連 昕
(山西省公路工程監(jiān)理技術(shù)咨詢有限公司,山西 太原 030006)
山西省是實(shí)現(xiàn)我國(guó)東中西部資源互動(dòng)、南北地區(qū)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的重要交通樞紐中心。近年來,在中部崛起戰(zhàn)略和建設(shè)新型能源工業(yè)基地戰(zhàn)略的指導(dǎo)下,山西公路交通建設(shè)率先進(jìn)入了歷史轉(zhuǎn)型跨越發(fā)展期。
山西有超過80%的土地被粉土所覆蓋,粉土作為路基填料使用時(shí),干燥易被壓碎,飽水后又易形成流體狀態(tài),穩(wěn)定性差,且難以碾壓成型[1],即使能夠成型,壓實(shí)度與CBR也難以達(dá)到規(guī)范要求。因此根據(jù)已有成功工程實(shí)踐可知,采用良好的工法并控制路基的含水率可在服役期限內(nèi)不出現(xiàn)較大病害[2]。強(qiáng)夯法于20世紀(jì)60年代創(chuàng)于法國(guó),錘重可達(dá)40 t,落距最高可達(dá)40 m,對(duì)于提高地基承載力,減小土體濕陷性、沉降有著顯著的效果[3]。鑒于此,依托工程研究強(qiáng)夯法在山西濕陷性粉土中的應(yīng)用。
強(qiáng)夯法施工前需勘測(cè)施工區(qū)域的地質(zhì)條件,根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定適宜的施工參數(shù),包括夯擊次數(shù)與錘重。因工藝簡(jiǎn)單,強(qiáng)夯法適用范圍廣,且施工成本低。然而施工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)不適宜在人口集中的地區(qū)。隨著強(qiáng)夯法的研究發(fā)現(xiàn),與多種工法結(jié)合使用可取得更好的土體加固效果[4]。
強(qiáng)夯法具有施工操作簡(jiǎn)單,加固效果顯著,可取得較高的承載力,一般地基強(qiáng)度可提高2~5倍;變形沉降量小,壓縮性可降低2~10倍,加固影響深度可達(dá)6~10 m;土粒結(jié)合緊密,有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;工效高,施工速度快;節(jié)省加固原材料等特點(diǎn)。
強(qiáng)夯法處理地基是20世紀(jì)60年代由法國(guó)Menard公司首創(chuàng)的,該方法利用夯錘自由下落產(chǎn)生的沖擊能和振動(dòng)反復(fù)夯擊地基土,從而提高地基土的承載力,降低地基土的壓縮性,消除濕陷性土的濕陷性和砂土的液化。
強(qiáng)夯法適用于碎石土、砂土、低飽和度的粉土和黏性土、濕陷性黃土、素填土、雜填土地基,當(dāng)其用于飽和軟黏土地基處理時(shí)盡可能采用低能量強(qiáng)夯或與其他排水方法相結(jié)合的方案進(jìn)行強(qiáng)夯地基處理。
強(qiáng)夯法已在工程中得到廣泛的應(yīng)用。有關(guān)強(qiáng)夯機(jī)理的研究,雖然國(guó)內(nèi)外已做了不少工作,但至今未取得滿意的結(jié)果。其主要原因是各類地基土的性質(zhì)差別很大,很難建立適用于各類土的強(qiáng)夯加固理論。有必要按不同土類分別研究強(qiáng)夯機(jī)理及其相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。
山西省朔州環(huán)城高速公路全長(zhǎng)64.4 km,西段起于平魯區(qū)北鋪上村,接入榮烏高速,至黃兒莊東;南段起于朔城區(qū)西影寺村西北,接入大運(yùn)高速朔州支線,至黃兒莊東北。全線采用四車道高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)速度為100 km/h,路基寬度為26 m,全線橋涵設(shè)計(jì)荷載等級(jí)采用公路-I級(jí)。地基承載力要求處理后不低于200 kPa。在全線取了5種代表性土樣進(jìn)行物理力學(xué)性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見表1,粉土厚度約為0.8~3 m。
表1 粉土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)
工程應(yīng)用中,在一定的夯擊能作用下,不同的錘重和落距組合會(huì)引起加固效果的變化[5-6]。如何選用錘重和落距的組合會(huì)對(duì)施工效率等產(chǎn)生影響,因此參照已有研究擬定4組相同錘擊動(dòng)量下不同錘重與落距組合,在依托項(xiàng)目的試驗(yàn)段進(jìn)行試夯,并對(duì)強(qiáng)夯效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
4組相同錘擊動(dòng)量下不同錘重與落距組合下的夯沉量測(cè)試結(jié)果見表2。
表2 不同錘重下的夯沉量測(cè)試
