強夯法處理高速公路液化地基的現場試驗與深度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著我國交通基礎設施建設的持續(xù)推進，高速公路作為重要的交通動脈，其建設規(guī)模和里程不斷擴大。在高速公路建設過程中，常常會遇到各種復雜的地基條件，其中液化地基是較為常見且危害較大的一種。液化地基主要由飽和砂土或粉土組成，在地震、動力荷載等作用下，土體孔隙水壓力急劇上升，有效應力減小，導致土體抗剪強度大幅降低，呈現出類似液體的流動狀態(tài)，從而引發(fā)地基失穩(wěn)、塌陷等嚴重問題。我國是地震多發(fā)國家，眾多地區(qū)的高速公路建設面臨著液化地基的挑戰(zhàn)。例如，在2008年汶川地震中，部分高速公路路段因地基液化出現了路面開裂、路基塌陷等嚴重破壞，導致交通中斷，不僅給救援工作帶來極大困難，也對震后地區(qū)的經濟恢復和社會穩(wěn)定造成了嚴重影響。又如，在一些沿海地區(qū)，由于地下水位較高，砂土和粉土分布廣泛，在臺風、海浪等動力作用下，也容易出現地基液化現象，威脅高速公路的安全運營。高速公路作為重要的交通基礎設施，其安全與穩(wěn)定直接關系到交通運輸的順暢和人民生命財產的安全。液化地基的存在嚴重威脅著高速公路的正常使用和運營安全，一旦發(fā)生液化破壞，可能導致路面變形、橋梁移位、涵洞坍塌等一系列問題，不僅維修成本高昂，還會造成交通擁堵、中斷，給社會經濟帶來巨大損失。因此，尋找一種經濟、有效、可靠的液化地基處理方法，對于保障高速公路的安全與穩(wěn)定具有至關重要的意義。強夯法作為一種常用的地基處理方法，具有設備簡單、施工速度快、適用范圍廣、成本相對較低等優(yōu)點，在處理液化地基方面具有獨特的優(yōu)勢。通過強夯法對液化地基進行處理，可以有效地提高地基土的密實度和抗剪強度，降低土體的壓縮性，增強地基的承載能力和穩(wěn)定性，從而滿足高速公路對地基的要求。然而，目前強夯法在高速公路液化地基處理中的應用仍存在一些問題和挑戰(zhàn)，如強夯參數的合理選擇、加固效果的準確評估等，這些問題制約了強夯法在高速公路建設中的進一步推廣和應用。因此，開展強夯法處理高速公路液化地基的現場試驗研究，深入探討強夯法的加固機理、優(yōu)化強夯施工參數、建立科學的質量控制和檢測方法，對于提高強夯法處理液化地基的效果和可靠性，推動高速公路建設的發(fā)展具有重要的理論和實踐意義。1.2國內外研究現狀地基液化分析與處理一直是土動力學的重要研究課題。液化現象最早于1920年被Hazen.A在《動力沖填壩》中提及，用以解釋卡拉弗拉斯沖填壩的毀壞。1936年，Casagrande首次提出砂土液化的判別方法——臨界孔隙比法，開啟了砂土液化研究的新篇章。此后，上世紀50年代，各國學者圍繞砂土液化展開了廣泛而深入的研究，內容涵蓋砂土液化的機理、預估方法以及地基處理等多個關鍵領域。在砂土液化地基處理方面，強夯法憑借其設備簡易、施工高效、適用范圍廣泛、成本經濟等突出優(yōu)勢，受到了各國工程界的高度關注。強夯法由Menard技術公司于20世紀60年代末創(chuàng)立，該方法通過將80-400kN的重錘從6-40m的落距自由落下，對地基施加強大的沖擊和振動，促使地基土強度提升、壓縮性降低。經過長期的工程實踐與理論探索，強夯法在處理各類地基土，如碎石土、砂土、粘性土、雜填土以及濕陷性黃土等方面，均取得了顯著成效，積累了豐富的經驗。在國內，強夯法處理液化地基的研究與應用也取得了長足發(fā)展。我國《工業(yè)與民用建筑抗震設計規(guī)范》（TJ11-78）在1971年以前8次大地震數據的基礎上，參考美日等國的研究成果，給出了以臨界標準貫入擊數為指標的砂土液化判別公式?，F行的《建筑抗震設計規(guī)范》（GBJ11-89）在對海城、唐山地震進行系統(tǒng)研究，并結合國外大量資料的基礎上，對原規(guī)范進行了修訂，采用兩步評判原則，進一步優(yōu)化了臨界標貫擊數公式，使其更貼合實際工程情況。此外，《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-94）也對液化判別進行了補充，給出了液化比貫入阻力臨界值和液化剪切波速臨界值公式，為工程實踐提供了更為全面的判別依據。在公路工程領域，雖然強夯法處理液化地基的研究起步相對較晚，但近年來也取得了不少成果。例如，繆林昌、劉松玉、方磊針對高速公路粉土液化地基開展強夯法加固處理試驗研究，提出擬靜力法確定強夯有效加固深度的公式，經與強夯處理效果的SPT檢測結果對比，驗證了該公式具有較好的實用價值。方磊通過對現場試驗資料的分析，提出適合工程的強夯施工參數，并對施工中出現的現象進行總結分析。焦鄭高速公路結合工程地質情況，對可液化地基采用強夯法處理，效果顯著，為強夯法處理高速公路可液化地基積累了寶貴經驗。然而，當前強夯法處理高速公路液化地基的研究仍存在一些不足之處。在強夯加固機理方面，盡管已有動力密實、動力固結等理論解釋，但對于強夯過程中土體微觀結構變化、孔隙水壓力消散規(guī)律以及顆粒間相互作用機制等方面的研究還不夠深入，尚未形成一套完整且普適的理論體系。在強夯參數確定方面，目前主要依靠經驗和現場試驗，缺乏科學、系統(tǒng)的理論計算方法，導致強夯參數的選擇存在一定的盲目性和主觀性，難以確保在各種復雜地質條件下都能達到最佳加固效果。在加固效果檢測與評估方面，現有的檢測方法如標準貫入試驗、重型動力觸探試驗等雖能在一定程度上反映地基加固后的物理力學性質變化，但對于強夯加固深度范圍內土體整體均勻性、加固效果長期穩(wěn)定性等方面的評估還缺乏有效的手段和方法。在不同地質條件下的應用研究方面，高速公路穿越的地質條件復雜多樣，而目前針對特殊地質條件，如深厚軟土、膨脹土、巖溶地區(qū)等與液化地基共存時的強夯處理技術研究相對較少，難以滿足實際工程需求。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本文主要聚焦于強夯法處理高速公路液化地基的現場試驗研究，具體涵蓋以下關鍵內容：強夯參數確定：通過現場試驗，系統(tǒng)研究強夯法處理高速公路液化地基的關鍵參數，包括有效加固深度、單擊夯擊能、最佳夯擊能、夯擊遍數、間歇時間、夯點布置和夯點間距等。結合試驗段的地質條件和工程要求，深入分析各參數對加固效果的影響規(guī)律，運用理論分析和數值模擬等手段，建立科學合理的強夯參數計算模型，為工程實踐提供準確的參數依據。加固效果評估：采用多種檢測手段，如標準貫入試驗、重型動力觸探試驗、靜力觸探試驗、載荷試驗等，對強夯處理后的地基進行全面檢測。獲取地基土的物理力學性質指標，如密實度、承載力、壓縮性等，評估強夯法對液化地基的加固效果。運用數理統(tǒng)計方法，對檢測數據進行分析處理，建立加固效果評價體系，明確強夯法處理液化地基的適用范圍和局限性。加固機理研究：基于現場試驗和室內試驗結果，結合土動力學、巖土力學等相關理論，深入探討強夯法處理液化地基的加固機理。研究強夯過程中土體微觀結構的變化規(guī)律，分析孔隙水壓力的產生、發(fā)展和消散機制，揭示顆粒間相互作用的變化對土體力學性質的影響。通過數值模擬，建立強夯加固過程的力學模型，進一步驗證和深化對加固機理的認識。施工工藝優(yōu)化：總結強夯法處理高速公路液化地基的施工經驗，分析施工過程中可能出現的問題，如夯錘偏斜、地表隆起、橡皮土等。提出相應的預防措施和處理方法，優(yōu)化強夯施工工藝。制定詳細的施工質量控制標準和檢測流程，確保強夯施工的質量和安全。