强夯法处理山区梁场非均匀回填地基施工

胡智峰

(中铁十五局集团第五工程有限公司,河南洛阳 471002)

1 工程概况

我公司承建的衡阳—邵阳高速公路路基五标地处湖南邵阳丘陵山区,沟壑谷地纵横交错分布,局部地段基岩裸露,基岩表面起伏变化大、溶沟槽发育、地表高差悬殊,覆盖土层厚薄不均,现场无直接可以整平利用的预制梁场。为保证制梁工作的进行,决定把梁场建在丘间谷地,利用开山填谷建设预制梁场。在梁场建设过程中,为满足制存梁台座、运梁道路等地基的稳定、均匀、密实,对预制梁场地基采用强夯法(局部采用强夯置换)进行处理,使梁场地基承载力满足了梁场基础设计要求。

2 梁场地质概况及地基处理要求

2.1 预制梁场地质概况

梁场区域地表高程在223.9～236.1 m,局部高程达256.2 m,梁场设计高程为232.6 m。主要地层为：①黏土、粉质黏土、含砾黏土,褐黄色～褐红色,硬塑,主要成分为黏泥,岩土施工等级为Ⅲ级,σ0=180 kPa,分布于丘坡表层；②黏土、粉质黏土、含砾黏土,褐黄色～褐红色,硬塑,岩土施工等级为Ⅱ级,σ0=150 kPa,分布于丘谷；③黏土、粉质黏土、含砾黏土,褐黄色～褐红色,软塑,岩土施工等级为Ⅱ级,σ0=100 kPa,大都发育在基岩面或丘谷表层；④石灰系下统岩关阶组灰岩：灰色,弱风化,隐晶质结构,块状构造,岩质较坚硬,岩溶发育,岩土施工等级Ⅴ级,σ0=1 000 kPa。

2.2 梁场设计对地基处理的要求

根据梁场制存梁台座弹性地基梁、运梁道路的设计要求,梁场地基处理后应达到稳定、均匀和密实,地基承载力特征值fak达到250 kPa以上,存梁时4个支承点高差不大于4 mm。

3 梁场地基处理方案的选择

根据设计文件对箱梁预制和制存梁台座的要求,梁场地基处理施工前,项目部组织有关人员对多种地基处理方案进行比较。

3.1 桩基

从理论上讲,桩基是最可靠的地基处理方法。桩基的承载力大,沉降量小,且对于嵌岩桩基本上可不考虑沉降,但对本工程项目存在以下不利因素：①预制梁场地表基岩起伏大,桩基的长度变化太大,有的可能要20多米长,有的只有几米长,且岩面顶的高程常常会与图纸显示的地质资料有出入,部分地段又没有相应的地质勘查资料；②梁场地处岩溶发育区的丘间谷地,地表溶槽、地下溶洞发育,难以完全探明,桩基施工需先进行岩溶注浆预处理,且岩溶地区桩基施工难度及风险大,对成桩质量没有明确的保证；③梁场平整回填土中含大量硬质灰岩,岩石的块径大小不一,这将给桩基施工造成困难；④梁场运梁道路地基无法全部采用桩基处理。

3.2 分层碾压回填

分层碾压回填在处理回填土时不失为一种有效手段,但用于本工程存在许多不利因素：①分层碾压工期长,挖填方交界处死角较多,难以保证压实质量,而对于制存梁台座基础来说,落在半填半挖的地基上,最容易产生不均匀沉降；②梁场所处地区雨季长(每年的3～8月份),无法保证分层碾压的施工进度；③预制梁场的填方采用黏性土夹杂部分山体爆破产生的石块和石屑,大量石块大小不一无法控制,所以分层的厚度难以保证,压实质量无法保证。

3.3 强夯法

强夯法经过30多年的应用和发展,证明适用于处理一般黏性土、饱和砂土、碎石土、粉土、湿陷性黄土及石土地基,能够有效地提高地基强度,降低压缩性,提高土层均匀性,减小地基的不均匀沉降。特别对于本工程,可同时满足制存梁台座地基、运梁道路地基处理的要求,且强夯法施工的工期短、速度快,对施工季节无特别要求,能有效地克服当地雨季长而影响施工有效时间的缺点,可以极大节省地基处理的时间和费用。

经对以上方案分析比较,决定采用强夯法对梁场地基处理。

4 地基强夯施工

4.1 强夯施工设计

(1)强夯技术参数

①夯锤重力及初始起落高度

根据设计要求,并结合强夯及强夯置换对夯锤的具体要求,点夯采用180 kN圆形夯锤,直径1.8 m,静压70 kPa；满夯采用130 kN圆形夯锤,直径为2.2 m,静压28 kPa。根据梅纳公式

式中D——强夯影响深度,取8 m；

N——夯锤重力,取180 kN；

H——夯锤落距；

a——夯实系数，其值根据场地土的工程地质特性和相近情况经验确定,一般为0.5～0.8,本工程取0.55。

据公式可算得点夯落距H=12 m。考虑到填土厚度不一,夯击过程中有能量损耗,为确保夯击效果,选取初始起落高度为14 m,夯击能量为2 500 kN·m。

②夯点间距L

根据夯锤底面半径R、压力扩散角θ(一般为27°～35°)、强夯影响深度D及有效加固范围下宽W算得：制存梁台座地基梁基底夯点间距L=3.4 m,取L=3.5 m；运梁道路基底夯点间距L=2.8 m,取L=3.0 m。

(2)单点夯击数

按2遍点夯、1遍满夯进行施工。第1遍点夯进行局部深层加固,第2遍插塞进行全部深层加固,第3遍满夯进行整体浅层加固。

(3)夯点布置(图1、图2)

