采用强夯置换墩加固湿地中高速公路路基探讨

杨 军

(闻垣高速公路建设管理处，山西 运城 044000)

就我国而言，软土地基的分布范围较广，同时含水量较大、收缩性高、强度低、渗透性较差等特点，随着我国高速公路的持续建设和发展，软土地基成为了当前高速公路施工中的常见地基状况，高等级公路以及市政道路工程项目的施工当中，由于施工的工期较紧，由此对软土地基的处理成为了工程项目施工中的难点问题。

1 强夯置换墩

当前的高速公路路面的施工当中，通过对软土地基处理技术的处理和相关经验的总结以及积累，已经形成了多种软土地基的处理方式，长久以来，强夯置换算法由于处理面积较广、施工工期较短并且施工方式简便快捷等方式在公路工程项目的加固施工中得到了较好的应用，同时也可用于对高饱和度粉土以及软塑～流塑状态下的饱和软黏土和可塑～硬塑状态下的湿陷性粉质黏土等类型地基的应用。当前，强夯置换墩技术在公路、堆场、机场、油罐以及房屋建设工程项目中都得到了较好的应用，并且取得了较好的施工效果。强夯置换算法有分整式以及点式置两种模式，整式置换法通过在原有的公路路基地面进行全面抛石以及强夯施工，置换效率较高，但施工所花费的成本也相对较高。强夯置换墩的施工方式施工的方法较为简单、快速，同时能有效节约施工材料，具有较高的承载能力和经济性等特征。强夯的置换方式将强夯技术、碎石桩技术融为一体，是一种新型的软弱土地基的处理技术。该技术的发展和研究，不仅解决了高速公路的施工质量与施工工期之间的矛盾，同时也为软土地基的处理提供了理论与实践依据。

2 强夯置换墩施工实例

某工程项目依托湿地建设，工程项目的设计过程中使用挖除换填的施工措施，使用高度约4 m的路堤方案进行加工，然而开工以来，由于沿线降雨量较大，从而在湿地造成了大面积的积水，积水深度的平均值为1.5 m，由此公路的施工条件发生了变化，则应对施工方案进行调整，通过将原有的路堤施工方案改为抛石挤淤施工方法对当前施工路基进行处理，然而该种方案的施工速度较慢，难以保证工程项目的工期，并且施工中的成本较高。同时，该工程中，地基处理只需要达到上部结构的变形以及承载力要求即可，若是过度追求加固的效果，只会增加工程项目的成本支出，导致浪费。综合考虑到施工难度问题以及工程项目的经济效益，最终提出了强夯开山石混合料置换墩的处理方式。通过在强夯坑内部回填碎石以及块石等粗颗粒的施工材料，将原有的软土地基夯成连续强夯置换墩，由此有效提高了地基的承载能力。同时强夯置换墩也可作为下层软弱土的排水通道，有效提高下卧层软土排水固结，处理深度一般小于6 m。

3 强夯置换墩对公路路基的加固机制

强夯碎石、块石墩符合地基的处理方式是通过使用强夯夯击成坑，而后在夯坑内部填入碎石等颗粒较大、体质较硬的材料颗粒。强夯坑内部的填料一般通过强夯处理之后将形成墩体并与周围的土体构成了复合地基。强夯置换方式通过将强夯施工与碎石置换结合起来，有效弥补了单一强夯法无法加固饱和软黏土地基的缺陷，克服了强夯法中无法有效排出软土中孔隙水的缺陷，有效提高了孔隙水压力的消散效率，提高了软黏土的渗透性。强夯置换碎石墩具有散体材料的挤密、加筋、置换等特征，同时也将成为软土地基的良好排水渠道，在实际施工中湿地将大部分或者基本上形成主固结沉降，从而有效减少了次固结的沉降，有效缩短了施工工期，由此也有效提高了地基的承载能力。强夯碎石墩的复合地基处理方法将多种地基加固方法融合起来，其产生作用的机理可分为动力挤密、排水固结以及挤淤置换三种作用形式。

