黄泛区季冻粉土地基强夯处理的试验研究

张 磊 罗 鑫

(1.浙江交工集团股份有限公司 杭州 310051； 2.成都市市政工程设计研究院 成都 610015)

鲁西北黄泛冲积平原主要由黄河泥沙冲积形成，其土层主要由粉土、粉质黏土、粉砂组成，结构较为松散，固结程度低，局部地区地下水位埋深较浅，地质偏软，不利于工程建设。同时，为了避免雨季延误路基填土施工，干燥少雨的冬春两季成为了地基处理的最好时机，在这个过程中，黄泛区冻土层对地基处理效果的影响不容忽视。

黄泛区路基需要科学合理的地基处理技术以保证路基填筑时的稳定性。传统的路基处理方式如换填、搅拌桩等如应用在一般路段的地基处理中会大幅度增加工程造价，且无法控制施工的工期。

强夯法由于具有效率高和经济性好的优点，被广泛用于地基处理[1]。不少工程在处理湿陷性黄土时采用了强夯法，有效地降低了工后沉降[2-3]；强夯法也大量应用于处理填石路基[4]，并能有效地提高填筑层的密实度。此外，强夯法还被用于软土地基的处理[5]、炉渣填料的改良[6]、抛石基床的加固等[7]。然而很少有研究者针对冻土区强夯技术进行研究，强夯法也尚未形成完善的技术指标并且颁布行业规范，因此，本研究依托德商高速公路建设工程，探究季节性冻土层对强夯的夯实效果及其施工参数的影响，为季冻区强夯法施工提出科学的指导。

1 强夯技术原理

强夯法是将夯锤用起重机吊起，从高处落下，将夯锤的重力势能转化为动能，利用强大的动力冲击，提高地基密实度和强度的方法。它将一定质量的重锤以一定的落距给地基以冲击和振动，通过对地基施加强大的冲击力，从而达到提高地基土的强度，降低压缩变形，改善振动液化，消除黄土湿陷性作用的地基加固方法[8]。同时，强夯法还着重于对深层土体进行加固，通过破坏土体结构，增加排水通道，使孔隙水逸出，土体发生固结，从而提高土体强度和稳定性[9]。

2 现场试验方案

2.1 试验段工程地质条件

强夯试验段的地质条件及土层概况见表1。

表1 土层条件

强夯试验段浅层地基以粉土为主，较深层地基夹杂粉砂颗粒，其渗透性较好，有利于孔隙水压力的消散，能在施工期较好地完成地基土体固结。

2.2 试验段施工方案

现场试验段于2013年12月底进行第一遍强夯，气温在-10 ℃～-2 ℃，地表存在15～20 cm厚的冻土层。2014年3月中旬进行第二遍强夯，气温在0 ℃～10 ℃，冻土层已消融。

试验过程中，通过埋设的孔隙水压力计和地下水位管实时监控试验段的孔隙水压力和地下水位。孔隙水压力计埋设的原则为每个试验区域左右幅各埋设1处，埋设深度分别为3，5和7 m。试验段分2个区域，第一遍施工时，A区夯击能为1 000 kN·m，B区夯击能为700 kN·m。第二遍施工时，夯击能统一为800 kN·m。夯击方式采用每点1击，夯点满布试验段，夯印搭接1/4。

3 监测结果与效果评价

3.1 沉降量观测

强夯施工作业时，随机选择若干夯点，观测夯坑在夯击前后的高程变化，以确定夯沉量，从而确定该夯击参数下地基加固的效果。其中第一遍强夯施工期间受冻土层的影响较为显著，而第二遍强夯施工期为春季，无冻土层的影响。

夯坑的夯沉量如图1所示，在800 kN·m的夯击能下，夯坑平均沉降量约为21.0 cm，相对于700 kN·m夯击能下16.7 cm的平均沉降量有明显增大，其原因一方面是由于地表土层在冻土解冻后强度降低，另一方面是由于冻土解冻后的翻晒使地表土层变得松散。

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图1 夯坑沉降量

采用推土机将夯坑推平后，通过测量强夯前及每遍强夯后地表高程，得到地表平均沉降量见表2。

表2 地表沉降量 cm

由表2可知，2遍强夯后地表沉降量能够达到约21 cm，满足设计规定的10 cm要求。

3.2 地下水位和超孔隙水压力

试验段的初始地下水位深度在地表下约1.6 m，第一遍强夯施工后，地下水位迅速上升至距地表0.65 m处，并在10 d时间内下降并趋于稳定。

第二遍强夯施工后，地下水位从地下1.7 m上升至地下0.9 m。整个强夯试验期间地下水位观测统计见图2。

以地表高程为0。

在强夯施工过程中，根据有效应力原理，随着孔隙水压力的消散，有效应力不断增加，土体得到加固。而孔隙水压力的变化主要取决于夯后超孔隙水压力的累积情况，因此，超孔隙水压力的累积与消散是反映地基土体加固效果的重要指标。

第一遍强夯过程超孔隙水压力变化情况见图3、图4。

图3 1 000 kN·m作用下孔隙水压力变化过程

图4 700 kN·m作用下孔隙水压力变化过程

由图3、图4可知，强夯施工作业引起的超孔隙水压力在施工后的1 d时间内消散50%～60%，前3 d时间内消散70%，强夯施工作业后7 d，孔隙水压力完成消散80%以上。

