强夯加固在山区高速公路半填半挖高填方路基中的应用

2022-12-07

随着公路建设的不断发展, 高速公路修建由平原逐步向山区推进, 给高速公路高填方路基的设计、施工提出了更高的要求, 尤其是对高填方路基的稳定性和工后沉降提出了新的要求, 施工记录不断被刷新, 与此同时给山区高填方施工提出了新的攻关课题。针对河北省保阜高速公路, 设计起点是河北保定市, 终点河北与山西交界的长城岭, 海拔由120米高的平原上升到1260米高的山区, 沿线设计了很多半填半挖高填方路基, 采用强夯加固具有显著的技术创新和独特性, 经济效益明显, 对于山区高填方路基施工具有广泛应用价值和指导意义。

1 强夯施工的工艺原理

采用强夯加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密实的机理, 即冲击型动力荷载使土体中的孔隙体积减小, 土体变的密实, 从而提高地基土强度。非饱和土的夯实过程, 就是土中的气相 (空气) 被挤出的过程, 其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起的。

根据大量国内外试验资料, 从土动应力场、干密度变化、土位移场及孔隙水压变化可归纳为如图1强夯法加固地基模式图。

由于巨大的冲击力远超过土的强度, 使土体产生冲击破坏, 土体产生较大的瞬时沉降, 锤底土形成土塞向下运动, 因锤底下的土中压力超过土的极限强度, 土结构破坏。由于土结构破坏, 使土软化, 侧压力系数增大, 侧压力增大, 土不仅被竖向压密而且被测向挤密, 这一主压实区就是图2-1中的A区。这一区的土应力δ (动应力加自重应力) 超过土的极限强度δf, 土被破坏后压实。由于土被破坏, 侧挤作用加大, 因此水平向加固宽度加大, 故加固区不同于静载土中应力椭圆形分布而变成水平宽度大的苹果形;在该区外为次压实区, 该区土应力小于土的极限强度δf, 而不大于土的弹性极限δL, 即图1中B区, 该区土可能被破坏, 但未被充分压实, 或仅被破坏而未被压实, 其原位测试结果表现为数据波动 (增长、下降或不变) , 故也可称为破坏削弱区;由于动应力远大于原来土的自重应力, 坑底土在侧向挤出时, 坑侧土在侧向分力作用下将隆起, 形成被动破坏区, 这就是图2-1中的C区。夯坑越深, 则被动土压力越大, 在B区外为D区, 这一区由于土动应力影响小, 已不能破坏土结构, 故不再压密或挤密。但强夯引起的振动可使这一区产生效应, 对黏性土, 因其具有内聚力, 土粒在振动影响下难以错动落入新的平衡位置, 故振动影响不足以改变土的结构而产生振密作用。

A为主压实区σ>σf;

B为次压实区σ<σf, σ>σL;

C为压密、挤密、松动区;

D为振动影响区;

σ为土压力, σf为土极限强度, σL为上强性极限;

ZA为主压实区深度范围, ZB为次压实区深度范围;

Pd为锤底动应力。

对砂土、粉土及少黏性土, 其内聚力低, 在振动波的作用下, 土粒受剪而错动落入新的平衡位置, 松砂类土可振密, 而密砂可能变松。因此这类土除夯点加固深度较大外, 临近的地面也可振陷, 甚至危害临近建筑, 使其产生振陷或裂缝。

2 工艺流程及操作要点

根据强夯原理和试验段来制定强夯施工工艺, 对于填方高度大于等于10m的土质或土石混填路堤每填筑4m进行一次强夯处理, 填够宽度与高度后 (注意预留强夯时的沉落量和侧移) 撒放灰线确定夯击点位准备强夯。要求每50m划分为一段, 第一遍 (主夯) 强夯点位应当沿线路纵向布设, 从线路中心线往外逐排进行夯击。根据填土性质和土层厚度每个夯击点需要夯击9~10锤用水准仪测量每一锤的沉落量, 当最后两锤的沉落量小于5cm该点视为合格。第一遍 (主夯) 夯击合格后, 及时用推土机推平, 若存在预留强夯沉落量不够的地方, 需要重新补土并推平后进行第二遍 (副夯) 夯击点图1强夯加固地基模式图图2强夯工艺流程图位的布设。第二遍强夯点位的布设原则与第一遍相同, 夯击点位中心布置在第一遍夯击点位交接处。第二遍夯击合格后 (最后两锤的沉落量小于5cm) , 若预留强夯沉落量不够的严禁重新补土, 及时用推土机推平夯坑准备第三遍 (满夯) 夯击, 第三遍采用满夯, 要求夯点搭接三分之一保证顶面浮土密实, 满夯沉落量不大于2cm。

如图2所示。

2.1 施工参数的确定

依赖于施工前试夯所得的数据, 并依此来决定正式施工的夯击次数、夯击能量、夯击点间距及前后两遍夯击的间隔时间。

2.1.1 夯击能的计算与确定

从理论上讲, 在最佳夯击能作用下, 地基土中出现的空隙水压力达到土的自重压力, 这样的夯击能称为最佳夯击能。在黏性土重, 由于空隙水压消散慢, 当夯击能逐渐增大时, 空隙水压力相应叠加, 因此可根据空隙水压力的叠加值来确定最佳夯击能。在砂性土中, 孔隙水压力增长及消散过程仅为几分钟, 因此孔隙水压力不能随夯击能增加而叠加, 可根据最大孔隙水压力增量与夯击次数的关系来确定最佳夯击能。

夯点的夯击次数, 可按现场试夯得到的夯击次数和夯击沉量关系曲线确定。应同时满足下列条件:

夯坑周围地面不应发生过大隆起;

不因夯坑过深而发生起锤困难;

