基于硬殼層理論的濱海新區軟土路基強夯法處治

劉建民，王新岐

(1.天津濱海旅游區投資控股有限公司，天津 300480； 2.天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

0 引 言

天津濱海新區為濱海沖擊平原，土質以濱海相沉積軟土為主，具有土體孔隙率大、天然含水量高、壓縮性高、強度低、滲透性小、承載力低等特點[1]。該地區地勢低洼，在進行新城建設時防洪排澇要求較高，道路多采用填方路基，在進行填方前應完成淺層軟基處理。目前，國內外進行軟基處理的主要方式包括復合地基法、排水固結法、灰土擠密樁、立體加筋法及強夯法等[2-6]。其中，強夯法是一種環保、高效、應用性強的軟土地基處理方法，主要是通過起重機將1個10～200 t的重錘起吊到6～30 m高處，使重錘脫鉤自由下落，利用重錘的沖擊對地基進行強力夯實，從而提高地基土承載力，降低土的壓縮性[7-8]。通過對濱海新區多個工程場地現場勘查發現，分布于沖積-海積區、吹填區及海積區的工程場地地面表層均存在一定厚度的表層硬殼，且硬殼具有一定強度。若能在淺層土基處理過程中合理采用強夯法形成硬殼層，并提升硬殼層的強度、穩定性及沉降協調性，對軟土地基的處理及提升土基整體承載能力均具有重要的工程意義。

基于此，本文結合天津市濱海新區軟基工程特性，在軟土路基處治中引入硬殼層設計理論，提出軟土路基強夯硬殼層施工方法，確定路基處理深度，分析不同施工參數下的軟基強夯處治效果，明確基于硬殼層理論的強夯法施工參數，最后對比強夯法與傳統方法處治軟基的綜合效益，為濱海新區軟土路基淺層處理提供有益借鑒。

1 濱海新區軟土路基強夯硬殼層設計

1.1 軟土路基硬殼層形成的力學機理

當軟土路基上部形成硬殼層時，當土基受到外界荷載時應力狀態會發生變化。當荷載較小時，地基中大部分應力集中在硬殼層內，地基表現出明顯的板體性承載特征，下層軟弱土中的應力相對較小，且隨深度衰減較快；當荷載較大時，硬殼層板體性作用削弱，層內的應力集中程度相應減小，但硬殼層和軟基的強度差和剛度差作用仍然使土基中的應力大量聚集在土基的上部。硬殼層密實度較高、剛度較大，在荷載作用下能夠分擔荷載產生的部分剪力，使下臥土基在荷載剪力作用下無剪切變形或發生極小變形，同時硬殼層與下臥軟弱層間的荷載傳遞方式發生變化，硬殼層發揮著類似于板體的作用，這種作用即硬殼層的殼體效應[9-13]。殼體效應能夠使外荷較為均勻地傳遞到面積較大的下臥軟土中，使下臥軟土層的附加應力低于按傳統擴散方法計算出來的附加應力，進而改善下層軟土的受力狀況，降低上部硬殼結構層傳遞到下臥軟土層的荷載，減小軟土層承載后的整體沉降變形[14]。

1.2 強夯路基硬殼層施工

基于硬殼層處理軟土路基的力學機理，結合市政道路路基強度、穩定性及工后沉降要求，本文提出通過強夯工藝結合路基排水方案進一步制造路基硬殼層的技術理念，對濱海新區某功能區含水量較低的粉質黏土或粉土填筑土基進行處治。強夯-排水加固素填土路基結構如圖1所示。

圖1 強夯-排水加固素填土路基結構

首先進行道路路基兩側排水(截水)邊溝的開挖，在保證基底平整、干燥且具有一定承載力的基礎上，采用非飽和黏性土進行路基填筑，隨后進行強夯處理，夯實后高度與現地坪高相同，夯實層厚度要求不小于2.0 m，且夯實層底面位置在地下水位以上不小于1.0 m。夯實采用多遍夯擊，對地下水位線以下土層盡量少擾動，以避免彈簧土的產生。同時，為保證路基工作區范圍內土體的壓實度滿足市政道路路基要求，在路基強夯范圍兩側設置寬1.0 m的碎石排水通道。通過路基填筑、強夯與排水的有機結合，解決強夯施工中超孔壓的消散問題，實現降低土體含水量、提高密實度與承載力且減小工后沉降的目的。

