强夯法加固公路地基的设计方法研究

徐建勇

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北武汉 430056)

强夯法加固公路地基的设计方法研究

徐建勇

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北武汉 430056)

强夯法指的是为提高软弱地基的承载力,用重锤自一定高度下落夯击土层使地基迅速固结的方法。由于强夯法能处理大部分土质地基,目前被广泛应用于公路建设之中。本文通过工程实例介绍了强夯法在加固公路地基中的设计方法。

强夯 地基 承载力

1 强夯法及其加固机理

强夯法又称动力固结法,指的是为提高软弱地基的承载力,用重锤自一定高度下落夯击土层使地基迅速固结的方法。强夯法目前已广泛适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等公路地基的处理之中。对非饱和的粘性土地基,一般采用连续夯击或分遍间歇夯击的方法;并根据工程需要通过现场试验以确定夯实次数和有效夯实深度。现有经验表明：在100～200吨米夯实能量下,一般可获得3～6米的有效夯实深度。

强夯法加固机理如下：强夯法主要通过重锤自重能量将松散土体中的孔隙迅速压密,减小孔隙率;动载产生的剪切波在土颗粒间传播,使松散土体颗粒重新排列而趋向更紧密,并将土颗粒间孔隙水挤出。在土体整体稳定得到保证的情况下,体积压缩作用使土颗粒排列加密、孔隙体积减小,从而快速实现地基固结变形及强度提高。对高饱和度的粉土与粘性土等地基,宜在夯坑内回填块石、碎石或其他粗颗粒材料进行强夯置换,可达到较好效果。

2 强夯法设计方法

2.1 设计的基本程序

根据现场的工程地质条件、待处理地基的厚度、填土高度、填土材料确定强夯方案与要求,初步计算夯击能、夯击遍数、锤间距及加固深度等参数;根据确定的参数,编写方案说明;根据设计方案在施工现场试夯,确定加固效果,确认是否需要修改设计参数。

2.2 强夯的目的

使用强夯提高地基承载力。

2.3 主要参数的选择

2.3.1 有效加固深度

强夯法的有效加固深度应根据现场试夯试验或当地经验确定,也可按下列公式计算确定：

式中：H——有效加固深度,m;W——锤重,KN;h——落距,m;α——地基土修正系数,(m/KN)1/2,其值为0．5～0．8,依土层情况而定。一般随粘性含量和含水量增大而减小。

2.3.2 夯击能的确定

图1

强夯时,当地基中出现的孔隙水压力达到上覆土层自重压力时,此时对应的夯击能为最佳夯击能。

夯击能分为单击夯击能和单位夯击能。

(1)单击夯击能。即夯锤重量与落距的乘积。一般根据加固深度来确定,加固深度大,单击夯击能要求大,反之亦反。单击夯击能越大,加固效果越好。

(2)单位夯击能。单位夯击能是指施工场地单位面积上所施加的总夯击能,即单位夯击能=夯锤重×夯锤落距×总夯击遍数÷加固面积。

强夯的单位夯击能应根据地基土类别、结构类型、荷载大小和要求处理深度等综合考虑,并可通过试验确定。一般情况,粗颗粒土可取1000～3000KN．m/m2,细颗粒土可取1500～4000KN．m/m2。

2.3.3 夯击次数

它是强夯设计中的一个重要参数。夯击次数一般由试夯确定,由试夯得到的夯击次数与夯沉量之间的关系曲线确定,且要同时满足下列条件：

(1)最后两击的夯沉量均不宜大于下列数值：当单击夯击能小于4000KN．m时为50mm;单击夯击能为4000～6000KN．m时为100mm;单击夯击能大于6000KN．m时为200mm。

(2)夯坑周围地面不应发生过大的隆起。

(3)不因夯坑过深而发生提锤困难。

2.3.4 夯击遍数

夯击遍数应根据地基土的性质确定,可采用2～3遍,对于渗透性较差的细颗粒土,必要时夯击遍数可适当增加。最后再以低能量满夯1～2遍,满夯可采用低能量(轻锤或低锤落距)多次夯击,锤面搭接。

