濕陷性黃土路基加固強(qiáng)夯法施工振動(dòng)技術(shù)研究

楊臻杰

（中交一公局第三工程有限公司，北京 101102）

1 引言

黃土沉積過程中特殊的生成環(huán)境和物質(zhì)成分形成了欠壓密、多孔隙、弱膠結(jié)的結(jié)構(gòu)特征和特殊的工程性質(zhì)黃土在一定壓力作用下沉穩(wěn)定后，受水浸濕結(jié)構(gòu)迅速破壞并產(chǎn)生顯著附加下沉的性質(zhì)稱為濕陷性，是其最典型的特殊工程性質(zhì)之一[1-3]。濕陷變形是一種下沉量大、下沉速率快的失穩(wěn)性變形，對(duì)于道路工程危害很大。

為減輕濕陷性黃土地區(qū)路基承載力和工后沉降對(duì)鐵路帶來的影響，一般采用沖擊碾壓法、強(qiáng)夯法、灰土擠密樁法、柱錘擴(kuò)沖樁法等對(duì)黃土路基進(jìn)行處理[4-6]，取得了良好的效果，但也遇到了一系列的問題，如強(qiáng)夯法由于其巨大的夯擊能，在現(xiàn)場施工時(shí)給附近的建筑物帶來了不同程度的損壞，現(xiàn)場隔振技術(shù)成為決定其成敗的關(guān)鍵因素之一；黃土的性質(zhì)具有很強(qiáng)的地域性，其不同的路基處理措施在不同的區(qū)域處理效果存在差異，需要通過現(xiàn)場試驗(yàn)來確定相關(guān)施工工藝和關(guān)鍵參數(shù)。

鑒于此，對(duì)上述問題的深入研究不僅能夠提高濕陷性黃土地區(qū)路基地基處理的施工水平，同時(shí)也具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

國道109線樂都至平安段公路改擴(kuò)建工程標(biāo)段，起訖樁號(hào)K2+000～K34+500，長32.4 km。項(xiàng)目區(qū)間部分路段路基主要為濕陷性黃土，屬于Ⅱ級(jí)（中等）自重濕陷場地，主要有砂質(zhì)新黃土、細(xì)圓礫土、細(xì)角礫土、黏土、粉質(zhì)黏土等。

（1）路基為濕陷性黃土路基，施工要避開雨季并做好路基防水處理；

（2）地基及基礎(chǔ)采用強(qiáng)夯加固處理，路基加固處理的施工質(zhì)量控制為重點(diǎn)工程；

（3）強(qiáng)夯面積大，時(shí)間間隔長，地基加固處理要求高；

（4）區(qū)間線路穿越居民區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)源多，地基處理產(chǎn)生的震動(dòng)容易造成居民房屋及地下管線破壞。

綜上所述，濕陷性黃土路基加固施工困難大，為保證施工安全，保障工期，有必要對(duì)淺層濕陷性黃土地基加固處理施工振動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行研究。形成的一整套研究成果能夠?yàn)楣こ贪踩峁┛茖W(xué)支撐和技術(shù)幫助，為類似工程地基處理施工項(xiàng)目提供借鑒和參考。

2 強(qiáng)夯加固機(jī)理

強(qiáng)夯加固地基的作用機(jī)制主要是：加密、固結(jié)和預(yù)壓變形的共同作用。由于土體由固相、液相、氣相組成，在強(qiáng)夯過程中土體中的氣體被排出壓密后，基本上只有固相和液相而成為飽和土，這樣在重錘作用下，排水而使土體得到固結(jié)。

3 模型建立

3.1 本構(gòu)模型

針對(duì)濕陷性黃土路基強(qiáng)夯施工技術(shù)參數(shù)問題，利用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件，建立Mohr-Coulomb（摩爾-庫侖）模型。

3.2 材料參數(shù)

土體模型計(jì)算初始參數(shù)見表1：

表1 模型計(jì)算初始參數(shù)

3.3 有限元分析模型的建立

單元類型采用一階8節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體縮減積分單元（C3D8R）。計(jì)算共劃分為45 356個(gè)單元，53 428個(gè)節(jié)點(diǎn)，邊界條件采用四周水平位移約束，底面三向位移約束條件。

