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浅谈公路施工软基加固处理的强夯技术

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  1 工程情况
  该路段位于德州市德城区国道、省道交汇处,施工单位施工时出现高含水量、低强度、高压塑性的超软弱黏土。地层自上而下为:
  ①人工填土,色杂、松散――稍密,厚度1.0m~2.0m;
  ②海陆交互相沉积层(软土层),为淤泥,淤泥质粉质黏土,夹淤泥质细纱,灰黑色,饱和,流塑,松散,该层层底埋深3m~15m左右;
  ③冲积层。杂色,花斑状粉质黏土,可塑,灰黑色淤泥质粉质黏土,饱和、流塑及灰黑色中砂层,饱和、松散――稍密,厚约0m~8m;
  ④残积层,为黄-灰黑色砂质黏性土、硬塑为主,为花岗岩残积土,厚约0m~6m。天然含水量W0=73.2%,液性指数IL=1.66,塑性指数IP=24.8,孔隙比e0=2.013,压缩系数α=2.247MPa-1,竖直向固结系数Cv=0.792x10-3cm2/s,水平向固结系数Ch=5.019×10-3cm2/s,内摩擦角φ=6.4°,凝聚力c=6.2kpa,容许承载力[σ0]=40kpa。根据估算,在不作软基处理情况下路基极限填土高=1.86m左右。
  2 施工方案
  2.1 选择合理的处理方法
  常用的软土路基处理方法有清淤换填、袋装砂井(插塑板)、强夯法、真空预压、碎石柱、搅拌桩、CFG桩等多种。袋装砂井(插塑板)加预压排水固结方法需预压,一般固结的时间较长(180d~360d)工后沉降较大;同时本工程所处的位置距河口非常近,受潮汐影响水位变化大,由于微薄砂层的存在,与附近河水水力联系密切,排水固结效果不甚明显。特别是有些地段地层上部分布杂填土(如原已填鱼塘地段),地基采用此方法处理困难。
  对桥头路堤,由于填土相对较高,工后沉降要求不大于0.1m,可采用复合地基处理。对于软体厚度小于15m的桥头路基采用水泥搅拌桩,大于15m的地段采用CFG桩处理。该处理方法效果好,亦不需预压,但工程造价较高,不能广泛采用。
  袋装砂井(插塑板)加强夯法:它通过设置竖向排水体系(袋装砂井),并结合静荷载(填土堆载)和动荷载(强夯夯击能),使得地基土在较短时间内完成大部分固结沉降,减少工后沉降并迅速提高承载力。
  2.2 作用原理
  强夯法加固非饱和土的过程,就是土中的气相被挤出的过程。而对饱和土,传统的固结理论认为,在快速加荷条件下,孔隙水无法瞬间排出,所以是不可压缩的,但无法解释饱和土在强夯后产生的明显较沉降。L•梅耶动力固结理论认为:
  (1) 强夯中土的渗透系数是随时间变化的;
  (2) 强夯中饱和土孔隙水具有压缩性;
  (3) 强夯中饱和土有局部液化现象;
  (4) 强夯中饱和土有触变现象。
  单纯的强夯由于竖向裂缝的产生并非规则的和连续贯通的,因而在孔隙水和气体排除过程中并非很畅通,这就造成在施工过程中孔隙水压力消散缓慢,从而影响到加固的效果和施工进度,效果不佳。采用排水固结法结合强夯,当土体受到冲击载荷时,土中孔隙水压力增加,孔隙水可渗透到袋装砂井中,沿袋装砂井直接排到地表,这样缩短了排水距离,加速了孔隙水压力的消散过程和地基沉降的发展,而达到加固的目的。
  2.3 设计参数
  到目前为止,强夯法还没有一套成熟和完善的理论和设计计算方法,只能通过试夯的方法确定施工参数。试夯区面积不应小于20m×40m,对不同地址条件,至少进行一处试夯,通过试夯确定施工参数,如夯锤重量、夯锤落距、单击点夯击能、夯点距离、间歇时间、夯击遍数及有效加固深度等。
  (1) 加固深度按下式估算
  H=α(m h)1/2
  式中:m――锤自重,t;
  h――锤落距,m;
  α――修正系数,黏性土取0.6左右;
  H――强夯影响深度,m。
  (2)强夯机具、夯锤重量、夯锤落距的选择。强夯机械采用履带式起重机械,一般国内夯锤重为10t~25t,我国至今采用的最大夯锤重为40t,夯锤一般采用圆形,带气孔的锤较好。同时,由于软基强夯过程中产生较深的夯坑,会产生一定的能量损失,所以对于软黏土,锤底的面积不宜小于6m2。目前我国通常采用的夯锤落距一般为8m~20m。
  (3)软土夯击工艺及参数往往决定强夯法的效果,根据试夯结果和附近施工资料,强夯夯击遍数、单点夯击能、夯击次数、夯点间距、每遍间隔时间、夯击顺序等参数参考值见表1。
  表1 软土夯击参数表
  夯击遍数 第一遍 第二遍 第三遍 第四遍 第五遍 满夯
  点夯能量/KN•m 1000 1500 2000 3000 4000 800
  点夯击数 2 2 3 3 3 2
  夯距/m 4 4 4 4 4 4
  点夯击数 7 7 7 7 7 7
  
