高速公路软基强夯置换碎石桩处理分析

1 作用机理

　　强夯置换碎石桩是在夯坑内回填碎石，采用巨大的夯击能量将块石夯穿被加固土层并使块石沉底形成桩体，最终形成由碎石桩、桩间土及碎石垫层组成的复合地基。由于桩体的加筋作用，地基中应力向桩体集中，使其分担了大部分基底传来的荷载；同时桩体的存在也使得土体中由于强夯引起的超孔隙水压力迅速消散，加快土体固结，提高土体抗剪强度。

　　2 工程应用

　　某高速公路，沿线地下水位高，上部土层以低液限粉土和低液限粘土为主，下部为粉细纱和中砂，广泛存在可液化土和软弱土。为了解决软弱地基和可液化土的问题，经多方论证后确定对K37+000～+200软土地基采用强夯置换碎石桩的方法处治。

　　3 施工方案

　　3.1 起重设备和夯锤选择。强夯置换碎石桩设计有效加固深度为3.5～4.0m，夯击能为2000kNm，落距13.3m。施工根据以上要求选择起重设备、夯锤及自动脱钩器。起重设备选择QU2O型履带吊车，zL-50型装载机，夯锤重15t，底面直径2．0m的平底夯锤及相应的脱钩器，夯锤设置3个上下贯通的气孔，孔径为250mm，以减少起吊夯锤的吸力，减少夯锤着地前的瞬时气垫上拉力所造成的能量损失。

　　3.2 夯击参数。（1）强夯置换碎石桩在施工中处理的范围应大于路基基础范围，一般每边超出基础外缘宽度的1/2～2/3，并不小于3m。夯点为正方形网格布设，夯点间距3m×3m。分三遍完成夯点夯击，每一次夯点间距均为6.0m。最后再以低夯击能（1000kNm）满夯一遍，其目的是将表面松动的表层土夯实。9个夯点分3遍夯完。第一次夯4点；第二次夯1点；第三次夯4点。三次完成9个夯击点为3m×3m正方形布置。（2）每遍夯点夯击次数可通过现场试夯得到的夯击次数和夯沉量的关系曲线来确定，且应同时满足下列要求：①最后一击的夯沉量一般不大于10cm；②夯坑周围的地面不应发生过大的隆起；③不因夯坑过深而发生起锤困难；④每击的夯沉量不应过小，否则加固效果不明显。试验段通过试夯，确定夯击能为2000kNm，夯击9击，结果表明能够满足上述要求，加固效果较好。（3）两遍夯击之间的时间间隔，取决于土中超孔隙水压力消散时间。通过试夯发现，间歇时间与施工所采用的夯击能及工程地质条件关系很大，对于粘性土地基，夯完一遍需间歇4~5周才能进行下一遍的夯击。每遍夯击的间歇时间也直接影响到夯击效果，如果间歇时间过短，孔隙水压力没有完全消散，夯击时很容易发生夯坑过深而起锤困难，最后一击的沉降量也不易控制，夯击效果受到影响。

　　3.3 隆起情况。夯击过程中，夯点周围土

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的隆起与夯击能、夯击击数及距夯点的距离有关。三次置换完毕后，地面的平均隆起量分别为12.4cm、16.3cm和15.8cm，累计隆起44.5cm。满夯后平均隆起40.1cm。

　　3.4 质量控制。根据设计要求所达到的有效加固深度和影响深度，用最后一击的夯沉量对夯击质量进行控制，一般最后一击的夯沉量不大于10cm。施工中各夯点的夯击次数和夯击效果是否达到要求的控制标准，除满足最后一击的沉降量要求外，夯坑周围地面不应有过大的隆起现象以及不能因夯坑过深而发生起锤困难。

　　3.5 施工要点。（1）首先清理平整场地，测量场地标高，铺设80cm厚碎石垫层，以便于机械行走。测量放线，放样标出第一遍夯点位置，偏差不大于±5cm。（2）对第一遍夯点进行夯击。在夯前和夯后须测出夯点处和夯点周围的地面标高，每夯击一次测量一次。按规定标准完成一个夯点夯击，即移到另一个夯点进行夯击。（3）夯击时将夯锤起吊到预定位置，待夯锤脱钩自由下落，测量夯锤顶面标高，如果发现夯锤倾斜，应及时将夯底整平。（4）第一遍夯点完成，静止一定时间后，推平夯坑，测量整平后的地面标高，重新放线定位，进行第二次、第三次置换。第三次置换完成后，静止一定时间，推平夯坑，测量整平后的地面标高。（5）最后进行低能满夯，夯锤彼此搭接四分之一。

　　4 试验研究

　　4.1 振动影响测试。通过测试地面振动加速度来了解强夯振动的影响范围。观测结果表明，夯击能为2000kNm，夯锤底面直径2.0m的平底夯锤（重15t）时，夯坑离建筑物的最小距离应为30m。为了减少强夯振动对周围建筑物的影响，可在夯区周围开挖隔振沟，以减小振动影响。

　　4.2 效果检测。强夯置换施工后，分别采用静载试验、重Ⅱ型动力触探、瑞利波对复合地基加固效果进行了试验检测。

　　（1）单桩静载荷试验历时19小时31分钟，沉降量16.42mm，残余沉降量6.00mm，取s/b=0.01所对应的荷载，得出单桩承载力基本值为259kPa；桩间土静载荷试验历时58小时30分钟，沉降量60.66mm，取s/b=0.015所对应的荷载，得出单桩承载力基本值为54kPa，复合地基承载力为149kPa，满足设计要求。（2）试验加载方式为慢速维持加荷法，总加载重量为设计要求的两倍，加荷等级分为8级。每加一级荷载，单桩静荷载试验在加荷前后各记录沉降一次。当一小时内沉降增量小于0.10mm时，即可加下一级荷载。桩间土静荷载试验每级加载后，按间隔10分、10分、10分、15分、15分，以后为每隔半小时读一次沉降，当连续两小时内，每小时的沉降量小于0.10mm时，则认为已趋稳定，可加下一级荷载。利用重Ⅱ型动力触探对桩体的密实度及桩长进行检测，被检测的桩体中，标准贯入锤击数，处理前3～6击，处理后10～27击，平均击数为18击，桩体碎石充填较好，且垂直连续，检测结果表明桩长达到6.5m。（3）利用瑞利波法测出桩间土和桩体两种瑞利波速，由不同介质特性判定桩长。结果表明桩长为3.6～6.5m，满足设计要求。

　　4.3 变形测试分析。据路基中线的分层沉降曲线表明，0～2m为亚粘土，相对沉降量较大。对于砂土、粉砂土地基，一般沉降发生在地面以下1～2m范围内（相对沉降50～100mm），为强夯松动区；2～6m相对沉降量很小（相对沉降0～20mm），为强夯加固区；6～10m相对沉降量较小（相对沉降0～40mm），为强夯影响区；10m以下几乎无相对沉降，为强夯非影响区。

　　5 结论与建议

　　（1）采用强夯置换碎石桩对软土地基处理可消除地基土的液化，提高地基的承载力，加固效果显著，是一种行之有效的软土地基处理方法，建议在类似工程中推广应用。（2）每遍夯击孑L隙水压力的消散时间为4～5周，施工时必须保证足够的间歇时问才能达到较好夯击效果。（3）不同的夯击能，夯击产生的振动影响范围不同，其安全距离可用单击夯击能的大小来估算。