強夯加固技術在軟土路基設計中的應用

□文 /劉建民

強夯法被證實具有高效、應用性強等特點，被廣泛應用于地基處理[1～4]。本文將強夯法引入道路工程路基設計中，對天津濱海新區部分區域路基進行設計，使路基滿足承載和道路日后使用要求。

1 應用背景

1）濱海新區因多數為沿海歷史形成陸域，軟土居多；含水量高，一般在40%～60%；孔隙比在1.0～1.3；軟土壓縮系數通常＜1.0 MPa-1，壓縮模量多＞2.0 MPa；一般容許承載力在50～80 kPa。

2）濱海新區多數地勢低洼，新城建設滿足解決防洪排澇要求，在傳統處理軟基的基礎上，還要進行較高填方。

3）濱海新區地處北方，每年有超過3月的冬季停工期，可利用冬季停工期解決預壓問題。

4）基地土質一般，強夯設計需借用客土。

5）以節約工程造價出發點，有效結合應用強夯硬殼層設計理論[5]。

2 工程概況

選取天津市濱海新區兩個有代表性的功能區，功能區A為地基條件較好，承載力較高的區域；功能區B為地基條件和承載力很差，軟土層深厚的吹填土區域。

1.1 功能區A

包括3條市政道路：規劃路一為城市主干路，長1 840 m，道路紅線寬50 m，設計車速60 km/h；規劃路二為城市主干路，長1 260 m，道路紅線寬34 m，設計車速60 km/h；規劃路三為城市次干路，長1 290 m，道路紅線寬30 m，設計車速40 km/h。

1.2 功能區B

包括2條配套市政道路，全長約2 900 m，道路紅線寬30 m，均為城市次干路，設計車速40 km/h。

3 地質狀況

3.1 功能區A

原為鹽場制鹽、養殖用池塘，蓄水時水深1～1.5 m，除進水、排鹽溝外，地勢較為平坦。地質大致可分為三層：第一層為新近組坑底新近沉積，層厚0.10～0.80 m，主要為淤泥，灰黑色，流塑，含有機質、腐殖質，可見少量碎貝殼；第二層為新近組古河道、洼淀沉積，層厚2.00～5.00 m，主要為粉質粘土、粘土，灰黃、灰褐～灰色，主要揭示為粘性土，個別鉆孔揭示有淤泥質土，軟塑～流塑，含鐵質、云母、有機質、腐殖質、貝殼，高壓縮性；第三層為第Ⅰ海相淺海相沉積，層厚4.80～13.50 m，主要為粉土、粉砂，灰～褐灰色，飽和、稍密狀態，含有機質、云母、碎貝殼、有層理，中壓縮性。

2.2 功能區B

在原有近海灘涂上圍海造陸而成，地表主要為吹填土，除工程建設臨時用房外，無現有建筑。場地地形簡單，地勢平坦。地質基本概況自上而下分為三層：第一層為人工填土層，全場地均有分布，厚度8.00～9.00 m，土質結構性差，具有不均勻性、弱滲透性、高飽和性、沉降速度慢、低強度、干縮性和流變性等特點，填墊年限＜10 a；第二層為全新統中組海相沉積層，位于埋深約9.00～21.00 m段，埋深約9.00～17.00 m段為淤泥質粘土，呈灰色，流塑狀態，有層理，含貝殼，局部夾粘土透鏡體，屬高壓縮性土，埋深約17.00～21.00 m段為粘土，呈灰～褐灰色，軟塑狀態，有層理，含貝殼，屬高壓縮性土；第三層為全新統上組陸相沖積層，在埋深24.00 m內未穿透該層，揭示最大厚度約3.00 m，主要由粉質粘土組成，呈黃褐色，可塑狀態，無層理，含鐵質，屬中壓縮性土，局部鉆孔底部夾粉土透鏡體。

3 強夯加固方案設計

3.1 路基結構設計

結合土壤環境和地質條件特征，提出了適用于濱海新區的兩種典型路基結構：強夯素填土路基（適用于功能區A）和強夯置換路基（適用于功能區B）。

1）功能區A強夯素填土路基典型結構設計。通過填筑素填土和強夯工藝施作機械承托層，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30 cm碎石墊層和60 cm石灰土（或水泥石灰土、水泥石灰固化土）。見圖1。

圖1 強夯素填土路基典型結構

2）功能區B強夯置換路基典型結構設計。在深厚吹填土地基條件下，用土石混合料作為路基填料，采用強夯工藝進行擠淤填筑，形成機械承托層，代替傳統的山皮土或混渣等石質材料填筑厚度，去掉30 cm碎石墊層，直接施作路床部分為60 cm石灰土（或水泥石灰土、水泥石灰固化土）。強夯置換層的厚度或置換墩長度，應根據軟土層厚度、所要求的承載力標準計算確定。見圖2和圖3。

圖2 強夯置換（整式置換）路基典型結構

圖3 強夯置換（樁式置換）路基典型結構

3.2 參數設計

針對兩個功能區路基特點及對應的強夯處理方式，設計了不同的強夯參數指標，主要包括有效加固深度、夯點間距和夯點布置、夯擊能量的確定、單輪夯擊數和夯擊遍數、間歇時間、排水通道和處理范圍等。

