重夯法处理Ⅱ级非自重湿陷性黄土的应用

张爱卿，李金云，刘大刚

（1.北京科技大学 天津学院，天津 301830；2.中交路桥北方工程有限公司，北京 100024）

湿陷性黄土是一种特殊性质的土，在一定的压力作用下，逐渐下沉稳定，当受水浸湿后，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉［1－2］，对工程危害很大［3－4］.重夯法是采用一夯接一夯或一夯压半夯，且每遍间隔一定时间的操作方法，可以大大缩短施工工期，降低工程造价.这种方法常用于加固地下水位0.8m以上的稍湿的粘土、砂类土、湿陷性黄土、杂填土和分层填土地基，通过工程实践积累了不少经验，但在小型结构物的地基处理方面应用较少［5］.本文就采用重夯法对Ⅱ级非自重湿陷性黄土地基进行加固处理，以提高地基的强度，达到消除地基一定深度的湿陷性的目的.

1 工程概况

山西省山阴至平鲁（晋蒙界）高速公路第二合同段起讫里程为K165＋060～K177＋050，全长11.99km，系国家高速公路网荣成至乌海公路重要组成部分.采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度100km／h，路基宽度26m.合同段内部分重夯段落分布及地质情况见表1.

表1 部分重夯段落分布及地质情况Table 1 Part of heavy tamping paragraphs distribution and geological conditions

该合同段的原地表土最大干密度为1.93g／cm3，最佳含水量为11.3%.土场最大干密度为1.89g／cm3，最佳含水量为11.1%.该土属低液限粘土，液限为27.6%，塑限为19.2%，塑性指数Ip＝8.

以上各段落为Ⅱ级非自重湿陷性黄土，湿陷土层厚度3～15m之间，需对该路段进行重夯处理，本试验段选取K165＋060～K165＋500段进行相关的试验.对填方路段坡脚外3m范围内采用重夯夯实处理，夯击区域见图1.

2 重夯的夯实机理

重夯实际上是将势能转化为动能，对路基或结构物基底进行处理的一种方法，它与强夯的本质区别在于锤的质量小，适用于夯实浅层地基.它是将一定重量的重锤以一定的落距给地基以冲击和振动，对地基施加强大的冲击力，从而达到提高地基土的强度，降低压缩变形，改善振动液化，消除黄土的湿陷性的目的［6－8］.夯击能传送到地基的能量主要是压缩波、剪切波和瑞利波合力作用，压缩波使土体孔隙压力增大，并使土颗粒发生错位，剪切波则引起横向位移，瑞利波与剪切波共同作用使土颗粒间受到剪切，同时使土体密实.

夯击的过程可分为四个阶段：第一阶段是夯击能的转换，使土体中的气体排出，孔隙水压力上升伴随着土体强制压缩或被振动密实；第二阶段是土体产生液化或结构产生破坏，表现为土体强度降低和抗剪强度的发展；第三阶段为渗透性能改变，土体裂缝发展，土体强度增加，排水固结压密；第四阶段为触变恢复并伴随固结压密，包括部分自由水变薄膜水，土体强度继续提高.由于巨大的冲击力超过土的强度，使土体产生破坏，从而产生较大的瞬时沉降，土体被竖向压密.微观研究表明：夯击破坏了土体原来的疏松结构，改变了骨架颗粒间的连接方式，使土颗粒重新排列成致密结构.强夯后土颗粒间绝大部分是边接触和面接触，楔入镶嵌式的边、面接触特别突出.无论是水平剖面上，还是垂直剖面上，土颗粒已由夯前任意排列变成明显的定向排列，形成片麻状结构，这反映垂直方向的压缩变形远远大于水平向的挤压变形，随着土的触变性能的恢复，处于更密实状态中的粘、胶粒和结晶盐等胶结物粒间距离的缩小，更好地发挥它们的胶结作用，大大地提高土体的抗变形和剪切强度.在强大夯击下，土结构破坏导致土的结合水转化为自由水.由于土体中有机物的分解及土毛细弯曲的影响，土中总有微小汽泡，其体积约为土体总体积的1%～3%.夯击时土体结构被破坏，土粒周围的弱结合水由于振动和温度影响，降低原来的束缚而定向排列，弱结合水变为自由水，随孔隙水压力降低，结构恢复，强度增加.夯锤下土体压缩，产生对外围土的挤压作用，使土中应力场重新分布，从而提高和改善了地基土体的承载力［5，9］.

3 重夯试验的研究

3.1 夯点的布置

试验段选用单点夯击能为500kN·m的夯机，由技术准备中放出的基桩和水准点，在路基坡脚线外3m向内放出第一个夯击点，用白灰做出标记［10］，并测量地面高程.然后由第一夯击点放出满夯每排基准线，由基准线放样其他夯点，夯点间距保证夯痕搭接不小于1／4D，夯平后进行标高测量，夯沉量以最后两击的平均沉降量不大于20 mm控制.具体夯点的布置见图2.

3.2 重夯施工工艺

具体的施工工艺流程见图3.

4 重夯夯击效果分析

夯击过程中做好检测与记录，确保夯击能满足500kN·m，夯击前对夯坑进行复核，夯完后检查夯坑位置，发现偏差与漏夯及时纠正，检查每个夯点夯击次数和沉降量.夯击结束后，取点测定压实度，夯后取点应在夯实满3天.

4.1 夯沉量试验

在试验段中选取5个夯点，布置成梅花形，用白灰做好标记，进行夯击试验.每夯击完一次对该夯点的沉降量进行测量并记录.以夯击次数为横坐标，取夯点的平均夯沉量为纵坐标，绘制出夯击 次数与沉降量关系图，见图4.

