公路碎石地基强夯处治效果分析

付智源

（山西路桥第六工程有限公司一分公司，山西 晋中 030600）

0 引言

强夯法加固地基技术最早起源于20世纪60年代的法国，70年代传入中国，并得到了广泛的应用。强夯法是利用重锤自由落体所产生的夯击能，改变土体内部结构，提高土体强度和承载力[1]。碎石地基孔隙大、渗透性强，土壤颗粒压缩性大，但大孔隙容易造成地基沉降，且水分容易渗入地基，地基承载力不足。采用强夯法进行加固处治，可排出地基内部多余的水分和空气，达到提高地基承载力的效果。结合高速公路施工项目，制定方案采用强夯法对碎石地基进行加固，并采用动力触探试验和静载试验检测，分析试验数据和曲线确定地基加固效果。

1 强夯加固机理

强夯法是将一定质量的重锤以规定的落距自由下落，以较大的夯击能加固土层，提高土层的密实度，进而达到加固地基，提高承载力的效果。夯锤在下落过程中，将重力势能转化为动能，落地后动能转化为地基各质点的振动能，使土层中的质点产生自由振动，自上而下传递到更深的土层，使土壤颗粒在振动中移动加密。质点在振动过程中会与土层中其他质点碰撞产生能量损失，因此每次夯击加固的深度和范围都是一定的[2]。

夯击能作用在土层中会产生体波和面波，面波主要是瑞利波（R波），R波所产生的质点振动是自地表向下传播，能量最大。体波又可分为纵波（P波）和横波（S波），横波只在固定颗粒内部传播，一般表现为剪切波，传播周期长，振幅大[3]。纵波一般表现为压缩波，能量较小，传播周期短，振幅小，各类波具体详见强夯加固原理图1。

图1 强夯加固原理图

在3种波的综合作用下，碎石地基内部的细粒土会填充到碎石的孔隙中，降低碎石之间的空隙，起到加密作用。瑞利波的作用会使碎石颗粒产生“翻动作用”，造成土体松散。同时，瑞利波还会削弱碎石之间的联结力，降低土壤颗粒之间的摩擦阻力[4]。在纵波（P波）和横波（S波）的作用下，土壤颗粒更容易产生移动并填充到碎石之间的孔隙中，进一步加密土体，使松散的土体密实，强度增大，达到提高地基承载力的目的。

2 碎石地基强夯施工方案

2.1 依托项目概况

临吉高速公路K208+355—K209+105段设计采用高填方路基。本项目位于山岭重丘区，周边挖方地段含有大量碎砾石土。该路段部分地基为碎石地基，孔隙率大，渗透性强，可压缩性大，地基承载力不足。为了提高地基承载力，防止地基出现不均匀沉降，回填施工过程中采用强夯法进行处治。

2.2 强夯施工方案

本项目强夯施工选用50 t履带式起重机，并加装辅助门架，防止施工过程中倾覆。所选夯锤质量为10 t，落距为20 m。采用满夯，每个夯点夯击次数为5～6击，夯点横向布置间距为3.5 m，纵向布置间距为4 m，夯点平面布置如图2所示。前后两次夯击沉降差低于5.5 mm时，停止夯击，施工中采用推土机等设备配合施工。

图2 夯点平面布置图（单位：m）

结合施工现场地基加固要求，强夯加固深度不得低于6 m，且处治后该深度地基承载力应大于120 kPa。试验取样深度也不得小于6 m，本项目取样深度为9 m。先后在强夯处治区域内钻8个孔，取样进行动力触探试验和静荷载试验进行检测，确定地基承载力，检验加固效果。

2.3 强夯参数确定

2.3.1 单击夯击能

本项目碎石地基加固深度为6 m，采用Menard公式[5]计算确定单击夯击能取值范围为560～3 115 kN·m。由于计算加固深度偏大，所以选择夯实能应较计算值稍高一些，本项目单击夯击能选取2 000 kN·m。

2.3.2 夯击遍数

停夯标准是前后两次夯击沉降差低于5.5 mm，并以此确定夯击次数。碎石地基粒径大，透水性好，夯击能损失小。在夯击波的作用下，地基土容易密实，可适当减少夯击遍数。在沉降差满足要求的前提下，夯坑周边为产生较大隆起，也没有出现由于夯坑过深造成起锤困难的情况，因此确定夯击次数为击5～6次。

3 碎石地基强夯处治效果分析

为了检测碎石地基强夯加固效果，强夯处治7 d后，采用动力触探试验和静荷载试验进行检测，确定地基承载力，检验加固效果。

3.1 动力触探试验结果分析

由于标准贯入试验不适用碎石地基承载力的检测，因此采用动力触探试验进行检测。动力触探试验是通过分析探头贯入的难易程度，快速确定地基承载力。本项目动力触探采用穿心锤重63.5 kg，落锤高度为76 cm，不同深度试验结果如表1所示。

表1 强夯前后动力触试验结果统计表

分析表1试验检测数据可知，在土层厚度为0～6 m范围内动力触探试验锤击数平均值最大，超过6 m后夯击能损失较大，加固效果下降。0～3 m范围内变异系数最大，说明这部分土体较松散。另外，通过对比分析，土体强夯处治前后夯击次数明显增加，总体均值从2.8增加到8.5，增幅达到207.2%，夯实后土体由松散状态转变为中密和稍密状态，说明土体密实度得到了很大程度的提高。强夯处治后地基承载力标准值均高于130 MPa，且6 m以下达到了140 MPa，高于设计要求的120 kPa，说明加固后地基承载力明显提高。

3.2 静载试验结果分析

为了确定碎石地基强夯加固效果，与动力触探试验结果进行对比分析。本项目碎石地基采用维持荷载法开展静载试验，模拟施工和运营管理过程中地基上部的荷载进行加载。试验选用的承压板直径为113 cm，面积为1 m2。选取3个测点，试验过程中分10级加载，最低荷载为80 kN，最大荷载为400 kN，沉降稳定的标准是承压板沉降速度低于0.25 mm/h，每次试验加载前后对承压板沉降值进行一次观测记录。静载试验检测结果如表2所示，测点P-s曲线详见图3。

表2 强夯处治后地基土静载试验检测结果

图3 静载试验各测点P-s曲线

分析表2数据和图3 P-s曲线，3个测点累积沉降量分别为6.45 mm、5.03 mm、8.17 mm，测点3沉降量最大，且满足规范要求沉降量不大于40 mm的要求。P-s曲线存在拐点，可根据比例界限确定荷载特征值为240 kPa，说明强夯加固后地基承载力满足设计要求。

4 结论

结合高速公路地基处理施工项目，制定施工方案采用强夯法对碎石地基进行加固，并对处治后的加固效果进行分析，得出以下结论：

a）分析动荷载试验结果，强夯后土层密实度增加，由松散状态转变为中密和稍密状态，且6 m以上地基承载力标准值高于设计要求的120 kPa，试验结果表明地基承载力满足设计要求。

b）分析静载试验结果，得出所选测点累积沉降量最大值为8.17 mm，满足规范要求，根据P-s曲线确定荷载特征值为240 kPa，检测结果表明地基承载力满足设计要求。

c）通过分析地基试验检测结果，说明采用强夯法处治碎石地基可有效提高地基承载力，达到了预期的加固效果。