由于不同土質的力學性質差異較大，在進行路基強夯時，根據土質情況按照工程經驗進行試夯設計，然后根據試夯結果進行調整，具體步驟如下。

(1)首先查明場地地質情況、周圍環境影響以及工程規模和重要程度。

(2)根據己查明的資料、加固用途及承載力與變形要求，初步計算夯擊能量，確定加固深度，然后選擇必要的錘重、落距、夯點間距、夯擊次數等[15]。

(3)根據己確定的施工參數進行強夯布點設計及施工要求的說明。

(4)施工前試夯并進行加固效果的檢驗測試，通過對加固效果測試資料的分析，確定是否需要修改原強夯設計方案。

1.3 路基硬殼層處理深度的確定

路基硬殼層的處理深度主要是參照路基工作區深度來進行確定，圖2為濱海新區軸重與工作區深度的關系曲線。

圖2 不同軸重對應的路基工作區深度

根據濱海新區市政道路交通荷載特點及其對應的路基工作區深度可知，濱海新區路基工作區深度主要在1.5～2.5 m，對于重載交通則可達2.5～3.0 m?？紤]到路基工作區深度一般局限在2.5 m以內，以此確定濱海新區路基工作區深度是合適的，即進行強夯加固路基硬殼層的處理深度應覆蓋路基工作區深度，路基硬殼層的處理深度在路基表層向下3.0 m左右。

2 試驗段強夯施工控制與結果分析

2.1 路基強夯參數

在進行試驗段素填土強夯時，主要對夯點間距、夯點布置、夯擊能量、單輪夯擊數、間歇時間、排水通道及強夯處理范圍等參數進行控制?；谝延袕姾凰靥钔谅坊こ探涷?、濱海新區軟土地基特征及試夯結果，主要設計參數的控制范圍選取如下。

(1)夯擊點一般采用等邊三角形、等腰三角形或正方形布點。夯點間距宜為錘徑的1.2～2.5倍，低能級時取小值，高能級及考慮能級組合時取大值，第2遍夯擊點位于第1遍夯擊點之間，第3遍夯擊點間距可適當減小。

(2)基于該地區市政道路軟土路基工程特性，在進行強夯施工時選用低能級強夯，夯擊能范圍為800～1 200 kN·m。

(3)根據現場試夯結果，單輪夯擊次數為8次，夯擊遍數為2～4遍，具體可根據夯擊期間的沉降量以達到最終沉降量的60%～90%，或根據設計要求到預定標高進行控制夯擊遍數。

(4)間歇時間主要根據試驗段超孔隙水壓力消散時間進行確定，待擊實結構層中超孔隙水壓力消散80%后，方可進行第2遍的夯擊。

(5)基于路基工作區深度要求及強夯后，路基下沉量進行降排水通道設置，同時控制路基填土表層高度位于地下水位3.0 m以上。

(6)由于路基的應力擴散作用，加固范圍大于路基坡腳邊緣基礎范圍，故確定強夯處理范圍時兩邊超出路基坡腳基礎外緣的寬度為設計處理深度的1/2～1/3，且不小于3 m。

2.2 試驗段強夯方案設計

為進一步細化強夯路基硬殼層的施工方案，對不同夯擊方案的加固效果進行分析，選擇某功能區規劃路為試驗段，由南往北選取3個小試驗段，各試驗段長度約120 m，采用素填土直接填筑路基，填筑高度為2.0～3.0 m，各試驗段均進行3遍夯擊，具體方案如表1所示。

表1 不同試驗段強夯方案

2.3 強夯結果分析

強夯完成后采用面波測試、靜力觸探測試、淺層平板載荷試驗及回彈模量試驗對強夯結果進行分析。圖3為不同方法的現場測試情況。

圖3 強夯結果現場測試

面波波速分析結果表明：3個試驗段路基的中心線附近面波波速均明顯高于兩側，且路基兩側波速離散性較大；1 000 kN夯擊能的滿夯對試驗段地基土波速的有效影響深度為2.5～3.0 m；采用3遍滿夯的試驗段3的面波波速分布的離散性較其他2個試驗段小，且波速提高的數值相對較大，即試驗段3強夯加固效果較好。

