強夯墊層法加固軟土地基現場試驗與機理研究

摘要 軟土地基承載力低、壓縮性高，往往會對工程建設造成較大不利影響。目前地基處理方法種類眾多，對于強夯墊層聯合處理方法，特別是處理復雜多層軟土地基，其理論和應用還有待進一步深化。通過在地基中部與兩側埋設分層沉降管等儀器，獲得了地基土體在強夯處理過程中分層沉降、土壓力、超靜孔隙水壓力與側向位移數據，進而結合理論分析研究了強夯墊層法加固軟土地基的機理，其機理主要包括3個方面：碎石墊層的硬殼層作用、加快軟土地基排水固結作用與置換部分土體形成復合地基作用。

關鍵詞 軟土地基； 強夯墊層法； 加固機理； 孔隙水壓力

中圖分類號 TU472.3+1 文獻標志碼 A

0引言

軟土作為一種工程性質較差的特殊巖土，對工程建設會產生較大影響。軟土地基處理方法在過去的半個多世紀內發展迅速并且成果斐然，目前主要的軟土地基處理方法包括換填墊層、預壓地基、壓實地基、夯實地基、復合地基、注漿加固、加筋等［1］。隨著國家“一帶一路”計劃的提出，促使地基處理技術逐漸從單一技術向多種技術組合綜合使用的形式轉變。對于強夯墊層聯合處理方法特別是處理復雜多層軟土地基，其理論和應用還有待進一步加強。

關于強夯法機理，創始人L.Menard［2］提出了一個動力固結模型以反映強夯加固地基的固結情況。Gambin［3］認為地基土體的壓密作用主要是由于土體受到荷載的沖擊波作用而引起，而其中剪切波的傳導則是引土體密實的主要因素。鄭凌逶等［4］對強夯加固過程中塊石動態機制和置換加密過程進行了數值模擬分析。呂建兵［5］通過軟土地及強夯加固處理實例，研究了強夯法的加固機理與加固效果。徐玉勝等［6-7］通過建立室內模型研究了強夯夯擊過程中碎塊石的運動狀態與土體的發展規律。孟慶山［8］、朱常志［9］通過現場試驗數值模擬等方法研究了軟土地基在沖擊荷載作用下的固結變形機理。

目前對于強夯法的加固機理研究較為充分，但對于強夯墊層法處理過程中地基土體沉降與孔壓變化情況，以及碎塊石墊層在加固軟土地基中的作用等方面，仍需要進一步研究。

1工程概況

本文依托于西南某高速公路項目，項目中段為河流侵蝕堆積地貌。主要的特殊巖土為軟弱土和飽和粉細砂土，主要的工程病害為承載力不足、壓縮性大、遇地震容易砂土液化等。由于該地區沉積環境復雜，成因多樣，導致其軟土地基呈現軟硬層互層，軟基分布深度不均勻且變化較大。根據其地質成因、地層情況與層狀構造特征，大致可將河谷區復雜沉積環境河漫灘相軟土地基分為3類：深層型、淺層型、夾層型。如圖1所示。

項目組鉆孔取樣進行室內試驗確定了該段軟土地基工程性質，主要指標見表1。

針對該段復雜沉積條件的軟土地基，項目組提出了碎石墊層+強夯+堆載預壓處理方案。

本項目強夯墊層法主要采用點夯2 500 kJ與滿夯800 kJ組合，強夯施工前鋪設50 cm片塊石+15 cm碎石墊層，之后對處理范圍內軟土地基進行點夯（4擊共1遍），夯擊能2 500 kN·m，夯點間距5 m，等邊三角形布置；滿夯處理（2擊共1遍）采用搭夯處理，要求1/4錘印相交，單點夯擊能800 kJ，最后以2擊平均沉降差不大于100 mm作為控制指標。

