宋強(qiáng)

（河北通宇建筑工程有限公司，河北 張家口 075000）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)度的不斷發(fā)展，高填方路段公路的修筑也越來(lái)越多。為保證高填方路基段的穩(wěn)定性以及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的工后沉降能夠滿足要求，在施工過(guò)程中除了分層填筑外，還需要對(duì)高填方路基段進(jìn)行強(qiáng)夯追密處理，以提高高速公路路基的壓實(shí)度。本文以河北省延崇高速K36+290～K36+490高填方試驗(yàn)段為工程背景，對(duì)特殊路段處路基填料的工程特性進(jìn)行了研究，并分析了強(qiáng)夯追密處理技術(shù)在高填方路基中的加固機(jī)理及強(qiáng)夯追密處理技術(shù)在加固過(guò)程中的影響因素，以期為相關(guān)工程提供一定的參考。

1 工程概況

河北省延崇高速整體呈現(xiàn)為北高南低、海拔高、地形復(fù)雜。延崇高速試驗(yàn)段K36+290～K36+490途徑黃土地區(qū)，地質(zhì)條件不良。延崇高速出現(xiàn)了大量的高填方工程，需要利用強(qiáng)夯追密法對(duì)高填方路基進(jìn)行處理，試驗(yàn)段里程為K36+290～K36+490，最大填方高度可達(dá)24m，最大夯擊能量為3500kN·m。

2 高速公路路基填料特性

2.1 填料顆粒分析

根據(jù)公路工程室內(nèi)試驗(yàn)相關(guān)規(guī)范，利用篩分法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段K36+290～K36+490處高速公路路基填料進(jìn)行篩分，得到現(xiàn)場(chǎng)路基填料的級(jí)配曲線如圖1所示。

由圖1可知，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段路基填料的有效粒徑為0.001mm，連續(xù)粒徑為0.005mm，限定粒徑為0.021mm。通過(guò)計(jì)算可知，填料的不均勻系數(shù)C等于限定粒徑與有效粒徑的比值，為21.0；填料的曲率系數(shù)C等于1.19；曲率系數(shù)C在1～3之間，不均勻系數(shù)C大于5，說(shuō)明填料的級(jí)配良好，滿足規(guī)范要求。

圖1 路基填料級(jí)配曲線

同時(shí)利用室內(nèi)土工試驗(yàn)，對(duì)路基填料的比重、液塑限進(jìn)行測(cè)定，如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)填料的物理指標(biāo)

現(xiàn)場(chǎng)填料的液限為32.4%，塑性指數(shù)為7.4，滿足公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于路基填料的液限低于50%、塑性指數(shù)低于26的要求。并結(jié)合填料的級(jí)配曲線可知，河北省延崇高速公路K36+290～K36+490處的路基填料級(jí)配良好，滿足路基施工要求。

2.2 最大干密度及最優(yōu)含水量

在公路路基施工過(guò)程中，為保證路基的強(qiáng)度及填料的密實(shí)度，往往通過(guò)分層填筑的方法進(jìn)行施工，可以有效地降低路基填料的壓縮性，并減小填料透水性，從而獲得較好的填筑效果。在進(jìn)行分層壓實(shí)前，需要通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)確定路基填料的最大干密度及最優(yōu)含水量。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)路基填料進(jìn)行取樣，然后根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE40—2007），選取不同的擊實(shí)參數(shù)。最后將根據(jù)公式（1）可以得到不同含水量條件下路基填料的干密度。

在進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)注意潤(rùn)滑劑及含水率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，嚴(yán)格控制試驗(yàn)過(guò)程中試樣的均勻性、含水率及潤(rùn)滑劑使用情況，減少因人為因素給試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。

通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，得到不同含水率條件下路基填料的試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示，路基填料的最大干密度為1.87g/cm，最佳含水量為13.6%。

表2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，路基填料的干密度隨著含水率的增加而逐漸增加，當(dāng)含水率達(dá)到最優(yōu)含水量后，路基填料的干密度會(huì)隨著含水率的增加而逐漸減少，這是因?yàn)椋旱谝?，?dāng)路基填料的含水量較小時(shí)，填料顆粒之間的結(jié)合水膜較薄，干密度較??；第二，隨著含水量的增加，顆粒之間的結(jié)合水膜逐漸增大，顆粒間的移動(dòng)相對(duì)容易，從而使得干密度逐漸增大；第三，當(dāng)填料含水量大于最優(yōu)含水量時(shí)，路基填料控制間的水分較多，孔隙水排出困難，相同擊實(shí)功下，干密度開(kāi)始下降。因此，在施工過(guò)程中應(yīng)通過(guò)灑水或者晾曬控制路基填料的含水量。

2.3 孔隙比及壓縮模量

通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)可以得到路基填料在外力作用下的變形特性，并可以獲得路基填料的變形特性指標(biāo)，如壓縮模量、孔隙比及壓縮系數(shù)等，以此對(duì)路基填料的力學(xué)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)或者計(jì)算路基的沉降。通過(guò)室內(nèi)單軸壓縮儀器，對(duì)最優(yōu)含水量條件下（13.6%）的壓實(shí)度分別為95%、96%和97%的路基填料進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，得到不同壓實(shí)度條件下路基填料的變形特性參數(shù)如表3所示。

