淺談強夯法在控制高填路基差異沉降中的應用

■　呂靜凌（南平市交通建設質量安全監督站，南平　353000）

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淺談強夯法在控制高填路基差異沉降中的應用

■呂靜凌
（南平市交通建設質量安全監督站，南平353000）

摘要本文通過分析閩北山區公路高填路基產生差異沉降的原因，并以南平市武夷新區省道303線改造工程（新嶺至將口大道段）中強夯處理現有高填路基實例為依托，分析影響強夯高填路基加固效果的因素，揭示出在強夯處理高填路基過程中應注意的質量控制要點。

關鍵詞強夯法高填路基差異沉降應用

近年來，閩北公路建設發展迅猛，據統計，至2015年底，閩北公路通車總里程達15554.241km，其中高速公路總里程達929.672km，普通公路總里程達14624.569km，全區干線公路網已具規模。南平市轄區面積2.63萬km2，占福建省的1/5，是典型的“八山一水一分田”的丘陵地貌。山區公路修建過程中，由于地形、地質以及路線線形的要求，高填深挖路基頻頻出現，由此導致了高填路基差異沉降引起的病害，嚴重影響道路使用性能。

本文在分析閩北山區公路高填路基產生差異沉降原因的基礎上，以南平市武夷新區省道303線改造工程（新嶺至將口大道段）中強夯處理現有高填路基實例為依托，分析影響強夯高填路基加固效果的因素，揭示出在強夯處理高填路基過程中應注意的質量控制要點。

1　閩北山區公路高填方路基差異沉降產生的主要原因

高填路基差異沉降由施工期沉降和工后沉降組成。施工期沉降是從路基開工到路基填筑完成時，其間產生的沉降，是伴隨著路基填筑施工的一個持續過程。工后沉降是從路基填筑結束后，一個較長的時間內，受土體自重、上部路面施工和行車荷載影響產生的沉降過程。引起高填路基差異沉降變形的因素很多，就閩北公路而言，差異沉降大致有以下幾種原因：

（1）高填路基自重和對天然地基處理不到位

天然地基的固結在自身的重力作用下已基本完成，但在其上修筑路堤時，由于路堤填土成為附加荷載，從而使天然地基產生沉降變形。這種沉降變形的大小受路堤填土的土質和填土高度的影響。在閩北地區，很多公路路線需要經過山壟田、菜地等軟弱土地帶，對軟弱土質路基處理不到位，就在其上填筑新的路堤，新增的附加荷載，更加劇了天然地基的沉降。

（2）路基壓實度不足

在路基壓實度不能滿足要求的情況下，由于路基兩側壓實度相對較低，因此路基沉降將是臨近邊坡的路基兩側大于路基中心，這一傾向在雨水入滲與沖刷的情況下表現得更加明顯。在此情況下，硬路肩與行車道間將出現沉降差，并出現沉陷和錯臺現象。由于行車道板下脫空，雨水又能從錯縫中滲入基層，在行車道頻繁行車荷載作用下，加上雨水對面層和基層連接面的不斷沖刷，導致了路面的斷裂。

（3）水的作用

閩北境內溪河縱橫，流域面積在4000km2以上的河流有8條，分別為閩江、富屯溪、金溪、沙溪、建溪、崇陽溪、南浦溪、松溪，集水面積50km2以上的河流有176條，構成溪河眾多、流域面廣的自然水系，導致閩北降水豐富，此外閩北地區地下水也極為豐富。水是公路路基損壞的主要原因，水的滲流作用使得許多山區公路路基產生滑塌、側向位移與沉陷等。

（4）邊坡失穩

高填路基邊坡穩定性直接影響路基穩定性。由于路堤土屬于非飽和土，在降雨作用下，降雨入滲會首先在路堤邊坡坡腳引起滑動破壞，一旦坡腳發生滑動，就會觸發坡腳以上部位更多的滑動發生，從而成為形成路基沉降的又一個重要因素。

（5）工后沉降［3］

高填路堤的工后沉降難以避免。根據土的物理性質，土為塑性材料，在土的原狀被破壞以后，不論人為壓實得多么密實，工后沉降也是難以避免的。

（6）受工期的影響

高填方路基沉降是一個持續的過程，短時間內不可能全部完成。施工期也是沉降控制的一個重要因素，目前國內公路建設周期短，工期內路基的沉降還未完成，這樣為工后過大沉降埋下隱患，容易造成基層或面層的破壞。

