津港高速公路生活垃圾土强夯置换试验路段的试验研究

王雪松，王 刚

(1. 中国市政工程华北设计研究总院，天津 300074；2. 中国中铁一局集团有限公司，西安 710054)

1 工程概况

津港高速公路桩号 K1＋500～K4＋500范围内分布有几个大型取土坑，坑内有大量生活垃圾．垃圾土的成份复杂，有机物及可腐烂物多，力学和化学稳定性较差．同时，具有分布范围相对集中、覆盖厚度大的特点，增加了地基处理的难度．由于工程选址无法绕避该场地，若彻底清除坑内垃圾，再分层回填优质填料，工程量巨大，耗时费工，工程费用高，工程的经济、技术可行性差．因此，需要结合该场地范围内垃圾土的特点采取切实可行的方法对地基进行处理，以满足工程建设的需要．

在以往的工程实践中，对类似场地主要采用分拣有机物后进行强夯、强夯置换等处理方法．该场地水域面积宽，垃圾土分布厚度大，地下水位高，不能围堰降水，不能为挖掘机提供工作平台，不具备将垃圾土全部清除的条件．综合各种因素，可采用强夯置换法对地基进行处理．

为合理确定施工方案和技术参数，选取具有代表性的 K2＋425～K2＋653路段做为强夯置换处理方案的试验路段．该试验区域以前是取土坑，后被大量生活垃圾和建筑垃圾填埋，垃圾最大埋深达7.0 m．根据现场的试验结果，生活垃圾的基本土性参数如下：天然密度为0.79～1.34 g/cm3；天然含水量为32.6%～124.0%；比重为 1.55～2.46；有机质含量为 43.6%～10.8%；压缩系数变化范围较大，属于高压缩性土；α1-2在0.72～3.2范围内变化；压缩模量在0.88～3.28 MPa之间．

考虑公路等级、交通组成、路面结构及路基工作状态等综合因素的影响，要求该区段路基进行地基处理后，地基承载力不小于150 kPa，路基土的回弹模量不小于30 MPa．

2 地基处理方案及试验结果

2.1 强夯置换的基本原理

强夯置换法是20世纪80年代开始应用处理软土地基的有效方法之一．一般是通过重锤提升一定距离后使其自由下落形成夯坑，并不断夯击坑内回填的砂石、矿渣等物理力学性能较好的粗粒料，使其形成密实墩体，以此来达到加固地基的目的[1-3]．

2.2 试验方案

首先，清除该区域 3.5 m 左右的生活垃圾，在其顶面铺筑拆房土至水面以上 80 cm左右以提供施工工作面并测定强夯置换前的地基承载力；然后，进行强夯置换试验，通过测定不同能级、不同夯击次数下的夯沉量，确定强夯置换的施工工艺，在达到了预期的置换效果后，测定强夯置换试验后复合地基的承载力是否满足设计要求．承载力检测满足设计要求后，埋设沉降板，再根据现场试验确定的最佳松铺厚度和碾压遍数分层填筑山皮土至设计标高，并用冲击压路机碾压补强．路基施工完毕，采用贝克曼梁法进行路基回弹模量试验，验证处理后的路基是否达到设计要求并为路面结构设计提供技术参数[4-6]．

2.3 试验过程、结果与分析

试验首先选用500 kN·m能级强夯机械在试验段附近进行试夯，为大面积试验提供可靠的参数依据．夯锤形状为正方形，重 50 kN，底面长 1.0 m、宽1.0 m、高1.0 m，落距为10.0 m．夯点采用梅花型布置，间距2.0米；采用隔孔分序跳打的方式，每个夯点停夯的标准为最后单击夯沉量小于5.0 cm．夯击点夯沉量与夯击次数的关系曲线如图1-4所示．

图1 500,kN·m能级夯点1夯沉量与夯击次数关系曲线

图2 500,kN·m能级夯点2夯沉量与夯击次数关系曲线

图3 500,kN·m能级夯点3夯沉量与夯击次数关系曲线

图4 500,kN·m能级夯点4夯沉量与夯击次数关系曲线

由图1-4可见：采用500 kN·m能级进行试夯，当单击夯沉量小于 5 cm 时的最佳夯击遍数为 7～9遍，累计夯沉量为 571～848 mm，平均夯沉量为677 mm．试验结果表明，累计夯沉量较小，未能达到预期的置换效果．

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由于 500 kN·m能级试夯的试验结果未达到预期的置换效果，增大强夯置换能级至1 300 kN·m重新进行试验．夯锤锤重130 kN，落距10 m．夯点间距4.0 m，采用隔孔分序跳打的方式，夯基遍数为3遍．第一遍夯击次数为 8～10次；第二遍夯击次数为 6～9次；第三遍夯击次数为5～7次．为掌握各测点夯击次数与夯沉量之间的关系，选取6个有代表性的点记录累积沉降量与夯基次数的关系，如图5-10所示．

