高速公路路基強夯加固機制分析

孫少銳，韓銀龍，王亞杰

(1.河海大學地球科學與工程學院， 江蘇 南京 210098；2. 上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)

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高速公路路基強夯加固機制分析

孫少銳1，韓銀龍1，王亞杰2

(1.河海大學地球科學與工程學院， 江蘇 南京 210098；2. 上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)

摘要：為探討強夯對軟土路基的加固效果，選取宿新高速公路典型地質條件路段，應用強夯置換法處理軟土地基，在試驗段確定3個試驗點分別針對無碎石墊層、20 cm碎石墊層和40 cm碎石墊層3種工況進行試驗，對試驗過程中孔隙水壓力的消散進行觀測，得出超孔隙水壓力隨夯擊能累計而增加，同時伴隨消散而減少，使得峰值出現時間的早晚與夯點夯擊順序密切相關；對試驗前后土體力學參數進行定量分析，發現墊層較厚的場地，隨著孔隙水壓力消散結束，在強夯試驗結束一段時間后，土體顆粒間緊密接觸，新吸附水逐漸固定，土的抗剪強度和變形模量都有了大幅度的增加。分析結果表明，強夯雖破壞了土體原有結構，但總體上提升了土體強度，加固效果明顯。

關鍵詞：軟土路基；強夯；孔隙水壓力；現場試驗；加固機制

強夯法始用于碎石土、砂土，經多年的發展，已適用于低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土、雜填土、素填土等地基。對于高飽和度粉土和黏性土等地基，采用強夯置換仍處于經驗階段。文獻[1-6]的研究發現，強夯法處理高飽和度地基土目前主要存在以下問題：l)對高飽和度地基土其質量檢測無據可依，完全憑現場技術人員經驗而定；2)對高飽和度地基土強夯的研究，國內外學者[7-14]主要集中在強夯機制分析及影響范圍的計算，目前注重強夯工藝與技術的研究開發，而對夯后地基強度和變形預測少見報道。

為探討強夯處理軟土地基的加固效果，選取宿新高速公路試驗段開展現場試驗工作，并在試驗結束后的一段時間內對試驗段土體進行強度測試，從而分析加固效果。本路段場地土類別劃分如下：22層粉土，層頂埋深0 m，層厚4.9 m，承載壓力為100 kPa，液化等級嚴重；32層淤泥質黏土，飽和，流塑，軟土層厚4.2 m，埋深4.9 m，最小重度17.5 kN/m3，快剪黏聚力18 kPa，內摩擦角14.1°，承載壓力為70 kPa，最大孔隙比1.391，最大含水量52.7%。

1現場試驗方案布置

根據場地的工程地質條件，初步設計強夯遍數為3遍，分別為主夯、副夯和滿夯。夯點的夯擊數根據現場試夯確定，應滿足下列條件：1)以夯坑的壓縮量最大，夯坑周圍地面隆起最小為原則，且最后兩擊或三擊的平均夯沉量小于100 mm；2)當孔隙水壓力消散80%后進行下一遍強夯，間歇時間由試夯時孔隙水壓力消散過程的觀測時間來確定。

1.1試驗段試驗方案

試夯段確定采用主夯、副夯夯擊能為1 000 kN.m，滿夯為700 kN.m。試夯段分無碎石墊層、20 cm厚碎石墊層和40 cm厚碎石墊層3個試驗點進行試夯。在碎石墊層布設前，每個試夯段選取2個位置埋設孔隙水壓力計，設置在主夯、副夯的空隙地帶；每個位置地面以下2.0 m處、3.5 m處、5 m處埋設3只孔隙水壓力計，各點之間采用膨潤土泥球封堵。每個試夯段范圍15 m×20 m，含9個主夯點，4個副夯點，每個試夯段間隔距離大于10 m。夯點布置為正方形，主、副夯夯點間距4.5 m，滿夯夯點間距1.42 m，放樣用石灰點(或標樁)標明每一遍位置。

1.2試夯段試夯方案

按試夯要求進行原地面場地平整，布設主夯夯點、壓力計孔位、夯沉量觀測點、標貫檢測點，等待強夯機就位，按要求進行主夯夯擊，觀測每次夯擊后夯點高程。記錄每次夯沉量、夯擊次數，同時觀測并記錄夯坑周圍的隆起量。主夯后靜置時間由檢測孔隙水壓力確定。主夯結束后用碎石填平夯坑，整平場地，測量主夯后整體夯沉，然后按要求布設副夯夯點，副夯的夯擊次數、檢測要求、靜置時間與主夯相同，副夯結束后用碎石填平夯坑，整平場地，測量副夯后整體夯沉量，然后按要求布設滿夯夯點。滿夯時，夯擊順序與副夯一致，夯點彼此搭接1/4 錘底面積(夯點計算間距1.42 m)，滿夯結束后測量整平后標高。20 cm、40 cm厚碎石墊層強夯試驗段試夯施工工藝、檢測要求同無碎石墊層試夯。

