浅谈公路施工软基加固处理的强夯技术

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　　1 工程情况
　　该路段位于德州市德城区国道、省道交汇处，施工单位施工时出现高含水量、低强度、高压塑性的超软弱黏土。地层自上而下为：
　　①人工填土，色杂、松散――稍密，厚度1.0m~2.0m；
　　②海陆交互相沉积层（软土层），为淤泥，淤泥质粉质黏土，夹淤泥质细纱，灰黑色，饱和，流塑，松散，该层层底埋深3m~15m左右；
　　③冲积层。杂色，花斑状粉质黏土，可塑，灰黑色淤泥质粉质黏土，饱和、流塑及灰黑色中砂层，饱和、松散――稍密，厚约0m~8m；
　　④残积层，为黄-灰黑色砂质黏性土、硬塑为主，为花岗岩残积土，厚约0m~6m。天然含水量W0=73.2%,液性指数IL=1.66，塑性指数IP=24.8，孔隙比e0=2.013,压缩系数α=2.247MPa-1,竖直向固结系数Cv=0.792x10-3cm2/s，水平向固结系数Ch=5.019×10-3cm2/s，内摩擦角φ=6.4°，凝聚力c=6.2kpa，容许承载力［σ0］=40kpa。根据估算，在不作软基处理情况下路基极限填土高=1.86m左右。
　　2 施工方案
　　2.1 选择合理的处理方法
　　常用的软土路基处理方法有清淤换填、袋装砂井（插塑板）、强夯法、真空预压、碎石柱、搅拌桩、CFG桩等多种。袋装砂井（插塑板）加预压排水固结方法需预压，一般固结的时间较长（180d~360d）工后沉降较大；同时本工程所处的位置距河口非常近，受潮汐影响水位变化大，由于微薄砂层的存在，与附近河水水力联系密切，排水固结效果不甚明显。特别是有些地段地层上部分布杂填土（如原已填鱼塘地段），地基采用此方法处理困难。
　　对桥头路堤，由于填土相对较高，工后沉降要求不大于0.1m，可采用复合地基处理。对于软体厚度小于15m的桥头路基采用水泥搅拌桩，大于15m的地段采用CFG桩处理。该处理方法效果好，亦不需预压，但工程造价较高，不能广泛采用。
　　袋装砂井（插塑板）加强夯法：它通过设置竖向排水体系（袋装砂井），并结合静荷载（填土堆载）和动荷载（强夯夯击能），使得地基土在较短时间内完成大部分固结沉降，减少工后沉降并迅速提高承载力。
　　2.2 作用原理
　　强夯法加固非饱和土的过程，就是土中的气相被挤出的过程。而对饱和土，传统的固结理论认为，在快速加荷条件下，孔隙水无法瞬间排出，所以是不可压缩的，但无法解释饱和土在强夯后产生的明显较沉降。L•梅耶动力固结理论认为：
　　（1） 强夯中土的渗透系数是随时间变化的；
　　（2） 强夯中饱和土孔隙水具有压缩性；
　　（3） 强夯中饱和土有局部液化现象；
　　（4） 强夯中饱和土有触变现象。
　　单纯的强夯由于竖向裂缝的产生并非规则的和连续贯通的，因而在孔隙水和气体排除过程中并非很畅通，这就造成在施工过程中孔隙水压力消散缓慢，从而影响到加固的效果和施工进度，效果不佳。采用排水固结法结合强夯，当土体受到冲击载荷时，土中孔隙水压力增加，孔隙水可渗透到袋装砂井中，沿袋装砂井直接排到地表，这样缩短了排水距离，加速了孔隙水压力的消散过程和地基沉降的发展，而达到加固的目的。
　　2.3 设计参数
　　到目前为止，强夯法还没有一套成熟和完善的理论和设计计算方法，只能通过试夯的方法确定施工参数。试夯区面积不应小于20m×40m，对不同地址条件，至少进行一处试夯，通过试夯确定施工参数，如夯锤重量、夯锤落距、单击点夯击能、夯点距离、间歇时间、夯击遍数及有效加固深度等。
　　（1） 加固深度按下式估算
　　H=α(m h)1/2
　　式中：m――锤自重，t；
　　h――锤落距，m；
　　α――修正系数，黏性土取0.6左右；
　　H――强夯影响深度，m。
　　（2）强夯机具、夯锤重量、夯锤落距的选择。强夯机械采用履带式起重机械，一般国内夯锤重为10t~25t，我国至今采用的最大夯锤重为40t，夯锤一般采用圆形，带气孔的锤较好。同时，由于软基强夯过程中产生较深的夯坑，会产生一定的能量损失，所以对于软黏土，锤底的面积不宜小于6m2。目前我国通常采用的夯锤落距一般为8m~20m。
