强夯追密法在高速公路路基施工中的应用研究

宋强

（河北通宇建筑工程有限公司，河北张家口075000）

0 引言

随着我国城市化进度的不断发展，高填方路段公路的修筑也越来越多。为保证高填方路基段的稳定性以及运营过程中的工后沉降能够满足要求，在施工过程中除了分层填筑外，还需要对高填方路基段进行强夯追密处理，以提高高速公路路基的压实度。本文以河北省延崇高速K36+290～K36+490 高填方试验段为工程背景，对特殊路段处路基填料的工程特性进行了研究，并分析了强夯追密处理技术在高填方路基中的加固机理及强夯追密处理技术在加固过程中的影响因素，以期为相关工程提供一定的参考。

1 工程概况

河北省延崇高速整体呈现为北高南低、海拔高、地形复杂。延崇高速试验段K36+290～K36+490 途径黄土地区，地质条件不良。延崇高速出现了大量的高填方工程，需要利用强夯追密法对高填方路基进行处理，试验段里程为K36+290～K36+490，最大填方高度可达24m，最大夯击能量为3500kN·m。

2 高速公路路基填料特性

2.1 填料颗粒分析

根据公路工程室内试验相关规范，利用筛分法对现场试验段K36+290～K36+490 处高速公路路基填料进行筛分，得到现场路基填料的级配曲线如图1所示。

由图1 可知，现场试验段路基填料的有效粒径为0.001mm，连续粒径为 0.005mm，限定粒径为0.021mm。通过计算可知，填料的不均匀系数Cu等于限定粒径与有效粒径的比值，为21.0；填料的曲率系数Cc等于1.19；曲率系数Cc在1～3 之间，不均匀系数Cu大于5，说明填料的级配良好，满足规范要求。

图1 路基填料级配曲线

同时利用室内土工试验，对路基填料的比重、液塑限进行测定，如表1所示。

表1 现场填料的物理指标

现场填料的液限为32.4%，塑性指数为7.4，满足公路路基设计规范中关于路基填料的液限低于50%、塑性指数低于26 的要求。并结合填料的级配曲线可知，河北省延崇高速公路K36+290～K36+490 处的路基填料级配良好，满足路基施工要求。

2.2 最大干密度及最优含水量

在公路路基施工过程中，为保证路基的强度及填料的密实度，往往通过分层填筑的方法进行施工，可以有效地降低路基填料的压缩性，并减小填料透水性，从而获得较好的填筑效果。在进行分层压实前，需要通过室内击实试验确定路基填料的最大干密度及最优含水量。

对现场路基填料进行取样，然后根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007），选取不同的击实参数。最后将根据公式（1）可以得到不同含水量条件下路基填料的干密度[1]。

在进行击实试验时，应注意润滑剂及含水率对试验结果的影响，严格控制试验过程中试样的均匀性、含水率及润滑剂使用情况，减少因人为因素给试验结果造成的影响。

通过室内击实试验，得到不同含水率条件下路基填料的试验结果，如表2所示，路基填料的最大干密度为1.87g/cm3，最佳含水量为13.6%。

表2 击实试验结果

由表2 可知，路基填料的干密度随着含水率的增加而逐渐增加，当含水率达到最优含水量后，路基填料的干密度会随着含水率的增加而逐渐减少，这是因为：第一，当路基填料的含水量较小时，填料颗粒之间的结合水膜较薄，干密度较小；第二，随着含水量的增加，颗粒之间的结合水膜逐渐增大，颗粒间的移动相对容易，从而使得干密度逐渐增大；第三，当填料含水量大于最优含水量时，路基填料控制间的水分较多，孔隙水排出困难，相同击实功下，干密度开始下降。因此，在施工过程中应通过洒水或者晾晒控制路基填料的含水量[2]。

2.3 孔隙比及压缩模量

通过固结试验可以得到路基填料在外力作用下的变形特性，并可以获得路基填料的变形特性指标，如压缩模量、孔隙比及压缩系数等，以此对路基填料的力学特性进行评价或者计算路基的沉降。通过室内单轴压缩仪器，对最优含水量条件下（13.6%）的压实度分别为95%、96%和97%的路基填料进行固结试验，得到不同压实度条件下路基填料的变形特性参数如表3所示。

表3 固结试验结果

从表3 可以看出，相同含水量条件下，路基填料的孔隙比和压缩模量随着压实度的增加而增加，压缩系数逐渐降低，填料的压缩性也越低。因此在实际施工过程中，可通过强夯追密技术增加路基填料的压缩模量，降低填料压缩性，从而进一步提高路基的强度及整体稳定性，并有效控制地基的沉降量。

3 强夯追密技术在高速公路路基施工中应用

强夯追密技术是将一定重量的夯锤起吊8～30m，然后松开夯锤，让夯锤做自由落体运动，在夯锤自重的作用下，对路基填料产生一定的冲击，从而对路基薄弱处进行加固，以此来提高路基承载力，减小路基沉降的一种路基加固方法。强夯追密法具有施工速度快，对环境污染较小等优点，但由于在利用夯锤荷载对路基进行加固过程中，会发生振动现象，可能对周围建筑物产生一定的影响，而且在强夯过程中会产生噪声，因此在人口密集处不宜使用强夯追密法[3]。

3.1 强夯追密技术的加固机理

强夯追密法的加固机理大致可分为宏观及微观两个方面，其中宏观方面可以从冲击力、应力波的传播和土体强度三个角度进行分析;当夯锤从一定高度下落到路基表面时，会对路基填料产生巨大的冲击力，从而使得路基填料的强度得到改善。路基表面从浅到深依次可分为表面松动层、加固层及弹性层。路基表面的冲击波，透过路基表面松动层，对路基内部的土体进行加固，使得路基内部的结构形式发生变化，强度提高，从而形成加固层。冲击波继续向下传播，但传播能量逐渐降低，当传播到加固层以下某个深度以后，路基的塑性变形可忽略不计，从而形成弹性层。

