強夯法處理山區梁場非均勻回填地基施工

胡智峰

(中鐵十五局集團第五工程有限公司,河南洛陽 471002)

1 工程概況

我公司承建的衡陽—邵陽高速公路路基五標地處湖南邵陽丘陵山區,溝壑谷地縱橫交錯分布,局部地段基巖裸露,基巖表面起伏變化大、溶溝槽發育、地表高差懸殊,覆蓋土層厚薄不均,現場無直接可以整平利用的預制梁場。為保證制梁工作的進行,決定把梁場建在丘間谷地,利用開山填谷建設預制梁場。在梁場建設過程中,為滿足制存梁臺座、運梁道路等地基的穩定、均勻、密實,對預制梁場地基采用強夯法(局部采用強夯置換)進行處理,使梁場地基承載力滿足了梁場基礎設計要求。

2 梁場地質概況及地基處理要求

2.1 預制梁場地質概況

梁場區域地表高程在223.9～236.1 m,局部高程達256.2 m,梁場設計高程為232.6 m。主要地層為：①黏土、粉質黏土、含礫黏土,褐黃色～褐紅色,硬塑,主要成分為黏泥,巖土施工等級為Ⅲ級,σ0=180 kPa,分布于丘坡表層；②黏土、粉質黏土、含礫黏土,褐黃色～褐紅色,硬塑,巖土施工等級為Ⅱ級,σ0=150 kPa,分布于丘谷；③黏土、粉質黏土、含礫黏土,褐黃色～褐紅色,軟塑,巖土施工等級為Ⅱ級,σ0=100 kPa,大都發育在基巖面或丘谷表層；④石灰系下統巖關階組灰巖：灰色,弱風化,隱晶質結構,塊狀構造,巖質較堅硬,巖溶發育,巖土施工等級Ⅴ級,σ0=1 000 kPa。

2.2 梁場設計對地基處理的要求

根據梁場制存梁臺座彈性地基梁、運梁道路的設計要求,梁場地基處理后應達到穩定、均勻和密實,地基承載力特征值fak達到250 kPa以上,存梁時4個支承點高差不大于4 mm。

3 梁場地基處理方案的選擇

根據設計文件對箱梁預制和制存梁臺座的要求,梁場地基處理施工前,項目部組織有關人員對多種地基處理方案進行比較。

3.1 樁基

從理論上講,樁基是最可靠的地基處理方法。樁基的承載力大,沉降量小,且對于嵌巖樁基本上可不考慮沉降,但對本工程項目存在以下不利因素：①預制梁場地表基巖起伏大,樁基的長度變化太大,有的可能要20多米長,有的只有幾米長,且巖面頂的高程常常會與圖紙顯示的地質資料有出入,部分地段又沒有相應的地質勘查資料；②梁場地處巖溶發育區的丘間谷地,地表溶槽、地下溶洞發育,難以完全探明,樁基施工需先進行巖溶注漿預處理,且巖溶地區樁基施工難度及風險大,對成樁質量沒有明確的保證；③梁場平整回填土中含大量硬質灰巖,巖石的塊徑大小不一,這將給樁基施工造成困難；④梁場運梁道路地基無法全部采用樁基處理。

3.2 分層碾壓回填

分層碾壓回填在處理回填土時不失為一種有效手段,但用于本工程存在許多不利因素：①分層碾壓工期長,挖填方交界處死角較多,難以保證壓實質量,而對于制存梁臺座基礎來說,落在半填半挖的地基上,最容易產生不均勻沉降；②梁場所處地區雨季長(每年的3～8月份),無法保證分層碾壓的施工進度；③預制梁場的填方采用黏性土夾雜部分山體爆破產生的石塊和石屑,大量石塊大小不一無法控制,所以分層的厚度難以保證,壓實質量無法保證。

