強(qiáng)夯法在公路路基施工中的運用探究

文／劉展斌 煙臺市芝罘公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)中心 山東煙臺 264001

1.相關(guān)理論基礎(chǔ)概述

1.1 強(qiáng)夯法的基本原理

隨著我國公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，公路建設(shè)項目越來越多，對地基的要求也越來越高。高速公路路基施工中，強(qiáng)夯法作用于路基土體結(jié)構(gòu)，引起土體結(jié)構(gòu)變形，可有效提高路基密實度，提高路基承載力，保障公路交通安全運營。強(qiáng)夯法的基本原理有動力置換、動固結(jié)、密實等。強(qiáng)夯法施工時，重錘是一種重要的施工機(jī)具,施工中主要采用重錘法壓實路基，使重錘在施工部位自由落體，引起土體發(fā)生塑性、彈性變形，增大土顆粒間接觸面積，有效提高路基壓實性能。傳統(tǒng)人工擠密方法易引起地基不均勻沉降和孔壓增加，嚴(yán)重影響工程的正常運行與服役壽命，強(qiáng)夯技術(shù)應(yīng)用于軟土地基加固顯得尤為必要，施工中通過動力固結(jié)達(dá)到基礎(chǔ)加固的效果，所謂動力固結(jié)是指通過壓縮飽和土，使土壤中的有機(jī)質(zhì)得到有效的分解和處理，從而使土體更加緊密[1]。

1.2 強(qiáng)夯法的主要特點

第一，投入資金少。強(qiáng)夯處理地基時，投資主要集中在強(qiáng)夯設(shè)備上，對其它方面的投資較少，其綜合效益較高。

第二，實現(xiàn)路基顯著加固。該方法可提高地基承載力，提高基礎(chǔ)穩(wěn)定性，避免因夯打而產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，是一種行之有效的方法。強(qiáng)夯法能夠?qū)⑼馏w結(jié)構(gòu)中的孔洞消除，將土體松散、承載力不足等問題有效解決。強(qiáng)夯還可以加速施工，縮短工期，節(jié)約大量的人力物力。在公路工程施工中，強(qiáng)夯法通過壓縮模量調(diào)整、土體干密度提升等方法將土體的整體穩(wěn)定、抗震性提高，實現(xiàn)改善基礎(chǔ)的效果。同時，強(qiáng)夯法屬于非開挖施工方法，施工過程中無需鋪設(shè)管線、路面等，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。此外，該技術(shù)在消除濕陷現(xiàn)象、促進(jìn)場地土體結(jié)構(gòu)平衡方面發(fā)揮著非常重要的作用。

第三，適用性較強(qiáng)。強(qiáng)夯法可對施工場地內(nèi)各種類型的土進(jìn)行預(yù)處理，如粉質(zhì)土、碎石土、雜填土等。在選用強(qiáng)夯施工時，技術(shù)人員需在現(xiàn)場進(jìn)行試驗驗證，以保證施工完成后的性能符合施工規(guī)范[2]。

2.公路工程路基施工過程中常見問題

2.1 路基不均勻沉降問題

公路路基在長期運營后易發(fā)生不均勻沉降，造成路基不均勻沉降現(xiàn)象家中，對路基平整度和行車安全產(chǎn)生威脅（圖1）。要保證車輛在行駛時的穩(wěn)定舒適，相關(guān)施工單位就必須對路基施工技術(shù)進(jìn)行控制，從而有效地提高路基的整體結(jié)構(gòu)[3]。路基的不均勻沉降與其內(nèi)在屬性密切相關(guān)，在外部環(huán)境變化的作用下路基的沉降速率與深度均會逐漸加快，長期下去將造成更大的破壞。

圖1 路橋不均勻沉降

2.2 土層強(qiáng)度較低

在公路路基結(jié)構(gòu)設(shè)計中，部分路段土顆粒松散、承載力低，難以有效承載軸載，當(dāng)振幅過大或荷載集中時，路基極易發(fā)生差異沉降，造成路基變形過大，影響道路使用壽命。為了確保公路建設(shè)的效果，相關(guān)技術(shù)人員就要重視和應(yīng)用公路工程壓實檢測技術(shù)，以提高公路施工的效率，推動我國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。

