超高能级直接强夯进行低含水量湿陷性黄土处理工艺

技术领域

本发明涉及土木工程地基处理技术领域，具体是一种超高能级强夯处理低含水量湿陷性黄土的施工工艺。 

背景技术

强夯法是一种将几十吨（一般为8-40t）重锤从几十米（一般6-40m）高处自由落下，对土进行强力夯实的方法。对于非饱和土，强夯加固是基于动力密实的机理，即用冲击型动力荷载使土中的孔隙体积减小，土体变得密实，从而提高地基土的强度。非饱和土的夯实过程，就是土中的气相被挤出的过程。 

以上强夯机理，对于加固多孔隙、粗颗粒和天然含水量接近最佳含水量的饱和土、湿陷性黄土，强夯效果显著。但对于西北地区及黄土高原地区广泛存在的低含水量湿陷性黄土（天然含水量低于8%且一般不会低于5%的的地基土）而言，处理效果并不理想。 

首先，湿陷性黄土随着含水量的降低，土的液性指数逐渐降低，当天然含水量小于塑限后，液性指数变为负值，土的状态由硬塑变为坚硬。而越是坚硬的地基、强夯时所需要的能量也就越大。 

其次，对同一种土或同一种级配的集料而言，击实功能增加时，其最优含水量降低而最大干密度增大。 

我国西部地区气候干旱、缺水，湿陷性黄土分布广泛，且含水量极低，湿陷性强烈，湿陷等级高，处理难度极大。一般的强夯法适用的湿陷性黄土地基，含水量应不低于10%，低于10%应增湿。对于需要增湿的强夯法造价将提高50%～1倍以上。同时由于西北地区严重缺水，增湿的方法只能在找到水源的地区推广，而在水源紧缺的地区也难以应用。 

发明内容

本发明为了解决传统增湿的强夯法对于低含水量湿陷性黄土施工造价高，施工不易的问题，从而提供一种超高能级强夯处理低含水量湿陷性黄土的施工工艺。 

为了解决上述问题，本发明采取以下技术方案： 

一种超高能级强夯处理低含水量湿陷性黄土的施工工艺，步骤如下：

1）根据工程地勘资料，计算处理区域处理深度范围内的天然含水量平均值；

2）根据天然含水量平均值，初步估算所需要的单位压实功，具体做法为根据击实功对最佳含水量和最大干密度的影响曲线图以及击实功对最佳含水量和最大干密度的影响曲线图，确定对应含水量的干密度值时的击实功，并根据锤击数、锤质量和击实筒体积，按照单位击实功计算公式计算单位压实功，单位击实功计算式如下：

单位击实功= 

式中：锤重量（N）；落距（m）；试筒体积（cm³）；

3）以初步估算的单位压实功为中间值，进行不同单位压实功的击实试验和土工分析，以确定最佳单位击实功；

4）根据具体场地要求的湿陷性处理深度确定强夯能级组合方式，当湿陷消除深度大于5m时按三个分层强夯层次进行强夯能级组合，①第一主夯能级，处理深度为场地湿陷性消除深度，处理范围为设计处理深度和主夯能级强夯夯坑深度之下约1m左右之间的区域，主夯夯坑深度按选定能级估算，并经强夯试验予以确定，②第二主夯能级，处理深度为第一主夯能级夯坑深度之下约1m左右，处理范围为第二主夯能级夯坑深度之下0.7m左右至第一主夯能级夯坑深度之下约1m左右，③满夯能级：处理深度为第二主夯能级夯坑之下0.7m左右，处理范围为夯后场地整平标高下至第二主夯能级夯坑下0.7m左右，当湿陷性消除深度小于5m时，可采用一遍主夯，后加一遍满夯的方法处理；

5）根据所需的单位压实功和强夯能级之间的关系确定强夯能级和强夯施工技术参数；

6）进行强夯试验性施工，进行施工技术参数的进一步优化，然后转入施工阶段。

所述工艺第3步，按以下4种状况进行击实试验：①按估算单位压实功；②按估算单位压实功降低20%；③按估算单位压实功增加15%；④按估算单位压实功增加30%；击实试验完成后，采用击实后的土样进行土工分析和湿陷性试验，验证处理效果，并确定最佳单位压实功。 