图2 夯点平面布置示意图Fig.2 Diagram of tamping point layout

图3 重夯施工工艺流程图Fig.3 Flow chart ofheavy tamping construction process

图4 夯击次数与夯沉量关系图Fig.4 Diagram of tamping times andram volume

从图4中可以看出，随着夯击次数的增加，夯沉量逐渐减小.夯击5次和夯击6次的夯沉量两击的平均沉降量不大于20mm，达到重夯控制要求，表明夯击次数为5次是最佳夯击次数，次数增加夯实的效果不明显，也不经济.

夯击次数为1～4次时，累计夯沉量的增长幅度较大，此时地基受到强大冲击力的作用产生了塑性变形，其后随着夯击次数的增加累计夯沉量曲线逐渐趋缓，表明Ⅱ级非自重湿陷性黄土经过重夯的处理后，原地基产生了较大的变形，当夯击次数增大到5次之后，地基变形不明显，表明地基土已经被压密，地基的强度得到了提高，有效地预防了工后变形.

4.2 压实度测定

重夯试验前在试验段长度方向上平行选取2个试验点，两个试验点间隔为50m，通过灌砂法测定其试验点处深度为6m范围内的压实度值并做好记录，在试验点周边1m左右平行布置夯点，做好标记，经过重夯后，利用灌砂法对夯点进行压实度检测并记录.试验点和夯点压实度检测结果见表2.

表2 压实度检测结果Table 2 Test results of compaction %

从表2可以看出，在深度2.5～4.0m范围内重夯前后的压实度值变化明显，压实度值由夯实前的77%左右提高到了92%以上，表明该深度范围内的原有土体的密实度很低，经过重夯后密实度得到显著地提高，说明重夯对于提高Ⅱ级非自重湿陷性黄土地基承载力有显著效果.

经过重夯处理后，深度在4.5m以下压实度值较夯击前变化不明显，说明重夯对地基作用的有效影响深度在4m，超过4m之后重夯的效果就不明显了.

5 结 论

以上试验说明，采用重夯法处理Ⅱ级非自重湿陷性黄土最佳的夯击次数是5次，有效的夯实深度为4m，在该有效的深度范围内压实度均提高到92%以上，满足地基强度的要求.可见Ⅱ级非自重湿陷性黄土经重夯处理后，地基整体强度得到了提高，对于防止工后沉降有显著的效果.该试验成果对今后选择重夯处理Ⅱ级非自重湿陷性黄土提供一定参考.

［1］ 孟秀元.重夯法在路基施工中的应用［J］.山西建筑，2011（5）：129－130.

（Meng Xiuyuan.On Application of Heavy Tamping Method in Roadbed Construction ［J］. Shanxi Architecture，2011（5）：129－130.）

［2］ 马正红.非自重湿陷性黄土施工工艺及质量控制［J］.宁夏工程技术，2003（4）：364－367.

（Ma Zhenghong.Workmanship and Quality Control on Collapsible Loess Construction［J］.Ningxia Engineering Technology，2003（4）：364－367.）

［3］ 郭锐.湿陷性黄土地基沉陷原因分析及预防［J］.科技情报开发与经济，2003（8）：283－284.

（Guo Rui.Analysis on the Causes of the Settlement of CollaPsible Loess Foundation and Preventive Measures［J］.SCI／TECH INFORMATION DEVELOPMENT ＆ECONOMY，2003（8）：283－284.）

［4］ 赵建国.公路湿陷性黄土地基常用的处治方法及评价［J］.交通标准化，2003（12）：68－70.

（Zhao Jianguo.Common Methods in Deal with Wet－pit Yellow Soil on Highway and Evaluation ［J］.Communications Standardization，2003（12）：68－70.）

［5］ 唐娴，毛国民，戴经梁.重夯在湿陷性黄土基底处理上的应用［J］.长安大学学报：自然科学版，2003（3）：30－32.

（Tang Xian，Mao Guomin，Dai Jingliang.Application of Tension－weight－consolidation to Structure Foundation Treatment of Collapsible Loess［J］.Journal of Chang'an University：Natural Science Edition，2003（3）：30－32.）

［6］ 苏建林，张桉.湿陷性黄土路基工程综合处理［J］.路基工程，2004（5）：65－67，71.

（Su Jianlin，Zhang An.Collapsible Loess Roadbed Engineering Comprehensive Treatment［J］.Subgrade Engineering，2004（5）：65－71.）

［7］ 潘立鸥，王晶.浅层湿陷性黄土重夯施工技术参数分析［J］.人民黄河，2012（6）：144－145，148.

（Pan Lio，Wang Jing.Determining and Researching the Heavy Tamping Technique Parameters of Shallow Ground Collapsible Loess［J］.YELLOW RIVER，2012（6）：144－145，148.）

［8］ 岳昌旭，李红恩.浅谈湿陷性黄土处理的重夯施工与控制［J］.科技风，2010（4）：172.

（Yue Changxu，Li Hongen.Talking the Collapsible Loess Processing Heavy Rammed Construction and Control［J］.Technology Wind，2010（4）：172.）

［9］ 涂超庆，张伟.重夯法在南水北调中线黄土地基处理中的应用［J］.人民长江，2010（5）：22－24，30.

（Tu Chaoqing，Zhang Wei. Heavy Tamping Law Application in the Middle Route Loess Foundation Treatment［J］.Yangtze River，2010（5）：22－24，30.）

［10］ 刘建斌.重力重夯加固地基施工技术［J］.山西建筑，2004（1）：23－24.

（Liu Jianbin. Construction Technology of Gravity Dynamic Compaction in Foundation Stabilization［J］.Shanxi Architecture，2004（1）：23－24.）