2.3 邊坡穩(wěn)定性較差

在公路建設(shè)過程中，因施工場地復(fù)雜，路基邊坡極易發(fā)生失穩(wěn)。究其原因，主要是建設(shè)單位未深入勘察施工現(xiàn)場，未對路基進(jìn)行合理加固，直接造成路基穩(wěn)定強(qiáng)度降低。這種失穩(wěn)現(xiàn)象隨著公路路基的實際使用而進(jìn)一步弱化，尤其是長期受雨沖刷，更易發(fā)生滑坡等病害。

3.公路路基施工中強(qiáng)夯法應(yīng)用要點

某公路全長25.5 公里，設(shè)計時速100 公里，路基寬度為26 米，是區(qū)域交通樞紐，起著區(qū)域間交通交流的重要作用。在路基工程開工前，勘測專家詳細(xì)勘察了工程地質(zhì)情況。調(diào)查結(jié)果表明，沿線存在大量的鹽土路基，若處理不當(dāng)極易引起地基失穩(wěn)。為此，有關(guān)部門開始重視路基處治，并根據(jù)實際情況，選擇最佳的處理方法，提高路基承載力。

3.1 做好前期準(zhǔn)備工作

在公路路基施工正式開始前一定要做好一切前期準(zhǔn)備工作。首先，施工人員應(yīng)從全方面對路基基底進(jìn)行治理，清除路基基底內(nèi)的污染物、雜土、水及其它雜質(zhì)，以保證路基基底的潔凈。其次，持續(xù)優(yōu)化堆填土作業(yè)流程，確保土方能及時運至指定地點，并確保相應(yīng)的夯土工作能順利完成。在局部土質(zhì)不好的路段可以用人工開挖的方法來完成換填工作。為保證公路路基工程的順利開展，施工技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清晰準(zhǔn)確地標(biāo)定工程土方量、坐標(biāo)參考點等關(guān)鍵參數(shù)，確保測量放樣精確度，然后結(jié)合現(xiàn)場實際條件做好施工機(jī)械設(shè)備的合理選擇。該工程中選用的設(shè)備夯錘起吊高度可達(dá)10 米以上。施工人員根據(jù)夯錘底部面積大小在夯錘底部布置4 個可貫穿整個夯錘的通氣孔，并選用耐久、強(qiáng)度高的自脫扣裝置[4]。

3.2 試夯施工確定技術(shù)參數(shù)

在正式開工前選定一塊500 平方米的實驗場，技術(shù)人員通過試夯明確夯擊設(shè)備工作的各項參數(shù)，比如夯擊次數(shù)、夯錘提升高度等。為了測試夯擊能傳播范圍，在安全位置開挖減震溝。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，確定了合理的施工工藝和工藝參數(shù)，并進(jìn)行了地基處理。在此基礎(chǔ)上，施工人員通過超靜孔隙水壓力及地表加速度測試觀測夯實后壓實情況，通過實驗數(shù)據(jù)分析明確夯實后基礎(chǔ)的沉降變形情況。在試夯階段，施工人員應(yīng)堅持連續(xù)性原則，也就是在完成一次夯擊之后在原位置再次進(jìn)行夯擊，之后分兩次其他部位的夯實。在試夯階段，第二次的沉陷量應(yīng)當(dāng)在5 厘米以內(nèi)，在滿夯后理論上平均沉陷量應(yīng)當(dāng)在2 厘米以內(nèi)。如圖2 為試夯作業(yè)現(xiàn)場圖。

