浅谈强夯法在控制高填路基差异沉降中的应用

■　吕静凌（南平市交通建设质量安全监督站，南平　353000）



浅谈强夯法在控制高填路基差异沉降中的应用

■吕静凌
（南平市交通建设质量安全监督站，南平353000）

摘要本文通过分析闽北山区公路高填路基产生差异沉降的原因，并以南平市武夷新区省道303线改造工程（新岭至将口大道段）中强夯处理现有高填路基实例为依托，分析影响强夯高填路基加固效果的因素，揭示出在强夯处理高填路基过程中应注意的质量控制要点。

关键词强夯法高填路基差异沉降应用

近年来，闽北公路建设发展迅猛，据统计，至2015年底，闽北公路通车总里程达15554.241km，其中高速公路总里程达929.672km，普通公路总里程达14624.569km，全区干线公路网已具规模。南平市辖区面积2.63万km2，占福建省的1/5，是典型的“八山一水一分田”的丘陵地貌。山区公路修建过程中，由于地形、地质以及路线线形的要求，高填深挖路基频频出现，由此导致了高填路基差异沉降引起的病害，严重影响道路使用性能。

本文在分析闽北山区公路高填路基产生差异沉降原因的基础上，以南平市武夷新区省道303线改造工程（新岭至将口大道段）中强夯处理现有高填路基实例为依托，分析影响强夯高填路基加固效果的因素，揭示出在强夯处理高填路基过程中应注意的质量控制要点。

1　闽北山区公路高填方路基差异沉降产生的主要原因

高填路基差异沉降由施工期沉降和工后沉降组成。施工期沉降是从路基开工到路基填筑完成时，其间产生的沉降，是伴随着路基填筑施工的一个持续过程。工后沉降是从路基填筑结束后，一个较长的时间内，受土体自重、上部路面施工和行车荷载影响产生的沉降过程。引起高填路基差异沉降变形的因素很多，就闽北公路而言，差异沉降大致有以下几种原因：

（1）高填路基自重和对天然地基处理不到位

天然地基的固结在自身的重力作用下已基本完成，但在其上修筑路堤时，由于路堤填土成为附加荷载，从而使天然地基产生沉降变形。这种沉降变形的大小受路堤填土的土质和填土高度的影响。在闽北地区，很多公路路线需要经过山垄田、菜地等软弱土地带，对软弱土质路基处理不到位，就在其上填筑新的路堤，新增的附加荷载，更加剧了天然地基的沉降。

（2）路基压实度不足

在路基压实度不能满足要求的情况下，由于路基两侧压实度相对较低，因此路基沉降将是临近边坡的路基两侧大于路基中心，这一倾向在雨水入渗与冲刷的情况下表现得更加明显。在此情况下，硬路肩与行车道间将出现沉降差，并出现沉陷和错台现象。由于行车道板下脱空，雨水又能从错缝中渗入基层，在行车道频繁行车荷载作用下，加上雨水对面层和基层连接面的不断冲刷，导致了路面的断裂。

（3）水的作用

闽北境内溪河纵横，流域面积在4000km2以上的河流有8条，分别为闽江、富屯溪、金溪、沙溪、建溪、崇阳溪、南浦溪、松溪，集水面积50km2以上的河流有176条，构成溪河众多、流域面广的自然水系，导致闽北降水丰富，此外闽北地区地下水也极为丰富。水是公路路基损坏的主要原因，水的渗流作用使得许多山区公路路基产生滑塌、侧向位移与沉陷等。

（4）边坡失稳

高填路基边坡稳定性直接影响路基稳定性。由于路堤土属于非饱和土，在降雨作用下，降雨入渗会首先在路堤边坡坡脚引起滑动破坏，一旦坡脚发生滑动，就会触发坡脚以上部位更多的滑动发生，从而成为形成路基沉降的又一个重要因素。

（5）工后沉降［3］

高填路堤的工后沉降难以避免。根据土的物理性质，土为塑性材料，在土的原状被破坏以后，不论人为压实得多么密实，工后沉降也是难以避免的。

（6）受工期的影响

高填方路基沉降是一个持续的过程，短时间内不可能全部完成。施工期也是沉降控制的一个重要因素，目前国内公路建设周期短，工期内路基的沉降还未完成，这样为工后过大沉降埋下隐患，容易造成基层或面层的破坏。

