强夯作用下地基超孔隙水压力的变化规律现场试验研究

宋修广，岳红亚，周志东，张宏博

(1.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061;2.山东省路基安全工程技术研究中心，山东济南 250061)

强夯法是由法国工程师L.Menard于1969年提出的一种地基处理技术，在使用初始阶段仅用于加固砂土和碎石土地基。强夯技术因其施工简便、经济实用、效果显著等特点在工程中得到了广泛应用，中国于1978年引进该技术并在实际工程中予以研究，取得了丰富的经验，将其应用范围扩大到了软黏土［1-5］。

对于饱和土，孔隙中充满水，这些水在稳定状态下有一个平衡的压力，就是孔隙水压力。根据太沙基提出的有效应力原理，孔隙水压力=总应力σ－有效应力σ1，在总应力保持不变时，有效应力和孔隙水压力可相互转化。当土体受到外力挤压，土中原有水压力会上升，上升的这部分压力就是超孔隙水压力［6］。强夯作用机理就是利用夯锤强大的冲击动能挤压土体，使得上部土体结构产生破坏，形成裂隙，夯击产生的超孔隙水压力通过土体内部裂隙形成排水通道慢慢消散，地基中的有效应力增加，土体强度提高，可压缩性降低。因此，利用强夯法进行地基处理时，土体超孔隙水压力消散的速度和程度在一定程度上反映了土体加固效果的好坏，而且超孔隙水压力的消散速度还可用来控制强夯的间隔时间［7-11］。

本文以济乐高速公路试验区超孔隙水压力为研究对象，分析强夯作用下地基中超孔隙水压力的增长与消散规律，确定强夯的时间间隔和夯点间距等施工参数，为工程施工提供指导。

1 试验区工程概况

工程场地地形较为平坦，地势开阔，场地地层为第四系全新统冲积层)、第四系上更新统冲积层，岩性主要为粉土、黏土、粉质黏土及粉细砂，地下水位约3.0 m。根据地质年代、地层岩性、地基土的工程性质将揭露地层分为7大层:①粉土。褐黄色，中密，湿，局部夹层状的粉质黏土，层厚1.50～5.25 m。②黏土。浅棕黄色～褐黄色，以可塑状态为主，局部软塑，该层土局部相变为粉质黏土，湿，夹粉土薄层，层厚一般0.70～5.80 m。③粉土。褐黄色，中密～密实，湿～很湿，局部夹粉砂透镜体和粉质黏土夹层，层厚一般1.80～6.00 m。④粉质黏土。黄褐～灰褐色，以可塑状态为主，局部软塑，该层土局部相变为黏土，很湿，夹粉土薄层。层厚一般1.50～5.30 m。⑤粉土。黄褐～灰褐色，中密～密实，以密实为主，很湿，局部夹黏土薄层，层厚一般0.55～5.20 m。⑥粉砂。褐黄～黄灰色，土质均匀，中密，饱和，层厚一般0.70～6.90 m，层底埋深14.90～21.00 m，相应层底高程9.49～16.00 m。⑦粉土。灰黄、灰褐色，密实，局部为中密，很湿，局部相变为粉砂。该层未揭穿，最大揭露厚度32.33 m。试验区各土层物理力学指标见表1。

2 地基处理及超孔隙水压力测点布置

试验区长度约60 m，宽度为整个路基的宽度，在强夯区域以间距6 m按正方形由路中线向路两侧布置第一遍夯点位置，单点夯击能1 500 kN·m。夯击时由内向外逐点夯击，先夯击路中线处的夯点，然后平行于路中线向路两侧分别夯击，夯击数8～12击。根据孔隙水压力计测定的超孔隙水压力消散时间，在第1遍正方形中间进行第2遍夯击，夯击能为1 500 kN·m。强夯施工程序为:测量放线定位→表土清理→测量清表后高程→第1遍夯点布置→夯机就位开夯→场地平整→第2遍夯点布置→夯机就位开夯→场地平整→第3遍低能级满夯→场地振动碾压机压实平整并测量平整后高程→施工质量验收→进入下一道施工工序。夯点布置见图1。

表1 试验区各土层物理力学指标

图1 夯点布置(单位:m)

进行强夯试验之前埋设孔隙水压力计，16个孔隙水压力计分别埋设在试验区中间的一个横断面上。考虑到试验段地下水位埋深较浅(约3 m)，故最浅孔隙水压力计埋深定为4 m，测点布置见图2。

超孔隙水压力的监测应该贯穿整个夯击过程，每击夯完后，立刻对孔隙水压力计进行读数并记录。在该点夯击后 1，2，5，10，30 min，1 h 对孔隙水压力计进行读数并记录。两遍单点夯击完成之后每隔1 d测量孔隙水压力计的读数并记录，持续时间为10 d。

3 试验结果与分析

3.1 有效加固深度的确定

图2 孔隙水压力计布置(单位:m)

