強夯追密法在高速公路路基施工中的應(yīng)用研究

宋強

（河北通宇建筑工程有限公司，河北張家口075000）

0 引言

隨著我國城市化進度的不斷發(fā)展，高填方路段公路的修筑也越來越多。為保證高填方路基段的穩(wěn)定性以及運營過程中的工后沉降能夠滿足要求，在施工過程中除了分層填筑外，還需要對高填方路基段進行強夯追密處理，以提高高速公路路基的壓實度。本文以河北省延崇高速K36+290～K36+490 高填方試驗段為工程背景，對特殊路段處路基填料的工程特性進行了研究，并分析了強夯追密處理技術(shù)在高填方路基中的加固機理及強夯追密處理技術(shù)在加固過程中的影響因素，以期為相關(guān)工程提供一定的參考。

1 工程概況

河北省延崇高速整體呈現(xiàn)為北高南低、海拔高、地形復(fù)雜。延崇高速試驗段K36+290～K36+490 途徑黃土地區(qū)，地質(zhì)條件不良。延崇高速出現(xiàn)了大量的高填方工程，需要利用強夯追密法對高填方路基進行處理，試驗段里程為K36+290～K36+490，最大填方高度可達24m，最大夯擊能量為3500kN·m。

2 高速公路路基填料特性

2.1 填料顆粒分析

根據(jù)公路工程室內(nèi)試驗相關(guān)規(guī)范，利用篩分法對現(xiàn)場試驗段K36+290～K36+490 處高速公路路基填料進行篩分，得到現(xiàn)場路基填料的級配曲線如圖1所示。

由圖1 可知，現(xiàn)場試驗段路基填料的有效粒徑為0.001mm，連續(xù)粒徑為 0.005mm，限定粒徑為0.021mm。通過計算可知，填料的不均勻系數(shù)Cu等于限定粒徑與有效粒徑的比值，為21.0；填料的曲率系數(shù)Cc等于1.19；曲率系數(shù)Cc在1～3 之間，不均勻系數(shù)Cu大于5，說明填料的級配良好，滿足規(guī)范要求。

圖1 路基填料級配曲線

同時利用室內(nèi)土工試驗，對路基填料的比重、液塑限進行測定，如表1所示。

表1 現(xiàn)場填料的物理指標

現(xiàn)場填料的液限為32.4%，塑性指數(shù)為7.4，滿足公路路基設(shè)計規(guī)范中關(guān)于路基填料的液限低于50%、塑性指數(shù)低于26 的要求。并結(jié)合填料的級配曲線可知，河北省延崇高速公路K36+290～K36+490 處的路基填料級配良好，滿足路基施工要求。

2.2 最大干密度及最優(yōu)含水量

在公路路基施工過程中，為保證路基的強度及填料的密實度，往往通過分層填筑的方法進行施工，可以有效地降低路基填料的壓縮性，并減小填料透水性，從而獲得較好的填筑效果。在進行分層壓實前，需要通過室內(nèi)擊實試驗確定路基填料的最大干密度及最優(yōu)含水量。

對現(xiàn)場路基填料進行取樣，然后根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007），選取不同的擊實參數(shù)。最后將根據(jù)公式（1）可以得到不同含水量條件下路基填料的干密度[1]。

在進行擊實試驗時，應(yīng)注意潤滑劑及含水率對試驗結(jié)果的影響，嚴格控制試驗過程中試樣的均勻性、含水率及潤滑劑使用情況，減少因人為因素給試驗結(jié)果造成的影響。

通過室內(nèi)擊實試驗，得到不同含水率條件下路基填料的試驗結(jié)果，如表2所示，路基填料的最大干密度為1.87g/cm3，最佳含水量為13.6%。

表2 擊實試驗結(jié)果

由表2 可知，路基填料的干密度隨著含水率的增加而逐漸增加，當(dāng)含水率達到最優(yōu)含水量后，路基填料的干密度會隨著含水率的增加而逐漸減少，這是因為：第一，當(dāng)路基填料的含水量較小時，填料顆粒之間的結(jié)合水膜較薄，干密度較小；第二，隨著含水量的增加，顆粒之間的結(jié)合水膜逐漸增大，顆粒間的移動相對容易，從而使得干密度逐漸增大；第三，當(dāng)填料含水量大于最優(yōu)含水量時，路基填料控制間的水分較多，孔隙水排出困難，相同擊實功下，干密度開始下降。因此，在施工過程中應(yīng)通過灑水或者晾曬控制路基填料的含水量[2]。

