高含水量超軟土強夯片石墩復合地基施工技術

魯亞拼

(中國路橋集團西安實業發展有限公司,陜西 西安 710075)

0 前 言

因經濟社會發展的需要,相當數量的基礎配套設施不得不在許多不良地質基礎上進行建設,使得不同地質基礎的處理措施尤為重要,其中高速公路等是其重要的組成部分[1-2]。由于各處地質特點,在工程建設過程中,高含水量的超軟土地基時有存在[3-4]。傳統強夯片石墩法進行軟基處置過程存在夯錘沖擊力較小、擠淤和強夯效果較差、對臨近建筑物或構筑物影響較大、路基沉降控制時間較長等缺點,存在較大的提升空間[5-6]。

本文以廣東省興寧至汕尾高速公路海豐至紅海灣開發區段一期工程實際背景為依托,對高含水量超軟土地基處理進行技術創新,采用分層拋石、雙層強夯,改變夯錘的形狀,由傳統的平底形改為球底形,綜合設置減壓溝并開挖防震溝，形成了一整套“高含水量超軟土強夯片石墩復合地基施工技術”。

1 工程概況

興寧至汕尾高速公路海豐至紅海灣開發區段一期工程,路線起點汕尾市海豐縣平東鎮雙堂村附近的塘尾樞紐立交,通過設置塘尾樞紐立交與潮惠高速公路T形交叉,路線向南穿過油柑嶺后,經過九龍村、羅屋角村的東面,最后設置橋梁跨越平龍水庫。本工程地基主要為高含水量的超軟土地基。T1合同段主要工程包括：加固地基、塘尾互通區1處、大橋747.8 m/2座等。總造價1.738億元,合同工期20個月。

2 技術原理

2.1 土石混填料的強夯加固原理

夯錘從高處落到地面產生體波,由此起到強夯加固作用。體波包括縱波和橫波。橫波與縱波傳播速度的理論公式如下：

式中,νp為縱波速度，m/s；νz為橫波速度，m/s；E為介質彈性模量，kPa；G為剪切模量，kPa；ρ為介質密度，kN/m2；μ為介質泊松比。

2.2 強夯控制路基沉降量的原理

土體受應力作用產生沉降變形,路基土的沉降構成如下式：

S=Sd+Sc+Ss

式中,Sd為瞬時沉降(初始沉降)；Sc為固結沉降；Ss為次固結沉降(蠕變沉降)。

3 工藝流程與操作要點

3.1 工藝流程(見圖1)

圖1 施工工藝流程圖

3.2 操作要點

3.2.1 施工準備

1)確定吊車夯擊路線,優化配備施工人員及機械設備,做好測量放樣工作,夯位精確。

2)在強夯施工前,先對原地面施工場地進行必要的補充勘探,了解強夯前的地貌如坑穴、溝槽等,同時分析夯擊點的異變以避免吊車陷落,并充分調查施工場地的環境。

3)參數選擇一般遵循以下原則：①所選能級其影響深度要適當；②夯擊擊數的確定要考慮不產生擠密后的再破壞和夯坑過深造成起錘困難；③布點方式均勻,點距的布置要考慮不產生大的隆起；④高能級用多遍夯擊方式,并將點距加大；每遍之間的間隔時間要考慮孔隙水消散。

4)初步確定強夯參數,并進行試夯,內容至少包括不同單擊夯擊能量的單點夯擊試驗、不同夯擊遍數試驗、強夯有效加固深度測試等,并與夯前選定的有關數據進行對比,以確定施工采用的各項強夯參數。

5)試驗參數總結整理。試驗完成后,按照業主、設計、監理單位的要求,高質量地將試驗參數書面總結整理完成。

6)片石料的準備。按照設計及強夯作業方案要求備足強夯墩柱的片石料,材料質量符合有關要求。

3.2.2 抽(排)水

采用離心泵抽水,抽水時設置格柵欄為集水坑沉入淤泥層2.5 m深,設置2臺水泵將水排出。

3.2.3 清除表層

在抽干表層水后,進行清淤,清除掉含水量高的淤泥土(包括樹根、腐質土等),清表厚度約20 cm,并將其運至指定位置。

3.2.4 開挖減壓溝

拋石施工過程中,在有效夯實面兩側邊緣開挖減壓溝,深3～4 m,寬1 m,使淤泥在拋石和強夯過程中不斷的被擠入減壓溝里,減少對強夯范圍外的干擾,加快夯實速度,讓夯實效果更明顯。

3.2.5 拋填片石

分層拋填5～40 cm大小的片石,拋填的順序先從一側開始,宜平行于減壓溝方向向另一側拋石,邊拋邊用挖掘機夯沉,本次拋石的夯沉量約2.5 m左右,漸次向四周展開,以使淤泥向兩側擠出(見圖2)。

