徐建勇

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北武漢 430056)

強(qiáng)夯法加固公路地基的設(shè)計(jì)方法研究

徐建勇

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北武漢 430056)

強(qiáng)夯法指的是為提高軟弱地基的承載力,用重錘自一定高度下落夯擊土層使地基迅速固結(jié)的方法。由于強(qiáng)夯法能處理大部分土質(zhì)地基,目前被廣泛應(yīng)用于公路建設(shè)之中。本文通過(guò)工程實(shí)例介紹了強(qiáng)夯法在加固公路地基中的設(shè)計(jì)方法。

強(qiáng)夯 地基 承載力

1 強(qiáng)夯法及其加固機(jī)理

強(qiáng)夯法又稱動(dòng)力固結(jié)法,指的是為提高軟弱地基的承載力,用重錘自一定高度下落夯擊土層使地基迅速固結(jié)的方法。強(qiáng)夯法目前已廣泛適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土、雜填土和素填土等公路地基的處理之中。對(duì)非飽和的粘性土地基,一般采用連續(xù)夯擊或分遍間歇夯擊的方法;并根據(jù)工程需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以確定夯實(shí)次數(shù)和有效夯實(shí)深度?，F(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)表明：在100～200噸米夯實(shí)能量下,一般可獲得3～6米的有效夯實(shí)深度。

強(qiáng)夯法加固機(jī)理如下：強(qiáng)夯法主要通過(guò)重錘自重能量將松散土體中的孔隙迅速壓密,減小孔隙率;動(dòng)載產(chǎn)生的剪切波在土顆粒間傳播,使松散土體顆粒重新排列而趨向更緊密,并將土顆粒間孔隙水?dāng)D出。在土體整體穩(wěn)定得到保證的情況下,體積壓縮作用使土顆粒排列加密、孔隙體積減小,從而快速實(shí)現(xiàn)地基固結(jié)變形及強(qiáng)度提高。對(duì)高飽和度的粉土與粘性土等地基,宜在夯坑內(nèi)回填塊石、碎石或其他粗顆粒材料進(jìn)行強(qiáng)夯置換,可達(dá)到較好效果。

2 強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)的基本程序

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)條件、待處理地基的厚度、填土高度、填土材料確定強(qiáng)夯方案與要求,初步計(jì)算夯擊能、夯擊遍數(shù)、錘間距及加固深度等參數(shù);根據(jù)確定的參數(shù),編寫(xiě)方案說(shuō)明;根據(jù)設(shè)計(jì)方案在施工現(xiàn)場(chǎng)試夯,確定加固效果,確認(rèn)是否需要修改設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2 強(qiáng)夯的目的

使用強(qiáng)夯提高地基承載力。

2.3 主要參數(shù)的選擇

2.3.1 有效加固深度

強(qiáng)夯法的有效加固深度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試夯試驗(yàn)或當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定,也可按下列公式計(jì)算確定：

式中：H——有效加固深度,m;W——錘重,KN;h——落距,m;α——地基土修正系數(shù),(m/KN)1/2,其值為0．5～0．8,依土層情況而定。一般隨粘性含量和含水量增大而減小。

2.3.2 夯擊能的確定

圖1

強(qiáng)夯時(shí),當(dāng)?shù)鼗谐霈F(xiàn)的孔隙水壓力達(dá)到上覆土層自重壓力時(shí),此時(shí)對(duì)應(yīng)的夯擊能為最佳夯擊能。

夯擊能分為單擊夯擊能和單位夯擊能。

(1)單擊夯擊能。即夯錘重量與落距的乘積。一般根據(jù)加固深度來(lái)確定,加固深度大,單擊夯擊能要求大,反之亦反。單擊夯擊能越大,加固效果越好。

(2)單位夯擊能。單位夯擊能是指施工場(chǎng)地單位面積上所施加的總夯擊能,即單位夯擊能=夯錘重×夯錘落距×總夯擊遍數(shù)÷加固面積。

強(qiáng)夯的單位夯擊能應(yīng)根據(jù)地基土類別、結(jié)構(gòu)類型、荷載大小和要求處理深度等綜合考慮,并可通過(guò)試驗(yàn)確定。一般情況,粗顆粒土可取1000～3000KN．m/m2,細(xì)顆粒土可取1500～4000KN．m/m2。