所述工艺第5步，根据表1选定强夯组合能级，      

                  表1 强夯处理深度表

所述工艺第5步，按表2进行强夯施工技术参数设计，根据表2施工参数所计算的不同能级组合的单位压实功见表3，强夯施工技术参数还包括夯收锤标准，停夯收锤标准由以下2项确定：1）不同主夯能级的单点夯击数由击实试验所要求达到的单位夯击功确定。当根据表2设计的施工参数达不到所要求的单位压实功时，应通过增加击数方式来满足单位夯实功的要求；2）强夯试验时，满足处理要求时达到的最后二击夯沉量平均值，

 表2强夯不同能级施工技术参数表

        表3不同强夯能级组合处理高填方地基单位压实功统计

所述工艺第5步后，按照确定的强夯施工技术参数，进行强夯试验和试验效果检测，并根据检测结果重新调整强夯施工技术参数，然后再进行施工工作。

具体施工步骤如下： 

1）施工准备

确定起夯面施工，整平场地至起夯面标高。

2）主夯点施工 

主夯点隔行分二遍完，先放第一遍夯点，进行主夯点强夯，一遍主夯施工完成后，用推土机将夯坑整平。

然后测放第二遍主夯点，进行二遍主夯点强夯，二遍主夯施工完成后，用推土机将夯坑整平，并用20×20m方格网测量场地标高，计算主夯场地夯沉量。 

3）次夯点施工 

次夯点也隔行分二遍施工，次夯点按所选能级，确定的夯距和布点形式重新布点。具体施工方法同主夯点施工。

4）满夯应隔排分两遍施工。 

第一遍施工1、3、5…N排。一遍完成后，推平场地，进行第二遍满夯施工。第二遍施工完成后，整平场地。用20×20m方格网测量场地标高，然后计算场地总夯沉量。 

5）施工顺序 

（1）点夯施工顺序

a夯位放样，用白灰洒出夯位轮廓线。

b 架设水准仪，水准仪设在夯区边50米之外。 

c测量夯击点地面高程。 

d 夯机就位，稳车后调整臂杆角度至65度。 

e测量锤顶高程并记录。 

f提升脱钩器，标定落距并锁定脱钩器钢丝绳长度。 

g提升夯锤，脱钩器打开夯锤自由落下。 

h测量锤顶高程。 

i重复步骤g—h，夯至规定的夯击数。 

j移机进行下一点夯击，直至完成本遍全部夯点。 

k每一遍点夯施工完毕，用推土机推平。 

（2）次夯 

在原夯点按设计能级进行夯击，完成后及时将夯坑推平。

（3）满夯 

a放出满夯每排基准线。

b夯机就位，锁定落距。 

c锤印搭接1/4，夯完规定击数。 

d夯后场地整平，标高测量。 

现有资料表明，最佳含水量愈小，干密度每增加0.01g/cm³，所消耗的击实功就愈多，这就是超高能级强夯处理低含水量湿陷性黄土的原理。 

通过到夯击功和土体最佳含水量的关系，在强夯设计上进行改进，形成了超高能级强夯加固低含水量湿陷性黄土的关键技术。 

本发明的理论依据： 

击实功（压实功）对最佳含水量和最大干密度的影响：

某一种土或某一种集料，它的最佳含水量和最大干密度不是固定不变的，它随压实功能而变化。在室内进行击实试验时，它随所用的击实功而变。在工地压实时，当采用碾压时，它随所用压路机的重量或功能及碾压遍数而变，当采用强夯时，它随所采用的强夯能级、夯点间距和夯击数而变。

如图1所示是击实功对最佳含水量和最大干密度的影响（锤的重量不变，锤击次数改变），虚线指最佳含水量。 

图1中，锤的质量不变化，锤击次数改变，击实功对最佳含水量和最大干密度的影响。最下面一条曲线是锤击30次而得出的，它的最佳含水量是12.2%，最大干密度是1.82g/cm³。锤击60次时，最佳含水量降到11%，而最大干密度上升到1.88g/cm³。最上面的一条曲线是锤击120次得到的，它的最佳含水量降到10%，而最大干密度上升到1.93g/cm³。 

如图2所示，锤击数不变增加锤的质量，击实功对最佳含水量和最大干密度的影响。图2中图上曲线旁的数字为锤的质量（单位：kg），虚线指最佳含水量。 

    图2中，在击数不变的情况下，当锤的质量由2.5kg增加到10kg时，土的最佳含水量由14%下降到11.5%，土的最大干密度由1g/cm³上升到2.07 g/cm³。 

