影响城市道路杂填土地基强夯效果的因素及处理措施

童 云

（新疆石油工程建设有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000）

0 引言

随着城市建设的快速发展以及城镇化建设力度的不断加大，产生了大量的建筑和生活垃圾。这些垃圾长期在城市周围集中堆放，形成了工程性质复杂多样的杂填土，具有强度低、有机质含量多、孔隙率大、压缩变形大等特点，是地基处理中的难点。针对杂填土的这些特点，采用强夯技术对杂填土地基进行处理，不仅能满足城市道路对地基承载力和沉降变形的要求，而且能够解决杂填土堆放所产生的生态环境问题，是一种费用低、成效显著的方法之一。但是，在对杂填土强夯的过程中，影响强夯效果的因素较多，本文通过对这些影响因素的分析和研究，提出相应的解决方法，希望对今后采用强夯法处理城市道路杂填土地基具有一定的指导意义。

1 影响强夯效果的因素分析

1.1 杂填土构成成分的影响

城市杂填土的主要成分是建筑垃圾和生活垃圾，其主要特点为颗粒大、孔隙大。在含水率较低或在无地下水影响的条件下，属于非饱和性土，符合振动波压密理论[1]。根据该理论，强夯时，当重锤与地面接触的瞬间，动能转化成冲击能，在地层内部形成纵波、横波和面波，使土体内部被压密。因此，可以利用夯锤的自由落体运动所产生的冲击能量，使砖及大块的混凝土块等建筑废料被击碎，并使颗粒间的空隙被压缩，从而使杂填土获得一定的密实度（见图1）。在土体压缩变形的过程中，建筑垃圾中的瓦砾及混凝土块主要起到骨架作用，而其中的碎砾土压密于碎砖瓦之间，使承载力提高。但是，在实际施工过程中发现部分混凝土块和砖块未被完全击碎，有的甚至未被击碎，用肉眼就可观察到强夯后的杂填土剩余空隙仍然较大，杂填土内部的一些混凝土块周围依然存在空洞现象，这种现象在同一断面中较为普遍，如图2所示。

图1 现场点夯

图2 强夯后杂填土断面

绿化是城市道路不可缺少的组成部分。绿化种植物经长期的用水灌溉，除满足植物正常的生长要求外，多余的水在重力的作用下不断向下渗入地基。这种强夯后的地基受水浸湿后，一方面水会在杂填土的颗粒间产生润滑效应，另一方面水会使土的湿重不断增大，在重力和润滑效应的共同作用下，土中的孔隙被进一步压缩，从而导致路基产生沉降。因杂填土的成分较为复杂，并且均一性较差，所以这种沉降是不均匀的，最终将会导致道路在运行几年后出现不均匀沉降，因此，这种空洞和大空隙的现象仍然会对道路产生不利影响。

图1和图2是克拉玛依市某EPC城市道路项目K0+545～K0+830段采用4000kN·m夯击能强夯处理后的杂填土地基断面情况，其杂填土的成分主要为建筑垃圾，强夯面积5700m2，设计要求的地基承载力特征值为150kPa。所用强夯设备的夯锤底面积5m2，锤底直径2.52m，处理深度为6.0m，夯点间距4.5m，夯点采用正三角形布置，采用点夯、复夯和满夯的工艺组合进行施工，经静载和动力触探检验合格后，从为构造物施工而开挖的基槽断面可以看出，在1.0～2.0m范围内较为密实，2.0m以下的空隙逐渐增大，部分混凝土块未被击碎，并在一些混凝土块周围有空洞现象，该断面图可真实地反映出杂填土地基强夯后的效果。

1.2 水文地理环境的影响

杂填土地基地下水的来源主要是大气降水以及城市绿化灌溉用水。杂填土内的充填物浸水后极易软化，对杂填土的力学性能具有决定性的影响，在饱和状态下，其受力特性和作用机理符合动力排水固结理论[1]。在强夯的过程中，杂填土在冲击波的作用下，土中孔隙被迅速压缩，使孔隙内的水产生瞬时超孔隙水压力。这种水压力，一方面吸收强夯的能量，降低强夯的效能；另一方面它的扩散作用扰动周围的土体，使已夯过的临近点周围的土体出现隆起现象，形成橡皮土。主要表现为：夯击某一点时，原先夯击过的临近点受挤压而再次隆起。

