强夯垫层法加固软土地基现场试验与机理研究.pdf

岩土工程与地下工程四川建筑第43 卷第4期强夯垫层法加固软土地基现场试验与机理研究支有，李德荣，陈刚，彭（1.云南交投集团公路建设有限公司，云南昆明6 5 0 0 3 2;2.中交公路规划设计院有限公司，北京1 0 0 0 8 8；3.北京交通大学,北京1 0 0 0 44）【摘要】软土地基承载力低、压缩性高，往往会对工程建设造成较大不利影响。目前地基处理方法种类众多，对于强夯垫层联合处理方法，特别是处理复杂多层软土地基，其理论和应用还有待进一步深化。通过在地基中部与两侧埋设分层沉降管等仪器，获得了地基土体在强夯处理过程中分层沉降、土压力、超静孔隙水压力与侧向位移数据，进而结合理论分析研究了强夯垫层法加固软土地基的机理，其机理主要包括3 个方面：碎石垫层的硬壳层作用、加快软土地基排水固结作用与置换部分土体形成复合地基作用。【关键词】软土地基；强夯垫层法；加固机理；孔隙水压力【中图分类号】TU472.3*10引言软土作为一种工程性质较差的特殊岩土，对工程建设会产生较大影响。软土地基处理方法在过去的半个多世纪内发展迅速并且成果斐然，目前主要的软土地基处理方法包括换填垫层、预压地基、压实地基、夯实地基、复合地基、注浆加固、加筋等 。随着国家“一带一路 计划的提出，促使地基处理技术逐渐从单一技术向多种技术组合综合使用的形式转变。对于强夯垫层联合处理方法特别是处理复杂多层软土地基,其理论和应用还有待进一步加强。关于强夯法机理，创始人L.Menard2提出了一个动力固结模型以反映强夯加固地基的固结情况。Gambin3认为地基土体的压密作用主要是由于土体受到荷载的冲击波作用而引起，而其中剪切波的传导则是引土体密实的主要因素。郑凌透等4 对强夯加固过程中块石动态机制和置换加密过程进行了数值模拟分析。吕建兵5 通过软土地及强夯加固处理实例,研究了强夯法的加固机理与加固效果。徐玉胜等6-7 通过建立室内模型研究了强夯夯击过程中碎块石的运动状态与土体的发展规律。孟庆山8 、朱常志9 通过现场试验数值模拟等方法研究了软土地基在冲击荷载作用下的固结变形机理。目前对于强夯法的加固机理研究较为充分，但对于强夯垫层法处理过程中地基土体沉降与孔压变化情况，以及碎块石垫层在加固软土地基中的作用等方面，仍需要进一步研究。1工程概况本文依托于西南某高速公路项目,项目中段为河流侵蚀堆积地貌。主要的特殊岩土为软弱土和饱和粉细砂土，主要的工程病害为承载力不足、压缩性大、遇地震容易砂土液化等。由于该地区沉积环境复杂，成因多样，导致其软土地基呈现软硬层互层,软基分布深度不均匀且变化较大。根据其地质成因、地层情况与层状构造特征，大致可将河谷区复杂沉积环境河漫滩相软土地基分为3 类：深层型、浅层型、夹层130坤?,杨天琪【文献标志码】A型。如图1 所示。硬壳层软土层砾卵石层岩层浅层型图1 河谷区复杂沉积软土地基分类项目组钻孔取样进行室内试验确定了该段软土地基工程性质，主要指标见表1。针对该段复杂沉积条件的软土地基，项目组提出了碎石垫层+强夯+堆载预压处理方案。本项目强夯垫层法主要采用点夯2 5 0 0 kJ与满夯8 0 0 kJ组合，强夯施工前铺设5 0 cm片块石+1 5 cm碎石垫层，之后对处理范围内软土地基进行点夯（4击共1 遍），夯击能2500kNm,夯点间距5 m,等边三角形布置；满夯处理(2 击共1 遍)采用搭夯处理，要求1/4锤印相交,单点夯击能8 0 0kJ,最后以2 击平均沉降差不大于1 0 0 mm作为控制指标。施工过程中，观测夯击时侧向隆起情况。当隆起量大于20cm时（相对原地面)则间隔一段时间,待孔隙水压力消散后方进行下一遍强夯施工。点夯、满夯，均从中间夯点向两边推进，以利于孔隙水压力消散。2实测数据分析现场监测是评价工程质量最可靠有效的方法，尤其针对定稿日期 2 0 2 2-0 3 -2 3【作者简介 支有（1 9 7 5 一），男，本科，高级工程师，主要从事公路工程特殊路基处治、高边坡防护、滑坡治理的设计、施工、管理等工作。硬壳层软土层砾卵石层深层型硬壳层匕软土层砂卵砾石层仁岩层E上上夹层型支有，李德荣，陈刚，等：强夯垫层法加固软土地基现场试验与机理研究表1 土体物理力学性质指标统计天然密度/压缩系数/土层名称天然孔隙比e(g/cm3)粉质黏土软塑1.236粉质黏土可塑0.828粉质黏土硬塑0.626含砾粉质黏土0.582粉土0.917强夯垫层法这种实践先于理论的地基处理方法，通过现场监测数据更能在一定程度上反应其加固机理。根据地勘资料，地基中存在可塑状至软塑状粉质黏土、砂土、粉土、砂砾、圆砾等土层。