對試驗區(qū)的地面沉降進行測量，通過測量強夯前及每遍強夯后的地面高程，計算出地面的平均沉降量，本試驗區(qū)強夯后的地面平均沉降觀測結(jié)果見表2。

表2 地面平均沉降結(jié)果

由表2可知，試驗區(qū)軟黏土第二遍強夯產(chǎn)生的地面的平均沉降值會小于第一遍產(chǎn)生的沉降量，這是因為第一遍強夯時土體中的孔隙較多，氣體、水等較多，但在第二遍強夯時土體中的孔隙在第一遍中已被壓縮，土體的可壓縮能力逐漸減小，地面的夯沉量也慢慢減小，軟黏土試驗區(qū)的三遍強夯均完成后，且土體沉降穩(wěn)定后，地面的總沉降為20 cm～40 cm，軟黏土路基地面的沉降變化與夯擊能量的大小有關(guān)，與軟黏土的填料的初始密實度也有關(guān)系，總體數(shù)值滿足要求。

4 加固效果分析

為了評價加固效果和加固質(zhì)量是否滿足設(shè)計的要求，并判斷強夯采用的施工參數(shù)是否合理，本文綜合運用壓實度檢測、靜力觸探檢測、標準貫入試驗檢測和載荷板試驗檢測等手段對路基檢測加固效果進行現(xiàn)場檢驗[16-17]。

4.1 壓實度試驗分析

本工程設(shè)計對軟黏土路基壓實度的要求為：振動碾壓后深度范圍再0～80 cm的填土層壓實度需大于等于95%，深度范圍在80 cm～150 cm的填土層壓實度需大于等于93%，深度范圍在150 cm以下的填土層壓實度需大于等于90%，振動碾壓結(jié)束后對軟黏土路基進行壓實度檢測，壓實度檢測試驗采用環(huán)刀法進行取樣，表3為該工程試驗區(qū)強夯加固后路基壓實度檢測數(shù)據(jù)，通過分析試驗區(qū)振動碾壓后路基壓實度數(shù)據(jù)可知：經(jīng)強夯加固后的路基，各深度壓實度均能滿足路基土壓實度設(shè)計要求。

表3 試驗區(qū)軟黏土壓實度檢測數(shù)據(jù)匯總表

4.2 靜力觸探試驗分析

本次試驗在強夯加固前后對土層均采取了靜力觸探試驗，通過對強夯加固效果進行得全面比較，考慮到該項目軟黏土強夯后的觸變固化時間比較長，因此在強夯結(jié)束后14 d在開始進行軟黏土路基的靜力觸探試驗，本次靜力觸探試驗在試驗區(qū)布置兩孔進行檢測，試驗以比貫入阻力Ps值為控制指標，強夯處理前后檢測孔的位置盡量保持在同一位置。圖5為強夯加固前后A-1和A-2孔靜力觸探試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)對比圖。

圖5軟黏土強夯前后靜力觸探檢測數(shù)據(jù)對比圖

由圖5可知，經(jīng)強夯加固的軟黏土路基深度范圍在0～6 m的靜力觸探值均有了不同程度的增加，其中0～4 m深度范圍內(nèi)靜力觸探值的增加值最為明顯，經(jīng)對檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析顯示0～4 m深度范圍土體的靜力觸探值由2.0 MPa增加到了4.0 MPa左右，靜力觸探值提高的幅度十分明顯，4 m～6 m深度范圍內(nèi)土體的靜力觸探值由2.0 MPa增加到了3.0 MPa左右，結(jié)果表明強夯處理的有效加固深度大約在7 m左右，滿足設(shè)計要求的有效加固深度6 m的要求。

4.3 載荷板試驗分析

本次載荷板試驗在試驗區(qū)進行了一組試驗，試驗的檢測點位布置在試驗區(qū)中心位置。載荷板為方形，面積為1.0 m2，載荷板試驗在強夯加固軟黏土路基處理結(jié)束14 d后進行，依據(jù)現(xiàn)場載荷板試驗數(shù)據(jù)可得到P-S曲線，見圖6。

由圖6可知，強夯加固處理后的軟黏土路基的沉降值相對比較平穩(wěn)，從載荷板試驗數(shù)據(jù)得出P-S曲線圖可以看出數(shù)據(jù)未出現(xiàn)明顯的拐點，在不同級別的荷載作用下載荷板的隨機穩(wěn)定性非常好，強夯后的軟黏土路基的承載力均在150 kPa以上，當加載至兩倍設(shè)計承載力值時，軟黏土路基的最大沉降為24.88 mm，軟黏土路基最大的回彈量為10.65 mm，通過試驗數(shù)據(jù)顯示此次軟黏土加固能夠滿足設(shè)計的要求。

圖6試驗區(qū)軟黏土載荷板試驗P-S曲線圖

4.4 標準貫入試驗分析

為全面對比軟黏土路基強夯前后貫入值的差異，該項目的標準貫入試驗需檢測強夯前后的貫入數(shù)據(jù)，并進行列表對比，由于黏土層強夯后其強度恢復(fù)的時間效應(yīng)，強夯結(jié)束第14 d后進行組織標準貫入試驗，標準貫入試驗的控制指標以標準貫入擊數(shù)N63.5進行檢測，檢測布置點兩孔且檢測點在強夯前后盡量保持在同一位置上。

軟黏土路基在深度范圍在0～6 m內(nèi)的軟黏土的N63.5(標準貫入擊數(shù))均得到了不同程度的提升，深度范圍在0～4 m內(nèi)軟黏土的N63.5(標準貫入擊數(shù))由夯前的5擊提高到10擊左右，提高幅度十分明顯達到了100%；深度范圍在4 m～6 m的的軟黏土的N63.5(標準貫入擊數(shù))由夯前的5擊提高到8擊以上，提高幅度約為70%。

5 結(jié) 論

(1) 本工程試驗確定的強夯參數(shù)為：單夯能量第一遍為800 kN·m、第二遍為1 400 kN·m，夯擊次數(shù)第一遍為夯擊5次，第二遍為夯擊6次。

(2) 通過靜力觸探，標準貫入試驗，載荷板試驗，壓實度檢測等路基強夯加固檢測方法對道路工程強夯試驗區(qū)加固效果進行檢驗，結(jié)果表明：擬定的各夯實參數(shù)最終的夯實結(jié)果滿足夯實試驗要求，能對本工程7 m深度的軟黏土進行有效夯實，夯實方案在經(jīng)濟、有效。可為類似工程提供借鑒和指導。