2　強夯控制高填方路基差異沉降的機理

大量工程實踐表明，公路工程中沉降的發生不可避免，但是過大的不均勻沉降將導致路基和路面的破壞，因此，國外許多發達國家也積極研究控制差異沉降的方法。如從路基填料、地基處治技術、土工合成材料等方面著手。本文著重探討強夯法在高填路基加固中的應用及其施工質量控制。

強夯法又稱為動力固結法［4］，將重錘從高處自由落下給地基以強大沖擊力和振動，從而達到提高地基土的強度并降低其壓縮性的目的。強夯法具有許多優點，如壓實效果顯著、設備簡單、施工方便、適用范圍廣、經濟易行和節省材料等。

通常認為，強夯加固路基過程有四個階段：（1）夯擊能量轉化，同時伴隨強制壓縮或振密；（2）土體液化或土體結構破壞，表現為土體強度降低或抗剪強度喪失；（3）排水固結壓密，表現為滲透性能改變，土體裂隙發展，土體強度提高；（4）觸變恢復并伴隨固結壓密，包括部分自由水又變成薄膜水，土體強度繼續提高。

強夯在極短的時間內對路基土體施加一個巨大的沖擊能量，加荷歷時幾十毫秒至一百毫秒，沖擊能轉化為各種波型傳遞到路基土體內。由強夯產生的沖擊波按其在土中傳播和對土作用的特性可分為體波和面波。體波包括縱波和橫波，從夯擊點沿著一個半球波陣面徑向向路基深處傳播，對路基土可起壓縮和剪切作用，引起路基土的壓密固結。面波從夯擊點沿地表傳播，其隨距離的增加而衰減的幅度比體波慢的多，對路基土不起加固作用，其豎向分量對表層土起松動作用。因此，強夯的結果是在路基中沿深度形成性質不同的三個區：路基表層松動區，加固區和彈性區。路基土體發生動力反應，由于路基土明顯的非彈性性質，經動力作用后一定范圍內路基土的工程性質發生一定程度的改變，即路基土得以加固。強夯加固路基的作用機制主要是：加密、固結和預加變形的共同作用。當重錘自由下落夯擊時，勢能轉化為動能，在夯擊地面的瞬間，動能的一部分以聲波形式向四周擴散，一部分由于重錘與土體摩擦而變成熱能，其余大部分動能則使土體產生自由振動，使空氣或氣體從土中排出，從而使土重新定向排列。

強夯加固效果主要受以下因素影響，包括夯擊能、夯錘面積、夯擊次數、夯擊間距、土體參數等。

（1）單點夯擊能

最佳夯擊能可采用單點夯沉量與夯擊次數關系曲線來確定，且滿足最后兩擊平均夯沉量≤5cm，夯坑周圍地面不發生過大隆起及不因夯坑過深而發生起錘困難。

（2）夯錘面積

夯錘面積的大小直接決定夯錘著地時的沖擊壓力，進而影響強夯的有效加固深度。在夯擊能一定的情況下，夯錘面積與加固深度呈反比關系。

（3）夯擊次數

夯擊次數一般通過現場試夯來確定，常以夯坑的壓縮量最大、夯坑周圍的隆起量最小為確定原則。目前，常通過現場試夯得到的夯擊次數與夯沉量的關系曲線來確定。

（4）夯點間距

夯點間距過大，使各夯點間的土體得到不有效加固；夯點間距過小，或采用夯點搭接的方法往往使后續強夯降低前期強夯形成的路基沉降，降低加固效果。根據工程經驗，一般選取5～10m。實際工程實踐中，往往是先進行一邊點夯，第二遍采用搭接的方法強夯。

（5）土體參數

土體天然含水率是影響強夯加固效果的重要因素。土體過于干燥，土體顆粒與顆粒間處于分散狀態，夯擊的結果可能因振動引起土體松動，達不到夯實效果；適當的含水率會使土體分散的顆粒膠結在一起；但是過高的含水率，易使土體產生液化，使土體強度降低。所以要控制好土體含水率，使其接近最佳含水率，有利于土體夯實。

3　強夯法在省道303處理高填方路基應用實例分析

3.1工程概況

南平市武夷新區省道303線改造工程（新嶺至將口大道段）路線全長約8.80km（其中包含隧道1179m/1座、大橋146m/1座、涵洞19道），一級公路建設標準，設計速度80km/h，路基寬度約42m，總投資約人民幣50000萬元。其中K17+880～K18+080段路基由其他施工隊開挖及填筑，回填厚度為8米。通過對該路段進行壓實度和標準貫入試驗，結果表明，上述路段填方壓實度和承載力均達不到設計要求。經業主、監理、設計、施工多方會審，決定對該路段路基進行強夯補強（要求強夯設備能力為3000kN·m，夯錘重25t、直徑2.5m），使原填土壓實度達到合格要求后予以利用。

