强夯法处理高原自重湿陷性黄土地基的控制与应用

　　强夯法最初由法国人梅纳（Menard）提出，开始只用于碎石和砂石地基。经过三十余年的发展，强夯法已广泛应用。近年来，随着我国高速公路的不断发展，强夯法凭借其经济易行、设备简单、节省材料、造价低、施工便捷、质量容易控制、效果显著及适用范围广等优势，在我国的地基处理加固中得到了广泛的应用。

 

　　本文主要介绍强夯法在青海省境内平安至阿岱高速公路K2+020～K3+070区段我项目处理高原自重湿陷性黄土地基的技术应用和施工对比分析情况。

 

　　1工程简介

 

　　青海省境内平安至阿岱高速公路K2+020～K3+070区段为我项目施工标段，海拔高度2350m，工程地质为黄土状亚砂土（Q24）结构疏松、孔隙、虫孔较发育，土质不均一。平均总湿陷量△S=95cm、最高达112cm，平均计算自重湿陷量△ZS=27.5cm，最高达39.5cm。有关文件把其划分成Ⅳ级（很严重）湿陷性黄土。

 

　　为保证高速公路的稳定性和安全运营，设计要求对该区域地基进行加固处理，通过地基处理消除路基基底以下5m范围内黄土的湿陷性，处理长度1050m、面积为47250m2。

 

　　2土质特性分析、方案对比选定与加固机理

 

　　2.1自重湿陷性黄土形成与特性

 

　　自重湿陷性黄土是在干旱的气候条件下形成的，在形成初期季节性的少量雨水会将松散的粉粒粘聚起来，又由于长期的干旱作用这些水分会被蒸发，于是少量的水分以及溶于水中的盐类都会聚集在一处，一般是较粗颗粒的接触点，形成以粗粉粒为主体骨架的多孔隙结构。其特性，在干燥状态下具有较高强度和较小的压缩性，但是一旦渠水渗入或大量降水，黄土中的多种可溶盐如氯化钠、硫酸钠、碳酸钠就会溶化，影响土壤的胶结力，在这种情况下，不仅土体结构会被迅速地破坏，降低土体的承载力，也会在地面出现湿陷变形，严重的还会影响到地面上的结构物。

 

　　2.2地基处理方案可行性对比研究

 

　　通过对高原自重湿陷性黄土地基进行灰土换填、灰土挤密桩及强夯法等几种处理方案的分析比较，本工程最后确定采用强夯法对湿陷性黄土进行加固处理，根据梅纳经验公式

 

　　H=α（Wh/10）1/2

 

　　公式中：

 

　　W——夯锤质量，（kN）；

 

　　h——夯锤落距，（m）；

 

　　α——强夯加固深度修正系数，对湿陷性黄土地区取0.35-0.50。

 

　　H——强夯有效加固深度，（m）；

 

　　经初步估算，当强夯的夯击能量为2000kN·m时加固深度可达5.0-7.0m。这样，路基基底以下5m范围内土的湿陷性基本全部消除，采用强夯加固处理后地基能够满足路基荷载和变形的要求。

 

　　最后通过设置试验区进行强夯技术适应性的确定（即强夯所能消除湿陷性土层的厚度和夯后土的性质的改善情况），然后选定合理的施工工艺参数。最终确定的地基加固参数见表1。

 

　　2.3强夯法加固地基机理

 

　　强夯法加固地基机理是用起重机或起重机配以门字支架，把大吨位（10-30t）重锤起吊到8-30m高度后，让其自由落下，给地基以强大冲击能量的夯击，使土中出现冲击波和很大动应力，迫使土体中由空气充填的孔隙迅速压缩。强夯动载产生的剪切波，在土颗粒间传播，使土体型态改变，并将土颗粒周围的部分弱结合水转化为自由水。在动载反复作用下，土体中储存的能量达到一定程度时增加的孔隙压力及产生的裂隙将形成良好的通道使自由水排出，土颗粒重新排列，孔隙体积减小，经时效达到固结。从而提高承载力，降低压缩性，消除湿陷性，提高土体均匀程度，减少差异沉降。

