强夯法在加固公路路基中的应用探讨*

李向群 李宗效 周 彬

(1:吉林建筑工程学院测绘与勘查工程学院，长春 130118;2:中元国际(长春)高新建筑设计院有限公司，长春 130012)

强夯法地基处理应用的领域非常大，涉及到电力、水利、港口码头及工民建等工程领域．特别针对位于湖泊和海洋下的软弱地基亦试验利用特殊工艺来强夯处理．目前，随着现代科技的不断进步，环境污染程度也逐渐加深，城市废弃物和固体垃圾利用强夯法地基处理得到了解决．在城镇处，人口较稠密的地方不适用强夯法，因强夯法在施工中震动大、噪音大等弊端所受限．

1 强夯法地基处理的原理

1．1 夯击能的传播原理［1］

强夯法地基处理的目的是在地基土内随深度产生性状相异的3个区域:

(1)弹性区． 地基土在加固区之下的埋深内，并不发生塑性变形，是因为冲击能慢慢减弱，所以对其产生不了加固;

(2)加固区． 地基土在基表松动区之下一定埋深内，发生了体积减小的现象和地基表面下沉的现象，其是受到波中的体波影响所造成的;

(3)基表松动区． 动力置换加固地基、动力夯实加固地基和动力固结加固地基3种是强夯法地基处理的原理以作用和加固机理的角度、地基土层的种类不同来划分的，破坏地基土的天然构造且形成新的稳定平衡为动力置换加固地基、动力夯实加固地基和动力固结加固地基的相同特征．

1．1．1 动力置换加固地基

在动力置换加固地基时，由于饱和粘性土的渗透系数不高，孔隙水压力不能马上流失，其构造极易破坏，此时位于夯坑边缘的地基土会凸起，其体积无显著降低现象，所以动力置换加固地基的成效并不十分良好，也有可能形成“橡皮土”．影响饱和粘性土动力置换加固地基成效的关键要素是地基土渗透系数的大小与夯击能的高低，可与地基土中用透水型土工织物长袋装的砂砾石等方法来改变地基土的渗透系数，然后实施动力置换加固地基，这时其原理与动力固结加固地基相仿．亦适选取动力置换加固地基．

1．1．2 动力夯实加固地基

渗透系数大的非饱和粗粒土在动力夯实加固地基时，因在地基土内传递的夯击能形成的动应力与冲击能强大，逼迫非饱和粗粒土的颗粒形成瞬时的相对位移或令其颗粒破坏，以致令地基土中孔隙内的气体被压缩或快速逸出(地基土中孔隙缩小体积)，这时便成为更加致密的土体结构．

1．1．3 动力固结加固地基

针对强夯法加固粘性土，因在地基土内传递的夯击能形成的动应力与冲击波havok强大，从而破坏地基土原来的构造，令地基土部分形成液化，形成若干裂隙，更加便于孔隙水排出．超孔隙水流失后，地基土便固结，于是粘性土在动力固结中的强度和触变性获得了加强．

1．2 强夯法的时间效应理论［2］

强夯使地基土的构造破碎，使其承载力基本为0．地基土的变形模量与抗剪强度显著增强是伴随着孔隙水压力的降低产生的(见图1)，因为新形成的水化膜慢慢稳定和地基土的颗粒之间密切接触，促使地基土的抗剪强度在孔隙水压力全部外排后依然能得到一定程度的增强．据相关数据显示，所得到地基土的变形模量在强夯后180d左右比30d左右时上升29．5% ～79．5%，地基土的抗剪强度上升19．5% ～29．5%．由此，结合水大约需要几个月的时间来慢慢稳定．当地基土处于触变恢复时期，其的沉降量不会很大(0．9%以内)．当强夯施工结束30d左右来实行质检环节最为合适，是因为参考了强夯法的时间效应因素．

