高速公路软土地基处理中强夯置换法的应用

颜远超

（中交四公局第二工程有限公司，北京 100176）

1 工程概况

G60 沪昆高速公路项目中，龙宫服务区设置于贵州省安顺市幺铺镇。本标段起讫桩号为K1950+720 ～ K1952+009.475，总长度1.289475km。根据现场勘察结果得知，主线右幅服务区的地质条件特殊，含大量软土路基，存在大量淤泥堆积现象，分布广、厚度大。因此，立足于工程实际情况，选择强夯置换法，以消除淤泥带来的不良影响。

2 强夯法地基加固机理

强夯加固施工中，在夯锤的作用下处理地基，由于存在冲击荷载，该处地基土将出现动力反应，土体具有非弹性性质，从而可达到加固土体的效果。从强夯加固地基的基本特点来看，其集加密、固结与预加变形于一体，通过重锤自由下落的方式，可实现势能向动能的转换。当该装置接触地面时，部分动能会基于声波的形式向外扩散，但更多的是通过动能的形式对土体产生影响，即出现自由振动现象，有助于排出土体中的空气，达到土体有效重塑的效果[1]。从加密流程来看，可分为4 个环节，具体如图1 所示。

图1 强夯加密示意图

第一阶段：存在于土体中的颗粒以随机的方式排列，各团块表现出各向同性的基本特点。第二阶段：土体中的颗粒通过随机以及定向两种方式紧密排列，若采取的是随机排列的方式，可将土中空气顺利排至外界。第三阶段：所有组织单元都通过定向的方式聚集于一体，团块中颗粒排列方式有两种，即定向以及随机，可达到有效排出空气的效果。第四阶段：所有团粒颗粒都处于完全定向排列状态，发生持续性强夯作用，致使所有的土颗粒都呈现出定向排列的特点，且伴随明显的垂直向压缩变形现象，其明显超出水平挤压变形。

从土体的构成来看，主要有固相、液相以及气相3种形式，受强夯作用，在此过程中土体中的气体将被有效挤出，因此固相和液相都会形成饱和土，向地基土施加重锤后，可高效排水并使得土体达到有效固结状态。作为非饱和土，对其采取强夯处理时，夯击能量将形成波与动应力，彼此之间发生循环作用，使得土骨架表现出塑性变形现象，以达到提升土体密实度的效果，有助于降低土体压缩性，整体强度相对较大。

3 施工方案

（1）施作强夯置换墩，该结构直径1.2m，实际处理过程中置换墩平均直径至少为1.4m，采取正方形布置方式，彼此间距均控制为2.5m，共分为短墩与长墩两种形式。制作时，短墩由塘底施工，高程-0.5m；长墩由塘岸高程施工，高程1.1m。结束置换后，通过填石的方式处理顶面。

（2）所用夯锤重量20t，正常情况下单次夯击能量为3000kN·m，各夯点间距为2.15m×2.15m，各点均夯击1 遍，每遍操作2 次。

（3）挑选合适的夯料，较为可行的是级配优良的块石与碎石，严格控制粒径＞30cm 的颗粒，此部分需在总重的30%以内。

（4）置换墩施工时容易对已经运行的线路造成干扰，因此在实际施工作业时，靠近既有线路的长墩遵循的是由内向外的施工原则，而与既有线路较远的短墩则采取的是由外向内的工艺流程，且施工中做到打一跳一。

（5）结束满夯施工作业后，向施工区域填筑碎石，所形成的垫层厚度为0.5m，并为之采取振动压实处理措施，施工中所用的振动压路机自重需达到140kN 以上，产生的激振力至少为200kN，同一区域至少操作6 遍。

（6）展开现场试夯作业，基于此方式确定各夯点的合适夯击次数，严格控制单墩夯沉量，该值至少要达到墩长的1.5 倍，同时要满足最后两级夯沉均值＜50mm的要求。

（7）注重质量检测，选取置换墩总量的1%，为之引入地质雷达扫描的方式分析施工质量。在所有的检测样本中，要求置换墩着底数量至少为该值的95%，否则需补夯。

4 施工技术

做好施工前的试夯作业。此环节选取的置换墩总量应为40 根，从中确定合适夯击参数，如单次夯击次数、操作流程等，关于试验过程中置换墩的布置情况，具体内容如图2 所示。

