强夯法处理碎石回填地基施工参数现场试验研究

梅卫锋，杨志勇，黎浩

(中交第三公路工程局 ，北京 100000)



强夯法处理碎石回填地基施工参数现场试验研究

梅卫锋，杨志勇，黎浩

(中交第三公路工程局 ，北京 100000)

通过对典型碎石回填地基开展一系列不同能级的强夯试验，对夯坑及其周围土体的压缩变形特性和强夯有效加固深度进行全面检测与分析，提出强夯加固碎石地基的施工参数。研究结果表明：无论单击夯击能如何，最佳夯击次数均为13～16次；在最佳夯击次数条件下，3 000 kN·m能级强夯有效加固深度约为4.2 m。进一步对54.84万 m2的高填方强夯地基开展密度检测、载荷试验、回弹试验、地基沉降观测等监测和检测项目，验证了本次强夯施工的合理性和适用性。所得参数可以为同类工况的强夯设计、施工及监测提供参考。

强夯；碎石土；有效加固深度；现场试验

强夯法处理地基，由于具有加固效果明显、设备简单、工效快及经济等优点，已在机场、大坝、公路和港口工程中得到广泛应用[1-6]，并取得了较好的技术经济效果。但因其理论尚不够成熟，对强夯法处理地基的设计参数，目前尚无一套成熟的设计计算方法[7-10]。目前，强夯法的设计普遍是经验性或半经验性的，在工程中，经常是先通过在现场试夯，确定相应参数，再进行设计与施工[11-13]。尤其对大面积、高填方的大块石填筑地基的强夯处理，国内少有；此外，国家相关标准也缺少强夯法处理大粒径块石、碎石施工参数及强夯效果评价方法的说明[14]。鉴于此，本课题针对典型的碎石回填地基，开展了单击夯击能分别为1 000，3 000，4 000和6 000 kN·m的单点夯击试验，对强夯作用下夯坑及周边土体变形特性展开研究。并在此基础上，选取最具代表性的3 000 kN·m量级强夯，探究地基有效加固深度及施工工艺和参数。最后，对场地加固效果进行综合评价和长期变形观测，验证了本次强夯施工参数的合理性和适用性。所得参数可为地基处理规范中强夯部分的丰富和发展提供实用参数，为“开山填谷”方式的山区碎石回填地基或沿海碎石回填地基的工程设计、施工与检测提供参考。

1　工程地质概况

场地为起伏较大的山区地形，“开山填谷”方式形成；工程中最大填方厚度约54 m，场区挖填面平整面积约1 766 400 m2，挖填土石方工程量为2 400万，其中石方量占65.79%。根据现场勘查结果，场地地层可分为2层：1)碎石层，主要为强风化、弱风化石灰岩块石并夹有少量粘土，颗粒级配差；2)中风化石灰岩，灰色，薄层状，细晶结构，含方解石脉，岩体节理裂隙发育，岩芯呈柱状、短柱状及块状。为便于就地取材，设计采用 “开山填谷”方式指导施工，该场地为典型的碎石填、挖方工程。

2　强夯试验方案

大面积采用开山大块石填料，且填筑厚度达五十余米的场道工程，在国内外尚属罕见。为此，专门在场区内开展了强夯碎石试验。场地平面尺寸为50 m×40 m，夯锤直径D为2.4 m，夯点间距为4.5 m，夯击1遍完成后推平场地。首先将场区内覆盖土全部挖除，对基岩面自然坡度>10%的地段，按高、宽比为1∶2开挖成台阶；填筑粒料的岩性为现场定向爆破所得石灰岩，其颗粒级配如图1所示。分别进行了单击夯击能量为1 000，3 000，4 000和6 000 kN·m的单点夯击试验。并在此基础上，选取工程中最常用的3 000 kN·m能级强夯，进行了有效加固深度及不同夯击次数下加固效果对比试验。

