强夯法在湿陷性粉土路基中的应用研究

连 昕

（山西省公路工程监理技术咨询有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

山西省是实现我国东中西部资源互动、南北地区优势互补的重要交通枢纽中心。近年来，在中部崛起战略和建设新型能源工业基地战略的指导下，山西公路交通建设率先进入了历史转型跨越发展期。

山西有超过80%的土地被粉土所覆盖，粉土作为路基填料使用时，干燥易被压碎，饱水后又易形成流体状态，稳定性差，且难以碾压成型[1]，即使能够成型，压实度与CBR也难以达到规范要求。因此根据已有成功工程实践可知，采用良好的工法并控制路基的含水率可在服役期限内不出现较大病害[2]。强夯法于20世纪60年代创于法国，锤重可达40 t，落距最高可达40 m，对于提高地基承载力，减小土体湿陷性、沉降有着显著的效果[3]。鉴于此，依托工程研究强夯法在山西湿陷性粉土中的应用。

强夯法施工前需勘测施工区域的地质条件，根据技术标准确定适宜的施工参数，包括夯击次数与锤重。因工艺简单，强夯法适用范围广，且施工成本低。然而施工过程中产生的振动不适宜在人口集中的地区。随着强夯法的研究发现，与多种工法结合使用可取得更好的土体加固效果[4]。

强夯法具有施工操作简单，加固效果显著，可取得较高的承载力，一般地基强度可提高2～5倍；变形沉降量小，压缩性可降低2～10倍，加固影响深度可达6～10 m；土粒结合紧密，有较高的结构强度；工效高，施工速度快；节省加固原材料等特点。

1 强夯法原理、适用范围及研究意义

强夯法处理地基是20世纪60年代由法国Menard公司首创的，该方法利用夯锤自由下落产生的冲击能和振动反复夯击地基土，从而提高地基土的承载力，降低地基土的压缩性，消除湿陷性土的湿陷性和砂土的液化。

强夯法适用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土和黏性土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基，当其用于饱和软黏土地基处理时尽可能采用低能量强夯或与其他排水方法相结合的方案进行强夯地基处理。

强夯法已在工程中得到广泛的应用。有关强夯机理的研究，虽然国内外已做了不少工作，但至今未取得满意的结果。其主要原因是各类地基土的性质差别很大，很难建立适用于各类土的强夯加固理论。有必要按不同土类分别研究强夯机理及其相应的设计计算方法。

2 依托工程

山西省朔州环城高速公路全长64.4 km，西段起于平鲁区北铺上村，接入荣乌高速，至黄儿庄东；南段起于朔城区西影寺村西北，接入大运高速朔州支线，至黄儿庄东北。全线采用四车道高速公路技术标准，设计速度为100 km/h，路基宽度为26 m，全线桥涵设计荷载等级采用公路-I级。地基承载力要求处理后不低于200 kPa。在全线取了5种代表性土样进行物理力学性能测试，测试结果见表1，粉土厚度约为0.8～3 m。

表1 粉土物理力学性质指标

3 强夯法试夯方法评价

工程应用中，在一定的夯击能作用下，不同的锤重和落距组合会引起加固效果的变化[5-6]。如何选用锤重和落距的组合会对施工效率等产生影响，因此参照已有研究拟定4组相同锤击动量下不同锤重与落距组合，在依托项目的试验段进行试夯，并对强夯效果进行评价。

3.1 夯沉量

4组相同锤击动量下不同锤重与落距组合下的夯沉量测试结果见表2。

表2 不同锤重下的夯沉量测试

由表2可知，随着锤重的增加、落距的减小，夯沉量随之增加。采用锤重为4 t，落距为12 m的组合时，随着锤击次数的增加，夯沉量逐渐趋于稳定；采用锤重为12 t，落距为4 m的组合时，随着锤击次数的增加，夯沉量依然有明显增加，需要更多的锤击次数，在此组合下夯沉量才能趋于稳定。从夯沉量来看，随着锤重的增加与落距的减小，达到同样的夯沉量所需的锤击次数越来越少。根据强夯法的振动机理，重锤产生的振动波波长大于轻锤，因此在加固地基过程中相较于轻锤的短波，加固效果衰减较慢[7]。而从施工的角度分析，采用重锤低落距不仅提升了施工效率，而且施工成本低，技术经济性好。

3.2 物理力学指标

4组相同锤击动量下不同锤重与落距组合在试夯一周后进行物理力学指标的测试，取土原则上在夯击区域等间距布设，物理力学指标以相同深度的平均值进行统计，测试结果见表3。

表3 不同取土深度下4种组合的物理力学指标

由表3可知，经强夯法处理后，满足规范所要求的湿陷系数小于0.015。随着锤重的增加与落距的减小，物理力学指标提升明显，重锤低落距的加固效果整体优于轻锤高落距。有研究指出，在湿陷性粉土路基处理过程中，锤击次数过多会导致空隙水压力增加，往往难以消散，从而形成弹簧土。因此采用重锤低落距可以减少此类现象。

4 加固效果检验

4.1 承载力

在4种组合试夯1个月后，采用平板荷载试验和动力标贯试验验证地基承载力。

4.1.1 平板荷载试验

在试验场地对4组相同锤击动量下不同锤重与落距组合进行地基承载力的检验，施加荷载大于设计要求的2倍，分10级进行加载，根据荷载-沉降关系线记录测试结果，见表4。

表4 不同取土深度下4种组合的物理力学指标

由表4可知，承载力特征值为240 kPa，大于设计要求，仪器记录的荷载-沉降关系无明显拐点。在重锤低落距的组合下，沉降更小，地基承载力更高。

4.1.2 标准贯入试验

采用63.5 kg的重锤在76 cm的高度自由下落，在自重作用下将贯入器贯入试验段的土层中，每贯入10 cm时记录下贯入次数，最终的锤击次数以贯入30 cm计。经检测4组相同锤击动量下不同锤重与落距组合测得的承载力在205～230 kPa之间，与平板荷载试验结果接近，呈现的规律一致。说明强夯处理后，粉土地基密实度和强度均得到提高。测试结果见表5。

表5 标准贯入试验下的极限承载力

4.2 压实度

在4组相同锤击动量下不同锤重与落距组合下的试验区域选3处采用灌砂法进行压实度的检测，测试结果见表6。

表6 压实度测试结果（最大干密度1.87 g/cm3）

由表6可知，强夯后的土层压实度均高于处治前，达到了路基93%的压实度要求。在重锤低落距下，压实度的提升最高。

5 结语

a）鉴于不同的锤重和落距组合会影响加固效果，拟定4组相同锤击动量下不同锤重与落距组合，经夯沉量与物理力学指标的测试发现，随着锤重的增加与落距的减小，达到同样的夯沉量所需的锤击次数越来越少。随着锤重的增加与落距的减小，物理力学指标提升明显，重锤低落距的加固效果整体优于轻锤高落距，并可减少弹簧土等病害。

b）通过平板荷载试验与动力标贯检测对地基承载力进行检验，承载力特征值均大于设计要求，验证了在重锤低落距的组合下，沉降更小，地基承载力更高。

c）通过灌砂法检测了压实度，发现均高于处治前，符合规范要求，重锤低落距下，压实度的提升最高。

d）根据不同组合的试夯试验结果，从提升施工效率与技术经济性的角度考虑，重锤低落距更适用于湿陷性粉土路基，建议采用12 t重锤，落距取4 m。