强夯法在某公路路基中的施工应用

程秋

【摘要】本文通过强夯法解决湿陷性黄土的地基处理的应用，总结了湿陷性黄土地区的施工技术经验，不仅为工程缩短了工期、减少了成本、保证了工程质量，同时也收集完善了湿陷性黄土地基加固的相关数据，形成了一套更成熟的湿陷性黄土路基处理施工技术，可为今后类似工程提供很好的参考作用。

【关键词】湿陷性路基；强夯法；；施工

1、工程概况

某公路工程项目所在基岩地层主要为早白垩纪的泥岩和泥质粉砂岩地层，岩石的强度低，抗风化能力差。通过对公路的工程地质勘察，该地区的黄土分风成的原生黄土与冲洪积的次生黄土两种。在微丘低山岭的顶部或中部这个比较小的地段广泛分布着原生黄土；在低山丘陵的下部及河谷位置则以冲洪积的次生黄土为主。黄土按形成年代的不同，被碎石和砾石一层层分隔开。这种黄土状亚黏土的湿陷性只有一小部分是自重性的，其他大部分是非自重性，其最厚处达16m，平均厚度在3～10m之间。根据工程公路湿陷性黄土地质条件，通过现场实际研究确定合理的强夯作业标准，以取得最佳的工程效果，为以后同类地质工程设计与施工提供借鉴。

2、强夯法简介

2.1起源及发展

强夯法又名动力固结法（Dynamic Consocidation Method）或动力压实法（Dynamic Compaction Method）。20世纪60年代末，路易斯·梅纳工程师在英格兰进行深层土体的压实处理后，对此方法倍加推崇。其主要通过夯锤的重力作用，产生冲击能来击实地基，从而提高其强度，降低工后沉降。这种方法造价低、操作简单，且对地基的作用深度较深。这些优点使得此方法得以迅速推广应用。20世纪70年代后期，此项技术在山西、河北等地作为试点研究被首次引进，应用效果证明了此技术的优良性。随后，将此技术广泛应用到填海地基施工中，自此得以全国推广到铁路和公路等工程施工中。

2.2适用范围及条件

当黏土、砂性土、饱和度较低的粉性土以及湿陷性黄土施工段距离人口聚居区大于150m以上时，都可用此方法进行施工处理。其对饱和度较高（大于80%）的黏性土、淤泥和淤泥质土类型地基不适用。

2.3工艺原理

强夯法是根据地面需要的夯击能，选择夯锤的吊起高度和夯锤重量。强夯法是将夯锤用适当的起重设备吊起到计算高度，并摘钩让夯锤在重力作用下自然下落，到地面时产生夯击能量，对土体进行压缩，排出土体原有孔隙水和气体，多次重复夯击使土体固结，以使地基承载能力增加。

3、施工设备选型

3.1 履带式起重机

起重设备通常选用起重力大于15t的履带式装备。此种设备走行便利，且具有良好的稳定性能。起重机要有一定的起重高度，多在10～14m。要特别注意，为防止夯锤下落时，导致吊臂回弹后仰，造成起重机翻倒，可根据夯锤升起后的设备最高重心，适当添加钢质桅杆等设施，以保证设备在施工中的安全和稳定，如图1所示。

图1履带式起重机示意

3.2 夯锤

为保证夯锤的静压力值在25～40kPa，夯锤的重量一般应在10～20t之间，其上、下底面直径各约2m。故在多数施工过程中，夯锤通常选用厚钢板材焊接，里面填筑水泥混凝土凝固而成。同时，考虑到夯锤夯击地面后的气体排出，降低空气形成的阻隔反力，保证夯锤均匀地产生夯击力，在夯锤制作过程中，要在上下底面预留一定数量贯穿整个夯锤的圆孔，其直径约25cm上下。

4、试验分析

4.1 试验检测

用强夯法处理湿陷性黄土时，由于土体受压变形大、含水量多、固结过程长等因素影响，为保证强夯后的路基稳定，达到要求的地基承载力，就要选择合理的施工技术参数，加强现场监测，要特别注意施工过程管控，避免地基产生回弹。现场试验方案采用强夯处理，夯击功能为1000kN·m。夯锤重10t，锤底面直径为2.5m。按边长4m画布正方形网格，以正方形中心为夯击点中心，施工时先间隔进行夯击，最后达到整块夯击地基下沉0.5m、每点2次夯击的平均沉降不大于5cm的要求。正式夯击前进行夯击试验，每点夯击4次、6次、8次、10次，要保证压实度达到50%以上。根据试验结果，确定每点按8次夯击进行施工时即可满足施工质量要求。为了及时、准确地监测相关指标，提取观测数据，需要在施工路段布设4个沉降杯以观测地基的沉降数据。需要注意的是，须用混凝土加固并用钢管等做好沉降杯保护工作，避免破坏。同时，需埋设孔隙水压力测头。根据试验要求，可分3组、每组4个按一定深度和距离布设孔隙水压力测头，见图2。

图2测头水平和竖向布置

4.2 试验分析

4.2.1 确定点位夯击次数

根据图3夯击次数与地基沉降量的變化曲线图，可以看出，如果以最后2次夯击的平均沉降量作为控制指标，基本上每点夯击4次就能满足要求。如果按总的沉降量作为控制指标，则每点需要夯击8次方可达到指标要求。