图1 制存梁台座地基强夯处理夯点布置(单位：cm)

图2 运梁道路地基强夯处理夯点布置(单位：cm)

4.2 强夯试验

强夯试验主要为了在正式施工前,选择有代表性的区域进行强夯试验性施工,并检验其处理加固效果,对强夯施工结果做出定量评价,然后反馈回来调整强夯设计,选定合理的强夯施工参数,指导大面积场区施工。为确定强夯处理非均匀回填地基的加固效果,利用梁场2号台座回填地基进行试夯,试夯平面尺寸36 m×15 m,按强夯设计组织实施,强夯试验包括单点夯试验和群夯试验。

(1)单点夯试验

单点夯试验的目的是通过测量夯坑及夯坑周围地面变形,计算有效夯实系数(a),以便验证夯击能量、最佳夯击锤数(N)、夯点间距(L)等设计参数,试验参照《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)设计和执行。即a=(V1-V2)/V1,式中V1为夯坑下沉体积,V2为夯坑周围地面隆起体积。试验结果表明,当夯击能量为2 500 kN·m,夯击锤数为7击时,夯实效果最为理想,夯实系数a=0.97。

(2)群夯试验

根据单点夯试验结果,得出群夯试验施工参数如下：点夯能量2 500 kN·m,满夯能量1 300 kN·m,分3遍夯,第1、2遍为点夯,第3遍满夯,夯点间距为3.5 m,满夯夯点切1/4环。群夯试验结束后,经重型动力触探及采用1 m×1 m荷载板进行现场试验检测,强夯处理后地基承载力特征值fak达到290 kPa,满足设计要求，可进行大面积施工。

4.3 强夯施工

(1)施工设备：50 t上海产履带吊1台,13 t、18 t铸钢夯锤各1个,挖掘机1台,振动压路机1台。

(2)施工工艺流程

场地平整→测量放线、定位→第1遍点夯→夯坑填平→测量放线、定位→第2遍点夯→夯坑填平→第3遍满夯→检测。

(3)操作要点

①夯点的控制：用石灰或木桩进行夯点标识,在夯点上用石灰撒出夯锤底轮廓线,控制桩位偏差小于5 cm。

②夯坑填平：由于回填土中夹有大块石,在每遍点夯后需对夯坑进行回填,回填料控制标准为含泥量小于15%,最大粒径小于40 cm,回填后场地要平整,并进行一定方式的碾压,便于履带吊车的来回行走。

③夯点偏差控制：吊车按照石灰线进行对点就位,夯击时若发现坑底倾斜时,对夯坑回填整平。

④停夯控制：点夯施工中,做到每一遍、每一夯击坑的最后2击沉落量的平均值控制在小于5 cm内,以此控制各点的夯击次数,以确保施工质量。

(4)施工中的特殊情况处理

①基岩溶沟槽充填黏土强夯置换

梁场1号制梁台座及对应存梁台座基岩溶沟、溶槽发育,且充填的黏土含水量呈饱和状态,单纯采用强夯难以达到处理要求。施工中采用了强夯置换法(又称强夯碎石墩法)进行处理,对溶槽顶板进行破碎或溶沟、槽裂隙宽度小于50 cm情况下,通过爆破使其上口宽度大于3 m,清除沟槽中充填土,然后利用细颗粒料石回填,再用2 500 kN·m能级的单击能量夯实,在强夯过程中边夯边加碎石,直至达到设计的最后击夯沉量小于5 cm。

②大块石高填方地基

梁场4号制梁台座及对应存梁台座基底最大填方高度9 m,施工中大块石填料最大粒径控制在80 cm以内,地基按每层4 m由下而上进行强夯处理,强夯只需要点夯而无需满夯,到达基底层再进行满夯。

5 强夯地基的检测

强夯工程质量检测就是检测强夯加固效果,为基础施工提供依据,本工程采用荷载板试验、动力触探试验进行综合检测。

5.1 荷载板试验

荷载板试验是一种最直观可靠的试验,根据载荷沉降记录绘制P-S曲线,确定地基承载力。梁场共进行1 m×1 m荷载板试验5组,以2号试验点为例,典型的静荷载试验P-S曲线见图3。

图3 2号试验点静荷载试验P-S曲线

依据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)中的有关确定复合地基承载力标准值的规定,采用相对沉降控制法确定各试验点的承载力基本值,荷载试验检测结果见表1。

表1 荷载试验检测结果

根据表1数据可以看出,梁场地基经强夯处理后,承载力标准值达到设计要求。

5.2 动力触探试验

强夯结束后,在梁场强夯加固地基上进行了32个点位的重型动力触探试验,除含块石处动探击数较大外,其余土层竖向均匀性较好,承载力满足设计要求。

6 结语

强夯法处理山区梁场非均匀回填地基,具有地基加固明显、施工工期短、节省工程投资等诸多优点,特别是在岩溶发育地区修建梁体预制场,可节省大量地基勘探处理费用。根据该梁场强夯处理后综合检测结果,强夯处理后非均匀回填地基稳定、均匀、密实,地基的承载力能够满足设计要求,梁场经存梁后实测地基沉降仅有2 mm,且为均匀下沉,满足了制梁要求,为今后在类似地区修建梁体预制场进行地基处理积累了一定经验。

[1]JGJ79—2002,建筑地基处理技术规范[S].

[2]孙永刚.济菏高速公路湿陷性黄土强夯施工技术[J].铁道标准设计，2006(7)：20-21.

[3]林泽波.填海路基强夯加固设计[J].铁道标准设计，2008(8)：37-38.