2　强夯控制高填方路基差异沉降的机理

大量工程实践表明，公路工程中沉降的发生不可避免，但是过大的不均匀沉降将导致路基和路面的破坏，因此，国外许多发达国家也积极研究控制差异沉降的方法。如从路基填料、地基处治技术、土工合成材料等方面着手。本文着重探讨强夯法在高填路基加固中的应用及其施工质量控制。

强夯法又称为动力固结法［4］，将重锤从高处自由落下给地基以强大冲击力和振动，从而达到提高地基土的强度并降低其压缩性的目的。强夯法具有许多优点，如压实效果显著、设备简单、施工方便、适用范围广、经济易行和节省材料等。

通常认为，强夯加固路基过程有四个阶段：（1）夯击能量转化，同时伴随强制压缩或振密；（2）土体液化或土体结构破坏，表现为土体强度降低或抗剪强度丧失；（3）排水固结压密，表现为渗透性能改变，土体裂隙发展，土体强度提高；（4）触变恢复并伴随固结压密，包括部分自由水又变成薄膜水，土体强度继续提高。

强夯在极短的时间内对路基土体施加一个巨大的冲击能量，加荷历时几十毫秒至一百毫秒，冲击能转化为各种波型传递到路基土体内。由强夯产生的冲击波按其在土中传播和对土作用的特性可分为体波和面波。体波包括纵波和横波，从夯击点沿着一个半球波阵面径向向路基深处传播，对路基土可起压缩和剪切作用，引起路基土的压密固结。面波从夯击点沿地表传播，其随距离的增加而衰减的幅度比体波慢的多，对路基土不起加固作用，其竖向分量对表层土起松动作用。因此，强夯的结果是在路基中沿深度形成性质不同的三个区：路基表层松动区，加固区和弹性区。路基土体发生动力反应，由于路基土明显的非弹性性质，经动力作用后一定范围内路基土的工程性质发生一定程度的改变，即路基土得以加固。强夯加固路基的作用机制主要是：加密、固结和预加变形的共同作用。当重锤自由下落夯击时，势能转化为动能，在夯击地面的瞬间，动能的一部分以声波形式向四周扩散，一部分由于重锤与土体摩擦而变成热能，其余大部分动能则使土体产生自由振动，使空气或气体从土中排出，从而使土重新定向排列。

强夯加固效果主要受以下因素影响，包括夯击能、夯锤面积、夯击次数、夯击间距、土体参数等。

（1）单点夯击能

最佳夯击能可采用单点夯沉量与夯击次数关系曲线来确定，且满足最后两击平均夯沉量≤5cm，夯坑周围地面不发生过大隆起及不因夯坑过深而发生起锤困难。

（2）夯锤面积

夯锤面积的大小直接决定夯锤着地时的冲击压力，进而影响强夯的有效加固深度。在夯击能一定的情况下，夯锤面积与加固深度呈反比关系。

（3）夯击次数

夯击次数一般通过现场试夯来确定，常以夯坑的压缩量最大、夯坑周围的隆起量最小为确定原则。目前，常通过现场试夯得到的夯击次数与夯沉量的关系曲线来确定。

（4）夯点间距

夯点间距过大，使各夯点间的土体得到不有效加固；夯点间距过小，或采用夯点搭接的方法往往使后续强夯降低前期强夯形成的路基沉降，降低加固效果。根据工程经验，一般选取5～10m。实际工程实践中，往往是先进行一边点夯，第二遍采用搭接的方法强夯。

（5）土体参数

土体天然含水率是影响强夯加固效果的重要因素。土体过于干燥，土体颗粒与颗粒间处于分散状态，夯击的结果可能因振动引起土体松动，达不到夯实效果；适当的含水率会使土体分散的颗粒胶结在一起；但是过高的含水率，易使土体产生液化，使土体强度降低。所以要控制好土体含水率，使其接近最佳含水率，有利于土体夯实。

3　强夯法在省道303处理高填方路基应用实例分析

3.1工程概况

南平市武夷新区省道303线改造工程（新岭至将口大道段）路线全长约8.80km（其中包含隧道1179m/1座、大桥146m/1座、涵洞19道），一级公路建设标准，设计速度80km/h，路基宽度约42m，总投资约人民币50000万元。其中K17+880～K18+080段路基由其他施工队开挖及填筑，回填厚度为8米。通过对该路段进行压实度和标准贯入试验，结果表明，上述路段填方压实度和承载力均达不到设计要求。经业主、监理、设计、施工多方会审，决定对该路段路基进行强夯补强（要求强夯设备能力为3000kN·m，夯锤重25t、直径2.5m），使原填土压实度达到合格要求后予以利用。

