公路碎石地基強夯處治效果分析

付智源

（山西路橋第六工程有限公司一分公司，山西 晉中 030600）

0 引言

強夯法加固地基技術最早起源于20世紀60年代的法國，70年代傳入中國，并得到了廣泛的應用。強夯法是利用重錘自由落體所產生的夯擊能，改變土體內部結構，提高土體強度和承載力[1]。碎石地基孔隙大、滲透性強，土壤顆粒壓縮性大，但大孔隙容易造成地基沉降，且水分容易滲入地基，地基承載力不足。采用強夯法進行加固處治，可排出地基內部多余的水分和空氣，達到提高地基承載力的效果。結合高速公路施工項目，制定方案采用強夯法對碎石地基進行加固，并采用動力觸探試驗和靜載試驗檢測，分析試驗數據和曲線確定地基加固效果。

1 強夯加固機理

強夯法是將一定質量的重錘以規定的落距自由下落，以較大的夯擊能加固土層，提高土層的密實度，進而達到加固地基，提高承載力的效果。夯錘在下落過程中，將重力勢能轉化為動能，落地后動能轉化為地基各質點的振動能，使土層中的質點產生自由振動，自上而下傳遞到更深的土層，使土壤顆粒在振動中移動加密。質點在振動過程中會與土層中其他質點碰撞產生能量損失，因此每次夯擊加固的深度和范圍都是一定的[2]。

夯擊能作用在土層中會產生體波和面波，面波主要是瑞利波（R波），R波所產生的質點振動是自地表向下傳播，能量最大。體波又可分為縱波（P波）和橫波（S波），橫波只在固定顆粒內部傳播，一般表現為剪切波，傳播周期長，振幅大[3]。縱波一般表現為壓縮波，能量較小，傳播周期短，振幅小，各類波具體詳見強夯加固原理圖1。

圖1 強夯加固原理圖

在3種波的綜合作用下，碎石地基內部的細粒土會填充到碎石的孔隙中，降低碎石之間的空隙，起到加密作用。瑞利波的作用會使碎石顆粒產生“翻動作用”，造成土體松散。同時，瑞利波還會削弱碎石之間的聯結力，降低土壤顆粒之間的摩擦阻力[4]。在縱波（P波）和橫波（S波）的作用下，土壤顆粒更容易產生移動并填充到碎石之間的孔隙中，進一步加密土體，使松散的土體密實，強度增大，達到提高地基承載力的目的。

2 碎石地基強夯施工方案

2.1 依托項目概況

臨吉高速公路K208+355—K209+105段設計采用高填方路基。本項目位于山嶺重丘區，周邊挖方地段含有大量碎礫石土。該路段部分地基為碎石地基，孔隙率大，滲透性強，可壓縮性大，地基承載力不足。為了提高地基承載力，防止地基出現不均勻沉降，回填施工過程中采用強夯法進行處治。

2.2 強夯施工方案

本項目強夯施工選用50 t履帶式起重機，并加裝輔助門架，防止施工過程中傾覆。所選夯錘質量為10 t，落距為20 m。采用滿夯，每個夯點夯擊次數為5～6擊，夯點橫向布置間距為3.5 m，縱向布置間距為4 m，夯點平面布置如圖2所示。前后兩次夯擊沉降差低于5.5 mm時，停止夯擊，施工中采用推土機等設備配合施工。

圖2 夯點平面布置圖（單位：m）

結合施工現場地基加固要求，強夯加固深度不得低于6 m，且處治后該深度地基承載力應大于120 kPa。試驗取樣深度也不得小于6 m，本項目取樣深度為9 m。先后在強夯處治區域內鉆8個孔，取樣進行動力觸探試驗和靜荷載試驗進行檢測，確定地基承載力，檢驗加固效果。

