HHT-8强夯法动土压力现场试验研究*

廖金杭 牟宏霖 阙 云 郑 亮 刘文辉

(1.福州大学土木工程学院 福州 350116； 2.南平武沙高速公路有限公司 南平 353000；3.福建春林工程管理有限公司 厦门 361000； 4.广东省第一建筑工程有限公司 厦门 361000)

强夯法是由Menard[1]提出并于1960年在法国发展起来的地基处理技术，该技术是通过将大吨位的夯锤提升到一定的高度后令其自由落下，冲击地面以达到加固地基的目的。该技术以工艺简单、加固效果良好、施工速度快、费用低廉的特点[2-3]，较快地被世界各国工程界采用。Qian J.[4]介绍了强夯从理论到实践的应用，为强夯法的工程应用提供了更可行的理论依据。

随着我国城市化进程的飞速发展，传统的强夯法由于夯击能级大，夯击所产生的振动对周围建筑物、构筑物产生的不利影响较大而不太适用于城市道路的夯实加固，而 HHT-8履带式智能连续强夯机具有灵活机动的特点，能适应不同复杂地形道路的夯实，为桥涵台背回填、涵洞基底处理、填石路基、填挖结合部、“鸡爪冲沟”等特殊路段提供了有效的压实手段。在城市道路施工中相比于重型振动压路机和冲击压路机而言，具有明显的工程施工优势。目前对强夯的研究主要集中在试验研究与数值模拟，试验研究方面前人对强夯时土体的动应力随深度的变化开展了一些测试工作[5-7]，认为这是一项困难的工作，影响量测精度的因素不但与土质性质有关，还与土压力传感器的构造及周围土体的匹配关系、埋设方法等有关[8]。孔令伟等[9]对强夯的边界接触应力进行了理论研究。以上的研究均是基于传统强夯法的研究，而HHT-8作为一种新型强夯方法有其独特的适用特点[10]。深入研究HHT-8夯实法加固路基的基本原理、工作特性，对于合理有效地组织施工十分重要。

鉴于此，依托福建省某工程进行了现场实地测量试验，在试验路段竖直埋设了11个应变式油压动态土压力盒，在HHT-8强夯设备工作时动态测量夯锤击实时的动应力分布特征及其衰减规律。以期得到各深度土压力分布规律及距离锤击点不同距离的土压力变化规律，为HHT-8履带式智能连续强夯设备在实际施工中的应用提供参考。

1 试验简介

1.1 HHT-8履带式智能连续强夯机

HHT-8履带式智能连续强夯机由履带机动装置及液压夯锤系统组成, 其核心部分在于前部的液压夯锤系统。夯锤在液压系统与重力的共同作用下对地面进行夯实，可满足对作业面积进行单点或连续的夯实要求。其中夯锤重80 kN，最大提升高度为3 m，夯锤尺寸为200 cm×50 cm。根据落距的不同，HHT-8强夯机有4个落距档位，分别为0.8，1.4，2，2.6 m，分别对应一档至四档加载等级，加载等级所对应的夯击能分别为64，112，160，208 kN·m。HHT-8强夯机图见图1。

图1 HHT-8履带式智能连续强夯机

1.2 工程概况

测试段位于闽中沿海地区、丘陵地带，为填方路基，其中路基宽度32 m、坡率为1∶1.6。路基填料土为粉质黏土。在测试段沿线不同点位进行了钻探取样，将钻探得到的土样进行土工试验，可得路基土密度大多位于1.8～2.0 g/cm3，平均含水率为23.2%，含水率明显偏高。大部分土的孔隙比分布在0.7～0.8，路基土的平均孔隙比为0.72。

2 动土压力现场试验

2.1 强夯夯击点及动土压力测点布置

沿测试段纵向(行车方向)的中心线布置19个夯击点。所布置的夯击点在一条纵向直线上，相邻夯击点之间的距离为1 m。并且对夯击点进行编号，其中动土压力盒分层埋设于1号夯击点位置下方。强夯点位及测点平面布置图和立面图见图2和图3。

图2 强夯夯击点位及动土压力测点平面布置示意图

图3 动土压力测点测试仪器布置立面图(单位：cm)