工程实践中,对于碎石、砂砾、砂质土、垃圾土,夯击遍数为2～3遍;粘性土为3～8遍,泥炭为3～8遍。然后再以低能满夯1遍,使表层1～2m范围内的土得以夯实。

2.3.5 间隔时间

两遍夯击之间应有一定的时间间隔,间隔时间取决于土中孔隙水压力的消散时间。当缺少实验资料时,可根据地基土的渗透系数确定,对于渗透性较差的粘性土地基,间隔时间不应少于3～4周;对于渗透性好的地基可连续夯击。

2.3.6 夯点布置

夯点位置可根据建筑物结构类型,采用梅花形或正方形布置。每个锤间距可为5～9m,或夯锤直径的2．5～3．5倍,以后各遍夯锤间距可与第一遍相同。对处理深度较深或单击夯击能较大的工程,第一遍锤间距宜适当增大。

2.3.7 加固范围

强夯处理范围应大于建筑物基础范围,每边超出基础外缘的宽度宜为基底下设计处理深度的1/2至2/3,并不宜小于3m。

3 强夯法加固公路地基的设计应用

3.1 工程概述

江瓮高速公路TJ3A标路线全长4．8484公里,设计为双向四车道,路基宽24米,行车道 宽2×7．5米,计算行车速度80Km／h。地质勘探资料显示,YK27+520～K28+200段表层覆盖层为约4～5米厚粉质黏土,基岩为强～中风化白云岩。地面横坡约25°,路基最大填高为31．5米,为高路堤,如果不对地基进行处理,路基将会出现不均匀沉降,甚至路基会沿松散的粉质黏土层横向滑移,严重影响路基的稳定性。经过多方案比较,决定在此段采取较为经济、实用的强夯法进行处理。

3.2 强夯法的设计

3.2.1 路基横向加固范围的确定

山区高速公路路堤一般较高,路堤边坡坡脚外与坡脚内地基土的上覆土压力存在较大的压力差,导致路基边坡坡脚以外地基发生较大沉陷。所以设计考虑加固宽度时,应将坡脚至边沟外缘部分全部加固,从路堤稳定的角度考虑,加固宽度达到路堤最危险滑动圆弧以外。设计加固宽度为：路堤底宽+ 2×3m。

3.2.2 加固深度的设计

加固深度计算采用Menard经验公式：

公式中各字母含义见前面说明。

3.2.3 夯击能量设计

夯击能量是决定加固深度的重要参数,设计中按单击夯击能与最佳夯击能考虑。

单击夯击能=锤重×落距

最佳夯击能从理论上讲是地基中出现的孔隙水压力达到土的自重压力时的夯击能,它是单击夯击能的总和。对于砂性土地基可由观测的孔隙水压力增量随夯击次数增加的变化趋势来决定,当孔隙水压 力增量趋于稳定时,所达到的能量即为最佳夯击能。根据试验段试验研究,最佳夯击能为主夯与副夯时采用1500kN．m、2000kN．m和2500kN．m三种夯击能;满夯时采用700kN．m、800kN．m、1000kN．m三种夯击能。

3.2.4 夯点布置和夯点间距

夯击点位置可根据工程结构类型,采用等边三角形、等腰三角形或正方形。而夯点间距的确定,应根据地基土的性质和处理深度而定。夯点间距可取夯锤直径的2．5～3．5倍。本工程中夯点布置如图1所示。

3.2.5 夯击次数的设计

单点夯击数在夯击能为2500kN．m及2000kN．m时采用4击,1500kN．m时采用5击。夯击遍数为三遍：第一遍主夯,按规定间距正方形布置：第二遍副夯,在各主夯点位中间穿插进行,仍按规定间距布置;第三遍满夯,亦称“满拍”或“搭夯”,即采用夯点彼此搭接1／4连续夯击,满夯的目的是加固表层。

3.2.6 间歇时间

各遍夯击之间留有一定的时间,主要是因为加固土层中超静孔隙水压力需要一定的消散时间。并且该时间根据土质的不同,会有很大区别。对于砂性土,孔隙水压力的峰值出现在单点夯击完成后的瞬间,消散时间只有2～3min,故该类土可进行连续夯击。对于本工程的黄土地区,因为土中含有渗透性较差的粘性土,两遍夯击的时间间隔不宜小于72小时。

4 结语

强夯法虽然己在加固公路地基中得到广泛的应用,但至今尚无一套非常成熟的设计计算方法。因此,对于强夯法在加固公路地基中的设计,我们应当针对工程实际情况与经验,初步选定设计参数,再通过现场实验的验证和修改,最终确定合理的设计参数。

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