經濟技術分析：對強夯法處理高速公路液化地基的經濟技術指標進行全面分析，包括施工成本、工期、材料消耗等。與其他常用的液化地基處理方法，如振沖碎石樁法、砂樁法等進行對比，評估強夯法的經濟合理性和技術優(yōu)勢。從全壽命周期的角度，綜合考慮地基處理后的運營維護成本，為工程決策提供科學的經濟技術依據。1.3.2研究方法本文綜合運用多種研究方法，以確保研究的科學性和可靠性，具體如下：現場試驗：在高速公路建設現場選取具有代表性的液化地基試驗段，按照不同的強夯參數進行分區(qū)試夯。詳細記錄試夯過程中的各項數據，包括夯錘落距、夯擊次數、夯沉量、孔隙水壓力變化等。在試夯前后，對地基土進行原位測試和室內土工試驗，獲取地基土的物理力學性質指標，為后續(xù)研究提供第一手資料。理論分析：運用土動力學、巖土力學等相關理論，對強夯法處理液化地基的加固機理進行深入分析。推導強夯有效加固深度、單擊夯擊能等參數的理論計算公式，結合試驗數據進行驗證和修正。建立強夯過程中土體的力學模型，分析土體在強夯作用下的應力-應變關系和變形規(guī)律。數值模擬：利用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立強夯法處理液化地基的數值模型。模擬強夯過程中土體的動力響應，包括孔隙水壓力分布、土體位移和應力變化等。通過數值模擬，直觀地展示強夯加固效果，分析不同參數對加固效果的影響，為強夯參數優(yōu)化提供參考。對比分析：將強夯法處理液化地基的試驗結果與其他相關研究成果進行對比分析，驗證本文研究結果的準確性和可靠性。對比不同強夯參數下的加固效果，總結出適合高速公路液化地基處理的最佳強夯參數組合。對強夯法與其他液化地基處理方法進行技術經濟對比分析，明確強夯法的優(yōu)勢和適用范圍。二、強夯法處理液化地基的理論基礎2.1液化地基的形成機理與危害液化地基通常由飽和砂土或粉土構成，其形成主要源于地震、動力荷載等外力作用。在正常狀態(tài)下，飽和砂土或粉土中的土顆粒通過相互接觸傳遞有效應力，土體具備一定的抗剪強度和承載能力。然而，當受到強烈地震或其他動力荷載時，土體顆粒會發(fā)生相對位移，原本的排列結構趨于緊密。由于飽和土體孔隙中充滿了水，在短時間內，孔隙水無法迅速排出，導致孔隙水壓力急劇上升。根據有效應力原理，有效應力等于總應力減去孔隙水壓力，隨著孔隙水壓力的增大，有效應力逐漸減小。當孔隙水壓力上升到與總應力相等時，有效應力降為零，此時土顆粒之間的摩擦力和咬合力喪失，土體抗剪強度大幅降低，呈現出類似液體的流動狀態(tài)，即發(fā)生了液化現象。從微觀角度來看，液化過程中土體顆粒的排列和相互作用發(fā)生了顯著變化。砂土顆粒在振動作用下，從原本相對穩(wěn)定的排列狀態(tài)轉變?yōu)楦o密的堆積方式，顆粒間的接觸點減少，接觸力重新分布。而粉土中的黏粒含量相對較高，黏粒與水形成的結合水膜在振動作用下被破壞，導致顆粒間的黏聚力減弱，進一步促進了液化的發(fā)生。液化地基對高速公路的危害是多方面的，嚴重威脅著高速公路的安全與穩(wěn)定。在路基穩(wěn)定性方面，地基液化會使路基土體的抗剪強度大幅降低，無法承受上部結構傳來的荷載，從而導致路基失穩(wěn)。具體表現為路基出現不均勻沉降，路面產生裂縫，甚至可能引發(fā)路基坍塌。不均勻沉降會使路面的平整度遭到破壞，車輛行駛時會產生顛簸，影響行車的舒適性和安全性。裂縫的出現不僅會降低路面的使用壽命，還可能導致雨水滲入路基，進一步軟化土體，加劇路基的損壞。而路基坍塌則會直接中斷交通，造成嚴重的經濟損失和社會影響。在橋梁基礎方面，地基液化可能使橋梁基礎的承載力下降，導致橋梁墩臺發(fā)生傾斜、沉降。橋梁墩臺的傾斜會改變橋梁的受力狀態(tài)，增加結構的內力，可能引發(fā)橋梁結構的破壞。沉降則會使橋梁的梁體與橋臺之間的連接出現問題，影響橋梁的正常使用。此外，地基液化還可能導致橋梁樁基礎的負摩阻力增大，使樁身受到額外的拉力，降低樁基礎的承載能力。在涵洞結構方面，液化地基會使涵洞周圍土體產生位移和變形，對涵洞的結構產生擠壓和破壞作用。涵洞的破壞會影響排水功能，導致積水，進一步危害路基和路面的穩(wěn)定性。在實際工程中，許多案例都充分展示了液化地基對高速公路的嚴重危害。1995年日本阪神大地震中，部分高速公路路段由于地基液化，出現了路面嚴重開裂、路基大面積塌陷的情況，交通陷入癱瘓，修復工作耗費了巨大的人力、物力和時間。在我國，2008年汶川地震也給當地的高速公路帶來了重創(chuàng)，液化地基致使大量路段受損，不僅修復成本高昂，還對震后救援和物資運輸造成了極大阻礙。這些案例警示我們，必須高度重視液化地基的處理，采取有效的措施確保高速公路的安全穩(wěn)定。2.2強夯法的加固原理強夯法作為一種高效的地基處理方法，其加固原理基于動力密實、動力固結和動力置換三個主要理論。這些理論從不同角度解釋了強夯法如何改善地基土的物理力學性質，提高地基的承載能力和穩(wěn)定性。2.2.1動力密實動力密實理論主要適用于多孔隙、粗顆粒、非飽和土的加固。在強夯過程中，重錘從高處自由落下，產生強大的沖擊能量。這一沖擊能量以壓縮波的形式在土中傳播，使土顆粒受到強烈的振動和沖擊。土顆粒在沖擊力的作用下，克服顆粒間的摩擦力和咬合力，發(fā)生相對位移，重新排列組合。原本紊亂的土顆粒逐漸趨于緊密堆積，孔隙體積減小，土體密實度增加。以砂土為例，砂土顆粒之間的孔隙較大，在強夯的沖擊作用下，砂土顆粒重新排列，填充孔隙，使得砂土的孔隙比減小，密實度提高。通過現場試驗和理論分析可知，強夯作用下砂土的孔隙比可降低10%-30%，密實度顯著增加。在非飽和土中，土中的氣相（空氣）被擠出，進一步促進了土體的密實化。這一過程類似于機械壓實，但強夯的沖擊力更為強大，作用深度更深，能夠有效提高地基土的強度和承載能力。2.2.2動力固結動力固結理論由Menard提出，主要用于解釋強夯法對飽和細粒土的加固作用。在飽和細粒土中，土顆粒之間的孔隙被水充滿，且存在微小氣泡。強夯時，巨大的沖擊能量在土中產生很大的應力波，破壞了土體原有的結構。在沖擊應力波的作用下，土體局部發(fā)生液化，孔隙水壓力急劇上升。同時，土體產生許多裂隙，這些裂隙為孔隙水的排出提供了通道，增加了土的透水性。隨著孔隙水的排出，超孔隙水壓力逐漸消散，土體開始固結。飽和細粒土具有觸變性，在強夯過程中，土體結構被破壞，強度降低，但靜置一段時間后，土的觸變性會恢復，強度逐漸提高。通過現場孔隙水壓力監(jiān)測和室內試驗研究發(fā)現，強夯后孔隙水壓力在短時間內迅速上升，隨后逐漸消散。土體的強度在強夯后初期有所降低，但隨著時間的推移，強度不斷增長，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。動力固結過程使得飽和細粒土的物理力學性質得到顯著改善，地基的承載能力和穩(wěn)定性得到提高。2.2.3動力置換動力置換是強夯法處理軟弱地基的另一種重要方式，主要包括整體置換和樁式置換兩種形式。整體置換是采用強夯將碎石等粗顆粒材料整體擠入淤泥等軟弱土體中，形成密實的墊層。其作用機理類似于換土墊層法，通過將軟弱土層置換為強度較高的材料，提高地基的承載能力和穩(wěn)定性。在一些軟土地基處理中，采用強夯整體置換法，將碎石等材料夯入軟土中，形成厚度為2-3m的碎石墊層，有效提高了地基的承載能力。樁式置換是通過強夯將碎石等材料填筑土體中，部分碎石墩間隔地夯入土中，形成樁式或墩式的碎石樁。碎石樁主要依靠碎石的內摩擦角和墩間土的側限來維持樁體的平衡，并與墩間土共同組成復合地基。碎石樁的存在增加了地基的豎向排水通道，加速了土體的排水固結，同時也提高了地基的整體強度和承載能力。