1. 引言
强夯法是反复将夯锤提至一定高度然后自由落下，通过对地基的冲击和振动作用加固地基的一种经济、高效的土体加固方法，目前被广泛应用于各种地基加固。自20世纪70年代初法国人梅纳首次采用强夯法加固填土地基以来，强夯技术已广泛的应用于世界各地地基加固工程。随着技术的成熟，强夯法在公路路基的加固中也得到了一定的应用 [1] [2] [3]，并因其施工效率高、工程经济等突出特点引起工程界的广泛关注。但由于强夯动力填筑路基的空间密度是不均匀的，这与传统的路基填筑采用压路机碾压并以压实度作为路基压实质量控制和评价的主要技术指标不同，强夯路基的相关设计和工艺参数尚不明确，也无法采用现行的路基设计和施工标准进行质量评价。合理确定强夯路基的设计、工艺参数并评价强夯填筑路基的加固效果，成为目前道路工程界普遍关心、并严重制约强夯技术在路基工程中应用的重要技术问题。
目前，国内外对强夯加固地基的工程应用和工程技术的研究成果十分丰富，其中大部分是通过物理模型试验和数值模拟的方法分析地基强夯加固机理和效果，优化相关工艺参数，为了有效模拟地基强夯动力加固问题，部分学者也对数值模拟的方法开展了相关研究 [4] - [10]。为了解决强夯加固过程模拟，姚占勇等基于ABAQUS通用软件开发了土体模量、粘聚力、摩擦角等力学参数随夯击过程动态变化的强夯用户子程序 [11]。郑颖人等对不同地基强夯加固机理及加固效果进行了研究，拓宽了强夯在地基加固中的应用范围 [12] - [17]。路基强夯加固方面，罗恒等对红砂岩路基强夯加固进行了较为系统的研究 [18] [19] [20]；乔兰等对湿陷性黄土路基强夯加固效果进行了研究 [21] [22]；姚占勇、崔新壮等通过现场试验，验证了采用强夯填筑高速公路含砂砾黏性土路基的可行性 [23] [24]。总体而言，强夯法经过多年的发展已经是一种较为成熟的地基加固技术，但在路基加固方面的研究上相对比较滞后，尚未见针对黄泛区粉土路基强夯填筑的相关报道，不同土质强夯路基的工艺参数和工程效果尚待系统研究。
本文依托黄泛区典型高速公路–济(南)东(营)高速公路工程，开展了4 m松填高度的黄泛区粉土强夯填筑试验，通过现场检测，系统分析了强夯路基的工程质量，优化了相关工艺参数，对黄泛区高速公路路基的快速填筑具有重要意义。
2. 依托工程概况
济(南)东(营)高速处于黄泛区平原，该地区地势平坦，主要由黄河冲(淤)积而成，在地表沉积了10 m左右厚的泛滥沉积物，形成了以黄泛区粉土为主的特殊黄泛区地质地貌。该区域粉土及粘粒颗粒含量较少，级配不良，颗粒磨圆度高，难以压实，且在压实过程中表层水分极易蒸发散失，为保证压实质量，需多次洒水，压实质量难以控制。选取150 m典型路段开展粉土路基强夯，路基宽度为28.0 m，路基设计高度为4.95 m，路基断面组成为：中央分隔带宽度为3.0 m，左侧路缘带宽度为2 × 0.75 m，车辆行驶车道宽度为2 × (2 × 3.75) m，路基右侧硬路肩宽度为2 × 3.5 m，土路肩宽度为2 × 0.75 m。路基松填高度为4 m。地基为典型黄泛区粉土地基，地下水位低，不考虑地下水位的影响。路面结构为4 cm改性沥青玛蹄脂碎石(SMA13) + 5 cm中粒式改性沥青混凝土(AC16C) + 6 cm中粒式沥青混凝土(AC20C) + 12 cm大粒径透水性改性沥青混合料(LSPM30) + 36 cm水泥稳定碎石 +18 cm二灰土，路面结构总厚度为81 cm。为提高路基承载能力，路床区设置2 × 20 cm石灰处置土。
路基土的颗粒组成和主要物理性质指标见表1、表2。
Table 2. Main physical property of the soil
表2. 试验用土的主要物理性质指标
3. 试验方案
路基松填高度为4 m，筑路材料为典型黄泛区粉土，通过初步试夯，土的含水率宜控制在最佳含水率的−5%~3%范围内。为保证足够的强夯侧限，经计算分析，路基两侧超填2.0 m。参考《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012) [25] 并经初步试夯，点夯的夯击能采用1500 kN∙m，止夯标准为最后两击平均夯沉量小于5 cm。
路基填筑完成后先开挖检测路基初始压实度并进行静力触探试验，得到路基的初始状态。初步在试验区中部随即选取互不影响的点位进行逐击试夯，记录每一击的夯沉量数据。夯击结束后对夯点的压实度、含水率进行检测，并进行静力触探试验，分析不同夯击次数下土体密度、强度等的变化规律，确定单点夯的最佳夯击次数、夯击能的影响深度与宽度。静力触探检测点位如图1所示，开挖检测压实度的测点位置如图2所示。为方便对比分析，静力触探检测和压实度检测均以夯锤底部为零基准面。
