高温多雨地区高速公路大规模深层堆积杂填土基础处理技术

高温多雨地区高速公路大规模深层堆积杂填土基础处理技术

胡娇娇 ,付建涛

中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州 450000

摘要：随着国家经济的繁荣发展，高速公路越来越成为连接城市与城市之间的重要纽带。国家对高速公路的发展也越来越重视，高速公路大规模建设过程中遇到的杂填土基础问题越来越突出，已成为影响工程质量、建设周期和工程造价的关键性因素之一。高温多雨地区的大规模深层堆积杂填土基础的处理更是重中之重。多雨地区由于降水量大，跨度时间长，雨水下渗，对路基施工的负面影响十分明显，而高温情况下雨水下渗又会加快深层杂填土中的垃圾杂质的腐化，造成地基不均匀沉降，影响路基的质量，延缓施工进度。目前国内对于大夯击能作用下处理深层杂填土路基可借鉴经营较少，研究还不多。

通过对大规模深层堆积杂填土基础处理技术研究，总结出强夯置换对建筑、生活垃圾等的地基处理的适用性，形成一套完备的施工工艺和控制标准，为后续的类似项目地基处治提供了参考依据。

关键词：高温多雨； 高速公路； 杂填土

1.工程应用概况

广东中开高速公路横穿垃圾填埋场，该场地内原属垃圾处理厂，地下埋有大规模堆积的生活垃圾，厚度9～15m不等的杂填土，呈灰黑色，松散，干燥～稍湿，未压实，以塑料袋碎片为主、含少量木屑、黏性土等，腐化程度不一、分布不均、结构松散，杂填土的物理性质、力学性质差异很大，填筑杂乱，空隙大，结构松散，均匀性差且随时间变化各项性质也会发生变化，作为路基需进行处治。

2.施工难点及技术措施

2.1工艺原理

强夯置换法是指将重锤提到高处使其自由落下形成夯坑，并不断夯击坑内回填的砂石等粗颗粒材料，使其形成连续密实的强夯置换墩，与周围混有砂石的夯间土形成复合地基。经强夯置换法处理，对被加固土体产生主要三个方面的作用: (1) 直接位于锤底面下的土,承受到锤底的巨大重击压力,使土体积压缩并急速地向下推移,在夯坑底面以下形成一个压密体，其密度大为提高。(2)位于锤体侧边的土，瞬息间受到锤底边缘的巨大冲切力而发生竖向的剪切破坏，形成一个近乎直壁的圆柱形深坑,有利于软土的固结。(3)锤体下落冲压和冲切土体形成夯坑的同时,还产生强烈震动，以三种震波的形式向土体深处传播，基于多种机理(震动液化、排水固结和震动挤密)的联合作用，使置换体周围的杂填土得到加固；本工艺实施期间对大夯击能作用下处理深层杂填土所能达到的效果以及相关参数进行了说明验证。

2.2施工设计参数确定

2.2.1单击夯击能确定

强夯置换需要将杂填土挤向四周并将填筑材料挤至杂填土底层，因次其单击能量大于普通的强夯加固能量，单击夯击可采用Menard公式估算，但国内外大量工程实践结果表明，按Menard公式计算加固深度偏大很多，需经修正方能符合实际加固深度，即采取如下公式确定单击夯击量：

式中 H---有效加固深度（m）   M---夯锤重（t）   h---落距（m） α---修正系数

经查王成华收集整理我国40项强夯工程和试验实测的Menard公式修正系数的值，修正系数α值的范围在0.2～0.95之间，其中α在0.4～0.7之间的频数约为80%。本工程强夯置换深度为12m，参考该公式可得修正系数a为0.38。

2.2.2.夯点间距确定

强夯置换的夯点间距根据强夯抛填体实测应力扩散角，按下列公式计算，并参照强夯试验段结果，要求夯坑顶部连成一片，且夯坑间夹壁应比周围未强夯部位低0.5m以上。

S=D+2Htanα

式中 S---夯点间距

     D---夯锤直径

     H---抛填体厚度

α---应力扩散角

经结合前期试验段结果参数和相关计算，主副夯点间距均按8m正方形布置，隔行隔点、由内向外跳夯；由于强夯区域南侧边坡地势陡峭且距离较小，在施工过程中采取外侧向内侧，锤击先用低能量满夯，再用高能量锤击成桩。

2.2.3 强夯设备配置

主副夯采用QH550A型履带式强夯机，夯锤直径为2.5m的圆形异型锤，夯锤设置直径300mm的排气孔3个，锤重49t，落距20.5m，单点夯击能10000KN.m；满夯夯锤直径为2.5圆形异型锤，夯锤设置直径200mm的排气孔4个，锤重16t，落距9.4m，单点夯击能1500KN.m。