 

　　3施工组织设计与施工工艺分析确定

 

　　3.1施工机械（见表2）
 

 

　　3.2施工人员组织（见表3）

 

　　3.3技术组织准备

 

　　①查明强夯范围内地下构筑物和各种地下管线的位置和标高，并采取必要的防护措施。

 

　　②建筑物隔振措施。

 

　　据资料表明，当夯击能为1000kN·m时建筑物距夯点安全距离为15m；当夯击能为5000kN·m时，其安全距离为30m；当夯击能为6000kN·m时其安全距离为40m。若不能避开时，靠建筑物的一侧，开挖3m左右或大于建筑物基础埋深的隔振沟，以减少从振源向外辐射的能量。

 

　　③确定强夯参数。

 

　　以强夯试验参数为基础，再次进行最终强夯工艺及大面积施工参数的确定，以指导大面积施工。最终强夯施工参数确定见表4。

 

 

　　④强夯施工工艺流程（见图1）。

 

　　4施工要点（施工控制）

 

　　①用推土机清理表层种植土30-50cm，压路机预压一遍，既有利于起重设备行驶、又能处理湿陷空洞、空穴、对安全事故进行预控。

 

　　②场地周围做好排水沟，防止雨水和灌溉水侵入强夯区。

 

　　③按强夯点布置图测量放样用白灰标定夯位。

 

　　⑤起重机行走和夯击时，应顺向走车，即起重设备吊锤行走，锤在行走路线的中心线上；横向夯击时，起重臂轴线与履带板中心线垂直，以避免纵向夯击因多次起吊前履带板圆弧面陷进土中，改变臂杆角度造成起吊困难。行走时利用锤的位置和惯性，可使履带板对地面的压强均匀。

 

　　⑥受夯区段的土质应控制在最佳含水率范围内，若含水率低，采用挖沟灌水。若坑内积水应摊铺适量厚度砂石渗水料的措施，以防止设备下陷。

 

　　⑦夯击时应按试验确定的强夯参数进行，落锤保持平稳、夯位准确。

 

　　⑧做好施工过程中的监测和记录工作，保证施工过程中的每个环节都符合相关的规范标准。

 

　　5安全技术措施

 

　　①强夯设备机具高大、稳定性较差，施工现场要平坦，道路要坚实、平整、不得高低不平或软硬不均匀或有虚填坑洞等。

 

　　②强夯开机前，应仔细检查起吊设备各部位，保证各部位都处于正常的状态，强夯时应随时检查设备的工作状态，经常维修和保养，一旦发现异常情况及时采取有效措施进行处理。

 

　　③强夯设备在停稳，夯锤对准夯位后，方可进行作业，起吊夯锤时要平稳、速度应均匀，夯锤自动脱钩器不得碰撞起重臂杆。

 

　　④若在砂石垫层上强夯，应要求驾驶人员佩戴相应的防护用品，并在起重机驾驶室前应设置防护网，避免由于驾驶室玻璃被击碎可能对人员造成的伤害。

 

　　⑤强夯时现场操作人员必须戴安全帽，夯锤起吊后吊臂和夯下15m范围内不得站人，非工作人员应远离夯击点30m以外，以防止夯击时飞石伤人。

 

　　⑥现场作业人员应听从指挥，起重工与起重机司机应有明显的联络信号。

 

　　⑦测量锤位标高或清理锤顶浮土时，操作人员应在脱钩器挂在夯锤吊环后在进行，以免发生意外。

 

　　⑧在强夯施工区域附近有建筑物时，应经常观察强夯振动对建筑物的影响，对小于安全距离的建筑物应挖隔震沟。

 

　　⑨当施工现场附近存在高压线路时，为了避免出现由于高压放电造成的触电事故，应该结合施工现场各项实际情况设置安全距离。

 

　　6质量控制、检测及验收标准

 

　　以下质量预控和测试工作是保证强夯法加固地基效果的必要条件。

 

