强夯置换法在福建闽北地区高速公路软基处理中的应用

(南平京台高速公路有限责任公司，南平 353000)

强夯置换法在福建闽北地区高速公路软基处理中的应用

■王余鹏

(南平京台高速公路有限责任公司，南平 353000)

强夯置换作为一种软基处理的有效措施。本文结合某高速公路工程实例，通过对工地现场强夯置换软基处理施工方面的分析研究，总结完善类似地质条件下的施工经验，量化了相关工艺参数，得到较好的加固效果，经济优势显著。可供类似工程项目参考与借鉴。

软基处理 强夯置换 高速工程 施工工艺

0 引言

自上世纪80年代强夯置换法成功用于处理软土地基以来，在饱和软土分布地区强夯置换软基处理技术得以广泛的开发和应用。强夯置换法(图1)是利用夯锤较大的冲击能将碎石、块石、矿渣等物理力学性能较好的粗粒料强行挤入软弱地基，在地基中形成碎石墩；由于碎石墩具有较高的强度，因此与周围的软粘土构成复合地基。该法施工简单、所用材料容易获得，对软弱土体挤密的效果明显，同时所形成的碎石墩兼有复合地基和竖向排水通道的作用。经强夯置换法处理后的地基，既提高了地基强度，又改善了排水条件，有利于软弱地基的固结。

图1 强夯置换法

1 工程概况

浮山1号隧道位于福建省西北部，属剥蚀丘陵地貌单元，地貌形态为呈近东西向的带状陡峻山岭与山间沟谷相间分布，山峦起伏，地势陡峭，支沟发育。而隧道进口的K55+065～K55+170路基填方段位于“W”型山坡沟谷间，两侧沟谷常年积水冲刷和淤积，形成了深厚的淤泥和淤泥质粘土软层。经现场钻探勘察揭露淤泥及淤泥质粘土层厚度为9.9～10.8m，呈流塑～软塑状。

具体地质条件如下所述：

(1)第一层为淤泥：灰色，流塑，埋深6.2～7.8m。切面较光滑，干强度、韧性中等，稍具腥臭味，含植物根系。

(2)第二层为淤泥质粘土：灰色，软塑，埋深9.9～10.8m。切面较光滑，干强度、韧性中等，含少量碎石。

(3)第三层为全风化片麻岩：埋深11～13m。灰白色，原岩结构基本被破坏，岩芯呈砂土状，少量碎块状。

(4)第四层为强风化片麻岩，灰白—灰黄色，砂状结构，块状构造，裂隙发育，岩芯呈碎块状，个别短柱状。

2 设计与施工

2.1 施工方案的选定

因受施工工期限制，要求尽快处理隧道进口的K55+ 065～K55+170段的软弱地基，根据设计要求和现场实际情况，并经过比选最终确定采用具有设备简单、施工速度快、加固效果好、契合现场实际情况的强夯置换法。具体方案确定如下：该段路基需要强夯置换处理面积为3481m2；强夯置换墩直径2.0m，单根置换墩长度平均约6.0m，间距2.5m，呈等边三角形布置；设计处理后单墩承载力不小于300kPa，复合地基承载力不小于180kPa。

2.2 施工机具及粗粒料选择

强夯置换施工的机具主要有：起重能力大于锤重1.5倍以上、带有自动脱钩装置的履带式起重机；经现场监理过磅，重量满足夯击能要求的夯锤 (与夯机统一编号管理，防止混用)，此外尚需配备挖掘机、推土机、压实机等辅助机械。

考虑该段软基位于浮山1号隧道进口附近，其隧道洞渣质地坚硬且储量相对充实的实际情况，故施工中所用的强夯置换材料来源选定为坚石、次坚石的隧道洞渣，其粒径不大于夯锤底面积直径的0.2倍；而且粒径大于300mm的颗粒含量不超过30%，含泥量要求小于10%，级配良好。

2.3 施工顺序

(1)清理表层深度3.5m左右的淤泥，并平整施工场地，当表层土松软时可铺设一层1～2m厚的砂石施工垫层。

(2)测量场地标高，并放样出夯点位置。

(3)起重机就位于夯点位置，进行填料夯击并逐击记录夯锤深度。

(4)按由内到外，隔行跳打原则完成全部夯点的施工。

(5)推平场地，用低能量满夯，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程。

(6)强夯处理完毕，回填透水性材料至原地面，分层碾压密实。

施工顺序流程见图2。

图2 强夯置换施工顺序流程图

3 施工质量控制要点

3.1 施工“首检制”控制

为保证强夯置换施工质量，务必在处理区域强夯施工前进行试夯工作，需要通过试夯确定施工夯锤高度及夯击次数，选定实际施工中的各项参数为全面施工提供依据，并通过试夯确定正常施工时所需机械设备及人员配置，以便指导施工。

从现场试夯点的相对沉降差 (N-1次与N次强夯沉降量的差值)与夯击次数数据统计图(图3)，可得出：

⑴施工现场夯击次数可按照单点夯击15次左右进行参照(最后两击的夯沉量差小于50mm)。

⑵从图3中可以看出随着夯击次数的增加，夯锤的沉降差逐渐变小。这表明随着夯击次数的增加，软基受到强夯置换碎石墩的压实、挤密作用，使得软基自身密实度有所增强，同时淤泥软基又借助碎石空隙进行排水固结，改善土体的物理力学性能。

