宋修廣，孫潤生，董 行，劉西利，王 珂，薄 敏，桑雪瑞

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061; 2.山東大學(xué) 山東省路基安全工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250061; 3.山東省昌樂縣公路局,山東 昌樂 262400; 4.東營市遠(yuǎn)創(chuàng)現(xiàn)代置業(yè)有限公司，山東 東營 257200; 5.山東省公路建設(shè)(集團(tuán))有限公司，山東 濟(jì)南 250102)

0引 言

強(qiáng)夯法又稱動(dòng)力固結(jié)法，最早是由法國工程師Menard提出，因具有施工簡單、速度快、費(fèi)用低、加固效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，已被大量應(yīng)用到碎石土、粉土、黏土、濕陷性黃土等不良地基處置中[1-5]。黃河沖積平原巖性一般以粉細(xì)砂土、粉土和黏土為主，但在某些地區(qū)含有由洪積、淤積所形成的軟弱夾層結(jié)構(gòu)。由于強(qiáng)夯加固黃泛區(qū)時(shí)存在超孔隙水壓力消散較慢、土體液化、軟弱夾層結(jié)構(gòu)吸能等問題，所以近年來國內(nèi)外學(xué)者開展了有關(guān)強(qiáng)夯處置粉質(zhì)黏土工作機(jī)制研究[6-9]，本課題組采用現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)合有限元分析手段對強(qiáng)夯加固黃泛區(qū)粉質(zhì)黏土施工工藝開展研究[10-12]，目前孔壓消散較慢、土體液化問題基本解決，但有關(guān)黃泛區(qū)含軟弱夾層結(jié)構(gòu)強(qiáng)夯施工現(xiàn)場試驗(yàn)研究一直未見報(bào)道，合理經(jīng)濟(jì)的施工參數(shù)也未能提出。為更真實(shí)掌握該類地質(zhì)條件下強(qiáng)夯作用效應(yīng)，本文結(jié)合山東省某在建高速公路，通過分析強(qiáng)夯過程中夯沉量、超孔隙水壓力、強(qiáng)夯前后標(biāo)貫擊數(shù)及土體物理力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，系統(tǒng)研究強(qiáng)夯處置該類地基有效加固深度及處置效果，確定了適合該地區(qū)的強(qiáng)夯施工參數(shù)。所得結(jié)論可以指導(dǎo)該地區(qū)強(qiáng)夯施工，優(yōu)化工藝參數(shù)，并為類似工程提供參考。

1試驗(yàn)場地基本概況

強(qiáng)夯試驗(yàn)段位于魯西黃泛平原區(qū)，巖性以粉質(zhì)黏土、黏土為主，局部含有淤泥夾層，地下水位約為2.95 m。依據(jù)地勘資料，其土層劃分及物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。根據(jù)物理力學(xué)指標(biāo)分析，本試驗(yàn)區(qū)第②層土質(zhì)呈軟塑狀態(tài)，含部分有機(jī)質(zhì)，天然含水率接近液限，孔隙比接近1，100～200 kPa下壓縮模量僅為3.01 MPa，為低液限有機(jī)質(zhì)高壓縮性黏土。

表1試驗(yàn)場區(qū)土層物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1Physical and Mechanical Indexes of Soil in Test Area

2試驗(yàn)方案

2.1強(qiáng)夯試驗(yàn)參數(shù)確定

Menard公式為最常用的估算加固深度公式，根據(jù)Menard公式，強(qiáng)夯有效加固深度H為

(1)

式中：W為錘的自重；h為落距；α為修正系數(shù)。

根據(jù)王琨等[13]的研究，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，α取值為0.55。試驗(yàn)選擇1 500，1 800，2 200，2 500 kN·m四種夯擊能，計(jì)算得到有效加固深度預(yù)估值，如表2所示。

試驗(yàn)區(qū)由4個(gè)18 m×42 m長方形區(qū)域組成，分別對應(yīng)4種夯擊能。夯點(diǎn)間距為6 m，按正方形布置；采用2遍點(diǎn)夯與1遍滿夯相結(jié)合方式，滿夯夯擊能為800 kN·m，夯點(diǎn)布置如圖1所示。

表2不同夯擊能下有效加固深度預(yù)估值Tab.2Prediction Values of Effective Reinforced Depth Under Different Tamping Energies