从微观角度考虑，夯锤从一定高度下落到路基表面后，夯锤的势能全部转换成动能，而夯锤的大部分动能又会以声波的形式传递给路基，从而降低了路基填料颗粒之间的孔隙，土颗粒重新排列。在填料颗粒中存在一定数量的封闭气泡，随着夯锤的冲击，对路基填料产生巨大的振动，从而使得土体产生一定的裂缝，土体内的孔隙不断被压缩，快速发生固结，土体的压缩模量也不断增大，地基承载力也会得以提高[4]。

在强夯追密施工过程中，强夯追密的加固深度是影响施工质量的重要因素，实际施工过程中，多根据经验确定强夯追密的加固深度，如公式（2）所示。

式（2）中：H为有效加固深度，m；G为夯锤的重量，t；z为夯锤的落距，m；在确定强夯追密的加固深度时，还需要考虑地下水位及填料特性的影响，对加固深度进行修正。

3.2 强夯追密技术加固路基的影响因素分析

3.2.1 单击夯击能

单击夯击能越大，对路基表面浅层土体的压密效果越好，由于夯击能在土体传递过程中不断扩散，所以对路基表面以下深层土体的加固效果，会随着竖向深度的增加而逐渐减小。

单击夯击能的大小由夯锤的重量及高度决定，在实际施工过程中，夯锤的重量及高度不宜过大或者过小。夯锤的重量及高度过小则夯实能量不足，从而导致路基的强度和承载力达不到要求；夯锤的重量及高度过大，则会在路基表面形成一层橡皮土，加固效果减弱，还会造成资源浪费。

3.2.2 夯锤的底部面积

夯锤在与路基表面接触的瞬间，夯锤动能会全部转换成对路基的作用力，从而起到给路基加固的作用。在进行能量传递的过程中，会对路基土体的结构造成一定程度的破坏，使得路基土体孔隙之间的空气被排出，土体的压缩性降低，路基承载力提高。

从能量角度来看，相同夯锤冲击作用下，夯锤底部的面积越小，对路基土体的冲击力也就越大，土体的破坏形式以剪切破坏为主，加固深度也增大。但当夯锤底部面积过小时，虽然对夯锤底部土体的加固效果较好，但在夯锤周边的土体可能产生隆起，这样就需要通过增加夯锤点来达到路基整体加固效果，工程量增加。当夯锤面积过大时，相同夯锤重量及高度情况下，对路基土体的加固作用力相对较小，可能因为夯击能不足，土体不会发生结构破坏，加固效果不能得到保证。

3.2.3 夯击遍数

单夯击实能量、夯锤低面积及夯点平面布置确定后，需要确定的是夯击次数和遍数，路基底部一定范围内土体的强度会随着夯击次数和遍数而逐渐增加，但当夯击次数和遍数达到一定数量后，较深范围内路基土体强度的变化不再明显。

在施工过程中，利用水准仪对不同夯实遍数下的路基沉降量进行检测，结合相关规范标准确定最佳夯击遍数，控制击实能为2500kN∙m，得到不同击实遍数下路基的单击沉降量，如图2所示。

图2 不同夯实次数下路基单击沉降量

由图2 可知，不同夯击能情况下，随着夯击次数的增加，路基的单击沉降量表现为逐渐减少，最后趋于稳定。当夯击能为2500kN·m 时，夯击次数为1～6时，路基的单击沉降量下降比较明显，由32cm 下降到3cm，然后趋于稳定，最终的单击夯沉量稳定在1cm 左右，根据建筑地基处理技术规范中的规定，夯击次数为7 次时，能够满足沉降量要求。 当夯击能为3500kN·m 时，夯击次数为1～6 时，路基的单击沉降量下降比较明显，由42cm 下降到4cm，然后趋于稳定，最终的单击夯沉量稳定在1cm 左右，根据建筑地基处理技术规范中的规定，夯击次数为6 次时，能够满足沉降量要求。不同夯击能情况下路基的单击沉降量差值随着夯击遍数的增加而不断减小，且夯击能越大，单击沉降量也越大：单击沉降量差值分别为10cm、8cm、7cm、4cm、2cm、1cm、1cm、1cm、0cm、0cm，说明第六次夯击后，夯击达到饱和，夯沉量的值趋于稳定。

夯击遍数以施工单位的现场试验来确定，国内在强夯追密法施工的时候一般都是，先进行2～4 遍点夯，然后再进行1～2 遍的满夯，具体夯击遍数应根据路基填料的材料特性和渗透性进行适当增加或减少。

4 结论

本文以河北省延崇高速K36+290～K36+490 高填方试验段为工程背景，对特殊路段处路基填料的工程特性进行了研究，并分析了强夯追密处理技术在高填方路基中的加固机理及强夯追密处理技术在加固过程中的影响因素，得到以下结论：一是试验段填料的不均匀系数Cu为21.0，曲率系数Cc等于1.19，液限为32.4%，塑性指数为16.7，满足公路路基设计规范中关于路基填料的要求。二是路基填料的干密度随着含水率的增加而逐渐增加；当含水率达到最优含水量后，路基填料的干密度会随着含水率的增加而逐渐减少。相同含水量条件下，路基填料的孔隙比和压缩模量随着压实度的增加而增加，压缩系数逐渐降低，填料的压缩性也越低。三是强夯追密法具有施工速度快，对环境污染较小等优点。在施工过程中应合理选择单击夯击能、夯锤的底部面积、夯击次数和遍数等强夯参数，以保证强夯追密法路基加固效果。