图3原地基强夯3个夯位下沉量的测试结果

总的沉降量值与工程需要的地基改良深度有关，这也是控制每点夯击次数必须考虑的重要值。依据文献介绍，性质不一样的土壤，所需的夯击能量E是不同的：对杂填土，E为800kN·m；对黏性土，E为500～600kN·m。依下式粗略估算所需的夯击次数：

N=E·S·d/W·H

式中：E为单位土体所需的夯击能量，kN·m；S为锤底面积， m2；d为地基改良深度目标值，m；W为夯锤重量，t；H为落锤高度，m。

以E=600kN·m，S=4m2，d=4m，W=10t，

H=10m代入上式，则N=9.6次。试夯按10次夯击进行。按目前估计，强夯影响深度的一般经验公式为：

D=a

式中：a为受多种因素影响的一个经验系数。取a=0.5（实践证明略高），则D=0.5=5m。D>d，可以认为按选用的设备参数达到消除3.5～4.0m厚度土层的湿陷性是可能的。试验段在施工过程中通过预先埋好测斜仪对不同深度的土体进行位移观测，通过对试验段的施工现场测得的数据进行处理，绘制深度～位移曲线。通过曲线可以看出其中深层水平位移曲线变形最大值发生在地表1.5～2.5m范围内，可见强夯对这一区段内的土体有很大的影响，同时也验证了前面所计算的试验段有效加固深度为3.5～4m。根据压实度检测指标，可看出6次夯击时，压实度平均值高于90%；8次强夯时，则土层整体压实度均高于90%，可满足施工要求；10次夯击时，地基沉降与8次夯击时变化不大，压实度变化也不明显。所以，在施工时可按8次进行强夯施工。根据图4a强夯前后的静力触探曲线和图4b路基填筑后的静力触探曲线，可以得出：强夯后地基的强度较高，静力触探值高于10MPa。

图4 a 夯击前后的静力触探曲线

图4b 试验段路基完成后的静力触探曲线

4.2.2位移

通过观测试验段通车后路基顶面的沉降结果。可以看出，强夯后虽然地基仍出现了沉降，但在整体填筑后，可以达到稳定，总的工后沉降值较小，完全满足对路基沉降指标的要求。通过强夯的原理，可以得出当土体被强夯冲击力压实的同时，也将发生一定的挤压变形，并向周围扩散，所以应用强夯法施工时，一般对1000kN·m能级的强夯施工，要求夯点距桥涵等构筑物大于10m即可。如果施工现场不能达到此要求距离时，可以采用低能量多次遍夯进行处理。对黄土路堤填方的强夯压实，以土料的压实和挤密作用为主，同时也对未破碎土块中的结构强度、结构性孔隙产生动力破坏，并改变土中易溶盐性质状态。对应1000kN·m强夯能级，按正方形布设夯点，夯锤中心间距为4.0m，按先路堤边缘后中间的顺序满夯1遍，单点击数8～10次，然后将表面松散土夯平。夯实质量以压实土的压实度及夯沉量进行控制。

4.3 强夯地基满夯后检测结果

应用室内土工试验标准贯入试验及荷载试验等对满夯后15d的路段进行试验检测。经检测，强夯加固地基的强度已满足设计要求。

5、施工工艺

（1）清理并平整施工场地。

（2）测定地基原始标高，布设夯锤落点。

（3）测量夯锤施工前的顶面标高。

（4）按设计高度，将夯锤吊起后自然释放，让夯锤以自由落体的形式落下， 夯击地面成坑，并适当平整，尽量保证坑底平整。

（5）按设计要求，重复吊起夯锤自然下落这个过程，直至该点位完成夯击次数。

（6）夯击下一夯点，至完成整个场地夯击。

（7）点夯以后将地面平整，以1000kN·m夯击能满夯，夯印彼此搭接，满夯2遍，每次满夯后都应将地面重新平整。

（8）将夯击的坑回填整平，记录地基标高。

（9）经过指定的时间间隔，重复上述过程，完成所需数量的低能满夯并测量地基高程。

6、质量检验标准

（1）檢验依据：

《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）、《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）。

（2）检验内容：

①施工前要对施工地段的土质、排水设施以及夯击采用的夯锤参数等进行检查；

②施工中应检查落距、夯击遍数、夯点位置、夯击范围；

③施工结束后，检查被夯地基的强度并进行承载力检验。

7、检验及试验方法

在强夯法施工后要等待一段时间，再对地基处理情况进行检测，以确定加固后的地基处理质量。要结合设计标准的控制指标，认真确认每个夯点最终2次夯击的平均沉降值是否达到要求，夯击次数和遍数是否符合试夯后提出的要求，以及强夯前后的测试对比数据等；另外还要检查沉降观测的水准点和基准点是否完好无缺，沉降观测数据是否齐全。

结语

通过该项目强夯法课题研究，应用强夯法解决湿陷性黄土的地基处理问题，总结积累了湿陷性黄土的施工技术经验，不仅为工程缩短了工期、减少了成本、保证了工程质量，同时也收集完善了该地区湿陷性黄土地基加固的相关数据，形成了一套更成熟的湿陷性黄土路基处理施工技术，在今后的公路、铁路等工程建设领域，可以得到进一步应用和推广。

参考文献：

[1]苏玉玺；利用强夯进行软弱地基处理的研究[D]；中国海洋大学；2004年

[2]李大忠；强夯法加固湿陷性黄土后承载力的研究[J]；岩土工程技术；2000年03期

[3]魏丽敏.软土路基双重非线性流-固耦合仿真分析与沉降预测[D].长沙：中南大学土木建筑学院，2005.

[4]张诚厚，袁文明.高速公路软基处理[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.