3　强夯试验与结果分析

3.1夯坑沉降变形特性分析

为了探究强夯作用下夯坑内及其周围土体的变形规律，在夯点下及其周围埋设位移监测点：水平向在夯点3.5D范围内，每隔0.5D设一系列监测点，竖直方向每隔0.5 m深度埋设一系列监测点。图2为夯击次数与夯坑沉降变形关系曲线。可以看出，每击竖向压缩量与单击夯击能量有关。单击夯击能量越高，则竖向压缩量也就越大；在特定夯击能情况下，夯坑的竖向压缩量随夯击次数的增加而增加，但曲线存在明显的拐点：前6击夯坑沉降迅速，超过6击后，单击作用下夯坑沉降变形减小，夯坑沉降增幅随夯击次数而减缓。

图1　碎石填料颗粒级配Fig.1 Particle size distribution of gravel packing

若以夯击20次的夯坑累计竖向压缩量为100%，则可得如图3所示的夯击次数与夯坑累计竖向压缩量的百分数关系曲线。取夯坑累计竖向压缩量达到总压缩量90%的夯击次数为最佳，则可确定不同夯击能情况下最佳夯击次数：1 000 kN·m能级为15次，3 000 kN·m为16次，4 000 kN·m为夯击14次，6 000 kN·m为夯击13次。可以看出，最佳夯击次数集中在14击左右，与夯击能相关性不大。

图2　夯击次数与夯坑沉降关系Fig.2 Relationship between the number of compaction and the settlement of the compaction pit

图3　夯击次数与夯坑沉降百分比关系Fig.3 Relationship between the number of the compaction and the percentage of the settlement of the hole

3.2夯坑周边土体变形分析

当夯坑的累计竖向压缩量为总压缩量90%的夯击次数时，其夯坑周围不同距离的地面累计竖向下沉量，如图4所示。与传统低能级强夯下的细粒土或土石混合料不同，碎石在强夯作用下夯坑周围并不会发生隆起，反而会出现不同程度的下沉。具体表现为：距夯点愈近其竖向下沉量愈大，反之则小；夯击能越大下沉量越大。这是由于，强夯产生的冲击波不仅使得夯锤下土体得到挤密，在冲击振动作用下夯锤周围土体也会发生相互移动，使土体更加密实，从而说明强夯压实工艺在碎石类土体中更具适用性。

图4　夯坑周围地表沉降Fig.3 Surface subsidence around the pit

3.3有效加固深度分析

土体有效加固深度既是反映地基处理效果的重要参数，又是选择地基处理方案的重要依据。在强夯施工中，有效加固深度不仅是上部结构基础设计的主要依据，而且决定了夯击能、夯点布设、夯击次数等基本施工参数。国家及各部门相关规范虽然采用了“有效加固深度”一词，但并未给出明确定义，其判定依据也往往依靠经验或通过试验段获取。

有效加固深度应视加固目的而定，即从最初起夯面算起，在一定深度范围内，强夯处理后，处理目标值(如承载力、变形等特性)有所提高并达到设计要求时对应的最大深度。本次试验采用工程中最具代表性的单击3 000 kN·m量级强夯，以干密度不小于2.0 g/cm3作为标准；对松铺厚度为6 m，干密度为1.87 g/cm3的碎石填料，在最佳夯击次数(16次)后，测定不同深度处土体干密度，测试结果如图5所示。可以确定，本次有效加固深度为4.2 m。

图5　不同深度处干密度Fig.5 Dry density at different depths

4　工程检验

根据以上试验段所得强夯施工参数，进行了大面积的工程实践。地基加固面积为54.84万m2，填筑级配块石219.3万m3。对强夯加固后地基开展了密度测试、载荷试验、回弹试验、地基沉降观测、强夯地基夯沉量测量等，大块石填筑地基经强夯加固后的密度、强度、变形及其均匀性分述如下。

4.1干密度测试

密度试验是检测大块石填筑地基强夯加固效果的主要手段。本次选用探坑灌水法，探坑开挖深度为4 m，直径为90～150 cm。检测点分别布置在夯击点下和2夯点间、4夯点间，其检测统计结果如图6所示。

可见，经强夯处理后，在强夯点下、2夯点间、4夯点间，其检测的干密度均不小于2.0 g/cm3，大块石填筑地基经分层夯实，可以满足密实性及均匀性的设计要求。

图6　不同位置及深度地基密度Fig.6 Different position and depth foundation density

4.2地基容许承载力及变形模量

为确定大块石填筑地基夯前及夯后的地基容许承载力和变形模量，以及强夯后在设计荷载P=72 kPa条件下，地基土的累计沉降量及差异沉降量；本次在填筑层顶面及累计分层厚度分别为8，12和32 m处，分别进行了小压板(120 cm×120 cm)和大压板(50 cm×450 cm)的静力载荷试验。图7为小承压板压力与沉降关系曲线，表1为地基容许承载力及变形模量变化。