3.2强夯方案设计

强夯设备夯击能采用3000kN·m，夯锤重25t、直径2.5m。

第一遍夯击能3000kN·m，落距12m，夯点间距6m，等边三角形布置，每点7击，若夯沉量小于1.3m，增加1击。

第二遍夯击能3000kN·m，落距12m，夯点间距6m，等边三角形布置，每点6击，若夯沉量小于1.0m，增加1击。

第三遍夯击能1200kN·m，落距4.8m，满夯，1/3锤印搭接，搭接长度0.83m，每点2击。

第二遍强夯点位置应在第一遍强夯点的中间，即第二遍与第一遍的强夯点间隔应错开。每遍强夯之间间隔5～7d。

3.3强夯检测及效果评价

为了评价与检查强夯效果，分别在夯前及夯后进行了重型圆锥动力触探试验（N63.5）、表层土压实度测试。

3.3.1重型圆锥动力触探试验

在强夯前后分别进行了6组重型圆锥动力触探试验，夯前夯后各试验点的重型动力触探修正击数见表1，选取一组夯前夯后典型的N63.5（击）与H（m）关系曲线详见图1。

表1　重型动力触探试验数据

图1　夯点5的N（击）与H（m）关系曲线图

通过对夯前和夯后数据进行统计对比分析，强夯处理后填土的动探平均击数增加了近2击，土体密实度有明显的提高；夯前与夯后在0.0～8.0m范围内地基土均匀性为均匀。

3.3.2挖坑灌砂法测定压实度试验（见表2）后表层土的压实度有明显的提高。

表2　压实度试验数据

4　强夯处理高填方路基施工质量控制要点

4.1强夯施工前

（1）安全施工方面

应督促施工单位查明场地范围内的地下构筑物和各种地下管线的位置及标高等，并采取必要的措施，以免因强夯施工而造成损坏。当强夯施工所产生的振动对邻近建筑物或设备产生有害的影响时，应采取防振或隔振措施。强夯施工宜采用带有自动脱钩装置的履带式起重机或其他专用设备，如采用履带式起重机，可在臂杆端部设置辅助门架，或采取其他安全措施，防止落锤时机架倾覆；强夯施工前，组装起吊设备及辅助门式框架时，应特别注意起立机器的自身稳定性。

（2）技术资料方面

熟悉工程资料、掌握土质情况，当原地面表层较湿或含水量较大时，在夯击前应在该段铺垫10cm～20cm厚的碎石，然后进行夯击。夯击时如表土过干（尤其满夯时），则应采取加水等相应措施，增加含水量。检查设备报审情况，对夯锤重量、落距进行验算，确保单击夯击能量符合设计要求。检查施工单位上报夯点布置图。夯前场地标高测量时，检查测量控制网点基桩及水准点，以便施工中测量夯击沉降量。

4.2强夯施工过程中

检查夯锤的落距，复核夯点放线、夯锤的落点误差，严格控制夯击遍数间的间隔时间，及时发现和处理夯击过程中的异常现象，如夯坑周围出现隆起，夯沉量异常等情况。

4.3强夯施工后

检查施工记录，复核夯后高程，检查检测报告，必要时对相关试验项目进行复测。

5　结语

本文结合南平市武夷新区省道303线改造工程（新岭至将口大道段）处理高填路基的实际应用，结果表明合理的夯击参数能明显提高高填路基的密实度，且土体均匀性良好，对于控制高填路基差异沉降起到重要作用。且通过对夯前与夯后数据的比较，强夯处理后表层土的压实度有明显的提高，表明强夯法在控制高填路基差异沉降中的应用是成功的。

参考文献

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ79-2012，建筑地基处理技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

［2］福建省住房和城乡建设厅.DBJ/T13-146-2012，建筑地基检测技术规程［S］.福州，2012.

［3］汤连生，张庆华，廖化荣.公路软基工后沉降研究进展（J）.岩土力学与工程学报，2006，25（增2）：3450-3455.

［4］陈谦应，蒋树屏，柴贺军，等.山区公路路基稳定理论与实践［M］.北京：人民交通出版社，2005.