3.3 強夯法

強夯法經過30多年的應用和發展,證明適用于處理一般黏性土、飽和砂土、碎石土、粉土、濕陷性黃土及石土地基,能夠有效地提高地基強度,降低壓縮性,提高土層均勻性,減小地基的不均勻沉降。特別對于本工程,可同時滿足制存梁臺座地基、運梁道路地基處理的要求,且強夯法施工的工期短、速度快,對施工季節無特別要求,能有效地克服當地雨季長而影響施工有效時間的缺點,可以極大節省地基處理的時間和費用。

經對以上方案分析比較,決定采用強夯法對梁場地基處理。

4 地基強夯施工

4.1 強夯施工設計

(1)強夯技術參數

①夯錘重力及初始起落高度

根據設計要求,并結合強夯及強夯置換對夯錘的具體要求,點夯采用180 kN圓形夯錘,直徑1.8 m,靜壓70 kPa；滿夯采用130 kN圓形夯錘,直徑為2.2 m,靜壓28 kPa。根據梅納公式

式中D——強夯影響深度,取8 m；

N——夯錘重力,取180 kN；

H——夯錘落距；

a——夯實系數，其值根據場地土的工程地質特性和相近情況經驗確定,一般為0.5～0.8,本工程取0.55。

據公式可算得點夯落距H=12 m。考慮到填土厚度不一,夯擊過程中有能量損耗,為確保夯擊效果,選取初始起落高度為14 m,夯擊能量為2 500 kN·m。

②夯點間距L

根據夯錘底面半徑R、壓力擴散角θ(一般為27°～35°)、強夯影響深度D及有效加固范圍下寬W算得：制存梁臺座地基梁基底夯點間距L=3.4 m,取L=3.5 m；運梁道路基底夯點間距L=2.8 m,取L=3.0 m。

(2)單點夯擊數

按2遍點夯、1遍滿夯進行施工。第1遍點夯進行局部深層加固,第2遍插塞進行全部深層加固,第3遍滿夯進行整體淺層加固。

(3)夯點布置(圖1、圖2)

圖1 制存梁臺座地基強夯處理夯點布置(單位：cm)

圖2 運梁道路地基強夯處理夯點布置(單位：cm)

4.2 強夯試驗

強夯試驗主要為了在正式施工前,選擇有代表性的區域進行強夯試驗性施工,并檢驗其處理加固效果,對強夯施工結果做出定量評價,然后反饋回來調整強夯設計,選定合理的強夯施工參數,指導大面積場區施工。為確定強夯處理非均勻回填地基的加固效果,利用梁場2號臺座回填地基進行試夯,試夯平面尺寸36 m×15 m,按強夯設計組織實施,強夯試驗包括單點夯試驗和群夯試驗。

(1)單點夯試驗

單點夯試驗的目的是通過測量夯坑及夯坑周圍地面變形,計算有效夯實系數(a),以便驗證夯擊能量、最佳夯擊錘數(N)、夯點間距(L)等設計參數,試驗參照《建筑地基處理技術規范》(JGJ79—2002)設計和執行。即a=(V1-V2)/V1,式中V1為夯坑下沉體積,V2為夯坑周圍地面隆起體積。試驗結果表明,當夯擊能量為2 500 kN·m,夯擊錘數為7擊時,夯實效果最為理想,夯實系數a=0.97。

(2)群夯試驗

根據單點夯試驗結果,得出群夯試驗施工參數如下：點夯能量2 500 kN·m,滿夯能量1 300 kN·m,分3遍夯,第1、2遍為點夯,第3遍滿夯,夯點間距為3.5 m,滿夯夯點切1/4環。群夯試驗結束后,經重型動力觸探及采用1 m×1 m荷載板進行現場試驗檢測,強夯處理后地基承載力特征值fak達到290 kPa,滿足設計要求，可進行大面積施工。