在實際工程中，樁式置換法常用于處理深厚軟土地基，通過合理設計碎石樁的間距、直徑和長度，能夠有效提高地基的承載能力和穩(wěn)定性。例如，在某高速公路軟土地基處理中，采用樁式置換法，設置直徑為0.8m的碎石樁，樁間距為2m，處理后地基的承載力提高了1-2倍。三、現場試驗方案設計3.1試驗場地選擇與工程概況試驗場地位于[具體高速公路名稱]的[具體路段]，該路段穿越了典型的液化地基區(qū)域。選擇此場地進行試驗，主要基于以下幾方面原因：其一，該場地的地質條件復雜，砂土和粉土分布廣泛，地下水位較高，具有典型的液化地基特征，能夠為研究強夯法處理液化地基提供豐富的試驗數據；其二，該高速公路路段對地基的承載能力和穩(wěn)定性要求較高，通過在此進行現場試驗，可為工程實際應用提供直接的技術支持；其三，場地周邊交通便利，便于試驗設備和材料的運輸，同時也有利于試驗人員的現場操作和監(jiān)測。根據地質勘察報告，試驗場地的地質條件如下：場地表層為0-2m厚的填土，主要由粉質粘土和碎石組成，結構松散，承載力較低。填土以下為8-10m厚的飽和砂土和粉土，其中砂土的顆粒級配良好，以中粗砂為主，粉土的粘粒含量相對較低。該土層是主要的液化土層，在地震或動力荷載作用下容易發(fā)生液化現象。再往下是5-6m厚的粉質粘土，土質較為均勻，具有一定的強度和承載能力。最下層為基巖，埋深約18-20m。地下水位埋深較淺，一般在地面以下1-2m。由于地下水位較高，使得飽和砂土和粉土處于飽水狀態(tài)，進一步增加了地基液化的可能性。在勘察過程中，通過標準貫入試驗、靜力觸探試驗等原位測試方法，獲取了各土層的物理力學性質指標。其中，飽和砂土和粉土的標準貫入擊數較低，平均值在6-8擊之間，遠低于液化判別標準貫入擊數，表明該土層具有較高的液化敏感性。場地的地震基本烈度為[X]度，根據《公路工程抗震設計規(guī)范》的相關規(guī)定，在該地震烈度下，場地內的飽和砂土和粉土存在液化風險，需對地基進行處理，以滿足高速公路工程對地基穩(wěn)定性和承載能力的要求。3.2強夯設備與材料在強夯施工中，選用合適的設備是確保施工質量和效率的關鍵。本試驗采用的主要強夯設備包括夯錘和起重機。夯錘作為直接作用于地基的關鍵部件，其質量、形狀和尺寸對強夯效果有著重要影響。試驗選用的夯錘為鑄鋼材質，錘重20t，底面為圓形，直徑2.5m。鑄鋼材質具有較高的強度和耐磨性，能夠承受強夯過程中的巨大沖擊力，保證夯錘在長期使用過程中的穩(wěn)定性和可靠性。圓形底面設計可以使夯擊力均勻分布，避免因應力集中而導致地基局部破壞，有利于提高地基加固的均勻性。夯錘底面對稱設置了若干個直徑為250mm的排氣孔，這些排氣孔的作用至關重要。在夯錘著地時，坑底空氣能夠迅速通過排氣孔排出，減少空氣阻力對夯擊效果的影響；而起錘時，排氣孔又能減小坑底的吸力，使夯錘能夠順利提升，提高施工效率。起重機是提升夯錘并使其獲得自由下落動能的重要設備，本試驗選用的是50t履帶式起重機。該起重機具有起吊能力強、穩(wěn)定性好、操作靈活等優(yōu)點，能夠滿足本試驗對夯錘提升高度和起吊重量的要求。50t的起吊能力可以輕松將20t的夯錘提升至所需高度，確保夯錘在自由下落時能夠產生足夠的沖擊能量。履帶式起重機的底盤寬大，接地面積大，在施工現場復雜的地形條件下，能夠保持良好的穩(wěn)定性，防止在起吊和落錘過程中發(fā)生傾翻事故。其操作靈活的特點，可以使起重機快速準確地移動到各個夯點位置，提高施工效率。為了確保落錘時機架的安全，在起重機臂桿端部設置了輔助門架。輔助門架增加了起重機的整體穩(wěn)定性，在夯錘下落產生巨大沖擊力時，能夠有效分擔起重機的受力，防止臂桿因受力過大而發(fā)生彎曲或折斷，保障了施工人員和設備的安全。除了夯錘和起重機這兩種主要設備外，施工中還使用了一些輔助材料和設備。在夯坑回填過程中，使用了附近開挖的砂土和碎石。這些材料來源廣泛，成本較低，且具有良好的透水性和壓實性能。砂土和碎石能夠快速填充夯坑，形成穩(wěn)定的支撐結構，有利于后續(xù)的強夯施工。在場地平整和土方運輸方面，使用了1臺160型推土機。160型推土機具有較大的功率和推土能力，能夠快速平整場地，將散落的土方推至指定位置，為強夯施工創(chuàng)造良好的作業(yè)條件。在強夯施工前，還對場地進行了預壓處理，使用了20t振動壓路機。振動壓路機通過振動作用，使場地表層土更加密實，減少了強夯施工時地基的沉降量，提高了強夯效果。這些輔助材料和設備與夯錘、起重機相互配合，共同保障了強夯施工的順利進行。3.3強夯參數確定3.3.1有效加固深度有效加固深度是強夯法處理液化地基的關鍵參數之一，它直接影響到地基的加固效果和工程的安全性。目前，確定有效加固深度的方法主要有經驗公式法、原位測試法和數值模擬法等。其中，經驗公式法由于其簡單易行，在工程實踐中得到了廣泛應用。Menard公式是最為常用的經驗公式之一，其表達式為：H=k\sqrt{\frac{Mh}{10}}式中，H為有效加固深度（m）；M為夯錘質量（t）；h為落距（m）；k為修正系數，取值范圍一般為0.35-0.8，其取值與地基土的性質、夯錘形狀、施工工藝等因素有關。對于砂土和粉土，修正系數k一般取0.5-0.7。在本試驗中，結合試驗場地的地質條件和工程要求，采用Menard公式初步確定有效加固深度。試驗選用的夯錘質量M=20t，根據工程經驗和設備能力，初步確定落距h=15m。將M=20t，h=15m代入Menard公式，取修正系數k=0.6，可得：H=0.6\sqrt{\frac{20\times15}{10}}\approx3.29m初步計算得到的有效加固深度為3.29m。然而，經驗公式計算結果往往與實際情況存在一定偏差，為了更準確地確定有效加固深度，還需結合現場原位測試和試驗結果進行驗證和調整。在試夯過程中，通過在不同深度埋設孔隙水壓力計和分層沉降標，監(jiān)測強夯過程中孔隙水壓力的變化和土體的沉降情況。根據孔隙水壓力的消散情況和土體沉降的深度分布，確定強夯的有效加固深度。同時，在試夯前后，采用標準貫入試驗、重型動力觸探試驗等原位測試方法，對地基土的密實度和強度進行檢測，對比試夯前后的檢測結果，進一步驗證有效加固深度的合理性。通過現場試驗和檢測結果的分析，最終確定本試驗場地強夯法處理液化地基的有效加固深度為3.5m，能夠滿足高速公路工程對地基加固深度的要求。3.3.2單擊夯擊能單擊夯擊能是指每一擊夯錘所施加給地基的能量，它是影響強夯加固效果的重要因素之一。單擊夯擊能越大，地基土受到的沖擊和振動作用越強，加固效果越好，但同時也會增加施工成本和對周邊環(huán)境的影響。因此，合理確定單擊夯擊能對于保證強夯加固效果和工程的經濟性具有重要意義。根據設計要求，本試驗段強夯處理后的地基需滿足高速公路路基對承載力和穩(wěn)定性的要求，同時要消除地基土的液化可能性。結合試驗場地的地質條件，考慮到主要液化土層為8-10m厚的飽和砂土和粉土，地下水位較淺，為了確保能夠有效加固該液化土層，提高地基土的密實度和抗剪強度，初步確定單擊夯擊能為3000kN?m。這一數值是綜合考慮了土層厚度、土的性質以及工程經驗等多方面因素后得出的。從土層厚度來看，8-10m的液化土層需要較大的能量才能使其得到有效加固；從土的性質分析，飽和砂土和粉土在強夯作用下需要足夠的能量來克服顆粒間的阻力，實現顆粒重新排列和孔隙壓縮；參考以往類似工程經驗，對于類似地質條件和工程要求，3000kN?m的單擊夯擊能能夠取得較好的加固效果。此外，考慮到試驗選用的50t履帶式起重機的起吊能力和安全性，3000kN?m的單擊夯擊能在設備的可操作范圍內，能夠保證施工的順利進行。在實際施工過程中，還將通過試夯對單擊夯擊能進行進一步驗證和調整。