由表2可知,隨著錘重的增加、落距的減小,夯沉量隨之增加。采用錘重為4 t,落距為12 m的組合時(shí),隨著錘擊次數(shù)的增加,夯沉量逐漸趨于穩(wěn)定;采用錘重為12 t,落距為4 m的組合時(shí),隨著錘擊次數(shù)的增加,夯沉量依然有明顯增加,需要更多的錘擊次數(shù),在此組合下夯沉量才能趨于穩(wěn)定。從夯沉量來看,隨著錘重的增加與落距的減小,達(dá)到同樣的夯沉量所需的錘擊次數(shù)越來越少。根據(jù)強(qiáng)夯法的振動(dòng)機(jī)理,重錘產(chǎn)生的振動(dòng)波波長(zhǎng)大于輕錘,因此在加固地基過程中相較于輕錘的短波,加固效果衰減較慢[7]。而從施工的角度分析,采用重錘低落距不僅提升了施工效率,而且施工成本低,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好。
4組相同錘擊動(dòng)量下不同錘重與落距組合在試夯一周后進(jìn)行物理力學(xué)指標(biāo)的測(cè)試,取土原則上在夯擊區(qū)域等間距布設(shè),物理力學(xué)指標(biāo)以相同深度的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),測(cè)試結(jié)果見表3。
表3 不同取土深度下4種組合的物理力學(xué)指標(biāo)
由表3可知,經(jīng)強(qiáng)夯法處理后,滿足規(guī)范所要求的濕陷系數(shù)小于0.015。隨著錘重的增加與落距的減小,物理力學(xué)指標(biāo)提升明顯,重錘低落距的加固效果整體優(yōu)于輕錘高落距。有研究指出,在濕陷性粉土路基處理過程中,錘擊次數(shù)過多會(huì)導(dǎo)致空隙水壓力增加,往往難以消散,從而形成彈簧土。因此采用重錘低落距可以減少此類現(xiàn)象。
在4種組合試夯1個(gè)月后,采用平板荷載試驗(yàn)和動(dòng)力標(biāo)貫試驗(yàn)驗(yàn)證地基承載力。
4.1.1 平板荷載試驗(yàn)
在試驗(yàn)場(chǎng)地對(duì)4組相同錘擊動(dòng)量下不同錘重與落距組合進(jìn)行地基承載力的檢驗(yàn),施加荷載大于設(shè)計(jì)要求的2倍,分10級(jí)進(jìn)行加載,根據(jù)荷載-沉降關(guān)系線記錄測(cè)試結(jié)果,見表4。
表4 不同取土深度下4種組合的物理力學(xué)指標(biāo)
由表4可知,承載力特征值為240 kPa,大于設(shè)計(jì)要求,儀器記錄的荷載-沉降關(guān)系無明顯拐點(diǎn)。在重錘低落距的組合下,沉降更小,地基承載力更高。
4.1.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)
采用63.5 kg的重錘在76 cm的高度自由下落,在自重作用下將貫入器貫入試驗(yàn)段的土層中,每貫入10 cm時(shí)記錄下貫入次數(shù),最終的錘擊次數(shù)以貫入30 cm計(jì)。經(jīng)檢測(cè)4組相同錘擊動(dòng)量下不同錘重與落距組合測(cè)得的承載力在205~230 kPa之間,與平板荷載試驗(yàn)結(jié)果接近,呈現(xiàn)的規(guī)律一致。說明強(qiáng)夯處理后,粉土地基密實(shí)度和強(qiáng)度均得到提高。測(cè)試結(jié)果見表5。
表5 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)下的極限承載力
在4組相同錘擊動(dòng)量下不同錘重與落距組合下的試驗(yàn)區(qū)域選3處采用灌砂法進(jìn)行壓實(shí)度的檢測(cè),測(cè)試結(jié)果見表6。
表6 壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果(最大干密度1.87 g/cm3)
由表6可知,強(qiáng)夯后的土層壓實(shí)度均高于處治前,達(dá)到了路基93%的壓實(shí)度要求。在重錘低落距下,壓實(shí)度的提升最高。
a)鑒于不同的錘重和落距組合會(huì)影響加固效果,擬定4組相同錘擊動(dòng)量下不同錘重與落距組合,經(jīng)夯沉量與物理力學(xué)指標(biāo)的測(cè)試發(fā)現(xiàn),隨著錘重的增加與落距的減小,達(dá)到同樣的夯沉量所需的錘擊次數(shù)越來越少。隨著錘重的增加與落距的減小,物理力學(xué)指標(biāo)提升明顯,重錘低落距的加固效果整體優(yōu)于輕錘高落距,并可減少?gòu)椈赏恋炔『Α?/p>
b)通過平板荷載試驗(yàn)與動(dòng)力標(biāo)貫檢測(cè)對(duì)地基承載力進(jìn)行檢驗(yàn),承載力特征值均大于設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證了在重錘低落距的組合下,沉降更小,地基承載力更高。
c)通過灌砂法檢測(cè)了壓實(shí)度,發(fā)現(xiàn)均高于處治前,符合規(guī)范要求,重錘低落距下,壓實(shí)度的提升最高。
d)根據(jù)不同組合的試夯試驗(yàn)結(jié)果,從提升施工效率與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的角度考慮,重錘低落距更適用于濕陷性粉土路基,建議采用12 t重錘,落距取4 m。