碎石土回填铁路路基强夯试验研究

朱洪涛，范莹莹，赵 锦

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）



碎石土回填铁路路基强夯试验研究

朱洪涛，范莹莹，赵 锦

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

对碎石土回填铁路路基强夯工程，开展孔隙水压力、变形监测及测量，研究强夯对碎石土路基的夯点间距、影响深度、最佳夯击次数等相关参数，结合研究结果，得出用于指导本工程地基处理大面积施工参数，同时供本地区类似工程项目的设计与施工借鉴和参考。

强夯法；碎石土；孔隙水压力；地面变形

引 言

锦州港区某铁路站场区陆域由陆上回填碎石土形成，长度约2.8 km，均为填海路堤。由于铁路路基填方体的工后沉降、强度、密实度及施工费用将是整个工程建设的重要制约因素，同时也是工程建设成败的关键。因此，填料压实的处理方法及施工工艺就显得至关重要。强夯法作为地基处理的一种方法，适用于碎石土、砂土、素填土和杂填土等地基，由于其加固效果明显、施工简单等优点得到了广泛应用［1～3］。在进行强夯试验时，孔隙水压力及变形监测为必不可少的监测手段，利用它可以确定强夯最佳夯击能量、夯点间距、点夯间歇时间以及强夯有效加固深度等重要参数。

1 工程地质概况

拟建工程场地地形相对平坦，地面高程约4.99～5.36 m，场地自上而下主要为：素填土（碎石）、砂混淤泥、粉质粘土及中粗砂。各土层特征分别描述如下：素填土（碎石）以碎石为主，一般上部稍密～中密状，下部呈松散状，碎石含量约占50 %～70 %，粒径一般为2～8 cm，最大约10 cm，充填物以粗砂砾为主，厚度约5.7～6.7 m；砂混淤泥呈软塑状，以中砂为主，混淤泥质土，土质不均，厚度约0.8～2.0 m；粉质粘土为软塑～可塑状，混有大量中粗砂粒，夹粉土团，厚度0.8～3.4 m。中粗砂以中密为主，局部呈密实状。

2 强夯施工试验方案

试验区强夯设计点夯2遍，满夯2遍，点夯单击夯击能要求为 2 500 kN·m，夯点间距为 5 m× 5 m，夯锤直径选2.3 m左右，锤重在215 kN左右，落距为11.9 m；每遍夯完后，待孔隙水压力消散后（消散75 %以上），再进行下一遍夯击。点夯完成后推平场地，满夯两遍，满夯单击夯击能600 kN·m，锤印相互搭接1/4锤底面积。满夯施工完成后，其上再用振动力200 kN的振动压路机碾压6～8遍。强夯完成后要求铁路路基基床（厚度1.9 m）地基承载力特征值不小于 180 kPa，路基基床底层以下地基承载特征值不小于150 kPa。

图1　试验区夯点布置

3 强夯施工监测及结果分析

对夯坑周围地表竖向变形、土体水平位移以及孔隙水压力的累计增长等情况进行监测，通过获得的数据分析来确定强夯施工的最佳强夯参数及施工工艺。

3.1 夯击能影响距离

将同一深度测点的孔隙水压力（△u）与该处距离夯点中心的远近作关系曲线，得到孔隙水压力与距离关系曲线（图2、图3），对夯击过程中的水平加固范围进行研究。根据数据表明：孔隙水压力随水平距离增加迅速衰减，这与强夯时冲击波在土体中衰减规律相似，距离夯点中心5.5 m处孔隙水压力值约为夯点附近最大值的 80 %，距离夯点中心7.5 m处仅为34 %。

图2　水平距离与△u关系曲线（第一遍点夯）

图3　水平距离与△u关系曲线（第二遍点夯）

点夯进行中每击实测夯锤底面夯沉量，同时对夯坑周边进行凹陷及隆起的变形测量，具体结果的关系曲线见图 4，结果表明，在点夯过程中，靠近夯点中心4个观测点下沉显著，远离夯锤各点下沉逐渐减小，在大于5.5 m测点下沉不明显；同时夯击过程中未发生隆起，表明夯击能量的利用率较高，有效夯实系数较大。综合考虑孔隙水压力监测及夯坑变形测量结果，夯点在水平方向上的影响距离4.5～5.5 m，设计点夯间距5.0 m合理。

图4　竖向变形与夯点距离关系曲线

3.2 夯击能的有效影响深度

将同一测点不同深度范围孔隙水压力（△u）与地面高程作关系曲线，得到孔隙水压力与深度关系（图5、图6），对试验区强夯影响深度进行分析，可以看出，孔隙水压力增量在深度方向分布相差较大，在-1.5 m处出现拐点，之后衰减迅速，深层（大于-3.0 m）的孔隙水压力相对较低，此时在-3.0 m处孔隙水压力仅为-1.5 m处的20 %～50 %，在设计夯击能下，加固影响深度约在-1.5～-3.0 m之间，此高程之下土层的受强夯影响在迅速减弱，加固强度与效果也相应减弱。