2.2 试验方案

在现场试验中，HHT-8强夯机的行车路线位于测试路段的中线，以埋设传感器的位置(即夯击点1)为终点，在传感器左侧水平距离25 m处做一起点标记。HHT-8强夯机在该处启动，沿着行车方向前进并加速到正常工作速度，当强夯机行驶到夯击点19处时动态数据采集系统开始采集数据。当行驶到夯击点1后动态数据采集系统停止工作，数据采集阶段结束。沿着相同的路径，改变HHT-8强夯机的加载挡位，由一级加载至四级加载一共行驶4遍，对其在行驶过程中不同档位作用下对测点位置不同深度的竖向动土压力和水平向动土压力数据进行采集并应用于后面的分析。

2.3 试验仪器及土压力盒埋设

动土压力测试仪器有：DH5920动态数据采集系统；DHDAS数据处理软件；应变式油压动态土压力盒。

影响土压力量测精度的因素甚多，除了土介质应力-应变关系非线性、传感器外形尺寸等因素外，埋设条件也是重要影响因素。如夯击点距土压力盒的水平距离、夯击的能级、土压力盒埋设的深度及夯击的遍数等，对水平向动土压力和竖向动土压力都会产生影响。故埋设方法及要求如下。

1) 将5个0.6 MPa动态土压力盒编号为1号至5号，用于竖向动态土压力测试，埋设朝向为受力膜板面与路面平行；6个0.4 MPa动态土压力盒编号为6号至11号，用于水平向动态土压力测试，埋设朝向为受力膜板面与路面相垂直。

2) 埋设时应保证与传感器两面接触的土介质颗粒细腻，不能与较大的而且有尖角的石子接触，以免在受力时将受力膜板破坏。因此，本次埋设时在土压力盒周边铺设薄砂层。

3) 由于测试段路基填筑高度为3.6 m，故挖深为3.6 m。而土压力传感器的深度间距取0.6 m是因为土压力盒还有0.1 m的厚度，下一层土压力盒顶面至上一层土压力盒底的实际距离为0.5 m。在测试桩号处用反铲挖土机从路床顶面往下挖3.6 m深沟，采用机械挖掘时挖深略深于3.6 m，然后由人工将土回填到略高于埋设传感器的标高并进行人工夯实，土的密度接近于原始状态下的密度，而后修成水平面埋设最底层的2个传感器，用水平尺校准传感器的水平度。回填土逐层压实回填一定的高度，用夯夯实，而后准备埋设上一层传感器。

2.4 试验数据的收集

在HHT-8沿着行车方向夯击1次的过程中，共有19个夯击点，在每个夯击点进行夯击后能够采集5个竖向动土压力数值和6个水平向动土压力数值。在次夯击过程中能够采集209个动土压力数据。HHT-8强夯机有4个不同档位的加载等级，变换不同加载等级，由一级加载到四级加载档位沿着相同的行驶路径夯击4遍，一共采集836个动土压力数据。利用动态数据采集系统将各土压力盒的数据进行采集，并且用数据处理软件得到所需的数据。

3 试验结果及分析

3.1 竖向动土压力随夯击点水平距离变化

在HHT-8履带式智能连续强夯机在4个不同档位下沿着相同的夯击路线夯击4遍，测得同夯击功能作用下测点不同深度竖向动土压力随夯击点距测点水平距离变化土压力数据见图4。由图4可见，在不同能级的夯击下，动土压力的衰减规律大致相同。比较各级加载中的测点数据可以看出，在夯击作用下埋深为3.6 m处的测点5所测得的竖向动土压力数值明显大于其他4个测点的动土压力，测点1至测点4所得到的竖向动土压力相对集中。

图4 各深度测点土压力随锤击点纵向距离变化曲线

随着HHT-8的加载等级不断升高，土压力总体呈变大趋势，三级荷载个别点因测量误差，其值小于二级荷载。随着夯击点的距离与测点的水平距离的增加，其竖向动土压力数值明显减小。由图4可以看出，随着水平距离的增加，动土压力先以极快的速率减小，曲线很陡，而后减小速率保持稳定，曲线趋于平缓，其间有一个分界，因此可以看出动土压力的衰减规律出现拐点现象。在同级加载作用下，土压力的衰减速率在拐点前非常明显，并且埋深越浅衰减的速率越快。以四级加载为例，从夯击点1位置到夯击点4位置范围内衰减速率极大，从土压力测点1至测点5的竖向动土压力分别衰减了88.0%，83.9%，87.0%，86.3%和82.3%。其余加载等级下的衰减幅度见表1。