综合考虑相接触地层的类型以及软土地基分布的复杂程度，本文选取了典型断面进行分析，各断面地质剖面图与测试元件埋设见图2。50强务边界?9.02-30.图2 典型软土地基横断面与仪器埋设示意该断面属于浅层型软土地基，软土层埋藏深度2 5 m。分层沉降管布设在线路左右两侧，土压盒计与孔隙水压力计埋设在线路中心地面以下2 8 m位置,间隔2 m布设。图3 为右侧坡脚位置分层沉降管在强夯处理期间1 9m各土层分层沉降情况。在点夯与满夯的过程中各层土体均发生沉降,沉降最大为7 mm，但强夯过后土体迅速触变回弹。从不同深度土体变形情况来看，浅层型软土地基强夯加固时，由于强夯产生的巨大冲击能，地基下软土层被强夯向路基两侧挤出,使得浅层1 3 m土体发生抬升隆起,4 6 m土层出现明显沉降，7 m以下土体受强夯影响微弱，变形量较小。15E105-102019/06/19图3 2-3 沉降管强夯期间磁环分层沉降图4为软土地基土压力累积变化示意。软土地基在强夯阶段随着点夯与满夯的进行，土压力有明显跳跃式升高，浅层土体土压力变化最大达3 8 kPa，且浅层土体土压力的增幅要大于深层土体，说明强夯垫层法对浅层土体的加固效果明显更好。在静置期深层土体土压力回落，中浅层土体土压力逐渐保持稳定，之后当路基开始填筑，土压力显著升高。由于强夯垫层法能够将碎块石挤入软弱土中，挤密了软土层与砂土层，导致土压力升高。同时碎石的挤人使得软土孔隙比增大，打开了软弱土与碎石土之间的排水通道,加速压缩模量/塑性指数液性指数1.7616.11.9414.12.0514.22.0915.61.818.92.00%2.00%2019/06/232019/06/27粘聚力/kPa内摩擦角/()MPa-1MPa0.820.520.500.320.210.220.150.230.590.37150E130110907050301010E2019/05/25 2019/09/022019/12/112020/03/20 2020/06/28 2020/10/06一削面沉降管图例丰测斜管、磁环孔压计：土压力盒磁环1.0 m磁环2.0 m磁环3.0 m磁环4.0 m磁环5.0 m磁环6.0 m磁环7.0 m磁环8.0 m磁环9.0 m2019/07/012019/07/054.35.87.56.95.2图4软土地基土压力累积变化示意了软弱层的排水固结，地基土压力在之后的静置期逐渐增长。路基填筑过程中由于排水条件较好，路基堆载导致土压力升高较为迅速。图5 为路基中心位置地基以下1 7 m深度处土体超静孔隙水压力变化情况。可以发现软土地基不同深度孔隙水压力在强夯期间（7 月）点夯与满夯过程中均有明显升高，软土层与砂土层的区别不是特别明显，浅层较深层升高幅度更大。3525155152019/06/16 2019/06/26 2019/07/16 2019/07/26.2019/08/05、2 0 1 9/0 8/1 5图5 软土地基孔隙水压力累积变化在处理结束后的静置期，孔压在2 个月内迅速消散，深层砂土与卵砾石层孔压消散较快，浅层粉质黏土等软弱土孔隙水压力消散相对较慢。此时地基固结沉降不断发展，超静孔隙水压力逐渐消散并转换为有效应力。1 2 月随着路基开始进行填筑，超静孔隙水压力有小幅度的升高。分析路基右侧坡脚2-3 测斜管记录的地基以下0 7.5m深度土体侧向位移情况：在强夯的点夯处理期间地基最大侧移量3 6 mm,发生在浅层2 m深度位置。在满夯处理时最大侧向位移进一步扩大至6 6 mm,发生位置上移至1.5 m深度,在经历一个月静置期之后土体侧向位移稍有回移4mm，为6 2.1 mm。说明强夯垫层法在加固软土地基时,地基土体特别是浅层软土层土体在强夯冲击荷载作用下容易被挤出而发生较大的侧向位移，并在强夯结束后会有一定程度的回移。35强夯垫层法加固机理分析强夯垫层法是以夯机吊起重锤达到一定高度落下，其巨大势能转化的动能将碎石、块石、矿渣填料等力学特性较好的材料挤入软土地基中,用碎块石将地基中的软弱层替换13111.424.829.636.216.57.2715.816.416.417.2埋深2.5 m理深4.5 m埋深6.0 m理深7.5 m埋深1.0 m埋深2.0 m埋深3.0 m埋深4.0 m埋深5.0 m埋深6.0 m理深7.0 m岩土工程与地下工程掉,在地基中形成一个硬壳层结构，从而提高地基土体的承载力，达到减小工后沉降的目的。目前主流的观点认为，强夯法处理地基的加固机理主要有动力置换、动力固结与动力密实3 个方面9 。