施工過程中，觀測夯擊時側向隆起情況。當隆起量大于20 cm時（相對原地面）則間隔一段時間，待孔隙水壓力消散后方進行下一遍強夯施工。點夯、滿夯，均從中間夯點向兩邊推進，以利于孔隙水壓力消散。

2實測數據分析

現場監測是評價工程質量最可靠有效的方法，尤其針對強夯墊層法這種實踐先于理論的地基處理方法，通過現場監測數據更能在一定程度上反應其加固機理。

根據地勘資料，地基中存在可塑狀至軟塑狀粉質黏土、砂土、粉土、砂礫、圓礫等土層。綜合考慮相接觸地層的類型以及軟土地基分布的復雜程度，本文選取了典型斷面進行分析，各斷面地質剖面圖與測試元件埋設見圖2。

該斷面屬于淺層型軟土地基，軟土層埋藏深度2～5 m。分層沉降管布設在線路左右兩側，土壓盒計與孔隙水壓力計埋設在線路中心地面以下2～8 m位置，間隔2 m布設。

圖3為右側坡腳位置分層沉降管在強夯處理期間1～9 m各土層分層沉降情況。在點夯與滿夯的過程中各層土體均發生沉降，沉降最大為7 mm，但強夯過后土體迅速觸變回彈。從不同深度土體變形情況來看，淺層型軟土地基強夯加固時，由于強夯產生的巨大沖擊能，地基下軟土層被強夯向路基兩側擠出，使得淺層1～3 m土體發生抬升隆起，4～6 m土層出現明顯沉降，7 m以下土體受強夯影響微弱，變形量較小。

圖4為軟土地基土壓力累積變化示意。軟土地基在強夯階段隨著點夯與滿夯的進行，土壓力有明顯跳躍式升高，淺層土體土壓力變化最大達38 kPa，且淺層土體土壓力的增幅要大于深層土體，說明強夯墊層法對淺層土體的加固效果明顯更好。在靜置期深層土體土壓力回落，中淺層土體土壓力逐漸保持穩定，之后當路基開始填筑，土壓力顯著升高。

由于強夯墊層法能夠將碎塊石擠入軟弱土中，擠密了軟土層與砂土層，導致土壓力升高。同時碎石的擠入使得軟土孔隙比增大，打開了軟弱土與碎石土之間的排水通道，加速了軟弱層的排水固結，地基土壓力在之后的靜置期逐漸增長。路基填筑過程中由于排水條件較好，路基堆載導致土壓力升高較為迅速。

圖5為路基中心位置地基以下1～7 m深度處土體超靜孔隙水壓力變化情況。可以發現軟土地基不同深度孔隙水壓力在強夯期間（7月）點夯與滿夯過程中均有明顯升高，軟土層與砂土層的區別不是特別明顯，淺層較深層升高幅度更大。

在處理結束后的靜置期，孔壓在2個月內迅速消散，深層砂土與卵礫石層孔壓消散較快，淺層粉質黏土等軟弱土孔隙水壓力消散相對較慢。此時地基固結沉降不斷發展，超靜孔隙水壓力逐漸消散并轉換為有效應力。12月隨著路基開始進行填筑，超靜孔隙水壓力有小幅度的升高。

分析路基右側坡腳2-3測斜管記錄的地基以下0～7.5 m深度土體側向位移情況：在強夯的點夯處理期間地基最大側移量36 mm，發生在淺層2 m深度位置。在滿夯處理時最大側向位移進一步擴大至66 mm，發生位置上移至1.5 m深度，在經歷一個月靜置期之后土體側向位移稍有回移4 mm，為62.1 mm。說明強夯墊層法在加固軟土地基時，地基土體特別是淺層軟土層土體在強夯沖擊荷載作用下容易被擠出而發生較大的側向位移，并在強夯結束后會有一定程度的回移。