2.3.3 夯擊次數(shù)

它是強(qiáng)夯設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。夯擊次數(shù)一般由試夯確定,由試夯得到的夯擊次數(shù)與夯沉量之間的關(guān)系曲線確定,且要同時(shí)滿足下列條件：

(1)最后兩擊的夯沉量均不宜大于下列數(shù)值：當(dāng)單擊夯擊能小于4000KN．m時(shí)為50mm;單擊夯擊能為4000～6000KN．m時(shí)為100mm;單擊夯擊能大于6000KN．m時(shí)為200mm。

(2)夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過(guò)大的隆起。

(3)不因夯坑過(guò)深而發(fā)生提錘困難。

2.3.4 夯擊遍數(shù)

夯擊遍數(shù)應(yīng)根據(jù)地基土的性質(zhì)確定,可采用2～3遍,對(duì)于滲透性較差的細(xì)顆粒土,必要時(shí)夯擊遍數(shù)可適當(dāng)增加。最后再以低能量滿夯1～2遍,滿夯可采用低能量(輕錘或低錘落距)多次夯擊,錘面搭接。

工程實(shí)踐中,對(duì)于碎石、砂礫、砂質(zhì)土、垃圾土,夯擊遍數(shù)為2～3遍;粘性土為3～8遍,泥炭為3～8遍。然后再以低能滿夯1遍,使表層1～2m范圍內(nèi)的土得以夯實(shí)。

2.3.5 間隔時(shí)間

兩遍夯擊之間應(yīng)有一定的時(shí)間間隔,間隔時(shí)間取決于土中孔隙水壓力的消散時(shí)間。當(dāng)缺少實(shí)驗(yàn)資料時(shí),可根據(jù)地基土的滲透系數(shù)確定,對(duì)于滲透性較差的粘性土地基,間隔時(shí)間不應(yīng)少于3～4周;對(duì)于滲透性好的地基可連續(xù)夯擊。

2.3.6 夯點(diǎn)布置

夯點(diǎn)位置可根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)類型,采用梅花形或正方形布置。每個(gè)錘間距可為5～9m,或夯錘直徑的2．5～3．5倍,以后各遍夯錘間距可與第一遍相同。對(duì)處理深度較深或單擊夯擊能較大的工程,第一遍錘間距宜適當(dāng)增大。

2.3.7 加固范圍

強(qiáng)夯處理范圍應(yīng)大于建筑物基礎(chǔ)范圍,每邊超出基礎(chǔ)外緣的寬度宜為基底下設(shè)計(jì)處理深度的1/2至2/3,并不宜小于3m。

3 強(qiáng)夯法加固公路地基的設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 工程概述

江甕高速公路TJ3A標(biāo)路線全長(zhǎng)4．8484公里,設(shè)計(jì)為雙向四車道,路基寬24米,行車道 寬2×7．5米,計(jì)算行車速度80Km／h。地質(zhì)勘探資料顯示,YK27+520～K28+200段表層覆蓋層為約4～5米厚粉質(zhì)黏土,基巖為強(qiáng)～中風(fēng)化白云巖。地面橫坡約25°,路基最大填高為31．5米,為高路堤,如果不對(duì)地基進(jìn)行處理,路基將會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降,甚至路基會(huì)沿松散的粉質(zhì)黏土層橫向滑移,嚴(yán)重影響路基的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)多方案比較,決定在此段采取較為經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的強(qiáng)夯法進(jìn)行處理。

3.2 強(qiáng)夯法的設(shè)計(jì)

3.2.1 路基橫向加固范圍的確定

山區(qū)高速公路路堤一般較高,路堤邊坡坡腳外與坡腳內(nèi)地基土的上覆土壓力存在較大的壓力差,導(dǎo)致路基邊坡坡腳以外地基發(fā)生較大沉陷。所以設(shè)計(jì)考慮加固寬度時(shí),應(yīng)將坡腳至邊溝外緣部分全部加固,從路堤穩(wěn)定的角度考慮,加固寬度達(dá)到路堤最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧以外。設(shè)計(jì)加固寬度為：路堤底寬+ 2×3m。