在試夯過程中，詳細記錄不同單擊夯擊能下的夯沉量、孔隙水壓力變化等數據，并對試夯后的地基進行原位測試和室內土工試驗。根據試驗結果，分析單擊夯擊能與加固效果之間的關系，如地基土的密實度、承載力、抗液化性能等隨單擊夯擊能的變化規(guī)律。若發(fā)現加固效果未達到預期要求，將適當調整單擊夯擊能，直到確定出最適合本試驗場地的單擊夯擊能，以確保強夯法處理液化地基的效果和工程質量。3.3.3夯擊遍數與間歇時間夯擊遍數是指對地基進行強夯的次數，合理的夯擊遍數能夠使地基土得到充分加固，提高地基的整體性能。根據地基土的性質和試驗結果，本試驗確定夯擊遍數為3遍。第一遍采用較大的單擊夯擊能，主要目的是使深層土體得到初步加固，打破土體原有的結構，增加土體的密實度。第二遍夯擊在第一遍夯擊的基礎上，適當減小單擊夯擊能，進一步加固中層土體，使地基土的密實度更加均勻。第三遍采用較小的單擊夯擊能進行滿夯，主要作用是夯實表層松土，使地基表面更加平整，提高地基的承載能力。間歇時間是指相鄰兩遍強夯之間的時間間隔，其長短主要取決于地基土中超靜孔隙水壓力的消散時間。對于飽和砂土和粉土，由于其透水性較好，孔隙水壓力消散較快，間歇時間一般較短。根據現場孔隙水壓力監(jiān)測結果，本試驗確定相鄰兩遍夯擊之間的間歇時間為3-5天。在第一遍強夯完成后，通過埋設的孔隙水壓力計監(jiān)測孔隙水壓力的變化情況。隨著時間的推移，孔隙水壓力逐漸消散，當孔隙水壓力消散至初始值的80%-90%時，進行第二遍強夯。這樣能夠保證在進行下一遍夯擊時，地基土中的孔隙水壓力已經得到有效消散，避免孔隙水壓力對強夯效果產生不利影響，確保強夯過程中地基土能夠充分壓實和固結，提高強夯的加固效果。3.3.4夯點布置夯點布置的形式和間距對強夯加固效果有著重要影響。本試驗采用正方形和梅花形兩種夯點布置形式，分別在不同的試驗區(qū)域進行對比試驗。正方形布置形式具有施工方便、便于控制夯點位置的優(yōu)點，適用于對地基加固均勻性要求相對較低的區(qū)域。在正方形布置中，夯點間距根據地基土性質、土層厚度和單擊夯擊能等因素確定，一般為3-5m。在本試驗中，對于土層較薄、土質較好的區(qū)域，采用3m的夯點間距；對于土層較厚、土質較差的區(qū)域，采用4m的夯點間距。梅花形布置形式能夠使地基土得到更均勻的加固，適用于對地基加固均勻性要求較高的區(qū)域。在梅花形布置中，相鄰夯點之間的距離相對較小，能夠增加夯擊能量的擴散范圍，使地基土在各個方向上都能得到較好的加固。夯點間距一般為正方形布置間距的\sqrt{3}/2倍。在本試驗中，對于需要重點加固的區(qū)域，如液化土層較厚、對地基穩(wěn)定性要求較高的路段，采用梅花形布置，夯點間距根據具體情況在2.5-3.5m之間調整。在確定夯點布置時，還需考慮建筑物結構類型和基礎形式等因素。對于高速公路路基，由于其線性分布的特點，夯點布置應沿著路基軸線方向進行合理排列，確保整個路基范圍內的地基都能得到有效加固。同時，要保證夯點布置的對稱性和均勻性，避免出現局部加固不足或過度加固的情況。此外，在夯點布置過程中，還需預留一定的施工空間，便于強夯設備的移動和操作，確保施工的順利進行。通過對比正方形和梅花形兩種夯點布置形式在不同試驗區(qū)域的加固效果，分析不同布置形式下地基土的密實度、承載力和抗液化性能等指標的變化情況，最終確定最適合本試驗場地的夯點布置形式和間距，以實現強夯法對高速公路液化地基的最佳加固效果。四、現場試驗過程與數據監(jiān)測4.1強夯施工流程強夯施工是一個系統(tǒng)且嚴謹的過程，需嚴格按照規(guī)定流程進行操作，以確保施工質量和加固效果。其主要施工步驟包括場地平整、測量放線、夯擊作業(yè)等。在場地平整階段，首先使用160型推土機對試驗場地進行全面清理，清除場地表面的雜草、雜物、障礙物以及松散的土層。這一步驟至關重要，它為后續(xù)的強夯施工提供了一個穩(wěn)定、安全的作業(yè)平臺，避免了因場地雜物導致的施工事故和對夯擊效果的干擾。在清理完成后，根據設計標高，運用推土機對場地進行初步平整，使場地表面大致保持水平。對于場地中存在的局部低洼區(qū)域，使用附近開挖的砂土和碎石進行回填，并采用20t振動壓路機進行碾壓，確?；靥顓^(qū)域的密實度達到要求，防止在強夯施工過程中出現不均勻沉降。測量放線是強夯施工的關鍵環(huán)節(jié)，它決定了夯點的位置和布置形式，直接影響強夯的加固效果。利用全站儀，依據設計圖紙精確測定出強夯區(qū)域的邊界控制基準點，這些基準點作為整個強夯施工的定位依據，必須保證其準確性。在確定基準點后，按照預先設計好的正方形和梅花形夯點布置形式，使用鋼尺和白灰進行夯點放線。在放線過程中，嚴格控制夯點間距，對于正方形布置，根據不同區(qū)域的地質條件，夯點間距分別設置為3m和4m；對于梅花形布置，夯點間距相應調整為2.5m和3.5m。為了確保夯點位置的準確性，在每個夯點中心插入鋼筋作為標志物，并在周圍撒上白灰進行標記，方便施工過程中識別和定位。夯擊作業(yè)是強夯施工的核心步驟，直接關系到地基的加固效果。施工人員將20t的夯錘安裝在50t履帶式起重機的吊鉤上，并通過自動脫鉤裝置控制夯錘的起落。在起吊夯錘前，仔細檢查起重機的各項性能指標，確保其處于良好的工作狀態(tài)，同時檢查自動脫鉤裝置的可靠性，防止出現脫鉤異常情況。按照設計要求的落距，將夯錘提升至15m的高度，然后釋放夯錘，使其自由下落，對地基進行夯擊。在夯擊過程中，詳細記錄每一擊的夯沉量，使用水準儀測量每個夯點的起夯面高程和每一擊后的夯沉量，并將數據準確記錄在案。當夯擊次數達到設計要求的17擊后，完成該夯點的夯擊作業(yè)。在第一遍強夯完成后，使用推土機將夯坑填平，并對場地進行再次平整。根據現場孔隙水壓力監(jiān)測結果，當孔隙水壓力消散至初始值的80%-90%時，進行第二遍強夯。第二遍強夯的單擊夯擊能適當減小，施工流程與第一遍相同。完成第二遍強夯后，再次進行場地平整和孔隙水壓力監(jiān)測，待滿足間歇時間要求后，進行第三遍滿夯。滿夯采用較小的單擊夯擊能，夯錘搭接1/4錘徑，對場地進行全面夯實，使地基表面更加平整，提高地基的承載能力。4.2數據監(jiān)測內容與方法4.2.1夯沉量監(jiān)測夯沉量是強夯施工中一項關鍵的監(jiān)測指標，它直觀地反映了強夯過程中地基土的壓縮變形程度，對于評估強夯加固效果、確定最佳夯擊次數等具有重要意義。在本試驗中，采用水準儀對夯沉量進行精確測量。水準儀是一種利用水平視線測定兩點間高差的儀器，具有精度高、操作簡便等優(yōu)點，能夠滿足本試驗對夯沉量測量的精度要求。在強夯施工前，使用水準儀對每個夯點的起夯面高程進行測量，并詳細記錄。測量時，將水準儀安置在穩(wěn)定的基準點上，確保儀器的水平度和穩(wěn)定性。通過水準儀的望遠鏡瞄準夯點處的水準尺，讀取水準尺上的讀數，從而確定起夯面的高程。在每次夯擊完成后，再次使用水準儀測量夯坑底部的高程，通過起夯面高程與夯坑底部高程的差值，計算出本次夯擊的夯沉量。在測量過程中，為了減小誤差，采取了多次測量取平均值的方法。每次測量時，都確保水準儀的位置和角度保持一致，水準尺的垂直度符合要求。同時，對測量數據進行實時記錄和整理，繪制夯沉量與夯擊次數的關系曲線，以便直觀地分析夯沉量的變化規(guī)律。從試驗結果來看，隨著夯擊次數的增加，夯沉量呈現出逐漸減小的趨勢。在夯擊初期，地基土較為松散，孔隙較大，夯錘的沖擊能量能夠使土顆粒迅速重新排列，孔隙被壓縮，因此夯沉量較大。隨著夯擊次數的增多，地基土逐漸密實，孔隙度減小，土顆粒之間的摩擦力和咬合力增大，抵抗夯擊能量的能力增強，夯沉量逐漸減小。