1.3強夯點的夯擊順序及現場情況

根據夯擊要求，現場夯擊點的夯擊順序如圖1所示， 現場試驗從2月27日開始，3月6日結束，天氣多以陰雨天為主，3月2日至3月6日，每日有降水。

(a)主夯順序圖

(b)副夯順序圖

2現場試驗結果與加固機制分析

2.1強夯過程中孔隙水壓力變化趨勢分析

如圖2—7所示，主夯時2 m深處的孔隙水壓力消散較慢，在同等地質條件下，由于夯擊使上部土體形成“硬殼層”，導致上部超孔隙水壓力消散較慢；而其中40 cm墊層消散的最慢，由此推斷20 cm墊層加固效果較好。從孔隙水消散的時間看，無論哪種工況，超孔隙水壓力在1～1.5 d內能消散80%。就超孔隙水壓力的消散快慢來看，夯擊對2 m深處土體的影響最為明顯，3.5 m處有較明顯的影響。在副夯期間，降水較多，強夯效果不如主夯時候明顯，副夯時由于降雨影響導致監測的孔隙水壓力較初值大；因此導致部分超孔隙水壓力計算值為負值，其中20 cm、40 cm墊層的影響較為明顯。

2.2強夯試驗加固機制分析

對于飽和軟土地基來說，在夯錘的重復沖擊下，飽和土會產生非常大的超孔隙水壓力，導致土體中的有效應力越來越小，這時土體產生局部液化。因為土顆粒的骨架結構被破壞得很徹底，土的強度也減小到最小值，必然導致飽和土體內的水流阻力也隨之減小，使孔隙水在土體中的流通變得順暢，土的滲透系數也就越來越大。在這樣的情況下，孔隙水會沿著土體中夯錘沖擊產生的裂縫快速排出，超孔隙水壓力迅速消散，隨著超孔隙水壓力的消散及在上覆預壓荷重和土體自重壓力的作用下，使因強夯而產生裂隙的土體隨時間逐漸閉合，水力梯度也隨之下降，土顆粒重新排列，土粒間距變小，接觸緊密，同時新附著水逐漸固定，使土的抗剪強度與變形模量大大提高，從而提高地基承載力，降低壓縮性。從試驗前后土層的物理參數(見表1)來看，強夯對黏聚力的影響明顯高于內摩擦角的影響，優化率達到17.99%，內摩擦角優化率近10%；兩層土在壓縮性方面的改善比較明顯，達到了20%；錐尖阻力優化率大于側壁摩阻力，土的靈敏度影響超過20%。由此可見，強夯對土體強度的提高有較明顯的效果。

表1　試驗前后土層物理力學參數對比

3結論

1)在整個強夯試驗過程中，超孔隙水壓力隨夯擊能累計而增加，同時伴隨消散而減少，呈現先增加后減小的規律。峰值出現時間的早晚和夯點的夯擊順序有關，夯點與測點的距離由遠及近時，峰值出現的時間較晚，夯點與測點的距離由近及遠時，峰值出現的時間較早，與副夯相比主夯時該特點更加明顯。

2)墊層較厚的場地，夯擊對夯點間的土體強度增加相對明顯，土體的擠密程度較高，但易導致上部超孔隙水壓力消散的較慢，而對深處的超孔隙水壓力消散影響較小；因此考慮20 cm厚的墊層比較合理。

3)從超孔隙水壓力消散情況來看，強夯對埋深2 m左右的土體強度影響較大，對埋深3.5 m以下土體強度的影響不明顯，因此僅通過超孔隙水壓力判斷土體強度相對困難，建議考慮其他檢測手段。

4)由試驗后的現場強度參數檢驗結果看出，強夯對土體強度的影響較為明顯，說明強夯在增加土體的同時也破壞了土體原有的結構，但總體上對土體強度的影響較為明顯。

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(編校：葉超)

Field Test Analysis on Reinforcement Mechanism of Soft Soil Foundation by Dynamic Compaction Method

SUN Shaorui1, HAN Yinlong1, WANG Yajie2

(1.CollegeofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098China;2.ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200082China)

Abstract:In order to research the reinforcement effect of soft soil foundation by dynamic consolidation, the section of Suxin expressway with typical geological conditions was chosen to carry out dynamic consolidation field test of soft soil foundation treatment based on dynamic replacement method. No gravel layer, 20 cm gravel layer and 40 cm gravel layer were used to conduct the field test in different test point. The dissipation of pore water pressure with time was observed and analyzed during the test. The test results show that during the dynamic compaction, excess pore water pressure increases and then decreases. The peak time is in relation to the time of dynamic compact. The increasing of the soil strength for the thick gravel layers is relatively obvious. And the improvement of soil strength is remarkable by comparing the physical and mechanical parameters The results indicate that although the dynamic consolidation destroys original structure of soil, its strength is improved and reinforcement effect is obvious.

Keywords:soft soil foundation; dynamic consolidation; pore water pressure; field test; reinforcement mechanism

收稿日期：2014-06-19

基金項目：國家自然科學基金項目(41002089)；國家十二五科技支撐計劃(2012BAB29B02)。

中圖分類號：TU443；TU472.3

文獻標志碼：A

文章編號：1673-159X(2016)03-0093-4

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.03.019

第一作者：孫少銳(1975—)，男，教授，博士，主要研究方向為巖土體穩定性。

·建筑與土木工程·