Figure 1. Static penetration detection points
图1. 静力触探检测点位
Figure 2. Position of compaction measuring points
图2. 压实度测点位置
点夯完成后，按照确定的工艺参数进行试验路全段点夯，夯坑整平后采用800 kN∙m夯击能满夯2遍，之后振动压实1遍 + 静压1遍。检测路基回弹模量和工后沉降。
4. 试验结果与分析
4.1. 单点夯的夯沉量检测
夯击过程中的夯击沉降量可间接反映出强夯的夯击压实效果。试夯结束后，分别对各夯点的单击夯沉量和累计夯沉量进行统计分析，得到了强夯夯沉量与击数的关系如图3所示。
Figure 3. The relationship curve between the settlement and the number of drops
图3. 夯沉降量与夯击次数关系曲线
图3显示，随夯击次数的增加，土体逐渐密实，累计夯沉量增长的幅度逐渐减小，总沉降量1 m左右，且地面隆起量较小，强夯加固效果较好；第1击沉降量最大，随夯击次数增加快速收敛，6击以后单击夯沉量逐步趋于平稳，在第9击之后沉降量均已小于5 cm；试验区不同夯击点位的夯击沉降量基本相同，离散型较小，以5 cm作为止夯标准时可初步确定单点强夯最佳夯击次数为9击或10击。与地基加固不同，《公路路基设计规范》(JTG D30-2015) [26] 对高等级公路路基压实度均作了明确规定，因此仍需通过其他试验进一步确定最佳夯击次数。
4.2. 单点夯后土体的静力触探检测
点夯完成后，对于9击、10击的夯点的夯锤正下方、夯锤边缘、夯锤外侧、强夯前路基进行静力触探检测，检测结果见图4~6。
图4、图5显示，强夯前的贯入阻力Ps在深度2.8 m左右明显上升，这是由于该部分已经到达原有地基位置，地基在填筑路基之前已经加固处理；试验区填土经过强夯处理后，填土范围内的土体Ps值均有了不同程度的提高，且地基处的Ps值相较强夯前也有不同程度的提高，表明试验所采用的强夯能级能够满足本试验区有效加固深度 [27] 的要求，且在此填土高度情况下能够对地基进行二次加固；图示4个测点位置的贯入阻力Ps的大小依次为夯锤正下方 > 夯锤边缘 > 夯锤外侧 > 强夯前，表明强夯竖向的加固效果要优于径向的加固效果，径向加固范围大于1.6 m，竖向加固深度大于3 m，这是由于强夯动应力径向衰减速度大于竖向衰减速度 [18] [28]，故径向有效加固范围不大；试验填土经过强夯处理后，Ps平均值从强夯前的1.54 MPa提高到了强夯后的3.03~5.51 MPa，土体强度发生了明显的提高，提高幅度在97%~258%之间，加固效果明显。
强夯完成之后上部土体的Ps值较下部偏小，主要是因为路基填土为非饱和黄泛区粉土，对强夯具有较强的动力响应，随着夯击次数的增加，下部土体逐渐密实，而表层已经夯实的土体会因振动形成夯击扰动层，土体由密实变得相对松散，强度偏低。由于该扰动区域厚度一般在1 m范围内，通过后期的低能满夯可以对此扰动层进一步加固。
图6为9击、10击的Ps值对比情况。图6显示，10击土体的Ps值比9击土体的Ps值提高了12%~20%，表明加固区域的土体在夯击作用下进一步密实，夯击能量得以向外传递，加固影响范围逐渐增大，夯点周围土体随着夯击次数的增加强度会有进一步的提高，但提高幅度不大。这是由于强夯下土体的变形是耗散结构，强夯时向土体系统内部输入负熵流，系统熵减小，最后趋于某个与夯击能对应的相对稳定状
Figure 4. The static cone penetration curve of 9 drops
图4. 9击的静力触探曲线
Figure 5. The static cone penetration curve of 10 drops
图5. 10击的静力触探曲线
Figure 6. Comparison of static cone penetration results of single point tamping with 9 and 10 drops
图6. 单点夯9击和10击的静力触探结果对比
态 [29]。因此，在夯击能不变的情况下夯击次数的增加对土体并不会有明显的加固效果，相反可能破坏已加固区域的土体，起到相反作用，这与夯沉量检测结果呈现的规律是相吻合的。在满足设计要求的前提下强夯存在一个临界最少夯击次数，即最佳夯击次数
4.3. 单点夯的压实度检测