表3 固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，相同含水量條件下，路基填料的孔隙比和壓縮模量隨著壓實(shí)度的增加而增加，壓縮系數(shù)逐漸降低，填料的壓縮性也越低。因此在實(shí)際施工過(guò)程中，可通過(guò)強(qiáng)夯追密技術(shù)增加路基填料的壓縮模量，降低填料壓縮性，從而進(jìn)一步提高路基的強(qiáng)度及整體穩(wěn)定性，并有效控制地基的沉降量。

3 強(qiáng)夯追密技術(shù)在高速公路路基施工中應(yīng)用

強(qiáng)夯追密技術(shù)是將一定重量的夯錘起吊8～30m，然后松開(kāi)夯錘，讓夯錘做自由落體運(yùn)動(dòng)，在夯錘自重的作用下，對(duì)路基填料產(chǎn)生一定的沖擊，從而對(duì)路基薄弱處進(jìn)行加固，以此來(lái)提高路基承載力，減小路基沉降的一種路基加固方法。強(qiáng)夯追密法具有施工速度快，對(duì)環(huán)境污染較小等優(yōu)點(diǎn)，但由于在利用夯錘荷載對(duì)路基進(jìn)行加固過(guò)程中，會(huì)發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象，可能對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生一定的影響，而且在強(qiáng)夯過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此在人口密集處不宜使用強(qiáng)夯追密法。

3.1 強(qiáng)夯追密技術(shù)的加固機(jī)理

強(qiáng)夯追密法的加固機(jī)理大致可分為宏觀及微觀兩個(gè)方面，其中宏觀方面可以從沖擊力、應(yīng)力波的傳播和土體強(qiáng)度三個(gè)角度進(jìn)行分析；當(dāng)夯錘從一定高度下落到路基表面時(shí)，會(huì)對(duì)路基填料產(chǎn)生巨大的沖擊力，從而使得路基填料的強(qiáng)度得到改善。路基表面從淺到深依次可分為表面松動(dòng)層、加固層及彈性層。路基表面的沖擊波，透過(guò)路基表面松動(dòng)層，對(duì)路基內(nèi)部的土體進(jìn)行加固，使得路基內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化，強(qiáng)度提高，從而形成加固層。沖擊波繼續(xù)向下傳播，但傳播能量逐漸降低，當(dāng)傳播到加固層以下某個(gè)深度以后，路基的塑性變形可忽略不計(jì)，從而形成彈性層。

從微觀角度考慮，夯錘從一定高度下落到路基表面后，夯錘的勢(shì)能全部轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，而夯錘的大部分動(dòng)能又會(huì)以聲波的形式傳遞給路基，從而降低了路基填料顆粒之間的孔隙，土顆粒重新排列。在填料顆粒中存在一定數(shù)量的封閉氣泡，隨著夯錘的沖擊，對(duì)路基填料產(chǎn)生巨大的振動(dòng)，從而使得土體產(chǎn)生一定的裂縫，土體內(nèi)的孔隙不斷被壓縮，快速發(fā)生固結(jié)，土體的壓縮模量也不斷增大，地基承載力也會(huì)得以提高。

在強(qiáng)夯追密施工過(guò)程中，強(qiáng)夯追密的加固深度是影響施工質(zhì)量的重要因素，實(shí)際施工過(guò)程中，多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定強(qiáng)夯追密的加固深度，如公式（2）所示。

式（2）中：為有效加固深度，；為夯錘的重量，t；為夯錘的落距，m；在確定強(qiáng)夯追密的加固深度時(shí)，還需要考慮地下水位及填料特性的影響，對(duì)加固深度進(jìn)行修正。

3.2 強(qiáng)夯追密技術(shù)加固路基的影響因素分析

3.2.1 單擊夯擊能

單擊夯擊能越大，對(duì)路基表面淺層土體的壓密效果越好，由于夯擊能在土體傳遞過(guò)程中不斷擴(kuò)散，所以對(duì)路基表面以下深層土體的加固效果，會(huì)隨著豎向深度的增加而逐漸減小。

單擊夯擊能的大小由夯錘的重量及高度決定，在實(shí)際施工過(guò)程中，夯錘的重量及高度不宜過(guò)大或者過(guò)小。夯錘的重量及高度過(guò)小則夯實(shí)能量不足，從而導(dǎo)致路基的強(qiáng)度和承載力達(dá)不到要求；夯錘的重量及高度過(guò)大，則會(huì)在路基表面形成一層橡皮土，加固效果減弱，還會(huì)造成資源浪費(fèi)。

3.2.2 夯錘的底部面積

夯錘在與路基表面接觸的瞬間，夯錘動(dòng)能會(huì)全部轉(zhuǎn)換成對(duì)路基的作用力，從而起到給路基加固的作用。在進(jìn)行能量傳遞的過(guò)程中，會(huì)對(duì)路基土體的結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞，使得路基土體孔隙之間的空氣被排出，土體的壓縮性降低，路基承載力提高。

