石安高速公路路基强夯法关键设计参数分析

郑瑞君，李海滨

(1.河北高速公路石安改扩建筹建处;2.西安科技大学 建筑与土木工程学院)

1 引 言

强夯法是指使用起重机械设备将大吨位(一般10～25 t)夯锤起吊至8～20 m 高度后，自由落下，对路基土加以强大冲击能量的夯击，在高强冲击应力作用下，压缩土体孔隙，排除孔隙中的水，使得土粒重新排列，迅速固结，从而提高路基承载能力，降低其压缩性的一种路基处理方法。强夯法适用于处理低饱和度粉土、粘性土等土质路基，有效处理深度为5～8 m。处理后的路基承载力约为100～120 kPa，工后沉降约为10～20 cm。强夯法具有技术简单，易于施工，工期较短，节省材料，降低造价，压实度高，适用范围广，处治效果明显等优点，但同时也有施工噪声大，对邻近构造物产生破坏等缺点。

强夯法的主要设计参数包括:夯击能量、夯击次数、间隔时间、夯击遍数、及夯击点布置等。其中，夯击能量和夯击次数是影响强夯加固效果的关键因素，因此在强夯设计时应重点考虑。

石安高速公路路基在路堤及车辆荷载作用影响深度范围内的主要土体为:

(1)黄土状土，厚度3.6～4.6 m，浅灰黄色，土质均一，0～0.5 m 为耕植土，含植物根系，稍湿，稍密，无湿陷性;

(2)粉质粘土，厚度5.4～7.2 m，黄褐色，土质较均，含少量铁锰质斑点及钙质结核，局部夹粉土薄层，可塑。

(3)粉土，厚度2.8～3.3 m，黄褐色，土质较均，手捻砂感强，可见少量铁锰质斑点，局部夹粉质粘土薄层，湿，中密。

2 夯击能量

目前夯击能量一般采用Menard 经验公式来估算，即:W=10 ×H2/a2×h，根据工程要求的加固深度和加固后需要的地基土承载力来确定单击夯击能量。但是该公式因为是经验公式，计算方法存在片面性。由于强夯法加固路基的原理是利用强大的夯击能使路基产生塑性变形而趋于密实状态，因此根据路基土在不同夯击能作用下塑性变形区域的发展变化分析夯击能的加固效果。不同夯击能作用下不同深度路基处塑性变形量见表1 和图1。

表1 不同夯击能作用下不同深度路基处塑性变形量 单位:cm

图1 不同夯击能作用下不同深度路基处塑性变形量关系曲线

由表1 和图1 可知，随着夯击能的增加，路基塑性变形和变形区深度均逐渐增大。当夯击能由250 kN·m 增加至750 kN·m 及由750 kN·m 增加至1 500 kN·m 时，路基塑性变形和变形区深度增加较为明显，而当夯击能由1 500 kN·m 增加至3 000 kN·m 时，路基塑性变形和变形区深度增加减小。当夯击能为1 500 kN·m 时，强夯影响深度可达7 m 左右，夯击中心点以下5～6 m 深度处的路基塑形变形约为路基顶面塑形变形的20%，该范围内路基得到有效压实，可以认为强夯能为1 500 kN·m 时路基有效加固深度为5～6 m。

3 夯击次数

夯击次数是强夯设计中的另一个重要参数，目前夯击次数一般通过现场试夯得到的夯击次数与夯沉量的关系曲线确定现场试夯确定，常以夯坑沉降量与夯坑径向加固范围为确定的原则。

本工程施工前进行了强夯加固试验，试验参数:夯锤重25 t，夯锤落距6 m，锤底直径2 m，锤底静压力79.62 kPa，试验区填筑厚度为4.5 m，面积为30 m ×30 m，选取3 处夯击点沉降量数据进行分析，试验结果见表2 和图2。

表2 夯击次数与累计夯沉量 单位:cm

图2 夯击次数与累计夯沉量关系曲线

由表2 和图2 可知，累计夯沉量随夯击次数增加而增大，单点夯击6～7 次后，夯沉量增加明显减小，且3 次试验相邻两次夯击的夯沉量之差均小于5 cm，此时累计夯沉量已达总夯沉量的89.7%～96.1%，可以认为6～7 次为最佳单点夯击次数。

表3 夯点径向范围地面沉降量 单位:cm

图3 地面沉降量与距夯锤边缘距离关系曲线

由表3 和图3 可知，夯点径向范围地面沉降量随与夯点距离增加而减弱，3 次试验距夯锤边缘0.25 m 处地面沉降量为夯点总夯沉量的90.0%～93.1%，而距夯锤边缘3 m 处地面沉降量为夯点总夯沉量的11.2%～18.0%，可以认为0.25 m 为夯击径向有效加固范围，3 m 为夯击径向有效影响范围。

4 夯击点布置

夯击点布置是否合理，将影响强夯的加固效果，应根据路基填料土性质和强夯加固范围等因素来选择布点方案。夯点间距不宜过小，一是为便于超静孔隙水压力的消散，二是为避免夯击时在路基土浅层形成密实层而影响夯击能往深层传递，这是因为如果夯击点过密，相邻夯点的夯击作用在路基土浅层处叠加造成过度夯击形成硬层，并且影响能量波的传播导致能量损失。

实践证明，间隔夯击比连续夯击好，原因是连续夯击使地基土全面产生超孔隙水压，孔隙水因地基土各层压力平衡不容易排出，而间隔夯击便于能量的吸收，使夯击能有利于向深层传递，地基土部分产生超孔隙水压，孔隙水容易向低压区排出，可以先固结一部分地基土。第二遍夯击时，夯击能使充满孔隙水的另一部分土体得到能量，将孔隙水挤出而加固土体，提高了土体强度。

考虑强夯加固效果及施工条件等因素，本工程第1 遍夯点与第2 遍夯点采用的夯点间距为4 m，相邻上下两层夯点交错布置，以上层夯点加强补充下层两夯点间加固效果不足的区域，两层夯点布置如图4 所示。

图4 上下层夯点布置图(单位:m)

5 结 语

强夯法是一种经济而实用的路基处理方法，但由于强夯法提出的时间较晚，加固机理比较复杂，其理论研究还远远落后于工程实践。本文确定的夯击能量和夯击次数等影响强夯加固效果的关键设计参数还要在实践中进一步验证和修正。

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