  注:当软土厚小于5m时点夯击四遍,软土厚大于5m时夯击五遍,各遍点夯能量、击数、夯距、每遍间隔时间均相同。
  首先应查明场地下建筑物及地下管线,采取适当的措施,以免造成损坏。地表上铺设1.0m(一般要求0.5m~2.0m)厚砂垫层。砂垫层起到支承起重设备、扩散“夯击能”的作用,也起到作为地下水排出通道的作用。
  袋装砂井布置间距1.5m~2.0m,直径0.07m,等边三角形布置。
  3 效果检测
  测试应在孔隙水压力消散后进行,一般应在强夯结束一定时间后进行检验。试验点应分别取在夯点及夯点间,常用的方法有静力触探、荷载试验、波速试验等。检测表明效果如下:
  (1) 孔隙水压力一般在一个星期内基本消散完毕,设置的排水措施使其达到原设计参数条件要求,起到了不错的效果。避免了由于孔隙水压力消散慢,导致土体液化出现“橡皮土”的现象。
  (2) 本工程的加固深度一般在12m以内,但处理效果明显的只在表层8m以内,主要是由于现场没有高能量的强夯设备,夯击能量参数没达到4000KN•m设计要求,所以有效加固深度没有达到设计预计效果。根据现场的实际情况,及时对设计措施进行了调整,对软土分布和深度在8m以上的地段采取了复合地基、真空预压等其他处理措施。
  表2 地基下沉量对照表
  夯前平均固结沉降 32
  强夯平均沉降 点夯 52
   满夯 25
  强夯平均沉降 77
  由表2看出,强夯处理能短时间内完成加固深度内的沉降,有效减少后期沉降的影响。
  4 目前软黏土地基的强夯处理须注意的问题
  (1)动力固结理论未完全成熟。土体的沉降主要是动力固结、侧向变形、上部一部分土体发生超固结等组成。
  (2)软黏土地基强夯必须关注如何降低孔隙水压和增大有效深度。然而两者有所矛盾,增加加固深度,要求增加能量,而增加能量,按常规工艺会增大孔压。目前软黏土地基强夯处理效果不佳的原因有三个方面:一是由于夯击能量不足,有效加固深度不够,下部土体未完成固结沉降;二是由于强夯使上部软黏土结构性破坏,不仅降低了强度,还大幅度降低了渗透性;三是当前规定的强夯工艺不适应软黏土地基强夯特点,导致地基中孔隙水压力居高不下而形成“橡皮土”。
  (3) 强夯法宜用于要求施工期短缺少预压时间、或者缺少预压荷载、软土层较浅、宽大场地排水不易等情况,特别是在上覆杂填土或大块石的地基。对于一般在正常条件下处理的软基,强夯法由于同样需要结合砂井及垫层,所以处理费用比普通填土预压措施要贵,但它比复合地基便宜,施工也方便。
  5 结 语
  随着公路建设的快速发展,强夯加固软土地基理论和实践发展也越来越快,在很多工程中取得了良好的效果。强夯法是较为经济合理、技术较为可靠的地基处理方法。因此,在进行软基处理时要强调过程控制,强调用经验来指导施工,切忌忽视过程技术数据,只看最终检测结果的情况发生。
  
  参考文献
  [1] 张庆国,强夯法加固机理与应用[M],济南:山东科学技术出版社,2003。
  [2] 刘玉卓,公路工程软基处理[M],北京:人民交通出版社,2002,107-118
  
  注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。


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