3強夯墊層法加固機理分析

強夯墊層法是以夯機吊起重錘達到一定高度落下，其巨大勢能轉化的動能將碎石、塊石、礦渣填料等力學特性較好的材料擠入軟土地基中，用碎塊石將地基中的軟弱層替換掉，在地基中形成一個硬殼層結構，從而提高地基土體的承載力，達到減小工后沉降的目的。

目前主流的觀點認為，強夯法處理地基的加固機理主要有動力置換、動力固結與動力密實3個方面［9］。根據相關理論分析結合現場監測資料，筆者認為強夯墊層法加固軟土地基的加固原理主要是靠近于上述3種強夯加固原理中的“動力置換”，但稍有不同且更為復雜。強夯墊層法加固軟土地基，使得地基土體淺層由于被碎石塊石填料置換擠密而形成的嵌固結構，淺層土體被碎塊石沖擊打開排水通道，都是強夯墊層法加固軟土地基機理的組成重要部分。

根據現場實測數據反應，在強夯墊層法處理軟土地基過程中，淺層1～2 m深度土體雖部分被擠出發生隆起，但中層2～5 m土體發生了較明顯的壓實沉降，說明強夯墊層法能起到使軟土地基提前發生排水固結沉降的作用，進而減少了施工階段與工后沉降。

受到強夯處理后淺層土體土壓力得到明顯的提升，而5 m以下深度土體土壓力提高幅度不大，說明強夯墊層法在施加巨大沖擊荷載的同時，將碎塊石擠入軟土地基，進而有效地提高了淺層軟土地基的變形模量與承載力。

超靜孔隙水壓力在處理過程中有所升高但消散迅速，且在之后降至低于原孔隙水壓力，這是由于強夯墊層法處理打開了軟土地基排水通道使得土體超靜孔壓能夠即使消散。

綜上所述，本文將強夯墊層法加固軟土地基的機理總結為幾個方面：

（1）碎石墊層的硬殼層作用：通過抬起夯錘高落產生的巨大與沖擊力，將軟土地基上鋪填的一層碎石墊層擠密夯實，使該層碎石墊層由之前松散的堆積結構變成緊密穩定的嵌固結構，這一層類似硬殼層結構，具有一定的厚度、強度和剛度。該層結構可以承擔路基荷載產生的一部分剪力，優化了硬殼層與下臥軟土層之間荷載的傳遞方式。

（2）加快軟土地基排水固結作用：當軟土地基土體受到強夯巨大的瞬時動力沖擊作用時，軟土地基土體在巨大動能作用下原結構發生破壞，大量塊石碎石被強夯擠入土體的同時使得土體的孔隙率劇增，軟弱土層與碎塊石土層之間的排水通道被打開，在高額超靜孔隙水壓力的作用下軟土地基迅速發生排水固結，隨著超靜孔隙水壓力逐漸消散，土體固結度提升與固結的完成，地基土體壓縮模量和抗剪強度得到有效提高。

（3）置換部分土體形成復合地基作用：強夯將碎石填料擠密入土中，用碎石等性能良好的材料置換掉地基中部分淤泥等軟弱土，被擠入軟土地基中的碎石塊石與黏土緊密結合，形成置換地基， 以類似于復合地基的形態來提高地基承載力。

4結束語

通過現場監測實測數據與相關理論分析，得到結論：

（1）研究了該地區復雜軟土地基的成因、分布與工程性質，并將該段軟土地基分成了淺層、深層與夾層型3類，分述了其地層特征與工程性質，為針對性的地基處理提供了參考。

（2）對典型軟土地基段在強夯墊層法處理過程中地基分層沉降、土壓力、超靜孔隙水壓力與側向位移變化進行了分析，通過現場監測數據的分析為強夯墊層法加固軟土地基機理的研究提供依據。

（3）總結了強夯法的主要加固機理，結合實測數據分析，提出強夯墊層法加固軟土地基的主要機理包括碎石墊層的硬殼層作用、加快軟土地基排水固結作用與置換部分土體形成復合地基作用3個方面。

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