高速公路軟土地基處理中強夯置換法的應用

顏遠超

（中交四公局第二工程有限公司，北京 100176）

1 工程概況

G60 滬昆高速公路項目中，龍宮服務區設置于貴州省安順市幺鋪鎮。本標段起訖樁號為K1950+720 ～ K1952+009.475，總長度1.289475km。根據現場勘察結果得知，主線右幅服務區的地質條件特殊，含大量軟土路基，存在大量淤泥堆積現象，分布廣、厚度大。因此，立足于工程實際情況，選擇強夯置換法，以消除淤泥帶來的不良影響。

2 強夯法地基加固機理

強夯加固施工中，在夯錘的作用下處理地基，由于存在沖擊荷載，該處地基土將出現動力反應，土體具有非彈性性質，從而可達到加固土體的效果。從強夯加固地基的基本特點來看，其集加密、固結與預加變形于一體，通過重錘自由下落的方式，可實現勢能向動能的轉換。當該裝置接觸地面時，部分動能會基于聲波的形式向外擴散，但更多的是通過動能的形式對土體產生影響，即出現自由振動現象，有助于排出土體中的空氣，達到土體有效重塑的效果[1]。從加密流程來看，可分為4 個環節，具體如圖1 所示。

圖1 強夯加密示意圖

第一階段：存在于土體中的顆粒以隨機的方式排列，各團塊表現出各向同性的基本特點。第二階段：土體中的顆粒通過隨機以及定向兩種方式緊密排列，若采取的是隨機排列的方式，可將土中空氣順利排至外界。第三階段：所有組織單元都通過定向的方式聚集于一體，團塊中顆粒排列方式有兩種，即定向以及隨機，可達到有效排出空氣的效果。第四階段：所有團粒顆粒都處于完全定向排列狀態，發生持續性強夯作用，致使所有的土顆粒都呈現出定向排列的特點，且伴隨明顯的垂直向壓縮變形現象，其明顯超出水平擠壓變形。

從土體的構成來看，主要有固相、液相以及氣相3種形式，受強夯作用，在此過程中土體中的氣體將被有效擠出，因此固相和液相都會形成飽和土，向地基土施加重錘后，可高效排水并使得土體達到有效固結狀態。作為非飽和土，對其采取強夯處理時，夯擊能量將形成波與動應力，彼此之間發生循環作用，使得土骨架表現出塑性變形現象，以達到提升土體密實度的效果，有助于降低土體壓縮性，整體強度相對較大。

3 施工方案

（1）施作強夯置換墩，該結構直徑1.2m，實際處理過程中置換墩平均直徑至少為1.4m，采取正方形布置方式，彼此間距均控制為2.5m，共分為短墩與長墩兩種形式。制作時，短墩由塘底施工，高程-0.5m；長墩由塘岸高程施工，高程1.1m。結束置換后，通過填石的方式處理頂面。

（2）所用夯錘重量20t，正常情況下單次夯擊能量為3000kN·m，各夯點間距為2.15m×2.15m，各點均夯擊1 遍，每遍操作2 次。

（3）挑選合適的夯料，較為可行的是級配優良的塊石與碎石，嚴格控制粒徑＞30cm 的顆粒，此部分需在總重的30%以內。

（4）置換墩施工時容易對已經運行的線路造成干擾，因此在實際施工作業時，靠近既有線路的長墩遵循的是由內向外的施工原則，而與既有線路較遠的短墩則采取的是由外向內的工藝流程，且施工中做到打一跳一。

（5）結束滿夯施工作業后，向施工區域填筑碎石，所形成的墊層厚度為0.5m，并為之采取振動壓實處理措施，施工中所用的振動壓路機自重需達到140kN 以上，產生的激振力至少為200kN，同一區域至少操作6 遍。

（6）展開現場試夯作業，基于此方式確定各夯點的合適夯擊次數，嚴格控制單墩夯沉量，該值至少要達到墩長的1.5 倍，同時要滿足最后兩級夯沉均值＜50mm的要求。

（7）注重質量檢測，選取置換墩總量的1%，為之引入地質雷達掃描的方式分析施工質量。在所有的檢測樣本中，要求置換墩著底數量至少為該值的95%，否則需補夯。

4 施工技術

做好施工前的試夯作業。此環節選取的置換墩總量應為40 根，從中確定合適夯擊參數，如單次夯擊次數、操作流程等，關于試驗過程中置換墩的布置情況，具體內容如圖2 所示。

