强夯法在路基湿陷性黄土地基处理中的应用

王 岩

(张家口路桥建设集团有限公司)

湿陷性黄土主要是指第四纪全新统(Q4)冲洪积壤土和上更新统(Q3)冲洪积、坡洪积黄土状壤土、部分风积黄土、次生黄土，以粉质壤土为主，少部分砂壤土也具有湿陷性。土木至胶泥湾高速公路地处河北省的西北部，毗邻山西、内蒙古地区，湿陷性黄土分部广、厚度变化较大。在L10合同段K54+968～K57+518段路基范围内湿陷性黄土分布厚度达3．7～6．2m，如果湿陷性黄土地基处理不当会发生很大的沉降，从而引起路基失稳。

湿陷性黄土地基的处理方法主要有垫层法、夯实法、挤密法、桩基法、预浸水法、单液硅化和碱液加固法等。根据工程经验，有效加固深度小于3m一般采用垫层法、夯实法进行处理;3～12m采用强夯法进行地基处理;大于12m采用预浸水法或挤密桩法进行处理;单液硅化和碱液加固法一般用于既有建筑物(构筑物)的地基加固纠偏。所以本工程采用强夯法处理湿陷性黄土地基。

1 湿陷性黄土的性质

湿陷性黄土主要由粉粒组成，质地疏松，具有肉眼可见的大孔隙和垂直节理，含水量小时可以直立，遇水崩解并发生显著沉降。湿陷性黄土的湿陷深度大多为5～8m，5～8m以下一般不具备湿陷性。在自然界中，黄土的湿陷性不连续，呈层状相间湿陷，反映出黄土的湿陷性无论在水平方向还是垂直方向都具有不均匀性。

湿陷性黄土可分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土。在上覆土的自重压力下受水浸湿，发生显著附加下沉(自重湿陷量＞70mm时)的湿陷性黄土为自重湿陷性黄土;在上覆土层的自重压力下受水浸湿，不发生显著附加下沉(自重湿陷量≤70mm)的湿陷性黄土为非自重湿陷性黄土。通过试验L10合同段路基范围内分布为非自重湿陷性黄土。

2 强夯机理

强夯法又称动力固结法，其原理是用几吨或几十吨重锤以高处落下，反复夯击地面，这种强大的夯击能在地基中产生强烈的冲击波(压缩波、剪切波、瑞利波)和动应力，并向地基纵深方向传播，通过动力加密和动力固结两种方式(动力加密，即强大的冲击能强制压密地基，使土中气体体积大幅减少;动力固结，即强大的冲击能与冲击波破坏土的结构，使土体局部液化并产生许多裂隙，作为孔隙水排水通道)使浅层和深处的地基土的骨架不同程度地被迫压缩或颗粒重新排列而密实固结，提高地基土的强度并降低其压缩性。

目前强夯法加固地基的作用机理大致有3种理论：(1)动力密实机理：即强夯法加固非饱和土时，强大的冲击能强制压密地基，使土中的气相体积大幅度减少，改变土颗粒骨架结构、压缩其孔隙，从而增加地基土密实度;(2)动力固结机理：强夯加固细粒饱和土为动力固结机理，即强大的冲击能与冲击波破坏土的结构，使土体局部液化并产生许多裂隙，作为孔隙水的排水通道，使土体固结;(3)动力置换机理：强夯加固淤泥为动力置换机理，即强夯将碎石整体挤入淤泥成整式置换或间隔夯入淤泥成桩式碎石墩。

3 工程应用

3．1 强夯参数的选择

(1)单击夯击能。

夯击能是影响强夯有效加固深度的重要因素。在湿陷性黄土地区，强夯的有效加固深度是指湿陷性消失和强度提高的深度。而这个深度与强夯的单点夯击能有关，计算强夯加固深度的基本公式是。H为加固深度，m;ω为锤重，kN;H为落距，m;α为与土性、厚度、地下水位有关的系数，对于湿陷性黄土，根据经验一般取0．35～0．5。

根据钻探资料，K54+968～K57+518段路基范围内湿陷性黄土平均厚度为5．5m，根据公式计算其所需单点夯击能为1200～2500kN·m。

(2)强夯机具。

夯锤的选择：因圆形夯锤在施工过程中不易旋转、定位方便、稳定性好、重合性好、采用较广，故本工程采用圆形夯锤，夯锤底直径2m，用钢板制作外壳，内部焊接钢筋骨架后灌注 C30混凝土，锤重8～10t。

起重机械的选择：由于履带式起重机重心低、稳定性好、行走方便，故在本工程施工中采用带自动脱钩装置的履带式起重机，起重能力为25t，落距为14m。

(3)夯点平面布置。

本工程为路基工程，主要考虑强夯加固效果的均匀性，故采用梅花形布点方式。强夯布点时，夯距的大小也直接影响强夯对地基的加固效果。根据工程实践得出的一个结论为：夯距不宜大于强夯的有效影响深度，也不易小于夯锤直径的1．5倍。所以本工程在夯点布置时，夯点中心距采用夯锤直径的2倍即4m。

(4)单点夯击次数。

为了能较好地指导施工，确保施工质量，提高工效，在大面积施工前进行试夯是非常必要的。确定各个夯击点的夯击数应符合下列条件。

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①最后两击的平均夯沉量不大于50mm，当单击能较大时，不大于100mm。

②夯坑周围底面不应发生过大隆起。

③不应夯坑过深而发生起锤困难。

本工程选择6个夯点进行试夯，试夯结果见表1、表2。

表1 试夯总夯沉量记录表

表2 夯每击夯沉量记录表

通过试夯结果可以看出，在第6～7击之后夯沉量增加已不明显，且夯沉量逐渐趋于0cm。在这种情况下，如果继续增加单击次数不仅加固效果得不到提高，反而会造成施工费用的增加，给工程施工造成浪费。所以本工程单点夯击次数确定为7击。

(5)夯击遍数。

根据地基土的特性，本工程采用2遍夯击，最后再以低能满夯一遍的施工工艺。低能满夯时，其夯击能为前两遍夯击能的1/4锤击数为2击，夯迹之间搭接1/4，以加固前两遍之间的松土和被振松的表土。

(6)夯击时间间隔。

3．2 施工要点

(1)强夯施工前应平整场地，用推土机预压2遍，场地周围做好排水沟。

(2)严格进行夯点定位，现场施工时用白灰标示出每个夯点中心位置。

(3)为了保证强夯处理效果，强夯范围扩大至路基边线外侧各1m。

(4)夯锤必须设置排气孔，避免产生“气垫效应”和“真空效应”，影响夯击效果。

(5)夯锤必须平稳自由下落，倾斜下落或坑底面倾斜时，能量损失较大，影响施工质量。

(6)在强夯施工过程中应做好监测和记录工作，检查项目包括夯锤重和落距，对夯点放线进行复测、检查夯坑位置，按要求检查每个夯点的夯击次数和每击的夯沉量等，并对各项参数及施工情况进行详细记录。

4 结语

强夯法处理软弱地基的历史虽然只有几十年，但它的发展是非常快的。在湿陷性黄土处理方面，已经摸索出一套成功经验。由于强夯法具有省时、经济、效果好的明显优势，目前已广泛的应用于地基处理施工中。土木至胶泥湾高速公路L10合同段的湿陷性黄土地基处理于2009年6月完工，路基填筑与2009年11月完成，通过一年多的观测，该段路基没有发生沉降。