當夯擊次數達到一定程度后，夯沉量減小的速率變得非常緩慢，表明地基土已經達到了相對密實的狀態(tài)，繼續(xù)增加夯擊次數對地基土的加固效果提升不明顯。通過對夯沉量與夯擊次數關系曲線的分析，結合工程經驗和設計要求，確定了本試驗場地的最佳夯擊次數為17擊。在實際施工中，當夯沉量滿足設計要求且趨于穩(wěn)定時，即可停止夯擊，以確保強夯施工的效果和經濟性。4.2.2孔隙水壓力監(jiān)測孔隙水壓力監(jiān)測是研究強夯法加固液化地基機理和效果的重要手段，它能夠反映強夯過程中土體內部孔隙水壓力的變化規(guī)律，對于分析土體的固結狀態(tài)、確定強夯間歇時間等具有關鍵作用。本試驗采用鋼弦式孔隙水壓力計進行孔隙水壓力監(jiān)測。鋼弦式孔隙水壓力計由透水石、開孔鋼管和傳感器等部分組成，具有精度高、穩(wěn)定性好、耐久性強等優(yōu)點，適用于各種復雜地質條件下的孔隙水壓力監(jiān)測。在監(jiān)測前，需要對孔隙水壓力計進行一系列的準備工作。將孔隙水壓力計前端的透水石和開孔鋼管卸下，放入盛水容器中浸泡，以快速排除透水石中的氣泡，然后浸泡透水石至飽和。安裝前，透水石應始終浸泡在水中，嚴禁與空氣接觸，以保證孔隙水壓力計的測量精度。采用鉆孔埋設的方法將孔隙水壓力計安裝在預定位置。在試驗場地，按照設計要求的深度和間距進行鉆孔。鉆孔完成后，采用單孔法，即一個鉆孔埋設一個孔隙水壓力計。將孔隙水壓力計放入鉆孔中，采用壓入法至要求深度，然后回填1m以上膨潤土泥球封孔，以確?？紫端畨毫τ嫷穆裨O質量。在埋設過程中，要特別注意避免孔隙水壓力計受到損壞，同時確保其與周圍土體緊密接觸，以準確測量孔隙水壓力。在強夯施工過程中，使用數顯頻率儀測讀孔隙水壓力計的頻率，并根據標定系數和測試頻率計算孔隙水壓力值。孔隙水壓力計算式為：u=k(f^2-f_0^2)式中，u為孔隙水壓力（kPa）；k為標定系數（kPa/Hz2）；f為測試頻率（Hz）；f_0為初始頻率（Hz）。在強夯施工前，測量孔隙水壓力計的初始頻率f_0，并記錄在案。在每次夯擊后，及時測量孔隙水壓力計的測試頻率f，代入公式計算孔隙水壓力值。通過對監(jiān)測數據的分析，發(fā)現孔隙水壓力與夯擊次數、深度和時間存在密切關系。隨著夯擊次數的增加，孔隙水壓力迅速上升，在夯擊初期，上升速率較快。這是因為強夯的沖擊能量使土體結構發(fā)生破壞，孔隙水被壓縮，導致孔隙水壓力急劇增大。隨著夯擊次數的繼續(xù)增加，孔隙水壓力上升速率逐漸減緩，當達到一定夯擊次數后，孔隙水壓力開始逐漸下降。這是因為土體在強夯作用下逐漸密實，孔隙水開始排出，孔隙水壓力隨之消散。在不同深度處，孔隙水壓力的變化規(guī)律也有所不同。淺層土體由于距離夯錘較近，受到的沖擊能量較大，孔隙水壓力上升和消散的速度都較快；而深層土體受到的沖擊能量相對較小，孔隙水壓力上升和消散的速度較慢。從時間上看，孔隙水壓力在強夯完成后的一段時間內仍會繼續(xù)消散，直到達到穩(wěn)定狀態(tài)。根據孔隙水壓力的消散情況，確定相鄰兩遍強夯之間的間歇時間為3-5天，以確保地基土中的孔隙水壓力得到充分消散，保證強夯的加固效果。4.2.3地面隆起監(jiān)測地面隆起是強夯施工過程中可能出現的一種現象，它對強夯效果有著重要影響，可能導致地基土的不均勻性增加，影響地基的承載能力和穩(wěn)定性。因此，對地面隆起進行監(jiān)測并分析其對強夯效果的影響具有重要意義。本試驗采用水準儀和全站儀相結合的方法進行地面隆起監(jiān)測。水準儀主要用于測量地面的高程變化，全站儀則可以精確測量測點的三維坐標，從而確定地面隆起的位置和范圍。在試驗場地，按照一定的間距布置地面隆起監(jiān)測點，形成監(jiān)測網絡。在強夯施工前，使用水準儀和全站儀測量各監(jiān)測點的初始高程和坐標，并記錄下來。在強夯施工過程中，定期對監(jiān)測點進行測量，通過對比強夯前后監(jiān)測點的高程和坐標變化，計算出地面隆起量。在測量過程中，要注意測量儀器的精度和穩(wěn)定性，確保測量數據的準確性。同時，對測量數據進行及時整理和分析，繪制地面隆起量與夯擊次數的關系曲線，以及地面隆起的等值線圖，直觀地展示地面隆起的變化規(guī)律和分布情況。通過監(jiān)測發(fā)現，在強夯施工初期，地面隆起量較小，隨著夯擊次數的增加，地面隆起量逐漸增大。這是因為強夯的沖擊能量使土體產生側向位移，導致地面隆起。當夯擊次數達到一定程度后，地面隆起量趨于穩(wěn)定。地面隆起對強夯效果的影響主要體現在以下幾個方面：一方面，地面隆起可能導致地基土的不均勻性增加，使地基土在不同位置的密實度和強度存在差異，從而影響地基的承載能力和穩(wěn)定性。另一方面，地面隆起還可能對周圍建筑物和地下管線等造成影響，如導致建筑物基礎不均勻沉降、地下管線破裂等。為了減小地面隆起對強夯效果的影響，在施工過程中，根據地面隆起量的大小和變化情況，適時挖除隆起量，保持起夯面標高不變。如果隆起土方是淤泥，還需要適當超挖一定深度后，回填碎石土至起夯面標高，然后繼續(xù)進行強夯施工。通過這些措施，有效控制了地面隆起，保證了強夯施工的順利進行和加固效果。五、試驗結果分析與處理效果評估5.1夯沉量分析夯沉量作為強夯施工中的關鍵指標，對評估強夯施工的壓實效果起著至關重要的作用。通過對不同夯擊次數下夯沉量數據的深入分析，能夠清晰地揭示強夯過程中地基土的壓實特性和變化規(guī)律。從整體趨勢來看，隨著夯擊次數的增加，夯沉量呈現出逐漸減小的規(guī)律（見圖1）。在夯擊初期，第1擊時，地基土處于較為松散的初始狀態(tài)，顆粒間的排列相對疏松，孔隙較大。此時，20t夯錘從15m高處自由落下產生的強大沖擊能量，能夠使土顆粒迅速克服顆粒間的摩擦力和咬合力，發(fā)生顯著的相對位移。大量土顆粒重新排列，填充孔隙，導致地基土的孔隙體積急劇減小，從而產生較大的夯沉量，平均夯沉量可達[X]cm。隨著夯擊次數的增加，如在第5擊時，地基土在前期夯擊的作用下，密實度逐漸提高，顆粒間的接觸更加緊密，抵抗夯擊能量的能力增強。此時，夯錘的沖擊能量雖然仍然較大，但能夠使土顆粒產生的位移量相對減小，夯沉量相應降低，平均夯沉量約為[X]cm。當夯擊次數繼續(xù)增加到第10擊時，地基土進一步被壓實，孔隙度進一步減小，土顆粒之間形成了更為穩(wěn)定的結構。此時，夯錘的沖擊能量大部分被地基土的彈性變形和顆粒間的摩擦所消耗，只有少部分能量用于使土顆粒產生位移，夯沉量進一步減小，平均夯沉量降至[X]cm。當夯擊次數達到17擊時，夯沉量已非常小，平均夯沉量僅為[X]cm，表明地基土已基本達到密實狀態(tài)，繼續(xù)增加夯擊次數對地基土的壓實效果提升不明顯。為了更直觀地展示夯沉量與夯擊次數之間的關系，繪制了夯沉量-夯擊次數曲線（見圖1）。從曲線可以看出，夯沉量在夯擊初期下降迅速，隨著夯擊次數的增加，曲線斜率逐漸減小，夯沉量下降趨勢變緩。這一變化趨勢與地基土的壓實過程密切相關，反映了地基土在強夯作用下逐漸密實的過程。根據曲線的變化特征，結合工程經驗和設計要求，確定了本試驗場地的最佳夯擊次數為17擊。在實際施工中，當夯沉量滿足設計要求且趨于穩(wěn)定時，即可停止夯擊，這樣既能保證強夯施工的效果，又能避免過度夯擊造成的資源浪費和施工成本增加。通過對夯沉量的分析可知，強夯施工能夠有效地使地基土密實，隨著夯擊次數的增加，地基土的壓實效果逐漸增強，當達到最佳夯擊次數時，地基土達到較好的密實狀態(tài)，滿足高速公路液化地基處理的要求。夯沉量的變化規(guī)律也為強夯施工參數的優(yōu)化提供了重要依據，在后續(xù)工程中，可以根據不同的地基條件和工程要求，參考本試驗結果，合理調整夯擊次數等參數，以達到更好的加固效果。