图3和图4是克拉玛依市某城市道路主线K0+400～k0+900段强夯处理时的现场情况。该段线路经过一垃圾场，地势较低，大量的建筑垃圾和生活垃圾相互混合形成杂填土，平均堆积厚度在4.5m左右。2008年进行地质勘探调查时，该杂填土路段无地下水，但是在2013年因右侧的绿化种植带灌溉，距路50m外出现一片芦苇塘，面积为5000m2，水深0.8m。在未采取降排水措施的情况下，对该路段进行了强夯施工，夯点间距为5.0m，采用4000kN·m夯击能强夯后，夯坑周围土体隆起过大，部分夯坑内出现渗水，另外，夯击一点时，原先夯击过的临近点出现再次隆起现象，真实地反映了水文地理环境对杂填土强夯的影响。

图3 现场水文地理环境

图4 强夯后的出水夯坑

1.3 有效加固深度不易确定及强夯设备性能的影响

1.3.1 有效加固深度不易确定

在强夯的过程中，土层所受到的夯击能由上部到下部逐渐递减[2]，如何确定有效加固深度，是杂填土强夯最为关键的环节。因现行规范中提供的“有效加固深度预估表”[3]只提供了粗颗粒土和细颗粒土等均质材料在不同夯击能下的有效加固深度的预估量，未预估出杂填土在不同夯击能下的有效加固深度，不能参考规范来预估杂填土地基的单击夯击能和有效加固深度。另外，因杂填土构成材料具有多样性和复杂性的特点，其受力特性受砖石、混凝土块以及其他垃圾材料的含量影响较大，因此，对合理确定有效加固深度存在着一定的困难。

1.3.2 强夯设备性能的影响

强夯设备的锤重、落距、功率等性能参数对强夯的效果影响较大，并决定着杂填土的有效加固深度以及砖石、混凝土块的破碎程度，同时也决定了地基的承载能力以及抗变形能力。

1.4 其他强夯工艺参数的影响

其他强夯工艺参数主要包括：夯击点位设计、夯击次数、遍数及间隔时间等，对强夯效果的影响也很大。

2 提高杂填土强夯效果的措施

2.1 采用强夯-注浆联合法处理杂填土地基

为了克服杂填土地基因水文环境变化而引起的不均匀沉降，可在施工阶段采用强夯－注浆联合法对杂填土地基进行处理，适用于受地下水影响较小或含水率较小的非饱和土。该方法是先采用强夯法按技术规范的要求对地基进行强夯处理，使杂填土的承载力满足设计或规范要求。在强夯过后，采用渗透注浆工艺对杂填土地基进行二次处理。一方面所用的注浆浆液可包裹杂填土内的有机物，防止其氧化或降解；另一方面可进一步填充孔隙，排挤土中孔隙所存在的气体后，在孔隙内形成强度大、化学稳定性良好的“结石体”。这种结石与土体之间紧密接触，形成复合地基，从而提高杂填土的强度和地基的整体稳定性，改善其物理和力学性能，起到既能控制路基的不均匀沉降变形，又能提高地基承载力的作用。由于杂填土组成复杂，缺乏规律性，差异性很大，孔隙大，因此，其渗透性具有明显的各向异性，单纯采用注浆法对杂填土进行处理，容易造成注浆浆液在杂填土内部串浆严重，注浆压力和注浆量难以控制，杂填土处理后的效果并不理想，因此，需要将两种方法结合起来使用。这种方法在克拉玛依市某EPC城市道路项目中得到了应用并且效果较好。

2.2 采用降水－强夯联合法处理杂填土地基

当杂填土地基受水文地理环境影响较大时，先采取措施进行降排水，然后再进行强夯施工，即采用降水－强夯综合处理法对杂填土地基进行处理，这适用于受地下水影响较大或土体含水率较大的饱和土。具体措施可采用开挖截水沟进行集水明排或采用井点降水的方式进行降水，也可在道路沿线两侧设置排水盲沟并将盲沟与附近的地下城市排水系统或排水涵洞相连形成排水体系。通过降排水和强夯的多次循环，排除杂填土内的空隙水，加快孔隙水压力的消散，最终使土体获得一定的密实度。