1）有效加固深度。根據濱海新區市政道路交通荷載特點，研究分析得出濱海新區路基工作區深度在1.5～2.5 m之間，對于重載交通濱海新區路基工作區深度達2.5～3.0 m。考慮到路基工作區深度一般局限在2.5 m以下，因此，強夯加固路基硬殼層的處理深度要求能覆蓋路基工作區深度要求，即路基下3.0 m左右，盡量對下層軟土做到少擾動。

2）夯點間距及夯點布置。夯擊點位置一般可采用等邊三角形、等腰三角形或正方形布設。夯點間距的選擇宜根據工程結構類型、加固土層厚度和土質條件、強夯能級、夯錘直徑等因素通過試夯確定，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；第二遍夯擊點位于第一遍夯擊點之間，以后各遍夯擊點間距可適當減小。

3）夯擊能量的確定。本文研究適合市政道路路基硬殼層的強夯施工工藝，有效處理深度決定適用低能級強夯，確定本工程素填土路基夯擊能為800～1 200 kN·m，強夯置換夯擊能為1 000～2 000 kN·m。

4）單輪夯擊數和夯擊遍數。單輪夯擊次數一般通過現場試夯確定，以夯坑的壓縮量最大、夯坑周圍隆起量最小為原則，以加固后應達到的設計指標為依據。經試夯，確定單輪夯擊8次。夯擊遍數一般情況下為2～4遍，具體可根據夯擊期間的沉降量達到計算最終沉降量的60%～90%或根據設計要求已經夯到預定標高進行控制。

5）間歇時間。根據試驗段超孔隙水壓力消散時間確定間歇時間。在強夯實施過程中，利用埋設孔隙水壓力測頭及時觀測孔壓變化情況，從而確定間隔時間。本研究確定超孔隙水壓力消散80%后，進行第二遍的夯擊。

6）排水通道。素填土路基宜設置降排水通道，考慮到路基工作區深度要求以及強夯后的路基下沉量，路基填土高度要求位于地下水位以上≮3.0 m；強夯置換通常不考慮排水要求，僅要求采用級配良好、硬質的不規則粗顆粒料作為墊層，以提高地基承載力和強夯期間超孔壓的正常消散。

7）強夯處理范圍。路基的應力擴散作用加固范圍應大于路基坡腳邊緣基礎范圍。根據國內經驗，每邊超出路基坡腳基礎外緣的寬度宜為設計處理深度的1/2～1/3并≮3 m。

4 效果

4.1 強夯素填土路基

通過試驗檢測，功能區A強夯素填土路基可滿足市政道路路基的設計要求。

1）面波測試結果表明，1 000 kN·m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。

2）靜力觸探測試結果表明，強夯完成后，淺層路基加固效果較為顯著，有效加固深度范圍內平均錐頭阻力、平均側阻力整體呈現明顯增大趨勢，分別增加約20%和16%；而深層地基土受擾動的影響程度較小。

3）輕型動探測試結果表明，淺層3 m深度范圍內的路基土夯擊完成后，實測錘擊數N10呈明顯提高趨勢；其表層0.9 m深度范圍內實測錘擊數N10平均值提升最明顯且由深及表地呈線性遞增趨勢。

4）淺層平板載荷試驗結果表明，試驗段內的地基承載力基本值均明顯增大，增大比例在6%～10%之間，能夠滿足施工機械承托層的需要。

5）回彈模量試驗結果表明，路基回彈模量標準值均＞23 MPa，滿足市政道路路基設計要求。

4.2 強夯置換路基

通過試驗檢測，功能區B強夯置換路基可滿足市政道路路基的設計要求。

1）地基沉降的監測結果表明，在200 d的監測周期內，路基的最大沉降為104 mm，一般為40～60 mm，遠小于規范規定的路基工后沉降300 mm的要求。

2）瑞雷波測試結果表明，強夯后山皮石下部淤泥層厚度＜1m的占94.6%。直觀上，強夯后大部分淤泥被擠出。

3）對強夯區兩點進行平板載荷試驗，兩點地基極限承載力為262.5 kPa，承載力特征值為131.25 kPa，均滿足地基承載力特征值120 kPa的要求。

4）重型動力觸探結果表明，地面以下山皮土層的動探擊數由未處理前的8～30擊提高到20～50擊；山皮土層下的淤泥層動探擊數由未處理前2～4擊提高到4～8擊；淤泥層以下的粉質粘土層動探擊數由未處理前5～8擊提高到8～27擊。夯前比夯后動探擊數有了大幅度的提高，地基土的性質比強夯前明顯改善。

5 結論和建議

1）本文提出的強夯素填土路基和強夯置換路基結構設計方案能夠適合天津市濱海新區軟土路基處理，經過實際工程的試驗檢測，證明其具有較好適用性和實用性，可在某種程度為解決濱海地區軟土路基處理提供借鑒。

2）本文設計的強夯路基典型結構，均可減少山皮土（混渣）和石灰土等材料的用量，較傳統方案更為節能、環保和生態，可降低部分工程費用。

3）強夯加固軟土地基有時會出現“橡皮土”現象，這是由于沖擊能量使得軟土中的孔隙水瞬時得以析出，但因軟土層過厚或排水條件不良，夯擊作用結束后，排出的孔隙水又會因軟土的觸變回到土體中，從而浪費夯擊能量，強夯設計中應予以足夠重視。

4）強夯路基設計需通過試夯和試驗段研究確定諸多設計參數，具有較強的地域針對性，目前的研究成果僅適用于濱海新區的路基強夯設計，在其他區域的適用性有待進一步研究。