　　（3）软土夯击工艺及参数往往决定强夯法的效果，根据试夯结果和附近施工资料，强夯夯击遍数、单点夯击能、夯击次数、夯点间距、每遍间隔时间、夯击顺序等参数参考值见表1。
　　表1 软土夯击参数表
　　夯击遍数 第一遍 第二遍 第三遍 第四遍 第五遍 满夯
　　点夯能量/KN•m 1000 1500 2000 3000 4000 800
　　点夯击数 2 2 3 3 3 2
　　夯距/m 4 4 4 4 4 4
　　点夯击数 7 7 7 7 7 7
　　
　　注：当软土厚小于5m时点夯击四遍，软土厚大于5m时夯击五遍，各遍点夯能量、击数、夯距、每遍间隔时间均相同。
　　首先应查明场地下建筑物及地下管线，采取适当的措施，以免造成损坏。地表上铺设1.0m（一般要求0.5m~2.0m）厚砂垫层。砂垫层起到支承起重设备、扩散“夯击能”的作用，也起到作为地下水排出通道的作用。
　　袋装砂井布置间距1.5m~2.0m，直径0.07m，等边三角形布置。
　　3 效果检测
　　测试应在孔隙水压力消散后进行，一般应在强夯结束一定时间后进行检验。试验点应分别取在夯点及夯点间，常用的方法有静力触探、荷载试验、波速试验等。检测表明效果如下：
　　（1） 孔隙水压力一般在一个星期内基本消散完毕，设置的排水措施使其达到原设计参数条件要求，起到了不错的效果。避免了由于孔隙水压力消散慢，导致土体液化出现“橡皮土”的现象。
　　（2） 本工程的加固深度一般在12m以内，但处理效果明显的只在表层8m以内，主要是由于现场没有高能量的强夯设备，夯击能量参数没达到4000KN•m设计要求，所以有效加固深度没有达到设计预计效果。根据现场的实际情况，及时对设计措施进行了调整，对软土分布和深度在8m以上的地段采取了复合地基、真空预压等其他处理措施。
　　表2 地基下沉量对照表
　　夯前平均固结沉降 32
　　强夯平均沉降 点夯 52
　　 满夯 25
　　强夯平均沉降 77
　　由表2看出，强夯处理能短时间内完成加固深度内的沉降，有效减少后期沉降的影响。
　　4 目前软黏土地基的强夯处理须注意的问题
　　（1）动力固结理论未完全成熟。土体的沉降主要是动力固结、侧向变形、上部一部分土体发生超固结等组成。
　　（2）软黏土地基强夯必须关注如何降低孔隙水压和增大有效深度。然而两者有所矛盾，增加加固深度，要求增加能量，而增加能量，按常规工艺会增大孔压。目前软黏土地基强夯处理效果不佳的原因有三个方面：一是由于夯击能量不足，有效加固深度不够，下部土体未完成固结沉降；二是由于强夯使上部软黏土结构性破坏，不仅降低了强度，还大幅度降低了渗透性；三是当前规定的强夯工艺不适应软黏土地基强夯特点，导致地基中孔隙水压力居高不下而形成“橡皮土”。
　　（3） 强夯法宜用于要求施工期短缺少预压时间、或者缺少预压荷载、软土层较浅、宽大场地排水不易等情况，特别是在上覆杂填土或大块石的地基。对于一般在正常条件下处理的软基，强夯法由于同样需要结合砂井及垫层，所以处理费用比普通填土预压措施要贵，但它比复合地基便宜，施工也方便。
　　5 结 语
　　随着公路建设的快速发展，强夯加固软土地基理论和实践发展也越来越快，在很多工程中取得了良好的效果。强夯法是较为经济合理、技术较为可靠的地基处理方法。因此，在进行软基处理时要强调过程控制，强调用经验来指导施工，切忌忽视过程技术数据，只看最终检测结果的情况发生。
　　
　　参考文献
　　［1］ 张庆国，强夯法加固机理与应用［M］,济南：山东科学技术出版社，2003。
　　［2］ 刘玉卓，公路工程软基处理［M］，北京：人民交通出版社，2002,107-118
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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