⑶因本项目在场地平整后，对局部表层松软位置铺设一定厚度的碎石垫层，从图可看出铺设碎石垫层区域的相对沉降量及夯击次数皆优于未铺设垫层位置。分析其原因是碎石垫层能更有效的扩散夯击能，并加快软基的排水固结。

图3 相对沉降差与夯击次数数据统计图

3.2 施工夯击次序控制

进行强夯置换施工时，必须严格按照“先主夯、后全幅满夯”的次序进行，其中主夯点按等边三角形布置，其中主夯点必须隔行跳打，不可依次夯击(如图4)，夯点先从道路中轴线起，分别向两侧依次夯击；主夯之后用推土机整平场地，然后采用夯击能为1000～1500kN·m的全幅满夯，其中全幅满夯夯点彼此务必重叠搭接。

图4 强夯主夯点布置图

3.3 施工夯击次数控制

强夯置换施工主要控制主夯点的夯击次数，其控制标准必须同时满足以下条件：

(1)碎石墩体穿透软弱土层。

(2)累计夯沉量为设计墩长的1.5～2.0倍。

(3)最后两击的平均夯沉量不大于50mm。

(4)夯坑周围地面不应发生过大的隆起。

(5)不因夯坑过深而发生提锤困难(不出现“翻浆”或“橡皮土”)。

4 施工中问题处理

4.1 偏夯

在强夯置换施工过程中常常因环境因素或人为操作不当造成起重设备的夯锤与夯点对位不准产生偏差，造成偏夯。

建议采用圆形夯锤，每次夯击前都应重新放线复核夯点位置，夯锤中心和测放的夯点移偏差应小于15cm，必要时以夯点为中心画出夯位轮廓线，提高夯锤就位准确度。

4.2 歪夯

强夯施工过程中，由于原地基强度分布不均匀，夯击场地平整度不够，或垫层压实不均匀，夯击后出现碎石墩的垂直度偏离较大，造成歪夯现象。会导致后续夯击能降低，置换墩体不良等影响。

建议实时监控每次夯击效果，发现夯点坑底歪斜度较大，应立即用填料将坑底垫平后重新夯击。

4.3 地表过大隆起或翻浆

强夯施工过程中，由于夯点周围软土被挤出或因夯击能过大原因，往往造成夯点周围地表隆起开裂，甚至会出现翻浆冒泥等现象。

若地表隆起过大或土层发生严重的翻浆冒泥现象，建议立即停止夯击，在夯点周围铺垫碎石后方可再次夯击；或可适当增加填料的次数而每次填料量也不宜过多，同时重新夯击时应适当调整夯点间距、落距。

4.4 “橡皮土”的处理

“橡皮土”产生的原因是由于软基中粘性土含水量趋于饱和或者是夯击间隔时间不够，孔隙水压来不及消散。

建议在“橡皮土”周围设置排水通道，加快土体的排水固结；或者将局部的“橡皮土”挖除换填处理。

5 强夯置换效果评价

强夯置换施工结束2～4周后对地基质量进行检验，检验碎石墩的点数不少于总数的1%，且不应少于3个。本项目以静荷载试验为主,并通过重型动力触探试验进行校验，经检验强夯置换后的地基承载力与处理前相比有了显著提高，且满足设计要求。

6 结论

(1)对于京台高速公路K55+065～K55+170软基段分布的淤泥软土地层采用了强夯置换法处理方案，经实践验证淤泥和淤泥质粘土软层适宜采用强夯置换的加固处理方法。

(2)因碎石垫层具有高效扩散夯击能及加速软基排水固结的特点，经本项目实践验证铺设碎石垫层位置的强夯置换施工效果明显优于其他区域。故建议类似工程中，在强夯置换前铺一层0.5～1m的碎石垫层。

(3)根据京台高速浮山1号隧道进口段强夯置换施工实践和检测结果表明，在隧道进出口附近进行强夯置换碎石墩施工，可就近利用隧道洞渣，有效节约工程成本，其经济优势相对明显，建议在类似工程中推广应用。

(4)任何一个工程的施工工艺是保证其最终质量的关键，而《福建省高速公路施工标准化管理指南》是在现行高速公路工程设计、施工、验收等相关标准、规范基础上，总结福建省多年来高速公路建设实践经验编制而成，实践证明只有严格按照标准化的施工工艺流程进行强夯置换施工，才能有效克服质量通病，消除安全隐患，提高管理水平，保证工程的质量与安全。

[1]福建省高速公路建设总指挥部.福建省高速公路施工标准化管理指南［M］.北京:人民交通出版社,2013.

[2]冯守中.公路软基处理新技术[M].北京:人民交通出版社,2008.

[3]徐至钧.强夯和强夯置换法加固地基[M].北京:机械工业出版社，2004.

[4]李九林,贾乃康.强夯法在加固高速公路软弱和液化地基中的应用[J].铁道标准设计,2004,(6):54-55.

[5]郑颖人,陆新.强夯加固软粘土地基的理论与工艺研究[J].岩土工程学报,2000,22(1):18-22.