圖2 拋填片石

3.2.6 初步回填整平

拋填片石,分層碾壓完成后,回填厚度約1 m的素土,然后碾壓整平。

3.2.7 開挖減振溝

為避免對周圍建筑物的影響,開挖一道減振溝,距離建筑物4～5 m,深度為3 m,寬為60 cm。

3.2.8 強 夯

采用組合式碾壓強夯控制路基沉降,強夯效果更明顯。

1)有效加固深度。強夯的有效加固深度要求見表1。

表1 強夯的有效加固深度 單位：m

2)夯錘和落距。由傳統的平底形改為球底形夯錘減少夯錘與夯點的接觸面,增強夯錘的沖擊力,夯錘重20 t,落距為15 m,夯擊能為3 000 kJ,使強夯的效果更加明顯(如圖3所示)。

3)夯擊點布置及間距。經過計算分析,對地面承載力不大,土質為深厚淤泥層,強夯夯點形式采用正方形布置比較合理(如圖4所示)。

圖3 第一次強夯(夯錘為球形面,落距為15 m)

圖4 第一遍強夯夯擊點布置及間距

4)夯擊次數與變數。夯點的夯擊次數按現場試夯得到的夯擊次數和夯沉量關系曲線確定。

5)夯擊間隔時間。利用預先埋設的水壓力傳感器,確定超靜空隙水壓力的消散時間,并最終確定兩遍夯擊間隔時間。

3.2.9 二次回填平整

在強夯第一遍完成后,對夯坑回填級配石,并進行碾壓,平整后鋪一層20 cm厚的級配石。

3.2.10 二次強夯

在級配石碾壓平整后,進行第二次強夯,但較第一次強夯,夯擊點布置和間距、夯錘和落距、夯擊次數和變數、夯擊間隔時間等有所不同。

1)夯擊點布置和間距。強夯夯點形式采用正方形布點,第二遍強夯時采用15 m×15 m間距正方形布點,強夯效果更加明顯。

2)夯錘和落距。依然使用球底形夯錘,但經過第一次強夯后,地下土層的淤泥量明顯減少,土質變得越來越堅硬,夯錘的重量不變,但夯錘的落距由第一次強夯的15 m變成6 m(見圖5)。

圖5 第二次強夯(夯錘為球形面,落距為6 m)

3)夯擊次數與變數。因第一遍的強夯后的淤泥量明顯減少,土質變得比較堅硬,夯擊次數要適當減小,每個點夯為2～3遍。最后以低能滿夯2遍。

4)夯擊間隔時間。經過第一次強夯后,地下土層的淤泥量明顯減少,夯擊點的間距也變密,所以夯擊間隔時間變得較短,可以采用連續夯擊。

3.2.11 回填、壓實至設計標高

在碾壓過程中隨時測量地基標高直至壓實達到設計標高。

3.2.12 強夯效果檢測

為了檢測強夯法地基處理的效果,在強夯施工完成2～3天后,在強夯區域內設置了7個靜載試驗點,載荷板的規格為2 m×2 m的鋼筋混凝土方板,又若干工字鋼組成載荷體的平臺,載荷體由混凝土塊組成,通過吊車將混凝土塊逐級加荷,沉降觀測系統由基準梁和分表組成,以觀測每級荷載作用下承載板的沉降量。根據靜載荷試驗資料及有關規范,7個試驗點地基承載力的基本值均不小于p=200 kPa。

4 優勢及特點

1)在拋石強夯過程中,采用分層拋石、雙層強夯,改變夯錘的形狀,由傳統的平底形改為球底形,沖擊力大,夯擊深度較深,可以加快片石的沉降與路基形成。

2)在拋石過程中,沿路基兩側設置減壓溝,提高擠淤和強夯效果。

3)在強夯施工臨近建筑物附近開挖防震溝,減少對附近建筑物結構的影響。

4)采用組合式碾壓強夯控制路基沉降,調高了路基夯壓效果,有效縮短路基到最終控制沉降的時間。

5 結束語

本文結合興寧至汕尾高速公路海豐至紅海灣開發區段一期工程,提出的高含水量超軟土強夯片石墩復合地基施工技術有效提高了超軟土地基處理效果,強夯片石墩法施工方法簡單,以機械操作為主,減少人員的投入,在施工過程中減少了對人身安全傷害,且降低了對農田土質、水質的影響。附近石料資源充足,近距離取材,縮短運距,降低施工成本。本技術能充分發揮應用優勢,在類似工程中具有較好的推廣前景。

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