强夯法加固公路地基的设计方法研究

李圣彬　卢　伟

[摘要]强夯法能提高地基土的强度、降低其压缩性,目前已在工业民用建筑、公路及铁路路基等地基加固工程中得到成功运用。但至今尚无一套非常成熟的设计计算方法供施工者应用,结合工作实践,探讨和分析强夯法的主要设计参数。

[关键词]强夯法 公路及铁路路基 设计参数

中图分类号:TU4文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0810082-01

一、引言

强夯法虽然已在工程中得到广泛的应用,但至今尚无一套非常成熟的设计计算方法。目前通常是针对工程实际情况根据经验初步选定设计参数,再通过现场试验的验证和必要的修改后,最终确定出适合于现场土质条件的设计参数。强夯法的主要设计参数包括:有效加固深度、夯击能、两遍夯击间隔时间等。

二、有效加固深度的主要影响因素

土体的加固影响深度是任何一种地基处理方法都要重点考虑的问题之一。在强夯法中,加固深度是上部结构基础设计的主要依据。

(一)夯击能与加固深度。对于待加固的地基土体,所受应力除本身自重应力以外,唯一依靠的外应力便是夯锤的打击力,特定地基土体加固深度便直接由夯锤引起的外应力来决定。表述强夯夯击外应力的方式多种多样,如能量(Wh)、动压力(P/A)等。势能(Wh)不仅与加固深度表现出良好的相关性,而且由于量测计算以及表达方式简单,更易在工程上直接运用。

(二)夯锤底面积与加固深度。从大量工程实践出发,认为强夯夯锤底面积大小的选择,一是与起重机本身的能力有关,底面积过大,受设备拨杆起吊角度限制;二是与待加固地基土体类型有关。一般说来,对于砂质土和碎石填土等粗粒土采用小底面积2～4m2夯锤,对于粘性土采用3～4m2的夯锤,对于淤泥质土采用4～6m2的大底面积夯锤。究其原因,认为对于淤泥质土,若采用小面积夯锤会发生入土过深从而吸锤,造成起锤困难。而在粗粒土中则影响不大。

夯锤底面积的大小直接决定着夯锤着地时的动压力或称冲击压力,进而决定着强夯的加固深度。当单击夯击能相同时,锤底面积大,则锤底动应力小,夯坑浅,因分布面积大,衰减慢,锤底影响深度大。当锤底面积小时,锤底动应力大,夯坑深,因分布面积小,衰减快,锤底影响深度小。

(三)土体特征与加固深度。土体是固、液、气三相体,而液、气两相存在于固体颗粒之间的孔隙之中,加固土体的目的便是尽可能地缩小孔隙,排出液、气两相,使得固体颗粒更加靠近,甚至直接接触,其结果是土体的密实度增加,强度提高,压缩性降低。而表述土体密实程度最为直接的指标是孔隙比(度)或土体的容重。

与孔隙比(度)相比,土体的容重不仅反映了土体中固体颗粒排列的松紧程度,更能反映固体颗粒的矿物组成,特别是干容重愈大的土体,说明颗粒排列紧密,孔隙度低。容重的提高亦是土体强度提高的直接标志之一。干容重大,容许承载力高的土体对夯击外应力的阻力也大,使夯击力效率降低,进而减小加固深度。因此,加固深度应与土体的干容重成反比。如果说,土体容重反映了加固土体的组成和结构特征对强夯施工加固深度产生影响的话,土体的水分状况又是强夯施工中要考虑的重要因素。士体过于干燥,即使很密实,固体颗粒本身由于水分的缺乏,而处于单粒分散状态,夯击时,甚至由于振动而松动,强夯施工过后,地表层相对松散,密实程度不高便是由振动引起的。另一方面,适当的含水量会使固体中的胶粒成分激活,使分散的颗粒可以胶结在一起,同时,适当的水分含量还可使颗粒之间进行联接,从而提高土体的强度。

三、夯击能量的确定

单击夯能为夯锤重W与落距h的乘积。锤重和落距越大,加固效果越大。整个加固场地的总夯击能量(即锤重×落距×总夯击数)除以加固面积称为单位夯击能。强夯的单位夯击能应根据地基土类别、结构类型、荷载大小和要求处理的深度综合考虑,并可通过现场试验确定。

(一)总单位面积夯击能。一般粗粒土可取1000～3000kJ/m2,细粒土可取1500～4000kJ/m2,含水量高的软弱粘性土,加固深度大,单击能量大及承载力要求高时取大值。强夯加固地基土似乎有一个加固强度或密实度的极限值,Leonards认为其值相当于静力触探比贯入阻力Ps=15MPa,或标准贯入击数N63.5=3040。达到这一极限再增多夯击能只能使场地隆起,而无加固效果。这一极限对细粒土可定为加固至土体含强结合水时土饱和的含水量及其相应的密实度,因为此时孔隙水已不能排除,无法再加密;在黄土中,其值约为干密度1.8g/cm3,或孔隙比e=0.5;对粗粒土可认为此极限是相对密实度Dr达到0.8～0.9。

(二)每遍单位面积夯击能。对饱和土需要分遍夯击,这是因为每一遍夯击也存在一极限夯击能。根据梅纳关于饱和土夯击时土液化、孔隙水压力升高的观点,每遍极限夯击能为地基中孔隙水压力达到土的自重应力时的夯击能,此时土已液化,称之为每遍最佳夯击能或饱和夯击能。在实际工程中,实测的孔隙水压力值多达不到上覆土的自重应力值。其最大值与被测试的土类型、孔压测量仪表位置、夯点数量及夯击顺序有关。

在论述饱和土的加固机理时,已说明强夯时的孔隙水压一般为强夯挤密孔隙水压,与地震液化的孔隙水压不尽相同,而难以按孔隙水压值来确切判定饱和夯击能,但可认为夯击时锤底加固区的挤压力超过坑侧土的约束力,土隆起,此时已无加固效果不应继续夯击,可将此夯击能作为饱和夯击能,若土不隆起,则可继续夯击,使主压实区加深、扩大。试夯达到强夯要求的最后贯入度可用以控制施工,以控制加固效果。因此单遍夯击饱和夯击能应根据以下三条原则之一通过试夯决定,也可通过相似工程类比决定。1.侧土不隆起或每击隆起量小于每击夯沉量,这表明土仍可挤密。2.夯坑不得过深,以免造成提锤困难。为增大加固深度,必要时可在夯坑内加填粗粒料,形成土塞,增多锤击数。3.每击夯沉量不得过小,过小无加固作用。

四、两遍夯击间隔时间的确定

两遍夯击之间应有一定的时间间隔,以利于土中超静孔隙水压力的消散,所以间隔时间取决于超静孔隙水压力的消散时间。但土中超静孔隙水压力的消散速率与土的类别、夯点间距等因素有关。对于渗透性较好的砂土地基等,一般在数小时内即可消散完,但对渗透性差的粘性土地基,一般需要数周才能消散完。夯点间距对孔压消散速率也有很大的影响,夯点间距小,孔压消散慢,反之孔压消散快。当缺少实测孔压资料时,可根据地基土的渗透性确定间隔时间,对于渗透性较差的粘性土地基的间隔时间,一般应不少于3～4周;对于渗透性好的地基,则可连续夯击。

参考文献:

[1]刘司坤,强夯法处理高速公路砂土液化地基的实践与理论研究,河北工业大学,2002.

[2]郑颖人,强夯加固软粘土地基的理论与工艺研究,岩土工程学报,2000.

[3]李九林,强夯法在加固高速公路软弱和液化地基中的应用,铁道标准设计,2004.