3.2強夯方案設計

強夯設備夯擊能采用3000kN·m，夯錘重25t、直徑2.5m。

第一遍夯擊能3000kN·m，落距12m，夯點間距6m，等邊三角形布置，每點7擊，若夯沉量小于1.3m，增加1擊。

第二遍夯擊能3000kN·m，落距12m，夯點間距6m，等邊三角形布置，每點6擊，若夯沉量小于1.0m，增加1擊。

第三遍夯擊能1200kN·m，落距4.8m，滿夯，1/3錘印搭接，搭接長度0.83m，每點2擊。

第二遍強夯點位置應在第一遍強夯點的中間，即第二遍與第一遍的強夯點間隔應錯開。每遍強夯之間間隔5～7d。

3.3強夯檢測及效果評價

為了評價與檢查強夯效果，分別在夯前及夯后進行了重型圓錐動力觸探試驗（N63.5）、表層土壓實度測試。

3.3.1重型圓錐動力觸探試驗

在強夯前后分別進行了6組重型圓錐動力觸探試驗，夯前夯后各試驗點的重型動力觸探修正擊數見表1，選取一組夯前夯后典型的N63.5（擊）與H（m）關系曲線詳見圖1。

表1　重型動力觸探試驗數據

圖1　夯點5的N（擊）與H（m）關系曲線圖

通過對夯前和夯后數據進行統計對比分析，強夯處理后填土的動探平均擊數增加了近2擊，土體密實度有明顯的提高；夯前與夯后在0.0～8.0m范圍內地基土均勻性為均勻。

3.3.2挖坑灌砂法測定壓實度試驗（見表2）后表層土的壓實度有明顯的提高。

表2　壓實度試驗數據

4　強夯處理高填方路基施工質量控制要點

4.1強夯施工前

（1）安全施工方面

應督促施工單位查明場地范圍內的地下構筑物和各種地下管線的位置及標高等，并采取必要的措施，以免因強夯施工而造成損壞。當強夯施工所產生的振動對鄰近建筑物或設備產生有害的影響時，應采取防振或隔振措施。強夯施工宜采用帶有自動脫鉤裝置的履帶式起重機或其他專用設備，如采用履帶式起重機，可在臂桿端部設置輔助門架，或采取其他安全措施，防止落錘時機架傾覆；強夯施工前，組裝起吊設備及輔助門式框架時，應特別注意起立機器的自身穩定性。

（2）技術資料方面

熟悉工程資料、掌握土質情況，當原地面表層較濕或含水量較大時，在夯擊前應在該段鋪墊10cm～20cm厚的碎石，然后進行夯擊。夯擊時如表土過干（尤其滿夯時），則應采取加水等相應措施，增加含水量。檢查設備報審情況，對夯錘重量、落距進行驗算，確保單擊夯擊能量符合設計要求。檢查施工單位上報夯點布置圖。夯前場地標高測量時，檢查測量控制網點基樁及水準點，以便施工中測量夯擊沉降量。

4.2強夯施工過程中

檢查夯錘的落距，復核夯點放線、夯錘的落點誤差，嚴格控制夯擊遍數間的間隔時間，及時發現和處理夯擊過程中的異常現象，如夯坑周圍出現隆起，夯沉量異常等情況。

4.3強夯施工后

檢查施工記錄，復核夯后高程，檢查檢測報告，必要時對相關試驗項目進行復測。

5　結語

本文結合南平市武夷新區省道303線改造工程（新嶺至將口大道段）處理高填路基的實際應用，結果表明合理的夯擊參數能明顯提高高填路基的密實度，且土體均勻性良好，對于控制高填路基差異沉降起到重要作用。且通過對夯前與夯后數據的比較，強夯處理后表層土的壓實度有明顯的提高，表明強夯法在控制高填路基差異沉降中的應用是成功的。

參考文獻

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部. JGJ79-2012，建筑地基處理技術規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2013.

［2］福建省住房和城鄉建設廳.DBJ/T13-146-2012，建筑地基檢測技術規程［S］.福州，2012.

［3］湯連生，張慶華，廖化榮.公路軟基工后沉降研究進展（J）.巖土力學與工程學報，2006，25（增2）：3450-3455.

［4］陳謙應，蔣樹屏，柴賀軍，等.山區公路路基穩定理論與實踐［M］.北京：人民交通出版社，2005.