强夯技术在饱和黄土地基上的应用

朱忠明 武向莹

1 工程概况

霍州至永和关公路是山西省高速公路网“人字骨架，两纵十一横十一环”主骨架第八横的重要组成部分，是山西省中部地区西通陕、甘、宁，东达冀、鲁、豫的重要战略通道。

霍永高速公路K112+750～K113+220位于芝河河谷源处，地貌单元属黄土台地山间河谷区。地层主要为第四系全新统冲洪积黄土(Qal+pl4)与新近系(上第三系)(N2)粘性土，土质以低液限粘土(粉质粘土、粉土)为主，并有少量砂、角砾透镜体或夹层。该层厚度为1.8 m～6.0 m。由于地质环境、气温条件的改变，地下水运动加速，使地下水位上升，形成了饱和黄土。

2 地层岩性与形成机制

饱和黄土是指原具有湿陷性的黄土，由于地下水的运动使其湿陷性消失，并呈现饱和状态(饱和度达80%以上)。

它具有软土的某些特征，但与沿海软土不同。

3 饱和黄土工程地质评价

1)物理力学性质。

本次勘察本路段黄土饱和度均大于80%，为饱和黄土。饱和黄土是湿陷性黄土演变而成的，其性质与湿陷性黄土的性质有着密切关系。

a.物理性质中的比重、液限、塑限、塑性指数等都与土中含水量多少无关。

b.土中孔隙比的大小决定于土颗粒的大小、形状和排列。黄土颗粒间常有一定量的可溶盐，地下水上升时土中可溶盐溶解，但溶后盐类绝大部分集散于孔隙内，因而其总的孔隙体积并未减少或减少甚微。所以只要不发生自重压力下湿陷现象，孔隙比在数值上一般不减少。

c.与土中含水量多少有关的指标如含水量、容重、饱和度、液性指数等，都将产生较大的变化。其变化规律与原湿陷性黄土的孔隙比和塑性指数有关。

d.黄土饱水后接点胶结强度弱化，土的压缩性较原湿陷性黄土增高很多。本区饱和黄土的压缩系数为0.1 MPa－1＜a1－2＜0.5 MPa－1，属中压缩性土。

2)工程地质评价。

饱和黄土的特点是灵敏度高，结构扰动会变成流塑状态，造成这种状态的外因是水。所以施工降水是保证地基土质完善，充分发挥地基有利因素的重要措施。

4 沉降与稳定计算分析

通过对该范围进行钻孔取样，根据土工试验结果取代表性断面在没有任何地基处理措施下进行路基沉降与稳定性验算。

计算过程及结果如下:

路堤设计高度:7.350 m。

路堤设计顶宽:24.500 m。

路堤边坡坡度:1∶1.500。

工后沉降基准期结束时间:180个月。

沉降计算参数:

地基总沉降计算方法:经验系数法。

主固结沉降计算方法:e—p曲线法。

沉降计算不考虑超载。

沉降修正系数:1.200。

沉降计算的分层厚度:0.500 m。

分层沉降输出点距中线距离:0.000 m。

压缩层厚度判断应力比=15.000%。

基底压力计算方法:按多层土实际容重计算。

计算时考虑弥补地基沉降引起的路堤增高量。

工后基准期起算时间:最后一级加载(路面施工)结束时。

稳定计算参数:

稳定计算方法:有效固结应力法。

稳定计算不考虑超载。

稳定计算不考虑地震力。

稳定计算目标:自动搜索最危险滑裂面。

1)各级加荷的沉降计算:

第1级加荷，从0.0个月 ～6.0个月。

加载开始时，路基计算高度=0.000 m，沉降=0.000 m。

加载结束时，路基计算高度=6.780 m，沉降=0.240 m。

第2级加荷，从14.0个月～16.0个月。

加载开始时，路基计算高度=6.780 m，沉降=0.285 m。

加载结束时，路基计算高度=7.705 m，沉降=0.355 m。

2)路面竣工时及以后的沉降计算:

基准期开始时刻:最后一级加载(路面施工)结束时刻。

考虑沉降影响后，路堤的实际计算高度为7.705 m。

路面竣工时，地基沉降=0.355 m。

基准期内的残余沉降=0.294 m。

基准期结束时，地基沉降=0.649 m。

最终地基总沉降 =1.200 ×0.702=0.843 m。

3)稳定计算:

总的下滑力=592.953 kN。

总的抗滑力=636.402 kN。

滑动安全系数=1.073。

从计算结果可知，在没有任何处理措施前提下，该路段180个月路基工后沉降为0.294 m，接近规范规定0.3 m的工后沉降量，稳定系数为1.073，小于设计要求为1.2的稳定系数。

5 处理措施

为节省投资，保证施工质量，根据沉降与稳定性验算，结合水文、地质、填筑材料及特点，采用强夯处理方案对此段路基进行施工。具体施工工艺如下:

1)强夯前原地表面铺设1.5 m厚碎砾石土垫层，含泥量不大于5%，同时也有利于强夯机械在表面行走。施工前应进行试夯，以确定合理的施工参数和工艺。设计单击夯击能2 000 kN·m，以此确定施工所采用夯锤质量与提升高度，锤径为2 m，夯点按正三角形布置，间距3.5 m。

2)起重机:根据夯锤质量选用相应起重能力的复缆(利用滑轮组)或单缆履带式起重机均可，并配有辅助门架，若选用复缆起重机时应配有自动脱钩装置。夯锤:选用弹性模量高的圆柱形钢质夯锤，或选用厚钢壳内浇钢筋混凝土制作的圆柱形夯锤。夯锤重按照设计夯击能确定。夯锤直径为1.8 m～2 m。

3)强夯遍数和每遍击数:a.采用3遍～5遍置换遍数;b.每遍夯击次数设计为3击～5击，并可根据试夯资料进行修正。

4)强夯置换结束后，应普夯一次，普夯(又称满夯):普夯采用重10 t，直径2 m的夯锤。落距一般1.5 m～3 m，锤印重叠不小于50 cm，单点一般1击～3击。

5)施工放点:按照设计要求的强夯处理范围、夯点排列及间距，采用仪具放点，并用小木桩或白灰在夯点中心处作出标记，夯点放完后应进行复核，确认无误时再绘制夯点布置图。

6)试夯顺序及注意事项:试夯应从路中线处的夯点向两侧逐次地推进，各夯点的单击与累计夯深必须标示在大样图的相应夯点上。

7)施工期间必须保证临时排水系统的完整有效，保证大气降水及强夯挤出的地下水能迅速排泄。施工过程中若出现与试夯获取的信息差异较大时，应及时对施工信息进行综合分析找出原因，调整施工参数，实施动态控制。

6 强夯后施工质量检测

强夯结束7 d后进行地基承载力试验，经检测该范围地基承载力平均在250 kPa，高于设计提出的200 kPa控制标准，符合要求。

7 结语

通过上述工程实例的分析，在饱和黄土上填筑路基通过强夯技术是可行的，强夯前地表面铺设的材料采用附近黄山开采的碎石土，节省了工程造价，强夯时在高能量的夯击作用下，使碎石土垫层与饱和黄土层发生机械混合，提高地基土的承载力，保证了工程质量。

[1]张军齐.强夯法处理地基时含水量与处理效果关系探讨[J].山西建筑，2011，37(4):72-73.