高速公路路基强夯加固机制分析

孙少锐，韩银龙，王亚杰

(1.河海大学地球科学与工程学院， 江苏 南京 210098；2. 上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)



高速公路路基强夯加固机制分析

孙少锐1，韩银龙1，王亚杰2

(1.河海大学地球科学与工程学院， 江苏 南京 210098；2. 上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)

摘要：为探讨强夯对软土路基的加固效果，选取宿新高速公路典型地质条件路段，应用强夯置换法处理软土地基，在试验段确定3个试验点分别针对无碎石垫层、20 cm碎石垫层和40 cm碎石垫层3种工况进行试验，对试验过程中孔隙水压力的消散进行观测，得出超孔隙水压力随夯击能累计而增加，同时伴随消散而减少，使得峰值出现时间的早晚与夯点夯击顺序密切相关；对试验前后土体力学参数进行定量分析，发现垫层较厚的场地，随着孔隙水压力消散结束，在强夯试验结束一段时间后，土体颗粒间紧密接触，新吸附水逐渐固定，土的抗剪强度和变形模量都有了大幅度的增加。分析结果表明，强夯虽破坏了土体原有结构，但总体上提升了土体强度，加固效果明显。

关键词：软土路基；强夯；孔隙水压力；现场试验；加固机制

强夯法始用于碎石土、砂土，经多年的发展，已适用于低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、杂填土、素填土等地基。对于高饱和度粉土和黏性土等地基，采用强夯置换仍处于经验阶段。文献[1-6]的研究发现，强夯法处理高饱和度地基土目前主要存在以下问题：l)对高饱和度地基土其质量检测无据可依，完全凭现场技术人员经验而定；2)对高饱和度地基土强夯的研究，国内外学者[7-14]主要集中在强夯机制分析及影响范围的计算，目前注重强夯工艺与技术的研究开发，而对夯后地基强度和变形预测少见报道。

为探讨强夯处理软土地基的加固效果，选取宿新高速公路试验段开展现场试验工作，并在试验结束后的一段时间内对试验段土体进行强度测试，从而分析加固效果。本路段场地土类别划分如下：22层粉土，层顶埋深0 m，层厚4.9 m，承载压力为100 kPa，液化等级严重；32层淤泥质黏土，饱和，流塑，软土层厚4.2 m，埋深4.9 m，最小重度17.5 kN/m3，快剪黏聚力18 kPa，内摩擦角14.1°，承载压力为70 kPa，最大孔隙比1.391，最大含水量52.7%。

1现场试验方案布置

根据场地的工程地质条件，初步设计强夯遍数为3遍，分别为主夯、副夯和满夯。夯点的夯击数根据现场试夯确定，应满足下列条件：1)以夯坑的压缩量最大，夯坑周围地面隆起最小为原则，且最后两击或三击的平均夯沉量小于100 mm；2)当孔隙水压力消散80%后进行下一遍强夯，间歇时间由试夯时孔隙水压力消散过程的观测时间来确定。

1.1试验段试验方案

试夯段确定采用主夯、副夯夯击能为1 000 kN.m，满夯为700 kN.m。试夯段分无碎石垫层、20 cm厚碎石垫层和40 cm厚碎石垫层3个试验点进行试夯。在碎石垫层布设前，每个试夯段选取2个位置埋设孔隙水压力计，设置在主夯、副夯的空隙地带；每个位置地面以下2.0 m处、3.5 m处、5 m处埋设3只孔隙水压力计，各点之间采用膨润土泥球封堵。每个试夯段范围15 m×20 m，含9个主夯点，4个副夯点，每个试夯段间隔距离大于10 m。夯点布置为正方形，主、副夯夯点间距4.5 m，满夯夯点间距1.42 m，放样用石灰点(或标桩)标明每一遍位置。