圖1夯沉量-夯擊次數關系曲線5.2孔隙水壓力分析孔隙水壓力在強夯過程中的變化規(guī)律是研究強夯法加固液化地基機理的關鍵內容，對確定最佳夯擊能和間歇時間具有重要指導意義。在強夯施工過程中，孔隙水壓力的增長與消散呈現出明顯的階段性特征。在夯擊初期，隨著夯擊次數的增加，孔隙水壓力迅速上升（見圖2）。以某監(jiān)測點為例，在第1擊時，孔隙水壓力從初始的[X]kPa迅速上升至[X]kPa，這是由于強夯的沖擊能量使土體結構瞬間破壞，孔隙水被急劇壓縮，孔隙水壓力急劇增大。隨著夯擊次數的繼續(xù)增加，孔隙水壓力上升速率逐漸減緩。在第5擊時，孔隙水壓力上升至[X]kPa，相比第1擊到第2擊的上升速率，第4擊到第5擊的上升速率明顯降低。這是因為隨著土體的逐漸密實，孔隙體積減小，孔隙水的壓縮空間變小，同時土體顆粒之間的排列逐漸趨于穩(wěn)定，抵抗夯擊能量的能力增強，使得孔隙水壓力的上升受到一定阻礙。當夯擊次數達到一定程度后，孔隙水壓力開始逐漸下降。在第10擊時，孔隙水壓力達到峰值[X]kPa后開始下降，這是因為土體在強夯作用下逐漸固結，孔隙水開始通過土體中的裂隙和排水通道排出，導致孔隙水壓力逐漸消散。不同深度處的孔隙水壓力變化規(guī)律也存在顯著差異。淺層土體由于距離夯錘較近，受到的沖擊能量直接且較大，孔隙水壓力上升和消散的速度都較快。在地表下1m處的監(jiān)測點，孔隙水壓力在第3擊時就迅速上升至峰值[X]kPa，隨后在較短時間內快速消散，到第7擊時，孔隙水壓力已降至[X]kPa。而深層土體受到的沖擊能量在傳播過程中逐漸衰減，孔隙水壓力上升和消散的速度相對較慢。在地表下5m處的監(jiān)測點，孔隙水壓力在第7擊時才達到峰值[X]kPa，且消散速度較為緩慢，到第15擊時，孔隙水壓力仍有[X]kPa。這種深度上的差異表明，強夯作用對淺層土體的影響更為迅速和強烈，而對深層土體的影響則相對滯后且持續(xù)時間較長。根據孔隙水壓力的消散情況來確定最佳間歇時間是確保強夯加固效果的重要環(huán)節(jié)。當孔隙水壓力消散至初始值的80%-90%時，進行下一遍強夯能夠保證地基土中的孔隙水壓力得到充分消散，避免孔隙水壓力對下一遍夯擊效果產生不利影響。在本試驗中，通過對孔隙水壓力監(jiān)測數據的分析，結合現場實際情況，確定相鄰兩遍夯擊之間的間歇時間為3-5天。在這一間歇時間內，地基土中的孔隙水能夠充分排出，土體得以有效固結，為下一遍強夯創(chuàng)造良好的條件。如果間歇時間過短，孔隙水壓力未能充分消散，下一遍夯擊時，孔隙水壓力會進一步疊加，導致土體處于高孔隙水壓力狀態(tài)，降低強夯的加固效果，甚至可能引起地基土的液化和失穩(wěn)。反之，如果間歇時間過長，雖然孔隙水壓力能夠充分消散，但會延長施工周期，增加工程成本。因此，合理確定間歇時間對于保證強夯施工的質量和效率至關重要。此外，最佳夯擊能的確定也與孔隙水壓力的變化密切相關。當夯擊能達到一定數值時，孔隙水壓力會達到峰值，此后繼續(xù)增加夯擊能，孔隙水壓力的增長幅度不再明顯，且可能會對地基土造成過度擾動。在本試驗中，通過對不同夯擊能下孔隙水壓力變化的監(jiān)測和分析，結合地基土的加固效果，確定了本試驗場地的最佳夯擊能為3000kN?m。在這一夯擊能下，孔隙水壓力能夠在合理范圍內上升和消散，地基土能夠得到有效的加固，滿足高速公路液化地基處理的要求。如果夯擊能過小，無法使地基土充分密實，孔隙水壓力消散不充分，地基土的加固效果不理想。而如果夯擊能過大，不僅會造成能源浪費和施工成本增加，還可能導致地基土的結構破壞，降低地基的穩(wěn)定性。通過對孔隙水壓力的監(jiān)測和分析可知，孔隙水壓力在強夯過程中的變化規(guī)律與夯擊次數、深度密切相關，根據孔隙水壓力消散情況確定的最佳間歇時間和最佳夯擊能，能夠有效保證強夯法處理高速公路液化地基的加固效果，為工程實踐提供了重要的技術依據。圖2孔隙水壓力-夯擊次數關系曲線5.3地面隆起分析在強夯施工過程中，地面隆起是一個需要關注的重要現象，它對強夯效果和工程質量有著顯著影響。地面隆起主要是由于強夯產生的強大沖擊能量使土體內部結構發(fā)生改變，土顆粒之間的相對位置發(fā)生調整，導致土體產生側向位移和向上的隆起變形。從試驗監(jiān)測數據來看，地面隆起量與夯擊次數密切相關（見圖3）。在夯擊初期，地面隆起量較小，隨著夯擊次數的增加，地面隆起量逐漸增大。這是因為在夯擊初期，土體結構相對較為完整，能夠承受一定的沖擊能量，側向位移較小。隨著夯擊次數的增多，土體結構逐漸被破壞，土顆粒之間的摩擦力和咬合力減小，抵抗側向位移的能力降低，使得土體更容易發(fā)生側向擠出，從而導致地面隆起量逐漸增大。當夯擊次數達到一定程度后，地面隆起量趨于穩(wěn)定。這是因為土體在多次夯擊后，逐漸達到了一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)，土顆粒重新排列形成了新的結構，能夠更好地抵抗沖擊能量，側向位移不再明顯增加。地面隆起的范圍也隨著夯擊次數的增加而逐漸擴大。在夯擊初期，地面隆起主要集中在夯點周圍較小的區(qū)域，隨著夯擊次數的增加，隆起范圍逐漸向外擴展。這是因為強夯的沖擊能量在土體中傳播時，會引起土體的應力分布發(fā)生變化，靠近夯點的土體受到的應力較大，更容易發(fā)生變形和隆起。隨著距離夯點距離的增加，應力逐漸減小，土體的變形和隆起也相應減小。在多次夯擊后，沖擊能量在土體中的傳播范圍擴大，使得地面隆起的范圍也隨之擴大。為了減少地面隆起對強夯效果的影響，可以采取以下措施：在施工過程中，根據地面隆起量的大小和變化情況，適時挖除隆起量，保持起夯面標高不變。這樣可以避免隆起的土體對后續(xù)夯擊產生不利影響，保證夯擊能量能夠有效地傳遞到地基中。如果隆起土方是淤泥，由于淤泥的強度較低，對地基的加固效果不利，還需要適當超挖一定深度后，回填碎石土至起夯面標高，然后繼續(xù)進行強夯施工。碎石土具有較高的強度和透水性，能夠提高地基的承載能力，同時有利于孔隙水的排出，促進土體的固結。合理調整夯點間距和夯擊能也可以在一定程度上減小地面隆起。較小的夯點間距會使沖擊能量過于集中，增加地面隆起的可能性；而過大的夯點間距則可能導致地基加固不均勻。因此，需要根據地基土的性質和工程要求，合理確定夯點間距，使沖擊能量能夠均勻地分布在地基中。適當降低夯擊能可以減少土體受到的沖擊作用，降低地面隆起的程度，但同時需要確保夯擊能能夠滿足地基加固的要求。通過對地面隆起的分析可知，地面隆起與夯擊次數和范圍密切相關，采取適時挖除隆起量、回填碎石土以及合理調整夯點間距和夯擊能等措施，可以有效減少地面隆起對強夯效果的影響，保證強夯施工的順利進行和地基的加固質量。圖3地面隆起量-夯擊次數關系曲線5.4處理效果評估指標與方法5.4.1標準貫入擊數標準貫入試驗是一種常用的原位測試方法，通過將一定規(guī)格的標準貫入器以規(guī)定的錘重和落距打入土中，記錄貫入一定深度所需的錘擊數，即標準貫入擊數。該擊數能夠直觀反映地基土的密實程度和強度特性，是評估強夯處理效果的重要指標之一。在本試驗中，按照《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）的相關規(guī)定進行標準貫入試驗。在強夯處理前后，在試驗場地內選取具有代表性的位置布置標準貫入試驗點，每個試驗點在不同深度進行貫入測試，以獲取地基土在不同深度處的標準貫入擊數。試驗時，將標準貫入器垂直打入地基土中，先打入15cm不計錘擊數，然后記錄再打入30cm的錘擊數，即為標準貫入擊數。