图5 1,300 kN·m能级夯点1夯沉量与夯击次数之间的关系曲线

图6 1,300 kN·m能级夯点2夯沉量与夯击次数之间的关系曲线

图7 1,300,kN·m能级夯点3夯沉量与夯击次数之间的关系曲线

图8 1,300,kN·m能级夯点4夯沉量与夯击次数之间的关系曲线

图9 1,300,kN·m能级夯点5夯沉量与夯击次数之间的关系曲线

图10 1,300,kN·m能级夯点6夯沉量与夯击次数之间的关系曲线

由图5-10可见：在满足最后单击夯沉量小于5 cm的情况下，第一遍夯坑深度在1.2 m左右；第二遍夯坑深度在 1.0 m左右；第三遍夯坑深度在 0.8 m左右．现场试验结果表明，对垃圾土形成了良好的置换效果．

结合试验结果，最终确定强夯置换的施工工艺为：采用 1 300 kN·m 能量级强夯大面积施工时，第一遍夯击10次；上料填平后，第二遍夯击9次；再次上料填平后，第三遍夯击7次．

2.4 地基承载力和回弹模量的测定

采用1 300 kN·m能级强夯置换处理后，在地基表面选取4个点进行地基承载力试验[7]．试验结果如图11-14所示．

图11 强夯后载荷1#测点试验结果

图12 强夯后载荷2#测点试验结果

图13 强夯后载荷3#测点试验结果

图14 强夯后载荷4#测点试验结果

由图11-14可见，p−s关系为缓和变化曲线，可用相对沉降法来确定地基土的承载力．得出各测点的最终的地基容许承载力分别为 157.0，158.0，170.0，164.0 kPa，其平均值为：162.3 kPa，达到了预期的效果并满足了设计要求．

山皮土填筑至设计标高后，在路基顶面选择 10个测点采用贝克曼梁法测定其回弹模量．检测结果为：平均值=129.2(0.01mm)；标准差 s=56.1(0.10 mm)，高速公路保证率系数取 Za=2.0．

弯沉代表值的公式为

回弹模量值的公式为

式中：E1为土基回弹模量，MPa；p为测定车轮的平均垂直荷载，MPa；δ为测定用标准车双圆荷载单轮传压面当量圆的半径，cm；u为测定层材料的泊松比；a为弯沉系数．

检测结果整理得路基回弹模量E1＝38.6 MPa，满足设计规范大于30 MPa的要求．

3 结 论

结合津港高速公路工程中垃圾土强夯置换试验路段的整个试验过程及相关的检测结果，得出以下几点结论．

(1)现场试验路段的试验数据及检测结果表明，强夯置换的处理方法对于改善生活垃圾土的工程性质是切实可行的，运用该方法处理后，路基的承载力及回弹模量达到了设计要求，满足了工程的实际需要．

(2)在整个试验过程中，夯锤的能级选择、夯点布置、夯击次序、夯击次数等参数的选取是控制整个试验成败的关键；合理的确定这些技术参数，不仅能形成良好的置换效果同时也会避免施工过程中因夯坑过深而造成提锤困难等情况的发生．

(3)强夯置换方法对地基处理的深度较大，能有效地消除垃圾土覆盖厚度大对于复合地基处理效果的不利影响．

(4)置换填充材料为渗透性较好的碎石材料，能在复合地基上部形成良好的排水通道，改善了垃圾土的渗透、排水性能，路基土中的孔隙水压力也能得以消散，从而能有效地改善路基土的工作性状．

(5)强夯置换方法具有处理效果明显、施工简单、施工速度快、施工成本低的特点．实践证明处理垃圾土是切实可行的，具有良好的技术效果和经济效益．对于类似工程的设计和施工具有借鉴、指导和推广意义．

［1］ 解东亮. 垃圾土用于路基填筑的应用研究[J]. 科技情报开发与经济. 2005，15(22)：261-262．

［2］ 周军红，曹 亮，马宏剑. 北京市区杂填土地基处理技术综述. 岩土工程技术[J]. 2007. 21(2)：94-100．

［3］ 徐 超，廖星樾，李志斌. 软土地基上生活垃圾卫生填埋场的岩土工程问题与对策[J]. 环境污染与防治，2006，28(6)：465-468．

［4］ 毛应生，高中俊，周新强. 垃圾杂填土强夯作道路路基的试验与施工[J]. 城市道路与防洪，2001，6(2)：1-4．

［5］ 许立斌，王书芳. 强夯置换法在处理生活垃圾地基中的应用[J]. 勘察科学技术，2004，5(5)：44-45．

［6］ 刘建华. 强夯处理城市道路杂填土路基实践[J]. 城市道路与防洪，2006，3(2)：69-71．

［7］ 戴淑琴. 强夯法在加固垃圾地基中的应用及检测[J].山西建筑，2001，27(1)：53-54．