根据相关理论分析结合现场监测资料，笔者认为强夯垫层法加固软土地基的加固原理主要是靠近于上述3 种强夯加固原理中的“动力置换”，但稍有不同且更为复杂。强夯垫层法加固软土地基，使得地基土体浅层由于被碎石块石填料置换挤密而形成的嵌固结构，浅层土体被碎块石冲击打开排水通道，都是强夯垫层法加固软土地基机理的组成重要部分。根据现场实测数据反应，在强夯垫层法处理软土地基过程中，浅层1 2 m深度土体虽部分被挤出发生隆起，但中层25m土体发生了较明显的压实沉降，说明强夯垫层法能起到使软土地基提前发生排水固结沉降的作用，进而减少了施工阶段与工后沉降。受到强夯处理后浅层土体土压力得到明显的提升，而5m以下深度土体土压力提高幅度不大，说明强夯垫层法在施加巨大冲击荷载的同时，将碎块石挤入软土地基，进而有效地提高了浅层软土地基的变形模量与承载力。超静孔隙水压力在处理过程中有所升高但消散迅速，且在之后降至低于原孔隙水压力，这是由于强夯垫层法处理打开了软土地基排水通道使得土体超静孔压能够即使消散。综上所述，本文将强夯垫层法加固软土地基的机理总结为几个方面：（1)碎石垫层的硬壳层作用：通过抬起夯锤高落产生的巨大与冲击力，将软土地基上铺填的一层碎石垫层挤密夯实，使该层碎石垫层由之前松散的堆积结构变成紧密稳定的嵌固结构，这一层类似硬壳层结构，具有一定的厚度、强度和刚度。该层结构可以承担路基荷载产生的一部分剪力，优化了硬壳层与下卧软土层之间荷载的传递方式。(2)加快软土地基排水固结作用：当软土地基土体受到强夯巨大的瞬时动力冲击作用时，软土地基土体在巨大动能作用下原结构发生破坏，大量块石碎石被强夯挤入土体的同时使得土体的孔隙率剧增,软弱土层与碎块石土层之间的排水通道被打开，在高额超静孔隙水压力的作用下软土地基迅速发生排水固结，随着超静孔隙水压力逐渐消散，土体固结度提升与固结的完成，地基土体压缩模量和抗剪强度得到有效提高。（3)置换部分土体形成复合地基作用：强夯将碎石填料挤密土中,用碎石等性能良好的材料置换掉地基中部分淤泥等软弱土，被挤人软土地基中的碎石块石与黏土紧密结四川建筑第43 卷第4期合,形成置换地基，以类似于复合地基的形态来提高地基承载力。4结束语通过现场监测实测数据与相关理论分析，得到结论：(1)研究了该地区复杂软土地基的成因、分布与工程性质，并将该段软土地基分成了浅层、深层与夹层型3 类，分述了其地层特征与工程性质,为针对性的地基处理提供了参考。(2)对典型软土地基段在强夯垫层法处理过程中地基分层沉降、土压力、超静孔隙水压力与侧向位移变化进行了分析,通过现场监测数据的分析为强夯垫层法加固软土地基机理的研究提供依据。（3）总结了强夯法的主要加固机理，结合实测数据分析，提出强夯垫层法加固软土地基的主要机理包括碎石垫层的硬壳层作用、加快软土地基排水固结作用与置换部分土体形成复合地基作用3 个方面。1文刘汉龙,赵明华.地基处理研究进展J土木工程学报,2 0 1 6，49(1):96 115.2Menard Broise-Y.Theoretical and practical aspects of dynamic con-solidationJ.Jounal of Geotechnical Engineering,1975,25(1).3P.Gambin-M.The Menard dynamic compaction method at NiceairportJ.VII FCSMFE,1983,I.4郑凌透，周风华，谢新宇.强夯置换中碎石运动机制和成墩过程的数值模拟J.岩土工程学报,2 0 1 3,3 5（1 1）：2 0 6 8-2 0 7 5.5吕建兵.强夯加固软基机理及其在道路工程中的应用J.路基工程,2 0 0 8(2):1 6 1-1 6 2.6徐玉胜，赵有明，高明显.强夯置换法处理软土地基的模型试验研究J.铁道建筑,2 0 1 1（1):7 7-8 0.7徐玉胜.大能量强夯置换法处理深圳地区软土地基的应用研究D.北京：中国铁道科学研究院，2 0 0 9.8孟庆山.淤泥质粘土在冲击荷载下固结机理研究及应用D.武汉：中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所），2 0 0 3.9朱常志.软土地基堆载预压联合强夯的固结变形与承载性状研究D.北京：中国矿业大学（北京）,2 0 1 8.10任新红.强夯法加固地基的机理探讨J.路基工程,2 0 0 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