从熵的角度来看，岩土体的变形是耗散结构[10]，虽然试验场地上覆有坚硬的冻土层，地基仍然处于非平衡状态，粉土地基土质松散，颗粒之间接触不紧密，孔隙比大，外界条件改变时颗粒运动具有随机性，这样的系统其实是不稳定的。对冻土进行强夯，实际上是向系统输入负熵流，减小系统熵，增大土体密度，减小孔隙率，使系统向有序状态和稳定状态的方向发展。

系统向有序性和稳定性进化不仅取决于外界输入的能量的大小，也与系统自身所处的状态有关，虽然夯击能增大，但1 000 kN·m的夯击能破坏了冻土层，使冻土层发生了相当程度的隆起与碎裂，如图5所示，系统增加的这部分混乱度需要消耗一些外界输入的负熵流进行平衡，从而导致被系统吸收的用于提高自身有序性和稳定性的负熵流减小，加固效果因此降低。

图5 1 000 kN·m夯击能作用下夯锤倾斜

从能量的角度来看，在1 000 kN·m的夯击能下，地表冻土层在冲击荷载作用下完全剪切破坏，能量一部分消耗在对地表15～20 cm冻土层的破坏上，向地基深处传递的夯击能大幅被削弱。同时，在冲击荷载的作用下，孔隙水压力迅速上升，大部分能量通过孔隙水横向传递消散，宏观上表现为地表的隆起，从而无法达到预期的加固效果。

而在700 kN·m的夯击能下，冻土层并没有完全破坏，如图6所示。冻土层作为强夯的施工作业面，一方面防止能量消耗在对冻土层的破坏上，另一方面，完整的冻土层可以防止地表发生隆起，大大减少了夯击能的消耗，使更多能量向下传递，从而取得更好的加固效果。

图6 700 kN·m夯击能作用下的冻土层

从垫层强夯的角度来看，冻土层可以看作一层天然的垫层。冲击荷载能量是依靠颗粒接触传递的，接触点数多的垫层更利于能量的传递。当碎石垫层孔隙被破碎的小颗粒填满后，由于接触点个数变多，夯击的效果会明显提高。在冻土层被破坏前，冻土层是一个整体，众多的接触点可以较好地传递冲击荷载的能量，而冻土层被破坏后，由于接触点的减少，冲击荷载能量传递的效率变低，因此出现了高夯击能加固效果反而不如低夯击能的现象。

由此观之，夯击能不同，夯锤对地表冻土层有不同的作用效果，一味增加夯击能可能会适得其反。冻土层在15～20 cm时，已经形成一个较为完整的结构层，在冻土区进行强夯作业时，应当注意保护冻土层，使其成为强夯的作业面。夯击能量在1 000 kN·m以上，夯印搭接1/4时，冻土层一部分会率先破坏，导致夯锤底部支撑条件不均匀，从而产生夯锤向夯进方向倾斜的现象。夯锤的倾斜不仅造成了地表局部更大范围的隆起，浪费了夯击的能量，还使夯锤作用力分布不均匀，严重降低了强夯的加固效果。

因此在对冻土层进行强夯加固时，应当通过试夯确定最佳夯击能，避免陷入传统地基处理夯击能越大加固深度也越大的误区。

第二遍强夯过程超孔隙水压力变化情况见图7。

图7 800 kN·m超孔隙水压力变化过程

由图7超孔隙水压力累计与消散规律可知，3 m与5 m处的超孔隙水压力消散较快。其中3 m深度的超孔隙水压力变化峰值在30 kPa左右，在3 d内消散约70%，在5 d内消散80%。5 m深度的超孔隙水压力变化峰值在25 kPa左右，消散的时间与3 m处相似。

可以发现，冻土消融后，在800 kN·m的夯击能作用下，7 m处产生约8 kPa的超孔隙水压力，比在冻土区作业时1 000 kN·m夯击能所产生的超孔隙水压力更大。进一步证明了冻土区强夯加固时，夯击能不是越高越好。

3.3 压实度

压实度检测需分别在强夯处理前、每遍强夯处理后进行。采用环刀法，分别测试10～20，30～40，50～60 cm深度的压实度，检测结果见表3。

表3 压实度检测表

检测结果表明，强夯法对地表下20～40 cm深度土体的密实加固效果显著，对地表土层的加固存在一定难度，这是因为地表土层在施工过程中扰动较大，无法有效地将其压实。冻土层在消融后，通过后续的夯击达到了90%压实度的控制要求。

4 结论

1) 对于高地下水位(地表下仅1.5 m左右)、地表土层过湿路段，强夯法对地基土有较好的动力固结效果。

2) 表层冻土层可作为过湿地基的施工作业面，供机械进行施工，同时完整的冻土层能够防止地表发生隆起，减少夯击能量的额外消耗。

3) 700 kN·m和1 000 kN·m夯击能的处理效果表明，夯击能并不是越大越好。夯击能过大时，大量能量在破坏表层冻土层过程中被损耗，失去冻土层的地基土产生隆起，严重降低了强夯的加固效果。

4) 季冻区路基施工时，应充分利用冻土层，而不是对其进行破坏。冻土层的压实可以通过解冻后对其进行后续的夯击，提高表层土体的压实度。