2.2強(qiáng)夯監(jiān)測方案確定

為監(jiān)測強(qiáng)夯過程中超孔隙水壓力變化，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)設(shè)置3個(gè)鉆孔，每鉆孔于3，5，7，9，11 m深度處埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)。超孔隙水壓力監(jiān)測貫穿整個(gè)夯擊過程，并且1遍點(diǎn)夯結(jié)束后立即對1，2，5，10，30 min和1，2，24 h孔壓計(jì)數(shù)據(jù)監(jiān)測并記錄，孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)如圖2所示。

為評價(jià)強(qiáng)夯處置效果，分別對夯前、夯后地基承載力、標(biāo)貫擊數(shù)及土質(zhì)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測試，通過上述參數(shù)變化來判斷強(qiáng)夯有效加固深度，并在此基礎(chǔ)上推薦該地區(qū)合理的施工參數(shù)。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1夯沉量變化規(guī)律

強(qiáng)夯過程中對部分區(qū)域夯沉量進(jìn)行觀測，現(xiàn)取2個(gè)夯坑進(jìn)行分析，得到夯沉量與夯擊次數(shù)變化關(guān)系如圖3所示，夯沉量與總夯擊能關(guān)系如圖4所示。

由圖3，4可知：隨著夯擊次數(shù)增加，土體被強(qiáng)大的沖擊能所震擾，逐漸處于密實(shí)狀態(tài)，單擊夯沉量呈下降趨勢，其中前4擊單擊夯沉量較大，當(dāng)超過4擊后，曲線逐漸趨于平緩，最后2擊單擊夯沉量變化不大；對于黃泛區(qū)含有軟弱夾層地層結(jié)構(gòu)，由于軟弱夾層存在吸能效果，累擊夯沉量隨總夯擊能變化并非線性增加，其中在總夯擊能為12 000～14 400 kN·m范圍內(nèi)增長了20 cm，14 400～20 000 kN·m范圍內(nèi)增長了10 cm，曲線在14 400 kN·m位置處出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)以下增長速率大，拐點(diǎn)以上增長速率小，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，1 500，1 800，2 200，2 500 kN·m四種夯擊能下單點(diǎn)夯擊最優(yōu)參數(shù)為8，8，7，6擊，在相同擊數(shù)下，選擇單夯夯擊能為1 800 kN·m更為經(jīng)濟(jì)合理；根據(jù)現(xiàn)場情況及試驗(yàn)結(jié)果，停夯標(biāo)準(zhǔn)為S1500≤50 mm，S1800≤70 mm，S2200≤100 mm，S2500≤100 mm，其中S為不同能級下每個(gè)點(diǎn)位最后2擊平均夯沉量。

3.2超孔隙水壓力沿深度方向分布規(guī)律

如圖5所示，不同夯擊能下超孔隙水壓力沿深度方向分布規(guī)律如下：強(qiáng)夯作用引起的表層孔隙水壓力遠(yuǎn)大于深層，且不同夯擊能下超孔隙水壓力沿深度分布規(guī)律基本一致；3～7 m范圍內(nèi)超孔隙水壓力迅速衰減，7 m位置處超孔隙水壓力已衰減至最大值的50%以上，當(dāng)超過7 m位置后，隨著深度增加，超孔隙水壓力衰減速率減慢，9 m位置處超孔隙水壓力衰減到0～2 kPa。由此可見：強(qiáng)夯具有2次衰減的特性，曲線在7 m位置處存在拐點(diǎn)，以孔隙水壓力沿豎向傳播曲線的拐點(diǎn)為界將強(qiáng)夯加固地基劃分為強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)和弱擾動(dòng)區(qū)。

本課題組通過大量實(shí)踐研究認(rèn)為，可用附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值σz/σS=0.1(或0.2)作為有效加固深度判別標(biāo)準(zhǔn)，即取超孔隙水壓力為10%或20%自重應(yīng)力時(shí)的深度作為有效加固深度臨界值。在本次試驗(yàn)中強(qiáng)夯產(chǎn)生的附加應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化成超孔隙水壓力。由于試驗(yàn)場地以粉質(zhì)黏土、黏土為主，根據(jù)文獻(xiàn)[14]選用σz/σS=0.1更加合理。由圖5可知：夯擊能1 500，1 800，2 200，2 500 kN·m的有效加固深度分別為5.3，6.7，6.8，6.8 m。