图5　影响深度与△u关系曲线（第一遍点夯）

图6　影响深度与△u关系曲线（第二遍点夯）

有研究认为［4］，孔隙水压力大小为自重应力的20 %点处深度为强夯有效影响深度，由此定义，在此夯击能下，剔除个别差异较大数据，在高程-1.5 m处孔隙水压力为19.9～29.6 kPa，此处自重应力约为126 kPa，占16 %～23 %。

根据监测成果及以上计算综合判定，有效加固深度分布在6.5～7.0 m之间。

3.3 最佳夯击击数

将孔隙水压力（△u）与夯击次数作关系曲线，如图7、图8所示，随着夯击次数的增加，碎石填筑体密实度的增加，不同深度孔压增量也逐渐增大，尤其是在前3击增加效果显著，但是随着夯击次数（8击以后）的继续增加，相临两击孔隙水压力累计增量迅速减小，趋于稳定，增加夯击次数对提高加固深度的作用逐渐减弱。同时，由于第一遍夯击后地基中形成的竖向裂缝，在第二遍夯击时起到了一定的降压作用，第一遍夯击时孔隙水压力积聚的水平明显高于第二遍夯击，这一现象说明，一遍点夯后土层颗粒间密实性增大，二遍点夯时的能量主要作用于土层颗粒间而不是用于增加孔隙水压力。

图7　夯击次数与△u关系曲线（第一遍点夯）

图8　夯击次数与△u关系曲线（第二遍点夯）

图9　单击夯沉量与夯击次数关系曲线

将单点单击夯沉量与单点试验夯击次数作关系曲线，如图9所示，夯沉量第一击最大，随着夯击次数的增加，同一位置处的动应力不断增大，3～5击后土体动应力趋于稳定，夯锤下土体的夯沉量也不断增加并在7～10击后趋于稳定，说明土体得到了压密，加固深度也有所增长，但增长幅度不大。

随击数增加，锤底浅部地基土因密实度增加而越来越难以密实，夯击能将很大程度上消耗在浅部地基土的进一步压缩上，一部分也将因为浅部硬层的径向扩散而不能传递到深部土层中去，在 14击以后单击夯沉量基本均在50 mm以下，在其他条件不变的情况下，片面地增加夯击次数来提高强夯加固深度的做法是不合理的，在满足工程要求的前提下存在一个最优夯击次数。

根据关系曲线，取曲线趋于平缓的拐点所对应的累积夯击击数，同时结合单点夯击能试验的夯击击数与孔隙水压力的变化规律，综合分析后，确定最佳夯击夯击次数为：第一遍点夯最佳夯击击数10～13击，第二遍点夯最佳夯击击数10～12击。

3.4 地面沉降及加固效果

根据强夯前后地面高程测量结果（表1），最终地面夯沉量为0.66 m。

表1　地表总夯沉量监测

强夯结束 14天以后，进行动力触探或标贯及载荷板检测，将检测结果与强夯前土体进行对比，见表2。表层0～3 m范围内N63.5大于6击，土体密实度达到中密以上，交工面0～2 m范围内地基承载力特征值不小于180 kPa，2 m以下地基承载力特征值不小于150 kPa，处理效果满足设计要求。

表2　强夯试验前后力学指标对比

4 结 论

本文结合工程实例，对填海碎石土铁路地基开展强夯试验研究，通过对试验区监测资料的综合分析，为本地区该类回填土地基处理施工方案及提供参考。

1）2 500 kN·m强夯夯点间距：对于碎石土回填地基，夯点间距5.0 m×5.0 m布置是适宜的。

2）2 500 kN·m强夯最佳夯击次数：对于碎石土回填地基，结合根据孔隙水压力分析、夯坑沉降量及设计终锤标准，第一遍夯的最佳夯击击数10～13击；第二遍夯的最佳夯击击数为10～12击。

3）2 500 kN·m强夯有效影响深度：对孔隙水压力随深度的变化规律综合分析，试验区在设计单击夯击能量下，其强夯的有效影响深度约 6.5～7.0 m。

［1]JGJ79-2012 建筑地基处理技术规范［S］. 北京: 中国建筑工业出版社， 2012.

［2]曾国熙， 卢肇钧， 蒋国澄， 等. 地基处理手册: 2版［M］.北京: 中国建筑工业出版社， 2000.

［3]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: 377-383.

［4]周荣官， 何开胜， 陈金昌. 强夯试验中孔压的作用［J］.水运工程， 2005， 10: 70-73.

Research on Dynamic Compaction Test of Railway Bed Backfilled with Crushed Stone Soil

Zhu Hongtao， Fan Yingying， Zhao Jin
（CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China）

The pore water pressure and ground deformation are monitored and measured in the dynamic compaction project of railway bed backfilled with crushed stone soil. Some parameters obtained during the dynamic compaction are studied， i.e. the spacing between two tamping points， impact depth and the optimum tamping times etc. The research results produce the large-size construction parameters for guiding the foundation treatment of the project， which may serve as

for the design and construction of local projects.

dynamic compaction； crushed stone soil； pore water pressure； ground deformation

TU472.3+1

A

1004-9592（2016）03-0087-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160322

2015-12-16

朱洪涛（1983-），男，工程师，主要从事港口地基处理及堆场道路设计工作。