图3是不同击实功下含水量与干密度的关系曲线图。图上曲线旁数字：1-单位击实功3.70J；2-单位击实功3.14J；3-单位击实功0.42J；4-单位击实功0.08J；5-单位击实功0.06J。由图3的曲线组成表4。 

表4 随击实功能而变的最佳含水量和最大干密度 

轻型和重型击实试验参数与单位压实功比较如表5所示。

表5 

  注：括号中的数值为方孔筛所得

强夯的压实功不同强夯能级强夯处理填方地基施工参数如表2所示。

表2

不同强夯能级组合处理高填方地基单位压实功统计如表3所示。

表3

以上原理就是超高能级强夯处理低含水量湿陷性黄土的理论依据。

本发明适用于湿陷性黄土地基，处理深度内平均含水量低于8%的湿陷性黄土地基。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是：我国西部地区气候干旱、缺水，湿陷性黄土分布广泛，且含水量极低，湿陷性强烈，湿陷等级高，处理难度极大。一般的强夯法适用的湿陷性黄土地基，含水量应不低于10%，低于10%应增湿。对于需要增湿的强夯法造价将提高50%～1倍以上。同时由于西北地区严重缺水，增湿的方法只能在找到水源的地区推广，而在水源紧缺的地区也难以应用。本发明采用10000KN.m以上的强夯能级，进行含水量低于8%的湿陷性黄土地基处理，有效解决了缺水地区地基处理施工复杂、成本高的难题，在我国新疆、青海、宁夏、内蒙古自治区、山西、陕西、河南、河北、山东等湿陷性黄土广泛分布地区市场广阔，有良好的应用前景。 

附图说明

图1是锤的重量不变锤击次数改变情况下，击实功对最佳含水量和最大干密度的影响曲线图； 

图2是锤击数不变增加锤的质量情况下，击实功对最佳含水量和最大干密度的影响曲线图；

图3是不同击实功下含水量与干密度的关系曲线图。

具体实施方式

  超高能级强夯处理低含水量湿陷性黄土的施工工艺，步骤如下， 

1）根据工程地勘资料，计算处理区域处理深度范围内的天然含水量平均值；

2）根据天然含水量平均值，初步估算所需要的单位压实功，具体做法为根据击实功对最佳含水量和最大干密度的影响曲线图以及击实功对最佳含水量和最大干密度的影响曲线图，确定对应含水量的干密度值，并根据锤击数、锤质量和击实筒体积，计算所需干密度的单位击实功(单位压实功)。单位击实功计算式如下：

单位击实功=

式中：锤重量（N）；落距（m）；试筒体积（cm³）。

3）以初步估算的单位压实功为中间值，进行不同单位压实功的击实试验和土工分析，以确定最佳单位击实功； 

4）根据具体场地要求的湿陷性处理深度确定强夯能级组合方式。当湿陷消除深度大于5m时按三个分层强夯层次进行强夯能级组合。①第一主夯能级，处理深度为场地湿陷性消除深度，处理范围为设计处理深度和主夯能级强夯夯坑深度之下约1m左右的区域，主夯夯坑深度按选定能级估算，并经强夯试验予以确定。②第二主夯能级，处理深度为第一主夯能级夯坑深度之下约1m左右，处理范围为第二主夯能级夯坑深度之下0.7m左右至第一主夯能级夯坑深度之下约1m左右。③满夯能级：处理深度为第二主夯能级夯坑之下0.7m左右，处理范围为夯后场地整平标高下至第二主夯能级夯坑下0.7m左右。当湿陷性消除深度小于5m时，可采用一遍主夯（点夯）后加一遍满夯的方法处理；

5）根据所需的单位压实功和强夯能级之间的关系确定强夯能级和强夯施工技术参数；

6）进行强夯试验性施工，进行施工技术参数的进一步优化，然后转入施工阶段。

所述工艺第3步，具体实验步骤为，按以下4种状况进行击实试验：①按估算单位压实功；②按估算单位压实功降低20%；③按估算单位压实功增加15%；④按估算单位压实功增加30%；击实试验完成后，采用击实后的土样进行土工分析和湿陷性试验，验证处理效果，并确定最优单位压实功。 