2.3 孔隙比及壓縮模量

通過固結(jié)試驗可以得到路基填料在外力作用下的變形特性，并可以獲得路基填料的變形特性指標，如壓縮模量、孔隙比及壓縮系數(shù)等，以此對路基填料的力學(xué)特性進行評價或者計算路基的沉降。通過室內(nèi)單軸壓縮儀器，對最優(yōu)含水量條件下（13.6%）的壓實度分別為95%、96%和97%的路基填料進行固結(jié)試驗，得到不同壓實度條件下路基填料的變形特性參數(shù)如表3所示。

表3 固結(jié)試驗結(jié)果

從表3 可以看出，相同含水量條件下，路基填料的孔隙比和壓縮模量隨著壓實度的增加而增加，壓縮系數(shù)逐漸降低，填料的壓縮性也越低。因此在實際施工過程中，可通過強夯追密技術(shù)增加路基填料的壓縮模量，降低填料壓縮性，從而進一步提高路基的強度及整體穩(wěn)定性，并有效控制地基的沉降量。

3 強夯追密技術(shù)在高速公路路基施工中應(yīng)用

強夯追密技術(shù)是將一定重量的夯錘起吊8～30m，然后松開夯錘，讓夯錘做自由落體運動，在夯錘自重的作用下，對路基填料產(chǎn)生一定的沖擊，從而對路基薄弱處進行加固，以此來提高路基承載力，減小路基沉降的一種路基加固方法。強夯追密法具有施工速度快，對環(huán)境污染較小等優(yōu)點，但由于在利用夯錘荷載對路基進行加固過程中，會發(fā)生振動現(xiàn)象，可能對周圍建筑物產(chǎn)生一定的影響，而且在強夯過程中會產(chǎn)生噪聲，因此在人口密集處不宜使用強夯追密法[3]。

3.1 強夯追密技術(shù)的加固機理

強夯追密法的加固機理大致可分為宏觀及微觀兩個方面，其中宏觀方面可以從沖擊力、應(yīng)力波的傳播和土體強度三個角度進行分析;當(dāng)夯錘從一定高度下落到路基表面時，會對路基填料產(chǎn)生巨大的沖擊力，從而使得路基填料的強度得到改善。路基表面從淺到深依次可分為表面松動層、加固層及彈性層。路基表面的沖擊波，透過路基表面松動層，對路基內(nèi)部的土體進行加固，使得路基內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化，強度提高，從而形成加固層。沖擊波繼續(xù)向下傳播，但傳播能量逐漸降低，當(dāng)傳播到加固層以下某個深度以后，路基的塑性變形可忽略不計，從而形成彈性層。

從微觀角度考慮，夯錘從一定高度下落到路基表面后，夯錘的勢能全部轉(zhuǎn)換成動能，而夯錘的大部分動能又會以聲波的形式傳遞給路基，從而降低了路基填料顆粒之間的孔隙，土顆粒重新排列。在填料顆粒中存在一定數(shù)量的封閉氣泡，隨著夯錘的沖擊，對路基填料產(chǎn)生巨大的振動，從而使得土體產(chǎn)生一定的裂縫，土體內(nèi)的孔隙不斷被壓縮，快速發(fā)生固結(jié)，土體的壓縮模量也不斷增大，地基承載力也會得以提高[4]。

在強夯追密施工過程中，強夯追密的加固深度是影響施工質(zhì)量的重要因素，實際施工過程中，多根據(jù)經(jīng)驗確定強夯追密的加固深度，如公式（2）所示。

式（2）中：H為有效加固深度，m；G為夯錘的重量，t；z為夯錘的落距，m；在確定強夯追密的加固深度時，還需要考慮地下水位及填料特性的影響，對加固深度進行修正。

3.2 強夯追密技術(shù)加固路基的影響因素分析

3.2.1 單擊夯擊能

單擊夯擊能越大，對路基表面淺層土體的壓密效果越好，由于夯擊能在土體傳遞過程中不斷擴散，所以對路基表面以下深層土體的加固效果，會隨著豎向深度的增加而逐漸減小。

單擊夯擊能的大小由夯錘的重量及高度決定，在實際施工過程中，夯錘的重量及高度不宜過大或者過小。夯錘的重量及高度過小則夯實能量不足，從而導(dǎo)致路基的強度和承載力達不到要求；夯錘的重量及高度過大，則會在路基表面形成一層橡皮土，加固效果減弱，還會造成資源浪費。