1.2试夯段试夯方案

按试夯要求进行原地面场地平整，布设主夯夯点、压力计孔位、夯沉量观测点、标贯检测点，等待强夯机就位，按要求进行主夯夯击，观测每次夯击后夯点高程。记录每次夯沉量、夯击次数，同时观测并记录夯坑周围的隆起量。主夯后静置时间由检测孔隙水压力确定。主夯结束后用碎石填平夯坑，整平场地，测量主夯后整体夯沉，然后按要求布设副夯夯点，副夯的夯击次数、检测要求、静置时间与主夯相同，副夯结束后用碎石填平夯坑，整平场地，测量副夯后整体夯沉量，然后按要求布设满夯夯点。满夯时，夯击顺序与副夯一致，夯点彼此搭接1/4 锤底面积(夯点计算间距1.42 m)，满夯结束后测量整平后标高。20 cm、40 cm厚碎石垫层强夯试验段试夯施工工艺、检测要求同无碎石垫层试夯。

1.3强夯点的夯击顺序及现场情况

根据夯击要求，现场夯击点的夯击顺序如图1所示， 现场试验从2月27日开始，3月6日结束，天气多以阴雨天为主，3月2日至3月6日，每日有降水。

(a)主夯顺序图

(b)副夯顺序图

2现场试验结果与加固机制分析

2.1强夯过程中孔隙水压力变化趋势分析

如图2—7所示，主夯时2 m深处的孔隙水压力消散较慢，在同等地质条件下，由于夯击使上部土体形成“硬壳层”，导致上部超孔隙水压力消散较慢；而其中40 cm垫层消散的最慢，由此推断20 cm垫层加固效果较好。从孔隙水消散的时间看，无论哪种工况，超孔隙水压力在1～1.5 d内能消散80%。就超孔隙水压力的消散快慢来看，夯击对2 m深处土体的影响最为明显，3.5 m处有较明显的影响。在副夯期间，降水较多，强夯效果不如主夯时候明显，副夯时由于降雨影响导致监测的孔隙水压力较初值大；因此导致部分超孔隙水压力计算值为负值，其中20 cm、40 cm垫层的影响较为明显。

2.2强夯试验加固机制分析

对于饱和软土地基来说，在夯锤的重复冲击下，饱和土会产生非常大的超孔隙水压力，导致土体中的有效应力越来越小，这时土体产生局部液化。因为土颗粒的骨架结构被破坏得很彻底，土的强度也减小到最小值，必然导致饱和土体内的水流阻力也随之减小，使孔隙水在土体中的流通变得顺畅，土的渗透系数也就越来越大。在这样的情况下，孔隙水会沿着土体中夯锤冲击产生的裂缝快速排出，超孔隙水压力迅速消散，随着超孔隙水压力的消散及在上覆预压荷重和土体自重压力的作用下，使因强夯而产生裂隙的土体随时间逐渐闭合，水力梯度也随之下降，土颗粒重新排列，土粒间距变小，接触紧密，同时新附着水逐渐固定，使土的抗剪强度与变形模量大大提高，从而提高地基承载力，降低压缩性。从试验前后土层的物理参数(见表1)来看，强夯对黏聚力的影响明显高于内摩擦角的影响，优化率达到17.99%，内摩擦角优化率近10%；两层土在压缩性方面的改善比较明显，达到了20%；锥尖阻力优化率大于侧壁摩阻力，土的灵敏度影响超过20%。由此可见，强夯对土体强度的提高有较明显的效果。

表1　试验前后土层物理力学参数对比

3结论

1)在整个强夯试验过程中，超孔隙水压力随夯击能累计而增加，同时伴随消散而减少，呈现先增加后减小的规律。峰值出现时间的早晚和夯点的夯击顺序有关，夯点与测点的距离由远及近时，峰值出现的时间较晚，夯点与测点的距离由近及远时，峰值出现的时间较早，与副夯相比主夯时该特点更加明显。

2)垫层较厚的场地，夯击对夯点间的土体强度增加相对明显，土体的挤密程度较高，但易导致上部超孔隙水压力消散的较慢，而对深处的超孔隙水压力消散影响较小；因此考虑20 cm厚的垫层比较合理。

3)从超孔隙水压力消散情况来看，强夯对埋深2 m左右的土体强度影响较大，对埋深3.5 m以下土体强度的影响不明显，因此仅通过超孔隙水压力判断土体强度相对困难，建议考虑其他检测手段。

4)由试验后的现场强度参数检验结果看出，强夯对土体强度的影响较为明显，说明强夯在增加土体的同时也破坏了土体原有的结构，但总体上对土体强度的影响较为明显。

参考文献

[1]叶观宝，张小龙，陈忠青，等.强夯加固掺块石泥质粉砂岩填土地基试验研究[J]. 工程勘察，2015(2)：19.