图1 强夯法加固中地基土的抗剪强度和时间的关系曲线

1．3 强夯法振动波的压密理论

把机械能先转变成势能，然后势能转变成动能，最后在地基土中作用的过程是强夯法加固的特征．当重锤作自由落体运动下落与地基土表层相互接触的刹那，地基土体便由于夯击而发生剧烈的振动，从而形成由震源向周围传递的振动波．当强大的冲击波施加于地基土(将地基土视为弹塑性土体)时，在连续的介质内，质点振动且其振动能量能传达到周边的其他介质，并带动周边的其他介质振动．此振动流程所产生的波按其特征与性状具体划分成体波与面波．

体波包括压缩波与剪切波，强夯加固是以体波影响为主．压缩波是从震源向四周传播的．在压缩波中，波前进的方向和质点振动的方向相同，体积也会产生相应的转变．通常情况下，其振幅低、周期短;剪切波也是从震源向四周传播的．在剪切波中，波前进的方向和质点振动的方向是互成90°垂直的，体积保持不变．通常情况下，其振幅高、周期大．

在理论上，压缩波的传递速度和剪切波的传递速度可应用以下两式进行分析．

式中，Vp为纵波速度，m/s;Vs为横波速度，m/s;E为介质弹性模量，kPa;G为剪切模量，kPa;ρ为介质密度，kN/m3;μ为介质泊松比．

当利用强夯法进行加固压密地基土过程中，地基土受到强大的夯击能量，从而使地基土出现侧向挤压与剪切压缩．通常情况下，地基土的扰动松弛区在0～0．6m左右;地基土的压密加固区在0．6m～4．9m左右．

重锤作自由落体运动下落与土体(把土体看作弹性半空间体)相互接触的刹那，此时动能的转化形式有3种:①局部动能转变为热能(地基表层和重锤撞击产生的);②局部动能转变为声波而向周围传播;③剩下的大量动能转变为以表面波、横波、纵波3种形式的能量来提供给地基土自由振动．

通常情况下，土体是由固相、液相和气相三相所组成的不均质层状构造体．当锤击地基表层的刹那，能量从土体中的一个弹性介质传递到另一个弹性介质中，此时其产生了强夯加固的效果，并且能量可以返回到原始的弹性介质中去，其提供地基表层土松动所需的能量．

填方土层在强夯法加固中，填方土层被冲击波刹那压缩而压密且使地基土的承载力增强．因地基土的颗粒产生相对运动并重整罗列，其缝隙间的气体挤出．通过强夯法加固，地基土变成最密实状态，孔隙率显著降低．

2 主要施工参数的选择

2．1 单击夯击能的确定——有效加固深度的确定

凭数值模拟分析得到的相关数据或场地夯击实验资料来总结出强夯法的有效加固深度，亦能通过计算来求得:

其中，H为有效加固深度，m;W为锤重，kN;h为重锤的落距差，m;α为土体修正后的系数，根据各地区土质状况的不同而有差异．

《地基处理规范》［3］中表明，当处理土层的地区经验不足或场地夯击实验数据缺失时，可按表1预估．

表1 强夯法的有效加固深度(m)

2．2 夯击能的分类

强夯时，当地基中出现的孔隙水压力达到上覆土层自重压力时，此时对应的夯击能为最佳夯击能，夯击能包括单位夯击能与单击夯击能两种．

2．3 确定强夯击数

强夯击数的确定是强夯试验的关键数据．通常情况下，强夯击数先通过试夯初步判断，再通过夯沉量和试夯取得的强夯击数相关曲线来断定，还应符合以下内容:

(1)不能在夯坑较大时，出现提起夯锤不便的现象;

(2)最终2击的夯沉量均值应小于以下数据:单击夯击能不小于5 900kN/m时为200mm;单击夯击能是3 900kN/m～5 900kN/m时为100mm;单击夯击能不大于3 900kN/m时为50mm;