　　①在确定最终的强夯施工参数前应现在面积至少大于600m2的地段按初定参数试夯。

 

　　②安夯击能要求，夯锤重量计算夯锤起吊高度并将脱钩限位钢丝绳锁定在起重主机上实行机械控高，避免人为因素影响，保证按标准夯击能进行施工。

 

　　③夯击前应对地基原位做土工击实试验，动力触探检测，把它的各项数据都测定出来，比如最大干密度，密实度、最佳含水率和地基承载力等，进而确定强夯是否有效果。

 

　　④夯击过程检测，每夯点每击用水准仪测量夯击下沉量，每遍夯击完成后用推土机整平，测量下沉量。通过数据分析、确定夯击能与夯沉量的关系和地基加固效果。

 

　　⑤检测结果：

 

　　沉降量：依据对233组强夯沉降数据分析，K2+750至K2+850区段强夯下沉量见表5。

 

 

　　7强夯后处理效果分析

 

　　7.1强夯后地基有效加固深度

 

　　7.1.1夯后土的基本特性

 

　　分析夯前夯后土的检测数据和曲线，从深度上反映出三个不同程度的加密带，即强加密带、加密带和影响带。各带土的特性如下：

 

　　强加密带：自夯后整平面向下一定深的，加密效果最好，土在高冲击能的强烈作用下，完全失去原有结构，颗粒重新排列变得极为密实，压缩性、孔隙比大幅度减少，干容重、承载力大幅度增大。土的湿陷性完全消除，土性脆，呈薄层状，本带厚度范围为0～2.7m。

 

　　加密带：位于强加密带之下，本带也失去了原来的结构，但薄层状不明显，密实程度不如强加密带，承载力和干容重显著提高，但幅度较小，土的湿陷性也可消除，本带厚度范围为2.7～5.0m。

 

　　影响带：位于加密带之下，突的原始结构还可看出，结构强度降低，标贯，干容重等指标与天然土相比互有大小。此带受到夯击影响，但效果不明显，不能使土得到有效的加密，一般消除不了土的湿陷性。

 

　　7.1.2强夯处理有效深度

 

　　强夯加固地基的有效深度，是指经过强夯处理后，地基土体强度提高，压缩性降低，其加固效果均达到或超过进行加固所要求的最低值的土层深度范围。

 

　　由于强夯处理地基效果受多种因素影响，一方面受夯击能、夯点间距、夯击次数、锤底形状、施工工艺等影响，另一方面受需处理地层的原始结构、均匀性及地下水位等影响。现通过现场承载力检测来分析强夯对本工程高原自重湿陷性黄土地基的加固处理深度。

 

　　承载力检测：强夯前后分别在K2+130（T1）和K2+780（T2）人工挖直径1m、深4m探井2座，采用N10轻型触探仪检测地基承载力，检测数据见表6。

 

 

　　试验证明强夯深度0～2.7m范围内为强加密带，土体加固效果最好；2.7～5.0m范围内为加密带，土体承载力和干容重也显著提高。

 

　　7.2强夯后干容重对比表

 

　　在T1、T2探井每下挖60cm取一组土样，用环刀法做夯实密度测试，从中可以看出强夯前后不同深度干容重的变化。可以直观地看出强夯在强加密带和加密带对土体干容重和孔隙比的影响，随着土体深度的增加而发生的不同变化。测试结果见表7。

 

　　从表7中分析，强夯法处理地基对土体干容重提高幅度来看；在强加密带（0～2.7m），强夯对夯点上的土体加固效果最好，而夯点之间的加固效果要相对差一些。说明夯点上受冲击能的直接加固效果优于夯点间间接挤密的加固效果。在加密带（2.7～5.0m），强夯对夯点上的土体和夯点之间的土体加固效果要相当，干容重都比天然略大，说明夯点上的夯击能在该深度范围内的直接压密效果与夯点间的挤密影响基本无差异。

 

　　7.3强夯法进行地基加固处理对工程成本及工期的积极影响

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