4 強(qiáng)夯監(jiān)測及隔震施工技術(shù)研究

強(qiáng)夯施工過程中，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，沖擊波以夯點(diǎn)為中心向四周傳播并衰減，衰減幅度較小時(shí)，會(huì)對(duì)附近管線和建筑物產(chǎn)生破壞。

4.1 強(qiáng)夯施工參數(shù)

4.1.1 主夯

主夯遍數(shù)為3遍，每遍夯擊數(shù)10擊，每遍之間的時(shí)間間隔5 d。錘重23.8 t，吊高17.1 m，夯擊能為4 000 kN·m。

4.1.2 滿夯

主夯遍數(shù)為2遍，每遍夯擊數(shù)3擊。錘重23.8 t，吊高4.3 m，夯擊能為1 000 kN·m。

4.2 隔振溝結(jié)構(gòu)形式確定

根據(jù)隔振原理并結(jié)合現(xiàn)場可實(shí)施性，選取了4種隔振溝，通過測定溝前、溝后振動(dòng)峰值速度及振動(dòng)峰值加速度確定4種隔振溝的隔振效果[7-9]，由表2分析得：空隔振溝隔振效果最佳。

表2 隔振溝結(jié)構(gòu)型式對(duì)隔振效果的影響

4.3 強(qiáng)夯振動(dòng)監(jiān)測方案

強(qiáng)夯試驗(yàn)監(jiān)測中，采用891-2型拾振器對(duì)速度信號(hào)進(jìn)行采集。監(jiān)測方案如下：

（1）自由場夯擊振動(dòng)試驗(yàn)：總計(jì)11監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)距夯點(diǎn)中心的間距分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、80 m、100 m、150 m、200 m、250 m。

（2）隔振溝與夯點(diǎn)的間距試驗(yàn)：總計(jì)3條隔振溝，每條隔振溝長度20 m，深度4 m，寬度2 m。隔振溝距夯點(diǎn)中心的間距分別為10 m、30 m和50 m。拾振器分別布置在隔振溝兩側(cè)，共6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（如圖1）。

圖1 隔振溝與夯點(diǎn)間距試驗(yàn)平面布置圖（單位：m）

（3）隔振溝深度與寬度：3條溝，離距夯點(diǎn)距離30 m，隔振溝長度20 m，1#、2#、3#深寬分別為：2 m和4 m、2 m和2 m、4 m和4 m。拾振器分別布置在隔振溝兩側(cè)，總計(jì)6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（如圖2）。

圖2 隔振溝深寬試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖

4.4 振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外對(duì)于強(qiáng)夯對(duì)建（構(gòu)）筑物安全允許振動(dòng)有多種評(píng)價(jià)方式，主要包括時(shí)程曲線反應(yīng)譜法、振動(dòng)強(qiáng)度法和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)功率法[10-11]。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，強(qiáng)夯工點(diǎn)周邊居民區(qū)的建筑物主要為磚混結(jié)構(gòu)，屬于《爆破安全規(guī)程》中規(guī)定的一般磚房，其振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)為2.0～3.0 m/s，為防止夯擊的累積作用對(duì)建筑物造成的損害，采取提高一級(jí)安全等級(jí)進(jìn)行設(shè)防，即振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)為0.5～1.5 m/s，考慮到部分建筑年代久遠(yuǎn)，取≤0.5 m/s=5 mm/s為建筑物振動(dòng)安全閾值。

4.5 結(jié)果分析

4.5.1 自由場夯擊振動(dòng)試驗(yàn)

由圖3可知隨著距離的增大，1～9擊隨著夯擊次數(shù)的增加，振動(dòng)速度峰值增幅明顯，9～10擊，振動(dòng)速度峰值增幅很小，為保證施工質(zhì)量，試驗(yàn)區(qū)土體的最佳夯擊能可確定為10擊。

圖3 強(qiáng)夯振動(dòng)速度峰值隨距離的變化趨勢圖

由圖4可知，同一質(zhì)點(diǎn)隨著夯擊次數(shù)的增大，振動(dòng)速度峰值呈遞增趨勢，但越靠近夯點(diǎn)，增幅越明顯。同時(shí)，還可以看出9～10擊可達(dá)到該夯擊能下的最佳加固效果，與前述分析結(jié)果一致。