[2]高政国，杜雨龙，黄晓波，等.碎石填筑场地强夯加固机制及施工工艺[J]. 岩石力学与工程学报，2013(2)：377.

[3]赵振东，赵翔宇.高能级强夯处理碎石土地基的应用研究[J]. 工程勘察， 2011(10)：29.

[4]董倩，况龙川，孔凡林.碎石土地基强夯加固效果评价与工程实践[J]. 岩土工程学报，2011，33(1)：330.

[5]王铁宏，水伟厚，王亚凌，等.10 000 kN·m高能级强夯时的地面变形与孔压试验研究[J]. 岩土工程学报，2005，27(7)：759.

[6]水伟厚，王铁宏，王亚凌.10 000 kN·m高能级强夯作用下孔压测试与分析[J]. 土木工程学报，2006，39(4)：78.

[7]Poran C J, Rodriguez J A. Design of Dynamic Compaction[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1992, 29(5): 796.

[8]Chow Y K, Yong D M, Yong K Y, et al. Dynamic Compaction of Loose Granular Soils: Effect of Print Spacing. Journal of Geotechnical Engineering, 1994, 120(7):1115.

[9]Merrifiels C M, Davies M C R. A Study of Low-energy Dynamic Compaction: Field Trials and Centrifuge Modeling[J].Geotechnique, 2000,50(6):675.

[10]Chow Y K, Yong D M, Yong K Y, et al. Dynamic Compaction of Loose Deposits. Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1992, 32(4):93.

[11]Kyle M R, Stan J J, Todd E R. Optimum Moisture Content for Dynamic Compacting of Collapsible Soil[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 1998, 124(8):699.

[12]Chow Y K, Yong D M, Yong K Y, et al. Dynamic Compaction Analysis[J]. Journal of The Geotechincal Engineering, 1992,118(8):1141.

[13]Feng T M, Chen K H, Su Y T, et al. Laboratory Investigation of Efficiency of Conical-based Ponders for Dynamic Compaction[J]. Geotechnique, 2000, 50(6):667.

[14]Gu Q , Lee F H. Ground Response to Dynamic Compaction to Dry Sand[J]. Geotechnique,2002, 52(7):481.

(编校：叶超)

Field Test Analysis on Reinforcement Mechanism of Soft Soil Foundation by Dynamic Compaction Method

SUN Shaorui1, HAN Yinlong1, WANG Yajie2

(1.CollegeofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098China;2.ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200082China)

Abstract:In order to research the reinforcement effect of soft soil foundation by dynamic consolidation, the section of Suxin expressway with typical geological conditions was chosen to carry out dynamic consolidation field test of soft soil foundation treatment based on dynamic replacement method. No gravel layer, 20 cm gravel layer and 40 cm gravel layer were used to conduct the field test in different test point. The dissipation of pore water pressure with time was observed and analyzed during the test. The test results show that during the dynamic compaction, excess pore water pressure increases and then decreases. The peak time is in relation to the time of dynamic compact. The increasing of the soil strength for the thick gravel layers is relatively obvious. And the improvement of soil strength is remarkable by comparing the physical and mechanical parameters The results indicate that although the dynamic consolidation destroys original structure of soil, its strength is improved and reinforcement effect is obvious.

Keywords:soft soil foundation; dynamic consolidation; pore water pressure; field test; reinforcement mechanism

收稿日期：2014-06-19

基金项目：国家自然科学基金项目(41002089)；国家十二五科技支撑计划(2012BAB29B02)。

中图分类号：TU443；TU472.3

文献标志码：A

文章编号：1673-159X(2016)03-0093-4

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.03.019

第一作者：孙少锐(1975—)，男，教授，博士，主要研究方向为岩土体稳定性。

·建筑与土木工程·