(3)夯坑四周的地面表层土体不能产生过大的凸起．

2．4 强夯次数的确定

强夯次数可凭土体的性状来推断，利用点夯2～3次，由于细颗粒土的渗透系数小，强夯次数应略微提高．最终两击应用质量小的夯锤以小夯击能多遍数夯击．

在具体试验中，泥炭和粘性土的强夯次数一般是4～7遍;砂质土、砂砾与碎石土一般是3～4遍．最终利用小夯击能夯击一次，将地层表面附近的地基压密夯实．

2．5 强夯夯击的时间间隔

地基土内超孔隙水压力的排挤时间决定时间间隔，两遍强夯夯击需存在间隔时间．场地夯击试验数据缺失时，能通过土体的渗透系数来推断，渗透系数大的土层适合持续强夯;粘性土层的渗透系数小，其时间间隔需大于20d～30d．

2．6 强夯夯击点设置

凭借构筑物的构造种类并利用长方形或三角形设置强夯夯击点的部位．两强夯夯击点的距离约为4．5m～10m，此后各次两强夯夯击点的距离同前一次一样，亦能略微缩短．单击夯击能略高的土体或地基处理埋深略大的地基，首次夯击的两强夯夯击点的距离应略微提高．

2．7 强夯加固的作用范围

强夯加固地基处理作用的范围最好不小于构筑物基础的范围，且所有边缘是地基底部以下埋深的0．5～0．66倍且超过3m或需大于构筑物基础外边缘的宽度．

3 强夯法实例

3．1 强夯法实例情况

长吉高速公路中某一级汽车专用公路，其里程为83．555km．此高速的行车道路面及其两侧路肩宽度之和是19．5m．此高速全程的地层岩性分布较复杂．粉质粘土层厚0．9m～12．5m．土体的压缩系数大，含水率很高，故利用强夯法加固此高速K111+14～K111+70段地基土路基．

3．2 地基土性状和路段地质概况

此高速公路的表层是粉质黏土组成的，黏土层和粉土层依次分布在粉质黏土层之下．地基土层较均匀，土质湿度较低，密实度偏低，粒径级配良好．表2为此高速Klll+14～Klll+70段土质的物理性质相关数据．

表2 长吉高速K111+14～K111+70段土质的物理性质相关数据

4 强夯加固公路路基实验探究

因长吉高速Klll+14～Klll+70段粉质粘土层的压缩系数较大，我们通过现场试验获得一些土体夯沉量的测量数据(见表3)．处理此路段应先利用强夯法以3，5和7击加固此高速路段［4］(试夯后，以每个夯点7击加固)．则经过试验，可得到如下结果(见表4)．

表3 土体夯沉量的试验测量数据

通过表3分析得，利用所有夯点最终2击在地基土中用重力击打贯入体时，贯入体进入土体中的深度的均值不大于5．0cm和夯沉量的均值不小于50cm来为强夯质量所控制是可以的．故位于此路段之外的路段以每个夯点7击加固可符合规范要求．

表4 利用静力触探方法测试得到的夯击前后的数据结果

通过表3和表4分析得，地基土层被强夯处理后压密而引起的地基表面下沉量明显降低，地基土体所能承受荷载的能力被强夯处理后明显增强．

5 结语

强夯高效、迅速和经济的地基处理方法正得到越来越多的应用，本文得出以下结论:

(1)此道路路基通过强夯加固处理后，利用所有夯点最终2击在地基土中用重力击打贯入体时，贯入体进入土体中的深度的均值不大于5．0cm～6．0cm和夯沉量的均值不小于50cm～60cm来为强夯质量所控制是可以的．地基土层被强夯处理后压密而引起的地基表面下沉量明显降低，地基土体所能承受荷载的能力被强夯处理后明显增强;

(2)地基土产生固结、地基土部分液化、地基土的压实作用和孔隙水的外排是强夯加固土体的重要作用原理．在强夯加固土体里，地基土产生固结、地基土部分液化、地基土的压实作用和孔隙水的外排同时作用．

［1］张庆国，毕秀丽．强夯法加固机理与应用［M］．山东:科技出版社，2003:2-5．

［2］李向群，王岩松．强夯法处理杂填土实例［J］．工程勘查，2003(3):38-39．

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部．建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)［S］．北京:中国计划出版社，1998．

［4］谭永乐．高速公路路基强夯技术施工质量控制指标的研究［M］．济南:山东大学出版社，2007:40-45．