可以看出，变形模量比夯前提高1.13倍；从载荷试验P～S关系曲线中，可见夯后试验压力达到700 kPa时，仍呈直线，地基沉降量为1.442 mm，满足初始设计承载力要求；而夯前，在压力达600 kPa时，出现了明显拐点，地基破坏。

图7　强夯前后载荷试验P～S曲线Fig.7 P～S curve of load test before and after dynamic compaction

Table 1 Allowable bearing capacity and deformation modulus of foundation soil

项目承载力/kPa沉降量/mm变形模量/MPa夯前6002.640274.07夯后>7001.442585.39

4.3道面沉降监测

荷载作用下的累计沉降量及差异沉降量是道面设计的重要指标。在试验区顶层分别进行了2台压板为500 cm×450 cm，单位压力为72 kPa的载荷试验，2台载荷试验点相距50 m，沉降观测时间为252 d，沉降量与时间关系见图8。

可见，在设计压力P=72 kPa条件下，观测252 d(1个观测周期)，其地基累计沉降量为0.91～1.18 mm；沉降差仅为0.27 mm，完全满足设计要求。

图8　道面沉降观测Fig.8 Road surface subsidence observation

4.4地基回弹模量

从强夯后的地基荷载试验可以看出，当分级荷载P加到700 kPa时，地基仍处弹性变形阶段。为此，测定大块石填筑地基强夯后的地基回弹模量E及回弹变形量L，采用120 cm×120 cm压板，分级总荷载P=600 kPa，加载卸裁采用2 000 kN油压千斤顶，测试位置分别选在累计分层填筑厚度为8，12和32 m的层面上，其测试结果如表2所列。可以看出，强夯后地基完全满足设计提出的回弹模量E≥150 kPa(P=200 kPa)的要求。

表2不同加载能级下地基回弹变形量及回弹模量

Table 2 deformation of foundation under different load levels and the modulus of resilience

P/kPa50100200300400500600取样数8888888L/cm0.040.050.080.100.120.130.15E/MPa142192247301330388413

6　结论

1)强夯夯点间距:对碎石回填地基，3 000 kN·m量级夯点间距宜为4.5 m；

2)强夯最佳夯击次数为14～16击；

3)遍夯间歇时间:由于处理对象为颗粒较大的碎石，含水量极少且排气通常，一般不考虑间歇；

4)有效加固深度：以材料干密度不小于2.0 g/cm3为测量标准，有效加固深度为4.2 m；

5)利用强夯加固碎石地基，加固效果明显、均匀，长期观测表明处理后地基承载力提高明显，长期变形稳定性好，能够满足各方面设计要求。

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Field test study on construction parameters of gravel backfill foundation treated by dynamic compaction

MEI Weifeng, YANG Zhiyong, LI Hao

(Third Highway Engineering Bureau, Beijing 100000，China)

In this paper, a series of dynamic compaction tests, with different energy levels, were carried out on a typical gravel backfill foundation. The compression deformation characteristics and the effective reinforcement depth of the soil were detected and analyzed comprehensively. The construction parameters of dynamic compaction of the gravel foundation were put forward. It is found out that, whatever the ram energy is, the optimal number of the hit is 13～16 times and the effective reinforcement depth of 3 000 kN energy level is about 4.2 m. Furthermore, based on observation and testing projects data of the density detection, load test, rebound test, ground subsidence, it is proved rational and applicable to use dynamic compact to reinforce gravel backfill foundation. The obtained parameters can provide reference for the design, construction and monitoring of the dynamic compaction of the same type.

dynamic compaction; gravel soil; effective reinforcement depth; field test

2015-10-30

北京市交通委员会运输管理局项目(201437)

梅卫锋(1977-)，男，湖南沅陵人，高级工程师，从事土木工程项目管理理论和施工技术的研究与应用；E-mail：linken_111@tom.com

U473

A

1672-7029(2016)08-1543-06