圖2 試夯施工現(xiàn)場

3.3 強(qiáng)夯施工

施工人員在正式強(qiáng)夯作業(yè)前需要先根據(jù)施工流程做好夯錘位置的調(diào)整，對夯錘頂高進(jìn)行測量記錄。在該工程中，施工團(tuán)隊選用的是15 噸的夯錘，提升高度為15 米，按照0.5 米預(yù)設(shè)安全距離。在利用鋼絲繩提拉吊起夯錘到指定高度后，啟動自動脫鉤器，此時夯錘會在重力作用下自由下落，然后向地面產(chǎn)生巨大的沖擊，沖擊力度會快速壓實土體，促進(jìn)內(nèi)部氣體、水分等排除。為保證全過程無事故發(fā)生，每次強(qiáng)夯結(jié)束后施工人員都應(yīng)對每一錘點的深度、水平位移等資料進(jìn)行詳細(xì)的分析與統(tǒng)計。為保證夯打技術(shù)水平，本項目詳細(xì)記錄了每次夯擊后的夯沉量。若兩次夯沉量均大于5 厘米，則繼續(xù)壓實，直至兩次夯沉量均小于5 厘米。施工人員可根據(jù)實際情況選用適當(dāng)?shù)暮粨袅?、夯擊錘等參數(shù)，制定具體的施工工藝和操作規(guī)程，以保證每一次夯點的施工效果。第一次夯點完成后，用推土機(jī)把回填的土填入夯點。經(jīng)過初整后，再用壓路機(jī)壓實，為下一步的壓實工作創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。在進(jìn)行第二次夯實過程中，施工人員按照第一次夯實操作流程進(jìn)行處理，施工中注意路基填料強(qiáng)度的監(jiān)測，應(yīng)采取相應(yīng)的措施來控制路基填料的密實度。為了進(jìn)一步提高路基的穩(wěn)定性，在路基填筑完成后，施工單位又進(jìn)行了滿夯，施工工序與一、二次夯實過程相同，但二次夯點各加1/2，以保證路基施工區(qū)的整體夯實。通過上述工作，本工程實現(xiàn)了大面積、全層壓實，滿夯工作結(jié)束后施工人員對施工場地進(jìn)行整平，再用壓路機(jī)進(jìn)行全面碾壓，使其達(dá)到路基施工的各項要求[5]。

3.4 高填方強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)處理

有的路段會存在超過20 米的路堤，此時施工人員可以按照高填方路段進(jìn)行處理，每填筑8 米就進(jìn)行一次夯實作業(yè)。本文介紹了強(qiáng)夯法對高填區(qū)不同條件下強(qiáng)夯加固的處理過程及效果，并對其應(yīng)用價值進(jìn)行了分析。圖3 所示為高填土強(qiáng)夯加固處理方案的示意圖。

圖3 高填方強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)處理示意圖

工程施工中按照如下要求選擇高填土路段強(qiáng)夯所用機(jī)械設(shè)備：吊車采用單索承載力大于15 噸的單索單索或20噸的多索拖掛。為防止吊索受力過大、后傾，在施工過程中配置特殊的吸震支架及其它減震結(jié)構(gòu)。該工程夯錘由圓柱形的銅錘組成，該錘體具有很高的彈性。夯擊時用調(diào)節(jié)空氣壓力的大小來控制夯擊能量，夯錘底部設(shè)有對稱通風(fēng)口，便于打夯機(jī)落下時能有效排出坑底氣體，這些通風(fēng)口的直徑一般為10-15 厘米，與直徑為2 米的夯錘重量為10 噸[6]。在現(xiàn)場試驗中，技術(shù)人員確定了每一夯點所需設(shè)備的數(shù)量、重量及各構(gòu)件間的位置關(guān)系，夯擊點設(shè)置采用三角形排列，夯點中心距離設(shè)為1.5 米，落距設(shè)為10米錘印重疊面積不宜小于50 厘米。為防止夯錘落下時的反彈，施工人員可在夯錘上加墊塊以減小沖擊力，提高夯錘的工作穩(wěn)定性。對于單個夯擊點將夯錘的使用次數(shù)設(shè)置為3 次，將夯擊的次數(shù)設(shè)置為2 次。為保證每一錘都能取得理想的效果，還應(yīng)考慮相鄰夯錘間距的影響。在實際加固施工中，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整有關(guān)參數(shù)。如圖4 所示為填滿夯擊點的平面圖。