2.3 強夯參數確定

2.3.1 單擊夯擊能

本項目碎石地基加固深度為6 m，采用Menard公式[5]計算確定單擊夯擊能取值范圍為560～3 115 kN·m。由于計算加固深度偏大，所以選擇夯實能應較計算值稍高一些，本項目單擊夯擊能選取2 000 kN·m。

2.3.2 夯擊遍數

停夯標準是前后兩次夯擊沉降差低于5.5 mm，并以此確定夯擊次數。碎石地基粒徑大，透水性好，夯擊能損失小。在夯擊波的作用下，地基土容易密實，可適當減少夯擊遍數。在沉降差滿足要求的前提下，夯坑周邊為產生較大隆起，也沒有出現由于夯坑過深造成起錘困難的情況，因此確定夯擊次數為擊5～6次。

3 碎石地基強夯處治效果分析

為了檢測碎石地基強夯加固效果，強夯處治7 d后，采用動力觸探試驗和靜荷載試驗進行檢測，確定地基承載力，檢驗加固效果。

3.1 動力觸探試驗結果分析

由于標準貫入試驗不適用碎石地基承載力的檢測，因此采用動力觸探試驗進行檢測。動力觸探試驗是通過分析探頭貫入的難易程度，快速確定地基承載力。本項目動力觸探采用穿心錘重63.5 kg，落錘高度為76 cm，不同深度試驗結果如表1所示。

表1 強夯前后動力觸試驗結果統計表

分析表1試驗檢測數據可知，在土層厚度為0～6 m范圍內動力觸探試驗錘擊數平均值最大，超過6 m后夯擊能損失較大，加固效果下降。0～3 m范圍內變異系數最大，說明這部分土體較松散。另外，通過對比分析，土體強夯處治前后夯擊次數明顯增加，總體均值從2.8增加到8.5，增幅達到207.2%，夯實后土體由松散狀態轉變為中密和稍密狀態，說明土體密實度得到了很大程度的提高。強夯處治后地基承載力標準值均高于130 MPa，且6 m以下達到了140 MPa，高于設計要求的120 kPa，說明加固后地基承載力明顯提高。

3.2 靜載試驗結果分析

為了確定碎石地基強夯加固效果，與動力觸探試驗結果進行對比分析。本項目碎石地基采用維持荷載法開展靜載試驗，模擬施工和運營管理過程中地基上部的荷載進行加載。試驗選用的承壓板直徑為113 cm，面積為1 m2。選取3個測點，試驗過程中分10級加載，最低荷載為80 kN，最大荷載為400 kN，沉降穩定的標準是承壓板沉降速度低于0.25 mm/h，每次試驗加載前后對承壓板沉降值進行一次觀測記錄。靜載試驗檢測結果如表2所示，測點P-s曲線詳見圖3。

表2 強夯處治后地基土靜載試驗檢測結果

圖3 靜載試驗各測點P-s曲線

分析表2數據和圖3 P-s曲線，3個測點累積沉降量分別為6.45 mm、5.03 mm、8.17 mm，測點3沉降量最大，且滿足規范要求沉降量不大于40 mm的要求。P-s曲線存在拐點，可根據比例界限確定荷載特征值為240 kPa，說明強夯加固后地基承載力滿足設計要求。

4 結論

結合高速公路地基處理施工項目，制定施工方案采用強夯法對碎石地基進行加固，并對處治后的加固效果進行分析，得出以下結論：

a）分析動荷載試驗結果，強夯后土層密實度增加，由松散狀態轉變為中密和稍密狀態，且6 m以上地基承載力標準值高于設計要求的120 kPa，試驗結果表明地基承載力滿足設計要求。

b）分析靜載試驗結果，得出所選測點累積沉降量最大值為8.17 mm，滿足規范要求，根據P-s曲線確定荷載特征值為240 kPa，檢測結果表明地基承載力滿足設計要求。

c）通過分析地基試驗檢測結果，說明采用強夯法處治碎石地基可有效提高地基承載力，達到了預期的加固效果。