2.3施工工艺

施工准备测量放线、定位夯机就位测量夯前锤顶高程夯锤起吊至预定高度，夯锤自由下落、测量锤顶高程夯坑补料按设计收锤标准完成一个夯点的夯击完成第一遍夯击间隔后完成第二遍夯击满夯夯后测量检测验收

2.3.1施工准备

清除地表各种障碍物，采用PC220反铲配合15t自卸汽车，将置换区域开挖至公路设计下路床底部以下不小于1m，局部凹坑区域则进行填平；场地开挖完成后，铺设1m厚的砂石垫层作为施工作业面。强夯区域由于距离已施工桥梁较近，实施前在在已碾压整平的强夯区靠已实施的桥梁侧开挖深度不小于2m深的防震沟，强夯路基两侧施做排水沟。

采用GPS，按设计图纸在清理并平整场地上确定强夯试验区域和点位布置，并在强夯范围外设置坐标控制网点基桩，同时在其周围合理布置水准点。按施工前强夯置换试验确定的夯点间距布置，并对各夯点进行放样定位、编号，布置第一遍置换夯点，用装土的红色塑料袋标出每个夯点点位，且偏差不大于5cm，因夯点间距不准确，偏差大，将对强夯置换后效果影响较大，所以必须加强控制；施工前测量队进行处治场地现状高程进行测量记录，以便后续进行夯前、夯后对比。

2.3.2夯机就位，实施强夯置换

强夯机就位，使夯锤对准夯点位置，测量夯前锤顶读数，将夯锤吊至预定高度，待夯锤脱钩自由下落后测量夯后锤顶读数，测量每次夯后锤顶读数，做好详细记录，并计算每相邻两次沉降差。由于下部垃圾层较厚，且相互之间存在连接，夯击形成的夯坑不宜过深，通过现场检查发现，夯坑达到150cm时，及时由人工配合装载机向夯坑内回填粒径不大于50cm的开山石料，在填平后进行下一次夯击，施工顺序简图如2.3.2-1。

图2.3.2-1强夯置换法施工简图

单点重复夯击、回填操作，当检测到最后两击的平均夯沉量不大于200mm；夯坑周围未发生过大的隆起，总击数大于12击参数满足后，方可移位。按点位布置及要求完成第一遍夯击施工，因地勘资料反映，杂填土段未见明显地下水，但通过第一遍夯施工，以及强夯区外设置的集水坑反映，杂填土内存在较多孔隙水，在正常情况下水分被塑料袋包裹或是布料吸收，排出困难，但在强夯挤压作用下杂填土内气体、水分逐渐排出，现场每隔20m在路基外侧开挖集水深坑，并布设污水泵，安排专人随时进行抽排；为了保证第二遍夯击效果，在第一遍夯击结束后，间隔7天以便杂填土内孔隙水排出，间隔期后开始第二遍夯击，夯击程序及要求与第一遍相同。满夯施工在第一遍、第二遍夯击结束后开始，采用推土机推平夯坑，之后开始满夯，满夯时应保证夯锤覆盖整个夯击范围，夯印搭接大于1/3锤径，夯击次数为3次。满夯后采用推土机整平，并用压路机碾压密实后，测量场地高程。

2.4质量检测

2.4.1试验检测方法及设备

强夯置换施工结束28天后待基础稳定后，组织进行强夯效果检测，试验主要采用静载荷测试仪、压力变送器、调频位移传感器、液压千斤顶等装置；试验采用自动油压千斤顶加载，工字钢组成主梁、次梁堆载平台，混凝土块堆载提供反力。堆载重物在试验开始前一次性加上平台，最大堆载重量大于1.2倍最大试验压力，承载板为1.00m2方形钢板，如下图2.4.1-1所示。

图2.4.1-1加载示意图

2.4.2 试验方法说明

试验总体采用分级加载，分级卸载，逐级等量卸载原则实施，具体说明如下：

每级加载为要求最大试验压力的1/8，共分7级加载（第一级按2倍分级压力加载），每加一级压力后均按规范要求的时间测读承压板沉降量，每级压力施加后按第5min、10min、20min、35min、50min、65min测度承压板沉降量，之后每隔30min测读一次沉降量。

承压板沉降相对稳定标准：试验压力小于等于特征值对应的压力时，每一小时内的承压板沉降量不超过0.1mm，试验压力大于特征值对应的压力时每一小时内的承压板沉降量不超过0.25mm。

卸荷分级进行，逐级等量卸载，每级卸载量为加载时分级压力的2倍。每级压力维持30min，按第5、15、30min测读承压板沉降量。卸载至零后应测度承压板残余沉降量，维持时间为2h，测读时间分别为第10min、30min、60min、120min。