靜力觸探測試結果表明：強夯完成后，各試驗段淺層路基加固效果較為顯著，淺層素填土和粉質黏土的平均錐頭阻力和平均側阻力整體呈明顯增大趨勢，平均錐頭阻力增加約20%，平均側阻力增加約16%；而3個試驗段中深層粉土層以下地基土層的錐頭阻力整體表現為微弱的負增長趨勢，深層土基軟土整體受強夯影響較小。地基土層的增長變化幅度以試驗段1、2最為顯著，但均勻性較差，試驗段3增長變化幅度相對較低且均勻性略好，強夯路基在一定程度上表現為復合地基的性狀。

圖4 傳統路基淺層處理典型結構

對強夯前后的土基進行淺層平板載荷試驗發現：強夯后試驗段內的土基承載力基本值均明顯增大，增大比例為6%～10%，能夠滿足施工機械承托層需要。3個試驗段的不同深度位置土樣的平均含水率隨深度逐步增大，且均大于最優含水率16.4%～16.5%；各試驗段的不同深度位置土樣的平均壓實度隨深度逐步減小，0.1～0.5 m壓實度為88%～90%，0.5～0.8 m壓實度為85%～87%，1.1～1.3 m壓實度為79%～81%，3個試驗段的壓實度差別較小?；貜椖Ａ吭囼灲Y果顯示：各試驗段強夯后的路基回彈模量標準值均大于23 MPa，能夠滿足市政道路路基設計要求。

綜合分析結果可知，3個試驗段內的土基承載力基本值均明顯增大，且能夠滿足施工機械承托層需求。而根據面波測試及觸探測試結果可知，試驗段3經過強夯處治后均勻性較好，承載能力更強，即在實際工程中采取試驗段3的強夯方案進行施工，能夠保證夯擊后土基承載力較高。

3 強夯路基與傳統路基的綜合對比

基于濱海新區某功能區的土壤環境和地質條件特征及強夯分析結果，進一步提出適用于該功能區的強夯素填土路基典型結構。其設計思路是：通過填筑素填土并采用強夯工藝制作施工機械承托層，以代替傳統的山皮土或混渣等石質材料，同時也代替6%的石灰土路基部分；路床部分仍維持30 cm碎石墊層和60 cm石灰土(水泥石灰土、水泥石灰固化土)不變。圖4、5依次為傳統路基淺層處理典型結構及強夯素填土路基結構。表2為不同路基填筑結構的綜合效益分析。

圖5 強夯素填土路基結構

對比圖4、5中傳統路基與強夯素填土路基結構可知：強夯素填土路基能夠有效利用素填土，減少了石料、水泥及石灰等建材用量，降低了此類建筑材料生產的能耗和污染。同時濱海新區優質建材匱乏，采用傳統路基填筑結構時消耗建材較多，而采用強夯素填土路基結構能夠降低外運石料、山土皮等運輸成本，同時減少運輸材料的重載車輛對濱海新區已經建成的道路基礎設施的破壞。進一步分析表2可知，采用強夯素填土方案的工程造價僅為150～210 元·m-2，且路基承載力能夠滿足市政道路路基的設計要求，具有良好的社會、環境效益，有利于促進濱海新區筑路方式向著節能、環保、生態的方向發展。

表2 路基處理綜合效益對比分析

4 結 語

(1)采用強夯法進行路基處治時夯實層厚度約為3.0 m左右，應大于路基工作區深度，同時夯實層底面應位于地下水位高度上1.0 m以上位置。

(2)對淺層素填土路基進行強夯的優選方案為：前后夯擊3次，均為低能級滿夯，夯擊能依次為1 000、1 000、800 kN·m。采用該夯擊方案處治后的路基承載能力較高、均勻性較好。

(3)基于硬殼層理論的強夯素填土路基結構設計方案能夠適合天津市濱海新區軟土路基處治，處治后路基強度、穩定度及工后沉降均滿足市政道路要求，實用性良好。

(4)所設計強夯路基典型結構可推廣性較高，且 在施工中可減少或取消山皮土(混渣)、石料和石灰土等材料的消耗，相比于傳統方案更為節能環保，其社會、經濟及環保效益顯著，有利于促進濱海新區筑路方式向著綠色生態的方向發展。