浅谈强夯法处理软土地基在南京绕越高速公路东北段中的应用
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摘要：随着高等级公路逐渐步入快速发展阶段，我国公路的普及范围也在逐渐扩展，在对公路进行选线时尽可能地避开软土地区。在无法避开的情况下对软土地基进行施工时，采用强夯法处理是可行的。在采用强夯法进行施工时，采用合理有效的施工工艺是促使软土地基的深度得到加固的有效手段。强夯法的使用是现阶段处理软土地基的最优措施，在公路工程施工中也逐渐被普及。本文通过对强夯法的机理分析结合实际的工程应用得出施工控制措施。
关键词：强夯法；软土地基；南京绕越东北段；处理技术
前言
提高软土路基地区的公路质量的根本是修建好公路的软土路基，软土地基是工程施工中经常遇到的地质情况，它关系着通车后的公路的运营情况和使用寿命，也关系着个别地区的交通运输经济。由于强夯施工法在对软土地基进行处理的过程中，对施工机械设备要求不高，且施工速度相对较快、适用土质极为广泛，处理效果也较为显著，同时还能够对一些废料进行重新利用，因此广受青睐。
1软土地基处理施工中的控制原则
只有对软土地基施工的实际情况进行充分研究分析，才能对症下药，因此必须抓好施工中的每个细小环节。公路工程建设过程中，无论从管理角度还是从经济角度，软土地基的处理施工都应该遵循防治结合，且以预防为主的原则，即坚持预防性控制，并在出现病害时及时修补。施工控制分预防性控制和修复性控制两种，预防性控制旨在保护路基路面并减小路基路面质量下降速度，修复性控制旨在修复特定的软土地基破坏或损坏区域。及时的预防性控制能延缓在交通与环境施加的荷载作用下路基路面损坏的时间，而一旦该施工控制没有做好，则会增加缺陷数量并增大其严重程度，以致在改建时修补费用增加，缩短罩面与改建之间的时间间隔，因而显著增加路基路面寿命周期费用。为了降低软土地基处理的控制成本，提高路基路面的经济效益，许多国家大力发展预防性控制技术，提高软土地基的处理施工控制水平。预防性控制措施的种类较多，不同地区、不同管理部门、不同承包方针对不同的路况所用的预防性控制措施不尽相同。但是，一个完整的预防性控制计划应该包括整个软土地基处理施工的全过程。总之，在公路工程的施工过程中，当路基路面出现了工程质量问题以后再来进行修复性的控制工作，虽然也是有效的，但却是被动的，而且也是治标不治本的控制方法。只有在施工全过程中进行严格的预防性控制措施，才是对路基路面施工进行科学控制的根本所在。
2强夯法加固地基原理
2.1强夯法加固地基的机理
2.1.1宏观机理
（1）非饱和土的加固机理：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，土不仅被竖向压密，而且被侧向挤密，这一主压实区就是土的破坏压实区。这一区的土应力超过土的极限强度，土被破坏后压实。由于土被破坏，侧挤作用加大，因此水平方向加固区宽度也在加大，故而加固区不同于静载土中应力椭圆形分布而变为水平宽度大的苹果形。区外为次压实区，土应力小于土的极限强度而在于土的弹性极限，土可能被破坏。但未被充分压实，或被破坏而未压实，此区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，坑底土在向侧向挤出时，坑侧土在侧向分力作用下将隆起，形成被动破坏区。夯坑越深，土固化内聚力越大，则被动土压力越大，土不易破坏隆起，反之就易隆起（见图1示）。
注：A――主压实区；B――次压实区；
C――压密、挤密、松动区；D――振动影响区；Pd――锤底动应力
图1 强夯后土体变形示意图
（2）饱和土加固机理：饱和二相土（土由固体颗粒及液体组成）实际并非是二相土，二相土的液体中存在一些封闭气泡，约占土体总体积的1%～3%，在夯击时，这部分气体可压缩，因而土体积也可压缩。气体体积缩小的压力应符含波义尔～马略特定律，这一压力增量与孔隙水压力增量一致，因此冲击使土体结构发生破坏，土体积缩小，液体中气泡被压缩，孔隙水压力增加。孔隙水渗流排出，水压减少，气泡膨胀，土体又可以二次夯击压缩。夯击使土结构破坏，孔压增加，这时土产生液化及触变，孔压消散，土触变恢复，强度增长。如果一遍压实过小，则土结构破坏丧失的强度大，触变恢复增加的强度小，则夯后的承载力反而减少。如果进行二遍夯击，土进一步压实，则触变恢复增长的强度大，依次增加遍数可获得预想的加固效果。
（3）对于粘性土，由于粘性土的特征是颗粒细，渗透系数小，并且有内聚力，特别是湿陷性黄土，它在天然含水量时具有很高的内聚力，因此强度很高。非饱和粘性上加固时，由于其内聚力高，侧向地面不易隆起，夯坑较深。其加固范围仅限于图中的A区和B区，D区常无影响。其A区的加固深度较小，这是由于动应力难以破坏强度高的结构。对于填土来说，由于其固化内聚力很小，A区加固深度常较大。当土的含水量增高时，特别是饱和的粉土，土的固化内聚力变小，A区加固深度增大。但此时应注意分遍夯，每遍所用单位面积夯击能不能过大，限于加固区水中气泡被全部压缩，每遍过大的夯击能只能使侧面上隆起。对饱和度大的非饱和土，应注意加固后会转变为饱和土，如需继续加固，也必须分遍夯。