3.3超孔隙水壓力消散規(guī)律

超孔隙水壓力消散速率如圖6所示。由圖6可知，1遍夯擊結(jié)束后，超孔隙水壓力開始消散，消散速率隨時(shí)間增加而遞減，夯后2 h，1 800 kN·m夯擊能時(shí)超孔隙水壓力消散至最大孔壓的50%，而1 500 kN·m夯擊能時(shí)僅消散至最大孔壓的35%，此外，在6～7 m位置處，1 800 kN· m夯擊能作用下引起的超孔隙水壓力略小于1 500 kN·m，其原因?yàn)槌紫端畨毫趶?qiáng)夯后測得，在高夯擊能作用下軟弱夾層被巨大的沖擊能量震擾，土體破碎重組，加速了軟基內(nèi)水的排出，而1 500 kN·m夯擊能下未能有效地影響到軟基，超孔隙水也未能及時(shí)排出，因而夯后一定時(shí)間內(nèi)超孔隙水壓力較大。

不同夯擊能下3 m位置處超孔隙水壓力消散速率如圖7所示。由圖7可知：由于淺層位置處4種夯擊能下超孔隙水壓力最大，可依據(jù)3 m處孔壓消散到最大孔壓的20%為依據(jù)來判斷不同夯擊能下超孔隙水壓力消散速率，分析可得4種夯擊能消散速率從小到大依次為1 500，2 200，2 500，1 800 kN·m；根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)超孔隙水壓力消散到最大超孔隙水壓力的20%時(shí)，可進(jìn)行第2遍點(diǎn)夯，可見對于此地基4種夯擊能下強(qiáng)夯間歇期為24 h。

4強(qiáng)夯加固效果評價(jià)

4.1強(qiáng)夯加固后的地基承載力

強(qiáng)夯結(jié)束28 d后，在強(qiáng)夯區(qū)夯點(diǎn)位置處進(jìn)行荷載試驗(yàn)，選擇0.25 m2圓形承載板，采用千斤頂分級加載方式，每級為15 kN；進(jìn)行試驗(yàn)之前先預(yù)壓2級，待讀數(shù)穩(wěn)定之后，卸載至0 kN并開始逐級加載，相鄰2級加載時(shí)間間隔及終止加載條件可參考規(guī)范[15]，各試驗(yàn)區(qū)的荷載-位移(p-s)曲線見圖8。

由圖8可知，p-s曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，取轉(zhuǎn)折點(diǎn)處對應(yīng)的荷載為極限荷載?，F(xiàn)將各試驗(yàn)區(qū)對應(yīng)的承載力特征值統(tǒng)計(jì)在表3中。

表3承載力特征值Tab.3Characteristic Values of Bearing Capacity

由表3可知：經(jīng)強(qiáng)夯處置后，地基承載力比夯前提高20%以上，夯后地基均能滿足填筑路基承載力要求；E=1 800，2 200，2 500 kN·m的地基承載力分別提高60%，80%，80%，其承載能力并沒有隨單夯夯擊能的增加而無限增大。基于地基承載力分析，在相同夯擊次數(shù)下，單夯夯擊能為1 800 kN·m時(shí)更加經(jīng)濟(jì)合理。

4.2強(qiáng)夯前后地基標(biāo)貫擊數(shù)變化

強(qiáng)夯處置28 d后，在各試驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)下進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)，強(qiáng)夯前后標(biāo)貫擊數(shù)變化見圖9。

由圖9可知：各夯點(diǎn)在0～6 m深度處，夯前6～10擊，夯后7～12擊，標(biāo)貫擊數(shù)比夯前提高16.7%～20%，增加明顯；各試驗(yàn)區(qū)在7.5 m以下標(biāo)貫擊數(shù)增幅不明顯，可見4種不同夯擊能下有效加固深度均未超過7.5 m。

4.3強(qiáng)夯土質(zhì)力學(xué)指標(biāo)變化

強(qiáng)夯處置28 d后，在各試驗(yàn)區(qū)不同深度處采集原狀土樣，運(yùn)至室內(nèi)進(jìn)行土工試驗(yàn)，得到土體主要物理力學(xué)指標(biāo)，見表4，5。