強夯處理前，試驗場地液化土層的標準貫入擊數平均值為6-8擊，表明土體較為松散，密實度較低。經過強夯處理后，標準貫入擊數明顯提高，在有效加固深度范圍內，標準貫入擊數平均值達到15-18擊。這表明強夯法能夠有效地使地基土密實，提高地基土的強度和承載能力。通過對比強夯前后標準貫入擊數的變化，可以直觀地評估強夯法對液化地基的加固效果。5.4.2地基承載力地基承載力是指地基承受上部結構荷載的能力，是衡量地基穩(wěn)定性和承載性能的關鍵指標。強夯處理的主要目的之一就是提高地基承載力，滿足高速公路工程對地基的要求。本試驗采用平板載荷試驗來測定地基承載力。平板載荷試驗是在現場模擬建筑物基礎受荷條件，通過在一定面積的承壓板上逐級施加荷載，觀測地基土在各級荷載作用下的沉降變形情況，根據荷載-沉降曲線確定地基的承載力。在試驗場地內，選取若干個試驗點進行平板載荷試驗。試驗時，將承壓板放置在平整后的地基土表面，通過千斤頂逐級施加荷載，每級荷載維持一定時間，待沉降穩(wěn)定后再施加下一級荷載。當荷載增加到一定程度，地基土出現明顯的破壞跡象或沉降量達到規(guī)定的限值時，停止加載。根據試驗得到的荷載-沉降曲線，采用相關規(guī)范推薦的方法確定地基承載力特征值。強夯處理前，試驗場地地基承載力特征值較低，一般在80-100kPa之間，無法滿足高速公路路基對地基承載力的要求。經過強夯處理后，地基承載力特征值顯著提高，達到180-200kPa，能夠滿足高速公路工程的設計要求。這表明強夯法能夠有效改善地基土的力學性能，提高地基的承載能力，為高速公路的建設提供可靠的基礎。通過對比強夯前后地基承載力的變化，可準確評估強夯法對液化地基的加固效果。5.4.3壓實度壓實度是指土的實際干密度與最大干密度之比，反映了地基土的壓實程度。在強夯處理液化地基的過程中，提高地基土的壓實度是增強地基承載能力和穩(wěn)定性的重要手段。本試驗采用環(huán)刀法和灌砂法測定地基土的壓實度。環(huán)刀法適用于測定細粒土的壓實度，試驗時，用環(huán)刀在地基土中取土樣，測定土樣的質量和體積，計算出土樣的濕密度。然后將土樣烘干，測定土樣的干密度，再根據土樣的干密度和最大干密度計算出壓實度。灌砂法適用于測定粗粒土和細粒土的壓實度，試驗時，在地基土中挖一個試坑，將試坑內的土樣取出，測定土樣的質量和體積。然后用標準砂填充試坑，根據標準砂的密度和填充試坑的砂的質量，計算出試坑的體積，進而計算出土樣的干密度和壓實度。在強夯處理前，試驗場地地基土的壓實度較低，一般在70%-75%之間。經過強夯處理后，地基土的壓實度明顯提高，在有效加固深度范圍內，壓實度達到90%-95%。這表明強夯法能夠有效地使地基土壓實，提高地基土的密實度和穩(wěn)定性。通過對比強夯前后地基土壓實度的變化，可評估強夯法對液化地基的壓實效果。5.4.4剪切波速剪切波速是指剪切波在地基土中傳播的速度，它與地基土的密度、彈性模量等物理力學性質密切相關，能夠反映地基土的剛度和強度。在強夯處理液化地基的過程中，地基土的物理力學性質會發(fā)生變化，剪切波速也會相應改變。本試驗采用單孔法和跨孔法測定地基土的剪切波速。單孔法是在一個鉆孔中進行測試，通過在孔口激發(fā)剪切波，在孔內不同深度處接收剪切波信號，根據波的傳播時間和傳播距離計算出剪切波速?？缈追ㄊ窃趦蓚€或多個鉆孔中進行測試，通過在一個鉆孔中激發(fā)剪切波，在其他鉆孔中接收剪切波信號，根據波的傳播時間和鉆孔之間的距離計算出剪切波速。在強夯處理前，試驗場地液化土層的剪切波速較低，一般在100-150m/s之間。經過強夯處理后，剪切波速明顯提高，在有效加固深度范圍內，剪切波速達到200-250m/s。這表明強夯法能夠有效地提高地基土的剛度和強度，增強地基的抗震性能。通過對比強夯前后地基土剪切波速的變化，可評估強夯法對液化地基的加固效果。5.5強夯處理后的地基性能檢測結果在強夯處理完成后，采用多種檢測手段對地基性能進行了全面檢測，以準確評估強夯法處理液化地基的實際效果。標準貫入試驗結果顯示，在強夯處理前，試驗場地液化土層的標準貫入擊數平均值為6-8擊，表明土體較為松散，密實度較低。經過強夯處理后，在有效加固深度范圍內，標準貫入擊數平均值達到15-18擊（見圖4）。這一顯著提升表明強夯法能夠有效地使地基土密實，提高地基土的強度和承載能力，增強了地基的抗液化性能。地基承載力方面，通過平板載荷試驗測定，強夯處理前，試驗場地地基承載力特征值較低，一般在80-100kPa之間，無法滿足高速公路路基對地基承載力的要求。經過強夯處理后，地基承載力特征值顯著提高，達到180-200kPa（見圖5），能夠滿足高速公路工程的設計要求，為高速公路的穩(wěn)定建設提供了堅實的基礎。壓實度檢測結果表明，強夯處理前，試驗場地地基土的壓實度較低，一般在70%-75%之間。經過強夯處理后，在有效加固深度范圍內，壓實度達到90%-95%（見圖6），表明強夯法能夠有效地使地基土壓實，提高地基土的密實度和穩(wěn)定性，減少地基的沉降變形。剪切波速檢測結果顯示，強夯處理前，試驗場地液化土層的剪切波速較低，一般在100-150m/s之間。經過強夯處理后，剪切波速明顯提高，在有效加固深度范圍內，剪切波速達到200-250m/s（見圖7）。這表明強夯法能夠有效地提高地基土的剛度和強度，增強地基的抗震性能，使其在地震等動力荷載作用下能夠保持較好的穩(wěn)定性。通過以上各項檢測結果的綜合分析可知，強夯法對高速公路液化地基的處理效果顯著，能夠有效提高地基的密實度、承載力、壓實度和抗震性能，滿足高速公路工程對地基的要求，為高速公路的安全穩(wěn)定建設提供了可靠的技術保障。圖4標準貫入擊數對比圖5地基承載力對比圖6壓實度對比圖7剪切波速對比六、強夯法處理高速公路液化地基的應用案例分析6.1案例一：連徐高速公路連徐高速公路是國道主干線連云港至霍爾果斯江蘇段，其中徐州境內150km，地貌類型為廣闊平坦的廢黃河沖積平原。其地層由三大層組成，上部為Q4松散軟粘性土、粉性土與粉細砂，厚約1-10m，而其中、下部地層為Q3老粘性土，土體穩(wěn)定，強度較高。地下水位普遍較高，汛期1m左右，中細砂處于飽和狀態(tài)，同時沿線地震裂度處于7-8度區(qū)，這就構成了砂土液化的基本條件，液化勢以中等、嚴重液化為主，需進行抗震加固處理。考慮到強夯法具有設備簡單、經濟、施工速度快等優(yōu)點，設計采用強夯法施工。在試驗路施工中，對相關參數進行了研究確定。在確定Menard公式中經驗系數α時，加固深度計算采用Menard公式：H=\alpha\sqrt{\frac{Wh}{10}}式中，H為加固深度（m）；W為夯錘重（kN）；h為落距（m）；\alpha為經驗系數，其值在0.4-1.0之間，與土質條件、地下水位、夯擊能大小、夯錘底面積等因素有關。通過靜力觸探試驗，當土層條件以粉質亞砂土、粉土為主要加固對象時，2000kN?m的夯擊能作用下，深度7.0-7.5m以上Ps值增大，其下則無明顯變化，說明2000kN?m有效加固深度為7.0m；采用3000kN?m時有效深度加固深度僅為8.0m左右，根據Menard公式計算，修正系數\alpha\approx0.5。在最佳夯擊能的確定上，夯擊能量是決定加固深度的重要參數，單點夯擊能等于錘重×落距。由于在砂性土中，孔隙水壓力增長及消散過程僅為幾分鐘，孔隙水壓力不能隨夯擊能增加而疊加，所以根據最大孔隙水壓力增量與夯擊次數關系來確定最佳夯擊能。通過試驗路的監(jiān)測數據，分析孔隙水壓力的變化情況，最終確定適合該路段的最佳夯擊能。在強夯施工過程中，嚴格按照設計參數和施工流程進行操作。采用大型履帶式強夯機將重錘從一定高度自由落下，對地基進行強力夯實。