1)挤密固结。强夯施工当中，重锤落地的势能很大部分将转换为冲击动能，从而给土体带来了剧烈的振动，同时形成了强大的冲击波，冲击的能量将以波的形式向地面进行传播，冲击振动波的结构包括波体、面波以及剪切波三种形式。剪切波以及压缩波将携带能量在地基内进行传播，当剪切波与压缩波的能量在所需加固土层进行释放之时，相应的土层将得到压密以及加固。压缩波能实现在固体以及液体中传播，由此增加了孔隙水压力，使土体的骨架逐渐解体，而剪切波不能在液体当中传播，只能以固体作为传播的介质，同时剪切波将滞后于压缩波，从而使解体的土体颗粒保持更为密实的状况，实现加固土体的有效目的。而面波则是以强夯坑为中心，沿着地表向着四周进行传播，对地层并没有挤压密实的作用。

而具体的工程项目实践表明，仅仅依靠强夯的动力挤密作用，对于饱和度较高且透水性较低的黏性土体而言，由于所产生的高孔隙水压力无法有效消散，由此加固效果十分有限。强夯置换算法能对软土地基进行良好的处理，其基本的特征在于构建了良好的排水网络。包括强夯施工中水力劈裂而引起的裂隙以及碎石墩的砂井作用。这二者的存在在很大程度上缩短了孔隙水的水平渗透途径，致使孔隙水能沿着墩体排除土体，而墩间的土体由于夯击以及挤压或者扰动等多方面的原因形成较大的超孔隙水压力能迅速的消散，恢复甚至提高土体前鼓墩。由于地基的沉降以及加固的速度有效提高，由此达到了较好的地基加固的作用，而此时需注意的是，碎石墩将承担上部所传递的大部分荷载，而砂井本身并无承担荷载的作用，并且由于强夯置换算法复合地基排水的复杂性等特征，在地基的固结沉降计算过程中，若是按照砂井地基的固结分析方式并不合理。

2)挤淤置换。强夯置换通过利用强夯方式以间距一定并将数量一定的碎石或者块石击入下卧软土当中，同时在强夯坑内部依次进行填料，并不断夯击施工将击入的块石挤开软土沉到强度较高的地层，构成端承墩，在实际施工过程中也可不打入硬层形成浮式墩，并且由于所构成的墩柱体持续被击实，最终将构成由碎石墩，以及碎石垫层之间所构成的混合地基体系。对于黏性土壤地基，一般可通过强夯夯击碎石将软土强制排开并进行置换，在墩之间土体的挤密效果并不明显，由此可了解到，碎石墩的作用不是挤密地基，而是实现了地基的置换，此时，由于碎石墩的刚度大于周围土体的刚度，由此在地基的处理当中应按照材料变形模量进行重新分配，由此，碎石墩将承载大部分荷载，同时减少了软土所承担的压力。而若是公路工程项目中软土层的厚度并不大，那么墩体在荷载的作用下主要起到集中应力的作用，由此使软土地基所承担的压力减小。与原有的地基相比较，复合地基的承载能力较高，压缩性有所减少，而若是软土地基较厚，那么墩体不可完全贯穿软土地层，而此时所加固的复合土层具有垫层的作用，通过垫层分布扩散均匀荷载应力，由此也有效提高了整个地基的承载能力，有效减少了沉降量。由上述分析可了解到，碎石墩是否穿过软土层，其加固机制是不一样的。

通过对强夯置换地基处理方式的有限元分析可了解到，对于悬浮墩复合地基墩体形成鼓胀以及刺入破坏的可能性都将存在。而实际的破坏形式与持力层的性质以及墩体的长度有直接的联系。根据实际的分析可了解到，端承墩复合地基的墩体破坏主要是由于墩体顶部的鼓胀破坏以及强度不够所引发的剪切力破坏，而对于悬浮复合地基而言，鼓胀以及刺入破坏都将可能发生，破坏的模式是与这二者的加固机制不同有密切联系。前者通过将上部荷载传递到更深层次的土层，而后者的加固则仅仅起到加固复合土层的垫层作用，从而使荷载保持应力的分布均匀，由此有效提高了整体承载能力，减少了软土地基的沉降。由于墩体破坏的形式不同，由此在实际的施工过程中要选择相关的计算模式。

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