4.3 強夯施工

(1)施工設備：50 t上海產履帶吊1臺,13 t、18 t鑄鋼夯錘各1個,挖掘機1臺,振動壓路機1臺。

(2)施工工藝流程

場地平整→測量放線、定位→第1遍點夯→夯坑填平→測量放線、定位→第2遍點夯→夯坑填平→第3遍滿夯→檢測。

(3)操作要點

①夯點的控制：用石灰或木樁進行夯點標識,在夯點上用石灰撒出夯錘底輪廓線,控制樁位偏差小于5 cm。

②夯坑填平：由于回填土中夾有大塊石,在每遍點夯后需對夯坑進行回填,回填料控制標準為含泥量小于15%,最大粒徑小于40 cm,回填后場地要平整,并進行一定方式的碾壓,便于履帶吊車的來回行走。

③夯點偏差控制：吊車按照石灰線進行對點就位,夯擊時若發現坑底傾斜時,對夯坑回填整平。

④停夯控制：點夯施工中,做到每一遍、每一夯擊坑的最后2擊沉落量的平均值控制在小于5 cm內,以此控制各點的夯擊次數,以確保施工質量。

(4)施工中的特殊情況處理

①基巖溶溝槽充填黏土強夯置換

梁場1號制梁臺座及對應存梁臺座基巖溶溝、溶槽發育,且充填的黏土含水量呈飽和狀態,單純采用強夯難以達到處理要求。施工中采用了強夯置換法(又稱強夯碎石墩法)進行處理,對溶槽頂板進行破碎或溶溝、槽裂隙寬度小于50 cm情況下,通過爆破使其上口寬度大于3 m,清除溝槽中充填土,然后利用細顆粒料石回填,再用2 500 kN·m能級的單擊能量夯實,在強夯過程中邊夯邊加碎石,直至達到設計的最后擊夯沉量小于5 cm。

②大塊石高填方地基

梁場4號制梁臺座及對應存梁臺座基底最大填方高度9 m,施工中大塊石填料最大粒徑控制在80 cm以內,地基按每層4 m由下而上進行強夯處理,強夯只需要點夯而無需滿夯,到達基底層再進行滿夯。

5 強夯地基的檢測

強夯工程質量檢測就是檢測強夯加固效果,為基礎施工提供依據,本工程采用荷載板試驗、動力觸探試驗進行綜合檢測。

5.1 荷載板試驗

荷載板試驗是一種最直觀可靠的試驗,根據載荷沉降記錄繪制P-S曲線,確定地基承載力。梁場共進行1 m×1 m荷載板試驗5組,以2號試驗點為例,典型的靜荷載試驗P-S曲線見圖3。

圖3 2號試驗點靜荷載試驗P-S曲線

依據《建筑地基處理技術規范》(JGJ79—2002)中的有關確定復合地基承載力標準值的規定,采用相對沉降控制法確定各試驗點的承載力基本值,荷載試驗檢測結果見表1。

表1 荷載試驗檢測結果

根據表1數據可以看出,梁場地基經強夯處理后,承載力標準值達到設計要求。

5.2 動力觸探試驗

強夯結束后,在梁場強夯加固地基上進行了32個點位的重型動力觸探試驗,除含塊石處動探擊數較大外,其余土層豎向均勻性較好,承載力滿足設計要求。

6 結語

強夯法處理山區梁場非均勻回填地基,具有地基加固明顯、施工工期短、節省工程投資等諸多優點,特別是在巖溶發育地區修建梁體預制場,可節省大量地基勘探處理費用。根據該梁場強夯處理后綜合檢測結果,強夯處理后非均勻回填地基穩定、均勻、密實,地基的承載力能夠滿足設計要求,梁場經存梁后實測地基沉降僅有2 mm,且為均勻下沉,滿足了制梁要求,為今后在類似地區修建梁體預制場進行地基處理積累了一定經驗。

[1]JGJ79—2002,建筑地基處理技術規范[S].

[2]孫永剛.濟菏高速公路濕陷性黃土強夯施工技術[J].鐵道標準設計，2006(7)：20-21.

[3]林澤波.填海路基強夯加固設計[J].鐵道標準設計，2008(8)：37-38.