压实度是路基填土工程的质量控制指标。《公路路基设计规范》(JTG D30-2015) [23] 对路堤压实度的规定如表3所示。
对单点夯9击、10击后的夯点开挖，采用灌砂法检测不同层位的压实度，测点布置如图2所示。0测点位于夯锤下方，距夯锤中心1.6 m为测点1.6，距夯锤中心2.3 m为测点2.3。压实度检测结果如图7~9所示。
Table 3. Degree of compaction of embankment
表3. 路堤压实度
图7、图8显示，强夯后路基的压实度均有较大程度的提高，检测范围内9击、10击土体的压实度均在84%以上，平均压实度增幅在10.9%~17.9%之间，进一步说明试验所采用的强夯能级能够满足4 m松填高度强夯填筑有效加固深度的要求，且能够对地基进行二次加固，加固效果明显。9击、10击中测点0、测点1.6、测点2.3的压实度依次递减，由测点2.3的压实度可知，9击、10击的径向有效加固范围已超过2.3 m。
Figure 7. Degree of compaction after 9 drops
图7. 9击压实度
图9为9击、10击的压实度对比情况。由图9可知，10击后测点2.3的压实度增加较明显，较9击平均增加了4.4个百分点；其次为测点1.6和测点0，压实度增加了2.3~4.4个百分点，表明土体在强夯作用下加固区域继续增大，但增加幅度较小。
综合静力触探和压实度检测结果，对于松铺厚度为4 m的黄泛区粉土路基，采用3.2 m行间距点夯10击是合理的。
Figure 8. Degree of compaction after 10 drops
图8. 10击压实度
Figure 9. Comparison of degree of compaction of single point tamping with 9 and 10 drops
图9. 单点夯9击和10击压实度对比
测点0 测点1.6 测点2.3
Figure 10. Test results of compaction after multi-point tamping
图10. 多点夯后压实度检测结果
Table 4. Dynamic compaction process parameters
表4. 强夯工艺参数
注：为保证工程质量，实际夯击次数要同时满足最佳夯击次数和止夯标准。
4.4. 多点夯与满夯后的检测
根据点夯试验结果，拟定强夯工艺参数如表4。夯点采用正方形布置，采用隔行跳夯的方式进行路基强夯。点夯后推平夯坑进行满夯。满夯后选择典型夯点进行路基的压实度检测，结果如图10。
图10显示，经多点夯和满夯后，夯点间以及路基上部压实度得到了显著提高：其中测点0 (即夯锤下)土体的压实度达到92%~98%，测点1.6 (正向夯间)土体的压实度达到91%~97%，测点2.3 (斜向夯间)土体的压实度达到90%~96%。整体上，强夯路基的空间密度呈现不均匀分布，夯锤下的土体压实度略高于夯间测点1.6、测点2.3约1~2个百分点，上部土体的压实度则显著高于下部土体约6个百分点。
采用承载板法检测强夯后路基的回弹模量，结果表明，夯锤以下路基的回弹模量为53 MPa，夯间的路基承载能力略低于夯锤以下路基的承载能力约2.7 MPa，平均约为52 MPa。根据设计方案，夯后路基上部设置2层灰土处置层，经检测设置两层灰土层后3个测点的静回弹模量约提高1倍，路基支撑均匀。
5. 主要结论与建议
本文通过现场试验，验证了采用1500 kN·m的夯击能填筑松铺厚度4 m的黄泛区高速公路粉土路基的可行性，得到以下主要研究结论和建议。
1) 强夯填筑松铺厚度4 m的黄泛区高速公路粉土路基合理设计和工艺参数为：夯击能1500 kN∙m，夯击数为10击，采用正方形布点的合理夯间距为3.2 m，土的含水率宜控制在最佳含水率−5%~3%范围内。
2) 松铺厚度4 m的粉土路基点夯10击后的夯坑累计深度约为1 m，经多点夯、满夯之后，整体上，强夯路基的空间密度呈现不均匀分布：夯锤下的土体压实度略高于夯间测点1.6、测点2.3约1~2个百分点，上部土体的压实度则显著高于下部土体约6个百分点；夯间的路基承载能力略低于夯锤以下路基的承载能力约2.7 MPa。为保证路基支撑的均匀性，强夯路基上部应该设置一定厚度的均匀过渡层。
3) 强夯路基上部设置2 × 20 cm石灰处置土层后，路基静回弹模量约提高1倍，路基支撑均匀。
基金项目
国家自然科学基金资助项目(51608306)；山东大学青年学者未来计划 (2019WLJH60)；山东省交通厅科技发展计划(2019B47_1)。
参考文献