由表4，5可知:強(qiáng)夯處置后，土體由中-高壓縮性變?yōu)橹?低壓縮性，在0～6 m處，土體壓縮模量介于5.08～13.35 MPa之間，該范圍深度處各夯擊能下壓縮模量均有所增大，其中4.5 m位置處增長幅度最大，可達(dá)135%；在7.5 m處，壓縮模量介于6.11～6.87 MPa之間，增長幅度有所降低，在9 m處土體的壓縮模量基本沒有提高；強(qiáng)夯后檢測深度范圍內(nèi)土體干密度在1.4～1.65 g·cm-3之間，相比壓縮模量，干密度漲幅較小，在淺層位置處漲幅僅為3%～6.29%，分析其原因是土體密度受結(jié)合水膜影響較大且強(qiáng)夯在冬季施工，淺層位置處結(jié)合水膜較薄，受到夯擊作用后，顆粒間難以發(fā)生錯(cuò)動(dòng)；其余位置處干密度變化規(guī)律與壓縮模量類似。綜合上述可知：強(qiáng)夯能夠有效地加固一定范圍內(nèi)土體；單純從強(qiáng)夯前后土體力學(xué)性質(zhì)變化判斷，1 800，2 200，2 500 kN·m夯擊能作用下加固深度為7.5 m，而1 500 kN·m夯擊能作用下加固深度為6 m。

表4強(qiáng)夯前后壓縮模量對比Tab.4Comparison of Compression Modulus Before and After Dynamic Compaction

表5強(qiáng)夯前后干密度對比Tab.5Comparison of Dry Density Before and After Dynamic Compaction

5強(qiáng)夯有效加固深度及工藝參數(shù)確定

強(qiáng)夯有效加固深度是指在正常施工條件下，地基加固到滿足設(shè)計(jì)要求的深度。目前判斷標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一[16-18]，主要從2個(gè)方面判斷：地基土工程性質(zhì)指標(biāo)能有明顯改善的深度；地基土豎向變形。本文綜合超孔隙水壓力、夯前、夯后標(biāo)貫及土體物理力學(xué)性質(zhì)變化分析該地區(qū)各夯擊能有效加固深度，結(jié)果列于表6中。

表6強(qiáng)夯有效加固深度Tab.6Effective Reinforced Depths of Dynamic Compaction

由表6可知：10%自重應(yīng)力法與土質(zhì)參數(shù)變化法判斷有效加固深度較為接近，今后類似工程也可采用10%自重應(yīng)力法作為判斷標(biāo)準(zhǔn)；有效加固深度并沒有隨夯擊能增加而增大，對比不同夯擊能下Menard加固深度公式可見，在一般夯擊能條件下，實(shí)際加固深度與Menard加固深度較為接近，在較大夯擊能下，Menard公式并不適用，分析原因是由于6.2～7.5 m范圍內(nèi)存在軟弱夾層，具有顯著吸收能量的效果，單純靠增大單擊夯擊能并不能增加有效加固深度。綜合試驗(yàn)結(jié)果，1 800 kN·m 單夯夯擊能更加經(jīng)濟(jì)合理，其施工工藝參數(shù)見表7。

6結(jié)語

(1)采用強(qiáng)夯法處置黃泛區(qū)含軟弱夾層結(jié)構(gòu)地基其承載力最大可提高80%，經(jīng)1 800，2 200，2 500 kN·m夯擊能處置后，軟弱夾層壓縮模量最大可提高30%，表明強(qiáng)夯加固此類地基效果顯著。

表7強(qiáng)夯施工工藝參數(shù)Tab.7Dynamic Compaction Construction Parameters

(2)綜合夯沉量分析，該地基采用強(qiáng)夯加固時(shí)總夯擊能不宜超過14 400 kN·m，考慮強(qiáng)夯有效加固深度，在相同擊數(shù)條件下，1 800 kN·m為最優(yōu)單夯夯擊能，其對應(yīng)施工參數(shù)可參考本文表7。

(3)單點(diǎn)夯擊結(jié)束后，超孔隙水壓力立即進(jìn)入消散過程，2 h后超孔隙水壓力消散35%左右，24 h后超孔隙水壓力消散90%左右，該類地基條件下強(qiáng)夯間歇期為24 h。

(4)對于黃泛區(qū)含有軟弱夾層地層結(jié)構(gòu)，可用超孔隙水壓力為自重應(yīng)力10%臨界值估計(jì)強(qiáng)夯有效加固深度；在一般夯擊能條件下，實(shí)際加固深度與Menard加固深度較為接近，在較大夯擊能下Menard公式并不適用。

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