每击夯沉量不能过小, 过小无加固作用。

夯击次数也可参照夯坑周围土体隆起的情况予以确定。就是当夯坑的竖向压缩量最大, 而周围土体的隆起最小时的夯击

表1第一遍强夯施工原始记录数, 为该点夯击次数。对于饱和细粒土, 击数可根据孔隙水压力的增长和消散来决定。当被加固的土层将发生液化时的击数即为该点数, 以后各点击数也按此确定。

根据设计图纸计算需要强夯加固的深度4m。本工程拟采用不小于1500kN·m的夯击能, 则强夯加固深度为H:

式中:W为落锤重 (kN) ;

h为落距 (m) 。

考虑到修正系数:0.4~0.6在之间, 则修正后的加固深度在 (4.9m~7.3m) 之间。

2.1.2 夯击遍数及夯击点间距的确定

根据试夯效果本工程需要夯击三遍, 第一遍夯击:按设计点位逐点进行, 根据填土性质和土层厚度每个夯击点需要夯击9~10锤, 用水准仪测量每一锤的沉落量, 当最后两锤的沉落量小于5cm该点视为合格。然后, 移动强夯机进行下一点夯击, 确保两夯坑边间距不大于15cm;第二遍夯击:在第一遍夯击合格后, 推平夯坑按第一遍的要求进行强夯, 每个夯击点需要夯击5~6锤;第三遍夯击:第二遍夯击合格后, 推平夯坑, 夯锤起吊高度不小于4.5m (保证夯击能不小于1000kN·m) 进行满夯, 每个夯击点夯击一锤, 夯点需要有三分之一的搭接。

2.2 施工要点

正式施工前应进行强夯试验, 埋设有关测试仪器, 获取强夯参数, 并提出施工作业指导。总的来说, 强夯施工要点如下。

(1) 平整场地。预估强夯后可能产生的平均地面变形, 并以此确定地面高程, 然后用推土机平整。

(2) 铺设垫层。遇地表层为细黏土, 且地下水位高的情况, 有时需在表层铺0.5m~2m左右厚的砂、砂砾或碎石。这样做的目的是在地表形成硬层, 可以支承起重设备, 确保机械通行、施工。另外, 可加大地下水和表层面的距离, 防止夯击效率降低。

(3) 夯点放线定位及测量高程。宜用石灰标出夯点, 并测量场地高程。

(4) 强夯施工。强夯机就位, 测量夯前锤顶高程, 按规定夯击次数及控制标准, 完成一遍夯击。场地推平, 测量场地高程, 按规定的间歇时间完成全部夯击遍数, 最后用低能量满夯, 将场地表层松土夯实, 并测量夯后场地高程。

3 质量控制

本工程现场质量控制主要根据设计图纸要求和试验段通过观测得到的数据确定如下。

(1) 夯击遍数:根据设计图纸规定, 本工程按三遍控制。

(2) 夯击点位布置:根据设计图纸规定, 第一遍与第二遍夯击时, 夯坑间距小于15cm, 第三遍要求满夯, 夯点需要有三分之一的搭接。

(3) 夯击能要求:根据设计图纸规定, 本工程强夯夯击能不小于1500kN·m。

(4) 强夯起吊高度:根据选定的设备, 计算起吊高度不小于6.5m。

(5) 夯击锤数与沉落量:第一遍夯击锤数不小于8锤, 最后两击沉落量不大于5cm, 第二遍夯击锤数不小于5锤, 最后两击沉落量不小于5cm。

(6) 为了保证强夯质量, 强夯时要求分段进行, 每段长度不大于50m, 夯击时必须从线路中心开始往两侧进行。防止雨水进入路基, 要求及时推平夯坑。

(7) 强夯施工结束后2周对路基加固质量进行检验。检验频率为100m一个断面, 每个断面检验3个点, 检测根据填土性质采用重Ⅱ型动力触探试验。

4 结语

保阜高速公路第LJ-19合同段位于线路终点, 位于河北省阜平县龙泉关镇黑崖沟村, 起讫里程为K143+550~K147+724.16, 本标段路线全长4.17km, 是保阜高速公路工程项目的控制性项目之一。路线横穿太行山脉, 地形地质复杂, 路基为高填方路堤和深挖方路堑。本管段除去桥梁和隧道后路基全长为868.36m, 其中填方115.07万m3、挖方50.12万m3。线路中线处填土高度为3 1.3 4 m, 起坡点距离路肩填土高度为62m。高路堤主要位于山岭区沟谷内, 地形呈鸡爪型, 基底以强——全风化基岩为主。为取得合理的施工参数, 本工程选取K145+600~K145+700作为强夯试验段。通过对试验段的观测, 来确定夯击遍数, 及每个夯击点的夯击锤数。绘制强夯测量记录表, 记录夯击点每锤的沉落量, 直至最后两击沉落量小于5cm来确定每个夯击点的夯击锤数。试验段从2008年2月15日至2008年6月20日结束。

如表1, 表2所示。

通过试验段的观测, 该段路基的强夯施工参数确定为:在起吊高度不小于6.5m, 夯击能大于1500kN·m时, 第一遍强夯每个夯击点的夯击锤数不小于8锤, 累计沉落量在400mm~600mm之间。第二遍强夯每个夯击点的夯击锤数不小于5锤, 累计沉落量在200mm~400mm之间。夯击沉落量与夯击击数关系见图3、图4。

摘要：针对河北省保阜高速公路, 海拔由120米高的平原上升到海拔1260米的山区, 沿线设计了很多半填半挖高填方路基。采用强夯加固, 解决了路基不均匀沉降问题, 与其他加固方法相比, 同时具有省时节能、效益高的优势。

关键词：土木建筑工程施工,强夯,高填方路基,山区公路