（4）对于砂性土，这种土由于没有固化内聚力，图中的A、B区通常较大，B区显示出压密作用急速减少，夯击时，夯坑易塌陷，提锤不会握裹，夯坑深度可较大，故总加固深度较大。同时，振动作用可使D区土振密或松动，可加大加固深度并可能引起周围土的振陷，场地发生环裂，引起邻近建筑物下沉。密砂在覆盖力小时则可能变松，松砂则变密。
2.1.2微观机理
强夯所产生的冲击能打破了土颗粒间的连接，因而也就破坏了原来的土体结构，改变了土体中各类孔隙的分布状态以及它们之间的相对含量，使土颗粒重新排列成更密实的漩涡状结构。随着土的触变性能的恢复，处于更密实状态中的粘胶颗粒和结晶盐等胶体结构，由于粒间距离的缩小，更好地发挥了它们的胶结作用，提高了土体的抗变形能力和剪切强度。
3强夯法主要的设计参数
3.1加固深度
有效加固深度又被称之为有效影响深度，它会受到地基及加固目的的影响。有效加固深度能够将处理效果的重要参数得到有效发挥，作为地基处理方案确定的关键依据。加固深度又称为有效加固深度，在该范围内承载力应达到150kPa以上，湿陷性黄土干密度应达到1.5g/cm3以上或消除湿陷。
3.2单位面积夯击能
单位面积夯击能指提高加固深层时，单位加固面积所用的夯击能。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，该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。
3.3分遍与夯点间距
夯点需有一定间距，使冲击时夯坑产生冲剪，在夯坑底形成一挤压加固区，为使所产生的挤压力受周围土约束，侧面应不隆起，因此侧面应有一定间距的不扰动土，不能一夯挨一夯。由于夯点间距大，夯点间需增设夯点以加固未挤密土，故需增加遍数，这种分遍实际上是夯点分批夯击。夯点间距一般取1.7～2.5D，D为锤底直径，密实度要求高时取小值，反之取大值。
3.4夯锤
夯锤可用砼及铸钢（铁）制作，夯锤形状可为圆形、方形、现多用圆锤。锤底面积一般根据锤重决定，锤重为100～250kN时，可取锤底静压力25～40kPa。夯锤宜设若干个排气孔，孔径宜取250～500mm，过小易堵孔，丧失作用。
3.5起夯面
为使强夯加密土不被挖除，有效利用其加固深度，起夯面可高于基底或低于基底。高于基底是顶留一定压实高度，使夯实后表面与基底为同一标高。低于基底是当要求加固深度加大，能级达不到所需加固深度时，降低起夯面，在满夯时再回填至基底以上，使满夯后与基底标高一致，这时满夯加固深度加大，需增大满夯单击能。
3.6垫层
对软弱饱和土或地下水很浅时，常需在表面铺设砂砾石、碎石垫层；厚0.5～1.5m，以形成一覆盖压力，减少坑侧土隆起，使坑侧土得到加固，也有利于机械作业。垫层厚度不宜过小，过小不起作用；也不宜过厚，过厚时在锤底形成大的垫，扩散动应力，减少下部软弱土的加固作用。
4 强夯施工法在公路软基处理中的质量控制措施
①强夯法施工之前，应根据试夯来调整强夯施工的各项技术参数指标。
② 夯击前应进行场地平整，并在周围布置好排水沟，做好夯点测量放线与定位，尤其是要标明第一遍夯点的具置。
③ 在起重机就位的同时，夯锤位置应与夯点位置重合。
④ 如果发现有夯锤歪斜的现象时，应当立即对该
坑地予以整平。
⑤ 强夯施工前，应仔细检查夯锤落距以及锤重，确保其单击夯击满足施工需求。
⑥ 每遍夯击前，应对该遍的夯点定位进行一次测量复核，并在夯完之后对夯坑的位置进行仔细检查，一旦发现漏夯以及夯点偏差立即予以纠正。
⑦ 强夯施工过程中，应将施工情况以及各类参数等进行详细的记录并整理、存档。
5工程实例
2011年3月份，由我六合区东北段服务指挥部参与协调服务的南京绕越高速公路东北段高速公路工程的RY-DB2标段中发现存在一定范围的特殊软土，属于液化粉砂地基，长度共301m，需要进行强夯加固处理。施工中选用了带有自动脱钩装置的履带式起重机，夯锤重100kN，落距10～15m，单点夯击能1000～1500kj，两遍夯击+2击低锤满拍，夯击次数5～6击，满拍夯击能50t.m，砂砾垫层厚0.5m。施工中，起重机准确就位后，测量了夯锤顶部高程，保证了夯锤在预定高度上。夯击作业时，落锤的中心位置偏差控制在150 mm以内。当发现夯坑底倾斜>30?时，施工中将坑底填平后又进行了夯击。夯击一遍后，将场地整平，测量平整后的场地高程，在规定的夯击时间间隔后，又重新布置夯击点进行了第二退夯击。最后进行一遍低锤满夯，并最终测定了场地高程。结果符合设计及验标要求。在施工时，场外设置了排水沟，防止场地及夯坑积水。夯击结束后，经静力触探检测密实度，达到了设计要求，效果十分理想。
6结语
20多年来，国内外的工程实践证明，强夯技术是一种经济、便捷、可靠的地基加固方法。今后应当进一步加强理论研究，建立实用的计算方法，改进施工工艺，研制精密的测试仪器和运用科学的测试方法，以进一步提高强夯和强夯置换法的加固效果，缩减工期，降低成本，把强夯和技术提高一步。
参考文献：
[1] 张庆国，毕秀丽.强夯法加固机理与应用[M].山东：科技出版社，2003：2―5.
[2] 谭永乐.高速公路路基强夯技术施工质量控制指标的研究[D]济南：山东大学出版社，2007，5：40―45.