所述工艺第5步，强夯能级与处理深度的关系如下表1： 

表1 强夯处理深度表

所述工艺第5步，按下表2进行强夯施工技术参数设计：

 表2强夯不同能级施工技术参数表

    根据表2施工参数所计算的不同能级组合的单位压实功见表3。   

表3不同强夯能级组合处理高填方地基单位压实功统计

强夯施工技术参数还包括夯收锤标准，停夯收锤标准由击实试验确定，击实试验收锤停夯标准按以下夯法确定：

1）主夯点夯击后的湿陷性消除深度为主夯点加固深度；一次夯点加固深度之内，土层湿陷性完全湿陷消除时，所达的夯击数；

2）最后二击夯沉量平均值；

3）二次夯点的湿陷性消除深度为次夯点加固深度，满夯加固深度之间土层湿陷性完全消除时，所达到的夯击数及最后二击夯沉量平均值。

所述工艺第5步后，按照确定的强夯施工技术参数，进行强夯试验和试验效果检测，并根据检测结果重新调整强夯施工技术参数，然后在进行施工工作。 

具体施工步骤如下： 

1）施工准备

确定起夯面施工，整平场地至起夯面标高。

2）主夯点施工 

主夯点隔行分二遍完，先放第一遍夯点，进行主夯点强夯，一遍主夯施工完成后，用推土机将夯坑整平。

然后测放第二遍主夯点，进行二遍主夯点强夯，二遍主夯施工完成后，用推土机将夯坑整平，并用20×20m方格网测量场地标高，计算主夯场地夯沉量。 

3）次夯点施工 

次夯点也隔行分二遍施工，次夯点按所选能级，确定的夯距和布点形式重新布点。具体施工方法同主夯点施工。

4）满夯应隔排分两遍施工。 

第一遍施工1、3、5…N排。一遍完成后，推平场地，进行第二遍满夯施工。第二遍施工完成后，整平场地。用20×20m方格网测量场地标高，然后计算场地总夯沉量。 

5）施工顺序 

（1）点夯施工顺序

a夯位放样，用白灰洒出夯位轮廓线。

b 架设水准仪，水准仪设在夯区边50米之外。 

c测量夯击点地面高程。 

d 夯机就位，稳车后调整臂杆角度至65度。 

e测量锤顶高程并记录。 

f提升脱钩器，标定落距并锁定脱钩器钢丝绳长度。 

g提升夯锤，脱钩器打开夯锤自由落下。 

h测量锤顶高程。 

i重复步骤g—h，夯至规定的夯击数。 

j移机进行下一点夯击，直至完成本遍全部夯点。 

k每一遍点夯施工完毕，用推土机推平。 

（2）次夯 

在原夯点按设计能级进行夯击，完成后及时将夯坑推平。

（3）满夯 

a放出满夯每排基准线。

b夯机就位，锁定落距。 

c锤印搭接1/4，夯完规定击数。 

d夯后场地整平，标高测量。 

实施例：某工程，场地为Ⅲ级自重湿陷性黄土，湿陷土层厚度12米，湿陷土层平均含水量为8%，由图1曲线查的，锤击120次时，它的最佳含水量降到10%，与8%的含水量接近，其最大干密度值已达1.93g/cm³   。8%的含水量最大干密度为1.91g/cm³ ，相当于最大干密度的0.99。这个比值足以满足消除湿陷性的要求。由于湿陷性黄土处理的目的是消除地基土的湿陷性，而不是要得到最大干密度。故可取锤击120次的击实功计算单位击实功。 

单位击实功= = 0.95J   

式中：锤重量2.51kg；落距30.48cm；试筒体积943.9cm³；

     以此单位击实功为初步选定的中位击实功，确定4个试验的单位击实功：①0.95×0.85=0.8075J；②0.95×1.00=0.95；③0.95×1.15=1.0925J；④0.95×1.30=1.235J。

 用以上4个单位击实功做击实试验，并用击实后的土样做土工分析，结果当单位击实功为1.235J时，湿陷性完全消除。故确定1.235J为最优击实功。 

 根据表3和处理深度要求，进行强夯能级选择和能级组合，选用15000kN·m，单位压实功1.24J。 

 第一主夯能级选用15000kN·m，地基处理范围为5～12米，处理深度12米。 

 第二主夯能级选用6000kN·m，地基处理范围为3.0～5米，处理深度5米。 

 满夯能级选用2500kN·m，地基处理范围为0～3米，处理深度3米。 

 然后根据选定的能级和表2确定强夯施工技术参数。经选用的强夯施工技术参数进行试夯、检测，完全达到设计要求。