圖2 試夯置換墩平面布置

經試驗后，針對已有的設計參數進行靈活調整，具體內容如下：（1）夯錘重量20t，任何一次夯擊的落距應為10m，單次夯擊能2000kN·m，為確保夯擊質量，前幾次夯擊時允許略微降低夯擊能，否則會出現夯錘陷入深度過大的情況。（2）確定收夯標準：分析單墩累積夯沉量，該值至少要達到設計墩長的1.5 倍。（3）選擇合適的夯料，較為可行的是塊石、碎石等。（4）夯擊過程中檢驗夯沉深度，若該值臨近錘高，需暫停夯擊作業，向其中填料夯平后再次恢復強夯。為避免機械陷入的問題，短墩作業前應做好準備工作，填筑的夯料厚度至少為1.0m。（5）施工所用的夯錘需要拴上鋼絲繩，主要目的在于夯錘陷入深度過大時可以將其有效拔起。

結束試夯作業后，需利用地質雷達加以檢測，明確置換墩的著底情況。整個檢查工作所涉及的置換墩總量為8 根，除了試驗區周邊的4 根外，還需包括內部置換墩4 根（具體為第1 遍與第2 遍夯點各2 根）。在確保無誤后正式施工作業，具體流程如下：（1）短墩場地的填筑工作，向該處填入夯料并使得該部分厚度達到1.0m，準確標出第一遍短墩的具體位置。（2）將施工所需起重機轉移到指定位置，調節夯錘，使其與置換墩達到中心對齊的狀態。（3）準確測量錘頂高程。（4）完成夯錘的起吊作業，使其達到指定高度，無誤后脫鉤并自由下落，此時需安排專員測量錘頂高程并將其完整記錄。（5）基于步驟。（4）多次施工作業，結束一個置換墩的夯擊處理。（6）基于步驟（2）～（5）重復施工，結束各短墩的施工作業。（7）現場適配推土機，在其作用下推平場地，給予一段時間使得超靜孔隙水壓力完全下降，經測量后準確標出第2 遍短墩位置，基于步驟（2）～（6）多次施工作業。（8）引入地質雷達法分析各檢測墩的著底情況，符合設計要求后方可進入到后續施工環節。（9）繼續填筑片石，使其與長墩墩頂高程相平齊，標出第1 遍長墩的具體位置。（10）基于步驟（2）～（8）多次施工，并對長墩展開質量檢驗。（11）結束所有置換墩施工作業后，需對其采取低能量滿夯的方式處理長墩頂面，使其足夠平整后再回填碎石，形成的墊層厚度為0.5m，現場適配振動壓路機，在其作用下進一步壓實。結束地基處理工作后，需在墊層頂面設置沉降板，此方式可滿足后續沉降觀測要求。選取16組觀測數據，在此基礎上通過雙曲線法加以分析，得知總沉降為11.95cm，相較于設計要求所提出的30cm 而言明顯偏小，滿足設計要求。

5 設計及施工注意事項

（1）軟土地基的特殊之處在于穩定性不足，強夯置換法是較為典型的處理方法，但實際結果表明，若缺乏合理的控制措施，依然會出現大幅度工后沉降現象。對此，施工之前的試驗尤為關鍵，所選擇的試驗區應具有代表性，從而得到合適的夯擊工藝參數。

（2）嚴格控制夯料質量，其中粒徑超過30cm 的顆粒需控制在總重的30%以內；一旦出現夯料粒徑偏大的情況，實際夯實過程中將使得夯錘出現歪斜等問題。

（3）強夯置換法的應用效果取決于置換與排水兩個方面。為全面提升排水效果，所用夯料應具有優良的級配，因此諸如碎磚塊等具有優良吸水性的材料較為可行，在確保排水效果的同時還能夠控制施工成本。

（4）考慮到軟土約束力小的基本特點，施工中易出現置換墩橫向位移明顯偏大的情況，且該值將明顯超出豎向位移，對此需要控制單次夯擊能量，使其在3000kN·m 以內，尤其要注重前幾次的夯擊能，避免夯錘陷入過深。

（5）結束地基處理后給予足夠時間，即靜置期，主要目的在于提升排水效果，控制工后沉降[2]。

（6）施工現場預鋪夯料，此部分厚度需達到1.0m，以便為機具的高效運轉提供支持。

（7）強夯施工存在安全距離，這一指標主要與加固土體、夯擊能等因素有關，從現階段行業狀況來看，并未針對安全距離作出明確的說明。具體至本工程，由于置換墩周邊存在鐵路，二者最小間距為5m，經施工作業后對區域內的各項要素加以檢查，得知既有線路并未受到影響。因此，在類似工程中，需控制好置換墩的位置，其與土工結構物的間距至少為5m，并通過試驗的方式加以驗證。

6 結束語

軟土地基易對施工作業造成不良影響，基于強夯置換法可有效提升地基穩定性，為高速公路整體質量提供保障。但強夯置換法對技術水平提出較高要求，實際施工中需要做好地基處理工作、選擇合適的夯錘等，從多個角度提升該技術的應用效果，為高速公路建設事業的發展提供支持。