圖4 滿夯擊點布置示意圖

強(qiáng)夯法是一種有效的加固方法，它可以提高地基承載力，減少沉降。在大范圍夯擊作業(yè)前施工人員必須先進(jìn)行試驗以確定夯點個數(shù)，對不同材料、不同結(jié)構(gòu)的夯錘耗能進(jìn)行比較分析，得出優(yōu)化夯擊方案。在進(jìn)行夯擊試驗時選取20 米×20 米的場地并將夯點區(qū)域平整，選用若干個不同夯擊點進(jìn)行夯擊試驗，也可采用單點夯擊試驗。使用單錘夯擊3 次。當(dāng)夯錘打?qū)嵣疃刃∮? 厘米時建議只打一次夯打；當(dāng)夯沉量超過5 厘米時需進(jìn)行兩次夯擊作業(yè)，并記錄其數(shù)量。當(dāng)夯沉量下降到5 厘米以下時，夯擊次數(shù)可適當(dāng)增加[7]。

3.5 強(qiáng)夯施工作業(yè)監(jiān)測

3.5.1 監(jiān)測土體壓力

該路段路基土為鹽漬土，采用鋼弦式土壓力儀實時監(jiān)測土壓力。該裝置主要包括壓力傳感器以及位于波紋管中心和壓力表機(jī)架位置的固定傳感器，可承受土壓力的波紋管。當(dāng)膜盒中的壓力達(dá)到某一數(shù)值時，由壓力傳感器發(fā)出電信號，經(jīng)處理就可獲得土的壓強(qiáng)。在夯打施工過程中，夯錘落下時會對土體產(chǎn)生沖擊使膜盒受到土壓力而產(chǎn)生變形從而形成液體介質(zhì)。在膜盒中設(shè)有測量膜盒形變及受力狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集裝置將測量結(jié)果送至計算機(jī)處理系統(tǒng)。該方法是以膜狀液體為介質(zhì)，壓力傳感器內(nèi)部金屬絲在受到外部壓力后產(chǎn)生振動，傳感器監(jiān)測并且分析金屬絲的振動頻率，進(jìn)而對土體的受力情況進(jìn)行分析。

為了確保能夠精確地監(jiān)測地基土壓力，施工技術(shù)人員在借助弦式土壓計進(jìn)行監(jiān)測之前要做好壓磚機(jī)位置的合理設(shè)置，可先用工具挖掘深50 厘米、寬30 厘米的坑位，然后將壓力表水平放置其中，之后用5 厘米的細(xì)沙均勻地鋪設(shè)，用水準(zhǔn)儀測定其偏差，確認(rèn)合格后回填并壓實。

3.5.2 監(jiān)測沉降值

通過對強(qiáng)夯施工過程中沉降量的監(jiān)測可對強(qiáng)夯施工過程中和施工結(jié)束后的沉降進(jìn)行分析。本項目采用直徑50厘米的鋼板作為沉降板，沉降板用150 厘米的測量棒、外包塑料管進(jìn)行連接，從而將回填土和側(cè)棒之間的摩擦力降低。在完成一切準(zhǔn)備工作后，施工人員在監(jiān)測端面上放置沉降板，利用測土側(cè)桿對強(qiáng)夯過程中路基沉降情況進(jìn)行細(xì)致地觀測[8]。

表1 路基沉降標(biāo)準(zhǔn)

3.6 強(qiáng)夯法施工技術(shù)應(yīng)用效果

在公路完成強(qiáng)夯后，施工小組要認(rèn)真檢查地基沉降，以沉降量與壓實度作為評價路基壓實效果的依據(jù)，試驗結(jié)果如表2 所示。通過對路基壓實度檢測結(jié)果進(jìn)行分析可知，試驗段符合施工要求，這表示軟土路基中應(yīng)用強(qiáng)夯法有著較好的效果。

表2 試驗路段路基的壓實度檢測結(jié)果

結(jié)語：

總之，強(qiáng)夯是一種新的地基處理方法，已被廣泛應(yīng)用于工程實踐。在公路路基處治采用強(qiáng)夯需要施工工藝進(jìn)行嚴(yán)格的控制。本文通過對該技術(shù)的實踐應(yīng)用情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過強(qiáng)夯法處理后的路基受力性能得到明顯改善，可見該方法施工效率高，對提高公路路基施工效果有重要意義。