2.3 科学合理地确定有效加固深度

（1）修正后迈耶公式为：

式中：H为有效加固深度（m）；W为锤重（kN）；h为落距（m）；K为修正系数。

（2）单击夯击能计算公式为：

式中：E为能量（kN·m）。

因杂填土的构成较为复杂，因此，在确定修正系数K时，可先选用一台强夯设备，采用试夯的方法进行试验，现场实测有效加固深度为H′，然后用H′与迈耶公式H＝计算出的有效加固深度H，并进行比较，反算修正系数K，即K＝H′/H。克拉玛依市城南某EPC城市道路杂填土地基强夯的现场实践证明，根据此方法得到的数据与现场施工得到的数据基本一致，可以满足施工需要。

2.4 将理论计算与现场实际相结合，优选强夯设备

在选择强夯设备时，采用钻探或原位测试方法查明杂填土的构成、埋深以及周围环境的影响，根据已查明的情况，初步确定夯击能和处理深度，然后利用修正后的迈耶公式和单位夯击能公式确定锤重、落距等参数，并据此初步确定强夯设备的型号和类型。

因修正后的迈耶公式只是确定在满足现场施工和设计基本要求的条件下对强夯设备能级选择的最低要求，在确定强夯设备的型号和类型时，还应充分考虑强夯设备的工作效率。目前，国内大多采用带有自动脱钩装置的强夯设备，完成一个强夯行程所花费的时间较长，因此，为了提高强夯的效率，应对设备型号、夯点布置、施工进度等方面进行统筹考虑和优化后，选用吨位大、技术先进、性能可靠的强夯设备。

2.5 合理进行夯击点位设计

夯击点的间距一般为锤径的2.5～3.5倍，根据现场情况采用等边三角形、等腰三角形或正方形布置。对于含水率小或不受地下水影响的杂填土，可采用小间距（低值）布置；对于含水率大或受地下水影响较大的杂填土，可采用大间距（高值）布置，以利于超静孔隙水压力的消散。

2.6 夯击次数、遍数及间隔时间等工艺参数的控制

2.6.1 夯击次数及夯击遍数的控制

夯击次数和遍数的确定应遵循使土体竖向压缩量最大，而侧向位移最小的原则[3]。可从现场试夯得到的夯击次数与有效夯沉量的关系曲线确定。现场夯击时，各点之间每遍夯击采用间隔跳夯，夯击遍数一般为2遍，第2遍夯击点在第1遍夯击点之间。

另外，在点夯时，根据振动波压密理论，冲击波所产生的面波只限于沿地基表面传播，该波能使地基表面已密实的部分产生松散现象，因此，必须以低能量进行满夯，必要时辅以振动压路机进行压实，以保证地基表面的密实度。

2.6.2 强夯间隔时间的控制

两遍夯击之间的间隔时间取决于土中超静孔隙水压力的消散时间，对含水率大、地下水位高、渗透性较差的杂填土，在采取相应的降排水措施后，间隔时间应长一些，具体可通过试验确定，以利于超静孔隙水压力的消散和水分的析出与排出。当杂填土含水率较小或不受地下水影响时，如夯击对象主要是砖及混凝土块等建筑垃圾，不受孔隙水压的影响，可连续夯击。

3 结语

采用强夯法处理城市道路杂填土地基具有设备简单、费用低、利于环保等特点，已逐渐被推广使用。但是，在处理杂填土的过程中，强夯的效果受杂填土的构成成分、所处的水文地理环境、强夯设备的性能参数以及其他一些因素的影响较大。通过对这些影响因素的分析，并制定相应的策略，以确保强夯处理后的地基既能满足承载力的要求，又能满足地基沉降变形的要求，这对城市土地利用、环境保护以及延长道路的使用寿命具有重要意义。

[1]樊世群.强夯法及在杂填土路基工程中的应用机理研究[D].西安：西安建筑科技大学，2008.

[2]张有春，鲁建荣.强夯法在路床挖方路基的应用研究[J].交通标准化，2013，5（9）：137-140.

[3]JGJ 79—2012，建筑地基处理技术规范[S].

[4]唐仙.杂填土垃圾填埋场沉降控制研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[5]余永祯，范业庶，曾威.建筑工程手册（2分册）[M].5版.北京：中国建筑工业出版社，2012.