從能量角度來(lái)看，相同夯錘沖擊作用下，夯錘底部的面積越小，對(duì)路基土體的沖擊力也就越大，土體的破壞形式以剪切破壞為主，加固深度也增大。但當(dāng)夯錘底部面積過(guò)小時(shí)，雖然對(duì)夯錘底部土體的加固效果較好，但在夯錘周邊的土體可能產(chǎn)生隆起，這樣就需要通過(guò)增加夯錘點(diǎn)來(lái)達(dá)到路基整體加固效果，工程量增加。當(dāng)夯錘面積過(guò)大時(shí)，相同夯錘重量及高度情況下，對(duì)路基土體的加固作用力相對(duì)較小，可能因?yàn)楹粨裟懿蛔悖馏w不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，加固效果不能得到保證。

3.2.3 夯擊遍數(shù)

單夯擊實(shí)能量、夯錘低面積及夯點(diǎn)平面布置確定后，需要確定的是夯擊次數(shù)和遍數(shù)，路基底部一定范圍內(nèi)土體的強(qiáng)度會(huì)隨著夯擊次數(shù)和遍數(shù)而逐漸增加，但當(dāng)夯擊次數(shù)和遍數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后，較深范圍內(nèi)路基土體強(qiáng)度的變化不再明顯。

在施工過(guò)程中，利用水準(zhǔn)儀對(duì)不同夯實(shí)遍數(shù)下的路基沉降量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)確定最佳夯擊遍數(shù)，控制擊實(shí)能為2500kN·m，得到不同擊實(shí)遍數(shù)下路基的單擊沉降量，如圖2所示。

圖2 不同夯實(shí)次數(shù)下路基單擊沉降量

由圖2可知，不同夯擊能情況下，隨著夯擊次數(shù)的增加，路基的單擊沉降量表現(xiàn)為逐漸減少，最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)夯擊能為2500kN·m時(shí)，夯擊次數(shù)為1～6時(shí)，路基的單擊沉降量下降比較明顯，由32cm下降到3cm，然后趨于穩(wěn)定，最終的單擊夯沉量穩(wěn)定在1cm左右，根據(jù)建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定，夯擊次數(shù)為7次時(shí)，能夠滿足沉降量要求。當(dāng)夯擊能為3500kN·m時(shí)，夯擊次數(shù)為1～6時(shí)，路基的單擊沉降量下降比較明顯，由42cm下降到4cm，然后趨于穩(wěn)定，最終的單擊夯沉量穩(wěn)定在1cm左右，根據(jù)建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定，夯擊次數(shù)為6次時(shí)，能夠滿足沉降量要求。不同夯擊能情況下路基的單擊沉降量差值隨著夯擊遍數(shù)的增加而不斷減小，且夯擊能越大，單擊沉降量也越大：?jiǎn)螕舫两盗坎钪捣謩e為10cm、8cm、7cm、4cm、2cm、1cm、1cm、1cm、0cm、0cm，說(shuō)明第六次夯擊后，夯擊達(dá)到飽和，夯沉量的值趨于穩(wěn)定。

夯擊遍數(shù)以施工單位的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定，國(guó)內(nèi)在強(qiáng)夯追密法施工的時(shí)候一般都是，先進(jìn)行2～4遍點(diǎn)夯，然后再進(jìn)行1～2遍的滿夯，具體夯擊遍數(shù)應(yīng)根據(jù)路基填料的材料特性和滲透性進(jìn)行適當(dāng)增加或減少。

4 結(jié)論

本文以河北省延崇高速K36+290～K36+490高填方試驗(yàn)段為工程背景，對(duì)特殊路段處路基填料的工程特性進(jìn)行了研究，并分析了強(qiáng)夯追密處理技術(shù)在高填方路基中的加固機(jī)理及強(qiáng)夯追密處理技術(shù)在加固過(guò)程中的影響因素，得到以下結(jié)論：一是試驗(yàn)段填料的不均勻系數(shù)C為21.0，曲率系數(shù)C等于1.19，液限為32.4%，塑性指數(shù)為16.7，滿足公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于路基填料的要求。二是路基填料的干密度隨著含水率的增加而逐漸增加；當(dāng)含水率達(dá)到最優(yōu)含水量后，路基填料的干密度會(huì)隨著含水率的增加而逐漸減少。相同含水量條件下，路基填料的孔隙比和壓縮模量隨著壓實(shí)度的增加而增加，壓縮系數(shù)逐漸降低，填料的壓縮性也越低。三是強(qiáng)夯追密法具有施工速度快，對(duì)環(huán)境污染較小等優(yōu)點(diǎn)。在施工過(guò)程中應(yīng)合理選擇單擊夯擊能、夯錘的底部面積、夯擊次數(shù)和遍數(shù)等強(qiáng)夯參數(shù)，以保證強(qiáng)夯追密法路基加固效果。