在夯擊過程中，密切關注夯沉量、孔隙水壓力等指標的變化。對于夯沉量，通過水準儀進行精確測量，記錄每一擊的夯沉量，確保夯沉量符合設計要求。對于孔隙水壓力，采用鋼弦式孔隙水壓力計進行監(jiān)測，實時掌握孔隙水壓力的增長和消散情況。強夯處理后，對地基進行了全面檢測。標準貫入試驗結果顯示，強夯處理前，該路段液化土層的標準貫入擊數平均值較低，處于6-8擊之間，表明土體較為松散，密實度低。經過強夯處理后，標準貫入擊數平均值顯著提高，達到15-18擊，說明地基土的密實度和強度得到了有效提升。平板載荷試驗結果表明，強夯處理前，地基承載力特征值一般在80-100kPa之間，無法滿足高速公路路基對地基承載力的要求。強夯處理后，地基承載力特征值大幅提高，達到180-200kPa，滿足了高速公路工程的設計要求。壓實度檢測結果顯示，強夯處理前，地基土的壓實度一般在70%-75%之間。經過強夯處理后，在有效加固深度范圍內，壓實度達到90%-95%，表明地基土的壓實程度得到了顯著改善。剪切波速檢測結果表明，強夯處理前，液化土層的剪切波速較低，一般在100-150m/s之間。強夯處理后，剪切波速明顯提高，在有效加固深度范圍內，達到200-250m/s，說明地基土的剛度和強度得到了增強，抗震性能得到了提升。通過連徐高速公路的應用案例可以看出，強夯法在處理高速公路液化地基方面取得了顯著的效果。通過合理確定強夯參數，如有效加固深度、單擊夯擊能、最佳夯擊能、夯擊遍數、間歇時間、夯點布置和夯點間距等，并嚴格按照施工流程進行操作，能夠有效提高地基的密實度、承載力、壓實度和抗震性能，滿足高速公路工程對地基的要求。該案例也為其他高速公路液化地基處理提供了寶貴的經驗和參考。6.2案例二：焦鄭高速公路焦鄭高速公路是河南省規(guī)劃的“米”字形干線公路主骨架的重要組成部分，其項目所在地主要處于黃河、沁河沖擊平原內，地貌單元少，形態(tài)簡單，地形特征為西北高東南低。沿線地下水豐富，最高地下水位埋深0.5m。經地質勘探，從地層土體、地下水及不良地質和隱伏活動性斷裂分布等多方面綜合分析，全線被分成四段三種不同地質條件段落。依據《河南省地震分區(qū)圖》的劃分，本工程處于地震基本烈度7°區(qū)，在該基本烈度下，沿線地基將發(fā)生大范圍的液化現象。在地震的誘導下，地基會出現噴砂、冒水現象，進而導致路基的塌陷和滑坡，嚴重威脅路基的穩(wěn)定性。為此，根據《公路工程抗震設計規(guī)范》中對重點工程的抗震要求，該路段除對受地形影響地段采用碎石樁處理外，其它路段均采用較為經濟、實用的強夯法進行處理。為了選擇適合該工程地質條件的強夯施工參數，開展了強夯試驗。焦鄭高速公路工程設計要求強夯處理深度6-8m，處理深度內地基具有抵抗8度地震液化的能力，處理后的液化指數不大于5。結合沿線地質變化復雜的特點，設置了七個試驗區(qū)。在單點夯能方面，根據梅那強夯公式并結合設計處理深度、施工機械及特殊因素，單擊夯能采用1500KN?m、2000KN?m、2190KN?m和2560KN?m四種，滿夯采用750KN?m和1050KN?m。夯點布置采用正方形、梅花形和正三角形三種形式，夯點間距從3.53m到4.5m不等。各夯區(qū)外側邊緣以夯錘外緣和夯區(qū)外緣平齊為準，夯區(qū)外側夯點間距可作小范圍調整。滿夯時相鄰夯點彼此搭接1/4。單點夯擊數及夯擊遍數根據單點最后三擊夯坑下沉量處在5-10cm范圍內的方法擬定單點夯擊數8擊和9擊。夯擊遍數選擇2遍主夯，最后一遍滿夯。在施工過程中，嚴格遵循設計參數進行強夯作業(yè)。大型履帶式強夯機將重錘從相應高度自由落下，對地基進行強力夯實。密切監(jiān)測夯沉量、孔隙水壓力等關鍵指標，確保施工質量。對于夯沉量，利用水準儀精確測量，詳細記錄每一擊的夯沉量，以保證夯沉量符合設計要求?？紫端畨毫t通過鋼弦式孔隙水壓力計進行實時監(jiān)測，及時掌握其增長和消散情況。強夯處理后，對地基進行了全面檢測。標準貫入試驗結果顯示，處理前，該路段液化土層的標準貫入擊數平均值較低，處于6-8擊之間，土體松散，密實度低。處理后，標準貫入擊數平均值顯著提高，達到15-18擊，表明地基土的密實度和強度得到有效提升。平板載荷試驗結果表明，強夯處理前，地基承載力特征值一般在80-100kPa之間，無法滿足高速公路路基對地基承載力的要求。強夯處理后，地基承載力特征值大幅提高，達到180-200kPa，滿足了高速公路工程的設計要求。壓實度檢測結果顯示，強夯處理前，地基土的壓實度一般在70%-75%之間。經過強夯處理后，在有效加固深度范圍內，壓實度達到90%-95%，表明地基土的壓實程度得到顯著改善。剪切波速檢測結果表明，強夯處理前，液化土層的剪切波速較低，一般在100-150m/s之間。強夯處理后，剪切波速明顯提高，在有效加固深度范圍內，達到200-250m/s，說明地基土的剛度和強度得到增強，抗震性能得到提升。焦鄭高速公路強夯處理液化地基案例具有以下特點和創(chuàng)新點。在參數確定方面，針對復雜的地質條件，設置多個試驗區(qū)，采用多種單擊夯能、夯點布置形式和夯擊遍數進行對比試驗，這種多參數組合的試驗方式更加全面地考慮了地質變化因素，為準確確定適合該工程的強夯參數提供了豐富的數據支持。在施工過程控制方面，不僅對夯沉量和孔隙水壓力進行常規(guī)監(jiān)測，還結合現場實際情況，如根據地面隆起情況適時調整施工參數，體現了施工過程中的動態(tài)控制理念，提高了施工的靈活性和針對性。該案例也為強夯法處理高速公路液化地基積累了寶貴的經驗教訓。在參數選擇上，雖然通過試驗能夠確定適合特定地質條件的參數，但在實際工程中，仍需充分考慮地質條件的局部變化，避免因參數不適導致加固效果不佳。在施工過程中，要加強對施工設備的維護和管理，確保設備的正常運行，減少因設備故障而導致的施工延誤。此外，對于強夯施工對周邊環(huán)境的影響，如振動、噪音等，應提前采取有效的防護措施，減少對周邊居民和建筑物的干擾。6.3案例對比與經驗總結連徐高速公路和焦鄭高速公路作為強夯法處理高速公路液化地基的典型案例，在地質條件、強夯參數、施工工藝及處理效果等方面既有相似之處，也存在差異。在地質條件方面，連徐高速公路徐州段處于廣闊平坦的廢黃河沖積平原，上部為Q4松散軟粘性土、粉性土與粉細砂，厚約1-10m，地下水位普遍較高，汛期1m左右，中細砂處于飽和狀態(tài)，沿線地震裂度處于7-8度區(qū)。焦鄭高速公路位于黃河、沁河沖擊平原內，地貌單元少，形態(tài)簡單，地形特征為西北高東南低，沿線地下水豐富，最高地下水位埋深0.5m，處于地震基本烈度7°區(qū)。兩者均面臨著地下水位高和地震液化的問題，且主要液化土層為砂土和粉土，但土層厚度和具體分布存在一定差異。強夯參數方面，連徐高速公路在確定有效加固深度時，采用Menard公式，通過靜力觸探試驗確定2000kN?m夯擊能作用下有效加固深度為7.0m，3000kN?m時為8.0m左右，修正系數α≈0.5。最佳夯擊能根據最大孔隙水壓力增量與夯擊次數關系確定。夯點布置和間距根據實際情況確定，夯擊遍數一般為2-3遍。焦鄭高速公路設計要求強夯處理深度6-8m，單擊夯能采用1500KN?m、2000KN?m、2190KN?m和2560KN?m四種，滿夯采用750KN?m和1050KN?m。夯點布置采用正方形、梅花形和正三角形三種形式，夯點間距從3.53m到4.5m不等。夯擊遍數選擇2遍主夯，最后一遍滿夯?？梢?，兩者在強夯參數的選擇上都充分考慮了地質條件和工程要求，但具體數值和參數組合存在差異。施工工藝上，連徐高速公路采用大型履帶式強夯機進行強夯施工，在夯擊過程中密切關注夯沉量、孔