圖4 強(qiáng)夯振動(dòng)速度峰值隨夯擊次數(shù)變化趨勢圖

圖5為R=250 m處（最遠(yuǎn)監(jiān)測點(diǎn)）強(qiáng)夯振動(dòng)速度峰值隨夯擊次數(shù)變化趨勢圖，1～5擊時(shí)，振動(dòng)速度峰值Vmax≤5 mm/s；6～10擊時(shí)，振動(dòng)速度峰值Vmax＞5 mm/s，故在強(qiáng)夯施工過程中需要采取措施，降低夯擊能對(duì)建筑的影響。

圖5 R=250 m振動(dòng)速度峰值隨夯擊次數(shù)變化趨勢圖

4.5.2 隔振溝效果試驗(yàn)

（1）隔振溝與夯點(diǎn)的間距。隔振溝試驗(yàn)后，距離10 m、30 m和50 m處，隔振溝前后質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值平均衰減率分別為63.2%，58.2%和43.6%，隨著隔振溝靠近夯點(diǎn)中心，隔振效果越明顯。因此，在現(xiàn)場施工時(shí)應(yīng)讓隔振溝盡量靠近夯點(diǎn)中心，提高隔振溝的隔振效果。

（2）隔振溝深度與寬度。當(dāng)寬度為2 m時(shí)，深度從2 m增加至4 m時(shí)，振動(dòng)峰值速度平均衰減率增幅達(dá)21.2%，隔振效果明顯；當(dāng)深度為4 m時(shí)，寬度從2 m增加至4 m時(shí)，振動(dòng)峰值速度平均衰減率增幅達(dá)0.2%，隔振效果很差。分析得：影響隔振溝隔振效果的關(guān)鍵因素是深度，若采用隔振溝進(jìn)行隔振，應(yīng)優(yōu)先加大隔振溝的深度。

（3）隔振方案效果分析。基于以上的試驗(yàn)結(jié)果，擬采用隔振溝進(jìn)行隔振，設(shè)計(jì)參數(shù)為：深度4 m，寬度2 m，距夯點(diǎn)中心距離為30 m，居民區(qū)邊緣（R=250 m）振動(dòng)速度峰值亦滿足要求。因此，在強(qiáng)夯現(xiàn)場施工過程中，該隔振方案可行，宜在全線推廣應(yīng)用。

4.6 強(qiáng)夯振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果分析

黃土地基加固處理部分區(qū)段采用強(qiáng)夯法施工，施工過程對(duì)臨近居民房屋產(chǎn)生干擾，強(qiáng)夯引起的地表振動(dòng)帶動(dòng)房屋產(chǎn)生振動(dòng)，影響沿線居民的生活。為確保強(qiáng)夯施工振動(dòng)不致使影響居民房屋的安全性，采取施工全過程監(jiān)控量測。

傳統(tǒng)強(qiáng)夯振動(dòng)監(jiān)測手段具有：量測數(shù)據(jù)受主觀影響較大、觀測反射片極易丟失或損壞、作業(yè)量大、以點(diǎn)帶面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說服力度欠缺等不足。本項(xiàng)目創(chuàng)新性地采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)夯振動(dòng)監(jiān)測，對(duì)房屋進(jìn)行臨街面全覆蓋監(jiān)控，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)剔除及分析算法，利用MATLAB語言編制計(jì)算程序，進(jìn)行房屋面域變形監(jiān)控。

由圖6、圖7可知，B墻Z軸方向（上下方向）變形較大，但到后期變形趨于穩(wěn)定。變形觀測數(shù)據(jù)反映強(qiáng)夯施工振動(dòng)控制措施可以滿足房屋安全性要求。

圖6 B墻Z軸方向變形量分析

圖7 B墻Z軸方向累計(jì)變形量分析

5 結(jié)論

濕陷性黃土路基加固施工振動(dòng)控制技術(shù)施工中，使用了高含水率濕陷性黃土區(qū)強(qiáng)夯時(shí)間間隔控制技術(shù)、三維激光掃描變形監(jiān)控技術(shù)、強(qiáng)夯施工隔振及監(jiān)測技術(shù)，歸納總結(jié)出了適合于該區(qū)域的強(qiáng)夯施工休止周期和隔振技術(shù)，采用三維激光掃描儀對(duì)建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，確保線路附近建筑物的安全，為類似地區(qū)交通建設(shè)提供技術(shù)儲(chǔ)備，提高線路施工質(zhì)量。