强夯的影响深度和有效加固深度是两个不同的概念。目前关于两者尚无统一的说法。多数学者认为，影响深度指强夯法处理后的地基中土性指标有所变化的深度;有效加固深度指在正常的施工条件下，地基土的控制指标满足设计要求的深度。在本次试验中，强夯产生的超孔隙水压力即为强夯引起的附加应力。一般来说，强夯的影响深度大于其有效加固深度，但目前有效加固深度的判别指标也尚不统一。本文按照强夯作用下产生的附加应力与自重应力比值为0.2处的深度来界定有效加固深度［12-14］。本文在监测点1处进行了单点夯击试验，夯击能为1 500 kN·m，连续夯击12击。夯击过程中，每1击夯完后，立刻对孔隙水压力计进行读数并记录。超孔隙水压力变化曲线见图3。由图可知，夯击时在锤下8.5 m处仍有10 kPa左右的超孔隙水压力，这就说明强夯产生的冲击波能作用到锤下8.5 m处，而冲击波作用的地方能引起土性指标的变化，表明强夯的影响深度超过8.5 m。经计算，在夯击能为1 500 kN·m时，强夯有效加固深度在6 m左右，与上述超孔隙水压力变化规律相一致。

图3 夯锤正下方不同深度处超孔隙水压力随夯击次数的变化曲线

本试验通过超孔隙水压力变化规律获得的有效加固深度为6 m左右，根据Menard公式，可推算出试验区α=0.490，可为今后类似地质条件下强夯的设计和施工提供参考。

3.2 超孔隙水压力随夯击次数的变化规律

图3表明，随着夯击次数的增加，强夯的巨大能量产生超孔隙水压力。在单击夯击能1 500 kN·m作用下，埋深4.0～5.5 m的超孔隙水压力随着夯击次数的增加而增加，且增加的幅度十分明显，而埋深7.0～8.5 m的超孔隙水压力增加幅度不明显。

由图4可见，随着夯击次数的增加，累计夯沉量逐渐增大;单击夯沉量呈逐渐减小的趋势。夯击能量1 500 kN·m下，单点12击平均每击夯沉量为5.3 cm，最终夯沉量达到了64 cm;当击数超过7次时，单击夯沉量＜5 cm，说明土体已经较密实，达到止夯要求［15］。个别点夯沉量出现波动可能是由于夯锤偏心所致。

图4 夯沉量随夯击次数的变化曲线

3.3 超孔隙水压力的径向变化规律

图5为单点夯试验时锤下4 m深度处不同径向距离处超孔隙水压力的变化曲线。可以看出，在单击夯击能1 500 kN·m作用下，锤下4 m深处距夯锤中心0～2 m的超孔隙水压力随着夯击次数的增加而增加，且增幅明显，而距夯锤中心4～6 m的超孔隙水压力增幅不明显。由此可见，1 500 kN·m的夯击能径向影响距离可达6 m，但径向有效加固范围在2～4 m。

图5 不同径向距离处超孔隙水压力随夯击次数的变化曲线

由于距夯锤中心4～6 m的超孔隙水压力增幅不明显，而且设计要求夯点间距为6 m，因此可判定，在夯击一点时，对相邻夯点处的孔隙水压力的影响很小，故相邻夯点可以连续夯击，而不必间隔跳夯。

3.4 地基超孔隙水压力的消散规律

图6为单点夯击后夯锤正下方不同深度处超孔隙水压力消散曲线。可见，单点夯击完成后，超孔隙水压力立即进入了消散的过程，由于单点夯只是对特定的夯点进行夯击，强夯影响范围小，所以超孔隙水压力消散很快。深度越浅，超孔隙水压力消散越明显。夯后3 h超孔隙水压力消散90%左右;夯后6 h超孔隙水压力趋于稳定;夯后24 h超孔隙水压力基本消散。

图6 不同深度处超孔隙水压力消散曲线

4 强夯前后地基承载力对比

为检测强夯加固效果，在夯前和夯后分别对试验段进行了标准贯入试验。通过贯入击数来判定不同深度的密实度、压缩性及地基承载力等有关指标，以判断地基处理效果［16-18］。夯击前后地基承载力试验结果见图7。

图7 夯击前后地基承载力对比

由图7可见，在地表以下11.4 m范围的地基承载力有所增强。7 m范围内地基承载力的提高比较明显，最大可提高2倍以上，这也验证了前述有效加固深度大约6 m的结论。总体来说，强夯加固效果明显，在有效加固深度范围内地基承载力明显提高。

5 结语

1)1 500 kN·m的夯击能影响深度可达8.5 m，但有效加固深度在6 m左右，符合设计要求(有效加固深度＞5 m)，说明设计夯击能是合理的。根据Menard公式，推算出试验区有效加固深度系数为0.490，可为今后相同或类似地质条件下强夯的设计和施工提供依据。

2)随着夯击次数的增加，超孔隙水压力逐渐增大，在单击夯击能1 500 kN·m作用下埋深4.0～5.5 m超孔隙水压力的增幅较埋深7.0～8.5 m明显;点夯击数超过7次时，单击夯沉量＜5 cm，达到止夯要求。

3)1 500 kN·m的夯击能最大径向影响宽度可达6 m，但径向有效加固宽度约为2～4 m。试验地基单点夯击时对相邻夯点处孔隙水压力的影响很小，相邻夯点可以连续夯击，不必间隔跳夯，说明设计的夯点间距合理。

4)单点夯后超孔隙水压力6 h趋于稳定，24 h基本消散。因此，建议类似条件的地基强夯间歇时间调整为24 h，但对于与试验段差异较大的路段，在调整施工参数时还要考虑到特殊地质条件、地下水位高度等因素。

5)强夯处理后有效加固深度范围内土体标贯击数和地基承载力明显提高，且浅层土体地基承载力增长更明显，可提高2倍以上。

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