強夯法加固公路地基的設計方法研究

徐建勇

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北武漢 430056)

強夯法加固公路地基的設計方法研究

徐建勇

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北武漢 430056)

強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的方法。由于強夯法能處理大部分土質地基,目前被廣泛應用于公路建設之中。本文通過工程實例介紹了強夯法在加固公路地基中的設計方法。

強夯 地基 承載力

1 強夯法及其加固機理

強夯法又稱動力固結法,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的方法。強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。對非飽和的粘性土地基,一般采用連續夯擊或分遍間歇夯擊的方法;并根據工程需要通過現場試驗以確定夯實次數和有效夯實深度。現有經驗表明：在100～200噸米夯實能量下,一般可獲得3～6米的有效夯實深度。

強夯法加固機理如下：強夯法主要通過重錘自重能量將松散土體中的孔隙迅速壓密,減小孔隙率;動載產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擠出。在土體整體穩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,從而快速實現地基固結變形及強度提高。對高飽和度的粉土與粘性土等地基,宜在夯坑內回填塊石、碎石或其他粗顆粒材料進行強夯置換,可達到較好效果。

2 強夯法設計方法

2.1 設計的基本程序

根據現場的工程地質條件、待處理地基的厚度、填土高度、填土材料確定強夯方案與要求,初步計算夯擊能、夯擊遍數、錘間距及加固深度等參數;根據確定的參數,編寫方案說明;根據設計方案在施工現場試夯,確定加固效果,確認是否需要修改設計參數。

2.2 強夯的目的

使用強夯提高地基承載力。

2.3 主要參數的選擇

2.3.1 有效加固深度

強夯法的有效加固深度應根據現場試夯試驗或當地經驗確定,也可按下列公式計算確定：

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,(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

強夯時,當地基中出現的孔隙水壓力達到上覆土層自重壓力時,此時對應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。一般根據加固深度來確定,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÷加固面積。

強夯的單位夯擊能應根據地基土類別、結構類型、荷載大小和要求處理深度等綜合考慮,并可通過試驗確定。一般情況,粗顆粒土可取1000～3000KN．m/m2,細顆粒土可取1500～4000KN．m/m2。

2.3.3 夯擊次數

它是強夯設計中的一個重要參數。夯擊次數一般由試夯確定,由試夯得到的夯擊次數與夯沉量之間的關系曲線確定,且要同時滿足下列條件：

(1)最后兩擊的夯沉量均不宜大于下列數值：當單擊夯擊能小于4000KN．m時為50mm;單擊夯擊能為4000～6000KN．m時為100mm;單擊夯擊能大于6000KN．m時為200mm。

(2)夯坑周圍地面不應發生過大的隆起。

(3)不因夯坑過深而發生提錘困難。

2.3.4 夯擊遍數

夯擊遍數應根據地基土的性質確定,可采用2～3遍,對于滲透性較差的細顆粒土,必要時夯擊遍數可適當增加。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。

工程實踐中,對于碎石、砂礫、砂質土、垃圾土,夯擊遍數為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范圍內的土得以夯實。

2.3.5 間隔時間

兩遍夯擊之間應有一定的時間間隔,間隔時間取決于土中孔隙水壓力的消散時間。當缺少實驗資料時,可根據地基土的滲透系數確定,對于滲透性較差的粘性土地基,間隔時間不應少于3～4周;對于滲透性好的地基可連續夯擊。

2.3.6 夯點布置

夯點位置可根據建筑物結構類型,采用梅花形或正方形布置。每個錘間距可為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增大。

2.3.7 加固范圍

強夯處理范圍應大于建筑物基礎范圍,每邊超出基礎外緣的寬度宜為基底下設計處理深度的1/2至2/3,并不宜小于3m。

3 強夯法加固公路地基的設計應用

3.1 工程概述

江甕高速公路TJ3A標路線全長4．8484公里,設計為雙向四車道,路基寬24米,行車道 寬2×7．5米,計算行車速度80Km／h。地質勘探資料顯示,YK27+520～K28+200段表層覆蓋層為約4～5米厚粉質黏土,基巖為強～中風化白云巖。地面橫坡約25°,路基最大填高為31．5米,為高路堤,如果不對地基進行處理,路基將會出現不均勻沉降,甚至路基會沿松散的粉質黏土層橫向滑移,嚴重影響路基的穩定性。經過多方案比較,決定在此段采取較為經濟、實用的強夯法進行處理。

3.2 強夯法的設計

3.2.1 路基橫向加固范圍的確定

山區高速公路路堤一般較高,路堤邊坡坡腳外與坡腳內地基土的上覆土壓力存在較大的壓力差,導致路基邊坡坡腳以外地基發生較大沉陷。所以設計考慮加固寬度時,應將坡腳至邊溝外緣部分全部加固,從路堤穩定的角度考慮,加固寬度達到路堤最危險滑動圓弧以外。設計加固寬度為：路堤底寬+ 2×3m。

3.2.2 加固深度的設計

加固深度計算采用Menard經驗公式：

公式中各字母含義見前面說明。

3.2.3 夯擊能量設計

夯擊能量是決定加固深度的重要參數,設計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的孔隙水壓力達到土的自重壓力時的夯擊能,它是單擊夯擊能的總和。對于砂性土地基可由觀測的孔隙水壓力增量隨夯擊次數增加的變化趨勢來決定,當孔隙水壓 力增量趨于穩定時,所達到的能量即為最佳夯擊能。根據試驗段試驗研究,最佳夯擊能為主夯與副夯時采用1500kN．m、2000kN．m和2500kN．m三種夯擊能;滿夯時采用700kN．m、800kN．m、1000kN．m三種夯擊能。

3.2.4 夯點布置和夯點間距

夯擊點位置可根據工程結構類型,采用等邊三角形、等腰三角形或正方形。而夯點間距的確定,應根據地基土的性質和處理深度而定。夯點間距可取夯錘直徑的2．5～3．5倍。本工程中夯點布置如圖1所示。

3.2.5 夯擊次數的設計

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

3.2.6 間歇時間

各遍夯擊之間留有一定的時間,主要是因為加固土層中超靜孔隙水壓力需要一定的消散時間。并且該時間根據土質的不同,會有很大區別。對于砂性土,孔隙水壓力的峰值出現在單點夯擊完成后的瞬間,消散時間只有2～3min,故該類土可進行連續夯擊。對于本工程的黃土地區,因為土中含有滲透性較差的粘性土,兩遍夯擊的時間間隔不宜小于72小時。

4 結語

強夯法雖然己在加固公路地基中得到廣泛的應用,但至今尚無一套非常成熟的設計計算方法。因此,對于強夯法在加固公路地基中的設計,我們應當針對工程實際情況與經驗,初步選定設計參數,再通過現場實驗的驗證和修改,最終確定合理的設計參數。

[1]劉宏輝,趙海森.強夯法在濕陷性黃土地區地基處理中的設計及應用[J].黑龍江交通科技,2011(04).

[2]劉松玉.公路地基處理[M].南京:東南大學出版社,2001(10).

[3]劉松玉等.強夯法加固高等級公路液化地基試驗研究[J].東南大學學報,2000(11).

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

[5]趙文豹.公路軟土中的地基處理問題[J].科技資訊,2007(28)

[6]曹延風.淺談軟弱土地基處理方法[N].民營科技,2012(05).