表1 夯击点1位置到夯击点4位置范围内衰减幅度 %

以竖向动土压力变化幅度小于5%为界限，由数据和图形分析可以得到竖向动土压力随着水平夯击距离的增大，一级～四级加载档位下拐点的位置出现在夯击点5和夯击点6之间。在拐点位置后随着夯击距离的增大，竖向动土压力值基本保持稳定，变化幅度很小。说明HHT-8强夯击在夯击时动土压力的水平影响范围主要为以夯击点为中心、4 m为半径的圆内。

3.2 不同夯击点作用下竖向动土压力随埋深变化

根据上述规律可知动土压力的变化在夯击点1附近变化较明显且变化幅度大，值得进一步探究。故取夯击点1至夯击点8，一共8个夯击点进行分析。以动土压力值为横轴，测点深度为纵轴做出不同夯击点下的竖向动土压力折线图，结果见图5。

图5 竖向动土压力

由图5可见，随着测点深度的增加，在HHT-8强夯机一级至四级加载档位的夯击作用下，各档位下竖向动土压力的变化基本呈现出相同的变化规律。各级加载档位的变化规律相同但是随着加载档位的升高，变化曲线的数值出现整体性的增加。竖向动土压力的变化规律为：随着测点埋深的增加，动土压力呈现先大幅度减小后略微增大，然后继续减小的趋势。距离土压力测点水平距离越近的夯击点，这种规律就越明显。并且竖向动土压力的衰减同样具有拐点现象，分析夯击点1至夯击点8可以得到拐点出现位置的规律。除了夯击点3处由于测量时的误差影响，拐点位置出现在埋深2.4 m处，其余夯击点位下拐点都出现在埋深为1.8 m的测点位置处，拐点埋深以下动土压力的衰减幅度很小，动土压力趋于稳定。

3.3 不同夯击点作用下水平向动土压力随埋深变化

选取夯击点1～8在不同加载等级情况下的数据，对HHT-8履带式智能连续强夯机在不同夯击功能作用下测点不同深度水平向动土压力随夯击点距测点水平距离变化规律进行分析，结果见图6。

图6 水平向动土压力

由图6可见，随着深度的增加，水平向的动土压力呈现出先迅速减小后趋于稳定的变化规律。这种规律在夯击点3以后显得尤为明显。与竖向动土压力衰减规律相比，水平向动土压力的衰减表现出拐点现象。从地面到拐点埋深位置水平向动土压力减小趋势明显，夯击点位距测点的水平位置越近，动土压力减小的趋势越明显，在拐点位置以下，水平动土压力变化幅度很小并趋于稳定。

在同一个夯击点处，不同等级加载作用下水平向动土压力拐点出现的埋深位置相同，但是比较于不同的夯击点，拐点出现的埋深位置不同。由图6可以得到，在夯击点1和夯击点2处，水平向动土压力衰减的拐点位置出现在埋深为3.0 m处，在夯击点3至夯击点8处，水平向动土压力变化的拐点深度均为1.2 m。

4 结语

1) 随着HHT-8的加载等级不断升高，土压力总体呈变大趋势，但增大的趋势不明显。随着锤击点与测点水平距离的增大，竖向动土压力随着夯击点与测点水平距离的增加，其衰减规律出现拐点现象。一级～四级加载档位下拐点的位置出现在距离与测点顶部水平距离的4～5 m之间(即夯击点5和夯击点6之间)。说明了HHT-8强夯机在夯击时动土压力的水平影响范围主要为以夯击点为中心，4 m为半径的圆内。

2) 不同夯击功能作用下测点不同深度竖向向动土压力随夯击点距测点水平距离变化规律同样有拐点现象。竖向动土压力随着深度衰减的拐点位置不会由于夯击点距离测点的水平距离的变化而变化，在每个夯击点为下，拐点出现的埋深位置均为1.8 m。

3) 关于水平向动土压力，随着深度的增加，在距土压力测点不同水平距离的夯击点位下，水平动土压力的衰减也出现拐点现象。但是距离测点不同的夯击点下，水平动土压力衰减拐点出现的深度有所不同，在夯击点1和夯击点2处，水平向动土压力衰减的拐点位置出现在埋深为3.0 m处，在夯击点3至夯击点8处，水平向动土压力变化的拐点深度均为1.2 m。