3.2.2 加固深度的設(shè)計(jì)

加固深度計(jì)算采用Menard經(jīng)驗(yàn)公式：

公式中各字母含義見(jiàn)前面說(shuō)明。

3.2.3 夯擊能量設(shè)計(jì)

夯擊能量是決定加固深度的重要參數(shù),設(shè)計(jì)中按單擊夯擊能與最佳夯擊能考慮。

單擊夯擊能=錘重×落距

最佳夯擊能從理論上講是地基中出現(xiàn)的孔隙水壓力達(dá)到土的自重壓力時(shí)的夯擊能,它是單擊夯擊能的總和。對(duì)于砂性土地基可由觀測(cè)的孔隙水壓力增量隨夯擊次數(shù)增加的變化趨勢(shì)來(lái)決定,當(dāng)孔隙水壓 力增量趨于穩(wěn)定時(shí),所達(dá)到的能量即為最佳夯擊能。根據(jù)試驗(yàn)段試驗(yàn)研究,最佳夯擊能為主夯與副夯時(shí)采用1500kN．m、2000kN．m和2500kN．m三種夯擊能;滿夯時(shí)采用700kN．m、800kN．m、1000kN．m三種夯擊能。

3.2.4 夯點(diǎn)布置和夯點(diǎn)間距

夯擊點(diǎn)位置可根據(jù)工程結(jié)構(gòu)類型,采用等邊三角形、等腰三角形或正方形。而夯點(diǎn)間距的確定,應(yīng)根據(jù)地基土的性質(zhì)和處理深度而定。夯點(diǎn)間距可取夯錘直徑的2．5～3．5倍。本工程中夯點(diǎn)布置如圖1所示。

3.2.5 夯擊次數(shù)的設(shè)計(jì)

單點(diǎn)夯擊數(shù)在夯擊能為2500kN．m及2000kN．m時(shí)采用4擊,1500kN．m時(shí)采用5擊。夯擊遍數(shù)為三遍：第一遍主夯,按規(guī)定間距正方形布置：第二遍副夯,在各主夯點(diǎn)位中間穿插進(jìn)行,仍按規(guī)定間距布置;第三遍滿夯,亦稱“滿拍”或“搭夯”,即采用夯點(diǎn)彼此搭接1／4連續(xù)夯擊,滿夯的目的是加固表層。

3.2.6 間歇時(shí)間

各遍夯擊之間留有一定的時(shí)間,主要是因?yàn)榧庸掏翆又谐o孔隙水壓力需要一定的消散時(shí)間。并且該時(shí)間根據(jù)土質(zhì)的不同,會(huì)有很大區(qū)別。對(duì)于砂性土,孔隙水壓力的峰值出現(xiàn)在單點(diǎn)夯擊完成后的瞬間,消散時(shí)間只有2～3min,故該類土可進(jìn)行連續(xù)夯擊。對(duì)于本工程的黃土地區(qū),因?yàn)橥林泻袧B透性較差的粘性土,兩遍夯擊的時(shí)間間隔不宜小于72小時(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

強(qiáng)夯法雖然己在加固公路地基中得到廣泛的應(yīng)用,但至今尚無(wú)一套非常成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。因此,對(duì)于強(qiáng)夯法在加固公路地基中的設(shè)計(jì),我們應(yīng)當(dāng)針對(duì)工程實(shí)際情況與經(jīng)驗(yàn),初步選定設(shè)計(jì)參數(shù),再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證和修改,最終確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。

[1]劉宏輝,趙海森.強(qiáng)夯法在濕陷性黃土地區(qū)地基處理中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].黑龍江交通科技,2011(04).

[2]劉松玉.公路地基處理[M].南京:東南大學(xué)出版社,2001(10).

[3]劉松玉等.強(qiáng)夯法加固高等級(jí)公路液化地基試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),2000(11).

[4]陳紅妹,李蘭.軟弱土地基處理方法探究[A].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012(07).

[5]趙文豹.公路軟土中的地基處理問(wèn)題[J].科技資訊,2007(28)

[6]曹延風(fēng).淺談軟弱土地基處理方法[N].民營(yíng)科技,2012(05).