2.4.3试验成果及结论

根据现场试验检测，获得试验成果数据，具体如下表1、表2；p-s曲线图，s-lgt曲线图见图2.4.3-1。

表1 检测点试验结果汇总表

表2压力与沉降量数据汇总表

图2.4.3-1平板载荷试验曲线图

3.质量控制

（1）建立各级技术人员的岗位责任制，做到分工明确，责任到人，严格遵守施工报检程序，施工工序完成后要先自检，然后报监理工程师检验，检验合格后方可进行下道工序施工。

（2）施工开始前，做好技术准备，分级进行安全技术交底，确保操作人员掌握施工工艺及操作要点、质量标准。

（3）强夯前应对强夯机型号、锤重和落距进行检查，确保设备安全有效，满足施工要求。

（4）强夯施工前应对强夯处理范围及击点位置进行放样，并在现场设置明显、可靠的标记。严禁边夯击边测量放样。

（5）施工机械应采用带有自动脱钩装置、与夯锤重量相匹配的履带式起重机。中、高能级强夯施工时，起重机宜配门架或采取其他措施，防止落锤时机架倾覆。脱钩器应保证其强度和耐久性。

（6）在每一遍夯击前，应对夯点放线进行复核，夯完后检查夯坑位置，发现偏差或漏夯应及时纠正。

（7）施工区域周边设置截排水设施，同时对于夯完的夯坑应及时推平，不得积水。

（8）根据设计对回填料粒径的要求，合理选择回填石料及级配，保证置换效果。

（9）施工过程中应密切注意异常情况，如地表隆起、偏差、起锤困难等，若有发生，则及时采取措施进行处理。

（10）严格过程监控、检测资料收集整理，确保试验数据真实有效，为后续大面积施工提供依据。

4.安全措施

（1）加强施工过程中的安全生产管理，建立健全安全生产责任体系，落实安全生产责任制，依据“党政同责、一岗双责、失职追责”的原则，构建“统一领导、综合监督、分级负责、协调管控”的安全工作机制，结合项目实际情况，制定安全生产管理制度。

（2）项目部全体员工应坚持“安全第一、预防为主、综合治理”的安全方针，严格遵守各项法律法规、标准规范及规章制度，全面履行岗位安全生产职责。

（3）施工机械必须经进场检验后方可使用，强夯机械的门架、横梁、脱钩器等主要结构和部件的材料及制作质量，应经过严格检查，不得使用不符合设计要求的设备。施工机械悬挂机械设备标识牌，设备经常检查、保养。

（4）施工时注意各类管线的保护，危险区要设有栏杆和标志，备齐消防器材，并能防盗。

（5）强夯设备等机械作业作业前先对现场环境进行检查，施工范围内存在管线，应安排专人指挥作业，对管线设置安全保护措施，并在管线周围设置警示标志。

（6）现场的设备操作人员，应当熟练掌握设备安全操作规程，特种作业人员必须持证上岗。

（7）夯机的作业场地应平整，当有门架时，门架底座与夯机着地部位应保持水平，当下沉超过100mm时，应重新垫高。夯机在工作状态时，起重臂仰角应置于70°。

（8）转移夯点时，夯锤应由辅机协助转移，门架随夯机移动前，支腿离地面高度不得超过500mm。

（9）变换夯位后，应对门架支腿重新检查，确认稳固可靠，然后再将锤提升100～300mm，检查整机的稳定性，确认可靠后，方可作业。

（10）梯形门架支腿不得前后错位，门架支腿在未支稳垫实前，不得提锤。

（11）夯锤下落后，在吊钩尚未降至夯锤吊环附近前，操作人员不得提前下坑挂钩。从坑中提锤时，严禁挂钩人员站在锤上随锤提升。

（12）当夯坑内有积水或因粘土产生的锤底吸附力增大时，应采取措施排除，不得强行提锤。

（13）当夯锤留的通气孔出现堵塞现象时，应及时清理。但严禁施工人员在锤下进行清理。

（14）夯击时驾驶室必须加设防护罩，强夯作业时必须专人指挥，作业时周围人员应当远离夯机作业点10m以上，作业半径内严禁站人。

（15）作业后完成，应将夯锤下降，放实在地面上。严禁在非作业时将锤悬挂在空中。

5.结论：

在国内如此深度的杂填土进行强夯置换施工尚无已实施案例可供参考，根据原设计要求强夯置换深度不小于12m，通过现场实际试验和后续施工验证，本工程杂填土最大处理深度为11.5m，夯击次数大于38击，在该夯点对应的厚度为14.3m，总体垃圾压缩达到80.4%，因未能达到设计要求置换深度12m要求，经与设计单位联系现场确定，明确置换深度由现场联合确定，不再以统一置换深度进行要求，通过验证在10000KN.M高夯击能施工中，本工程所涉及杂填土处理深度无法达到置换12m深度的要求，经带修正系数的Menard公式计算，得到了杂填土路基采用强夯施工时修正系数a最终为0.36。通过现场试验检测，处理后路基承载力远大于设计要求，该处治工艺及参数选择为类似工程施工提供了参考依据。

参考文献：

[1]谢石,吴银亮.高温多雨山区高速公路路基路面排水技术浅谈[J].中国西部科技,2010,9(32):28-30.