3.2.2 夯錘的底部面積

夯錘在與路基表面接觸的瞬間，夯錘動能會全部轉(zhuǎn)換成對路基的作用力，從而起到給路基加固的作用。在進行能量傳遞的過程中，會對路基土體的結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞，使得路基土體孔隙之間的空氣被排出，土體的壓縮性降低，路基承載力提高。

從能量角度來看，相同夯錘沖擊作用下，夯錘底部的面積越小，對路基土體的沖擊力也就越大，土體的破壞形式以剪切破壞為主，加固深度也增大。但當(dāng)夯錘底部面積過小時，雖然對夯錘底部土體的加固效果較好，但在夯錘周邊的土體可能產(chǎn)生隆起，這樣就需要通過增加夯錘點來達到路基整體加固效果，工程量增加。當(dāng)夯錘面積過大時，相同夯錘重量及高度情況下，對路基土體的加固作用力相對較小，可能因為夯擊能不足，土體不會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，加固效果不能得到保證。

3.2.3 夯擊遍數(shù)

單夯擊實能量、夯錘低面積及夯點平面布置確定后，需要確定的是夯擊次數(shù)和遍數(shù)，路基底部一定范圍內(nèi)土體的強度會隨著夯擊次數(shù)和遍數(shù)而逐漸增加，但當(dāng)夯擊次數(shù)和遍數(shù)達到一定數(shù)量后，較深范圍內(nèi)路基土體強度的變化不再明顯。

在施工過程中，利用水準儀對不同夯實遍數(shù)下的路基沉降量進行檢測，結(jié)合相關(guān)規(guī)范標準確定最佳夯擊遍數(shù)，控制擊實能為2500kN?m，得到不同擊實遍數(shù)下路基的單擊沉降量，如圖2所示。

圖2 不同夯實次數(shù)下路基單擊沉降量

由圖2 可知，不同夯擊能情況下，隨著夯擊次數(shù)的增加，路基的單擊沉降量表現(xiàn)為逐漸減少，最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)夯擊能為2500kN·m 時，夯擊次數(shù)為1～6時，路基的單擊沉降量下降比較明顯，由32cm 下降到3cm，然后趨于穩(wěn)定，最終的單擊夯沉量穩(wěn)定在1cm 左右，根據(jù)建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定，夯擊次數(shù)為7 次時，能夠滿足沉降量要求。 當(dāng)夯擊能為3500kN·m 時，夯擊次數(shù)為1～6 時，路基的單擊沉降量下降比較明顯，由42cm 下降到4cm，然后趨于穩(wěn)定，最終的單擊夯沉量穩(wěn)定在1cm 左右，根據(jù)建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定，夯擊次數(shù)為6 次時，能夠滿足沉降量要求。不同夯擊能情況下路基的單擊沉降量差值隨著夯擊遍數(shù)的增加而不斷減小，且夯擊能越大，單擊沉降量也越大：單擊沉降量差值分別為10cm、8cm、7cm、4cm、2cm、1cm、1cm、1cm、0cm、0cm，說明第六次夯擊后，夯擊達到飽和，夯沉量的值趨于穩(wěn)定。

夯擊遍數(shù)以施工單位的現(xiàn)場試驗來確定，國內(nèi)在強夯追密法施工的時候一般都是，先進行2～4 遍點夯，然后再進行1～2 遍的滿夯，具體夯擊遍數(shù)應(yīng)根據(jù)路基填料的材料特性和滲透性進行適當(dāng)增加或減少。

4 結(jié)論

本文以河北省延崇高速K36+290～K36+490 高填方試驗段為工程背景，對特殊路段處路基填料的工程特性進行了研究，并分析了強夯追密處理技術(shù)在高填方路基中的加固機理及強夯追密處理技術(shù)在加固過程中的影響因素，得到以下結(jié)論：一是試驗段填料的不均勻系數(shù)Cu為21.0，曲率系數(shù)Cc等于1.19，液限為32.4%，塑性指數(shù)為16.7，滿足公路路基設(shè)計規(guī)范中關(guān)于路基填料的要求。二是路基填料的干密度隨著含水率的增加而逐漸增加；當(dāng)含水率達到最優(yōu)含水量后，路基填料的干密度會隨著含水率的增加而逐漸減少。相同含水量條件下，路基填料的孔隙比和壓縮模量隨著壓實度的增加而增加，壓縮系數(shù)逐漸降低，填料的壓縮性也越低。三是強夯追密法具有施工速度快，對環(huán)境污染較小等優(yōu)點。在施工過程中應(yīng)合理選擇單擊夯擊能、夯錘的底部面積、夯擊次數(shù)和遍數(shù)等強夯參數(shù)，以保證強夯追密法路基加固效果。