图2 试夯置换墩平面布置

经试验后，针对已有的设计参数进行灵活调整，具体内容如下：（1）夯锤重量20t，任何一次夯击的落距应为10m，单次夯击能2000kN·m，为确保夯击质量，前几次夯击时允许略微降低夯击能，否则会出现夯锤陷入深度过大的情况。（2）确定收夯标准：分析单墩累积夯沉量，该值至少要达到设计墩长的1.5 倍。（3）选择合适的夯料，较为可行的是块石、碎石等。（4）夯击过程中检验夯沉深度，若该值临近锤高，需暂停夯击作业，向其中填料夯平后再次恢复强夯。为避免机械陷入的问题，短墩作业前应做好准备工作，填筑的夯料厚度至少为1.0m。（5）施工所用的夯锤需要拴上钢丝绳，主要目的在于夯锤陷入深度过大时可以将其有效拔起。

结束试夯作业后，需利用地质雷达加以检测，明确置换墩的着底情况。整个检查工作所涉及的置换墩总量为8 根，除了试验区周边的4 根外，还需包括内部置换墩4 根（具体为第1 遍与第2 遍夯点各2 根）。在确保无误后正式施工作业，具体流程如下：（1）短墩场地的填筑工作，向该处填入夯料并使得该部分厚度达到1.0m，准确标出第一遍短墩的具体位置。（2）将施工所需起重机转移到指定位置，调节夯锤，使其与置换墩达到中心对齐的状态。（3）准确测量锤顶高程。（4）完成夯锤的起吊作业，使其达到指定高度，无误后脱钩并自由下落，此时需安排专员测量锤顶高程并将其完整记录。（5）基于步骤。（4）多次施工作业，结束一个置换墩的夯击处理。（6）基于步骤（2）～（5）重复施工，结束各短墩的施工作业。（7）现场适配推土机，在其作用下推平场地，给予一段时间使得超静孔隙水压力完全下降，经测量后准确标出第2 遍短墩位置，基于步骤（2）～（6）多次施工作业。（8）引入地质雷达法分析各检测墩的着底情况，符合设计要求后方可进入到后续施工环节。（9）继续填筑片石，使其与长墩墩顶高程相平齐，标出第1 遍长墩的具体位置。（10）基于步骤（2）～（8）多次施工，并对长墩展开质量检验。（11）结束所有置换墩施工作业后，需对其采取低能量满夯的方式处理长墩顶面，使其足够平整后再回填碎石，形成的垫层厚度为0.5m，现场适配振动压路机，在其作用下进一步压实。结束地基处理工作后，需在垫层顶面设置沉降板，此方式可满足后续沉降观测要求。选取16组观测数据，在此基础上通过双曲线法加以分析，得知总沉降为11.95cm，相较于设计要求所提出的30cm 而言明显偏小，满足设计要求。

5 设计及施工注意事项

（1）软土地基的特殊之处在于稳定性不足，强夯置换法是较为典型的处理方法，但实际结果表明，若缺乏合理的控制措施，依然会出现大幅度工后沉降现象。对此，施工之前的试验尤为关键，所选择的试验区应具有代表性，从而得到合适的夯击工艺参数。

（2）严格控制夯料质量，其中粒径超过30cm 的颗粒需控制在总重的30%以内；一旦出现夯料粒径偏大的情况，实际夯实过程中将使得夯锤出现歪斜等问题。

（3）强夯置换法的应用效果取决于置换与排水两个方面。为全面提升排水效果，所用夯料应具有优良的级配，因此诸如碎砖块等具有优良吸水性的材料较为可行，在确保排水效果的同时还能够控制施工成本。

（4）考虑到软土约束力小的基本特点，施工中易出现置换墩横向位移明显偏大的情况，且该值将明显超出竖向位移，对此需要控制单次夯击能量，使其在3000kN·m 以内，尤其要注重前几次的夯击能，避免夯锤陷入过深。

（5）结束地基处理后给予足够时间，即静置期，主要目的在于提升排水效果，控制工后沉降[2]。

（6）施工现场预铺夯料，此部分厚度需达到1.0m，以便为机具的高效运转提供支持。

（7）强夯施工存在安全距离，这一指标主要与加固土体、夯击能等因素有关，从现阶段行业状况来看，并未针对安全距离作出明确的说明。具体至本工程，由于置换墩周边存在铁路，二者最小间距为5m，经施工作业后对区域内的各项要素加以检查，得知既有线路并未受到影响。因此，在类似工程中，需控制好置换墩的位置，其与土工结构物的间距至少为5m，并通过试验的方式加以验证。

6 结束语

软土地基易对施工作业造成不良影响，基于强夯置换法可有效提升地基稳定性，为高速公路整体质量提供保障。但强夯置换法对技术水平提出较高要求，实际施工中需要做好地基处理工作、选择合适的夯锤等，从多个角度提升该技术的应用效果，为高速公路建设事业的发展提供支持。