强夯法处理高速公路液化地基的现场试验与深度剖析

强夯法处理高速公路液化地基的现场试验与深度剖析一、引言1.1研究背景与意义随着我国交通基础设施建设的持续推进，高速公路作为重要的交通动脉，其建设规模和里程不断扩大。在高速公路建设过程中，常常会遇到各种复杂的地基条件，其中液化地基是较为常见且危害较大的一种。液化地基主要由饱和砂土或粉土组成，在地震、动力荷载等作用下，土体孔隙水压力急剧上升，有效应力减小，导致土体抗剪强度大幅降低，呈现出类似液体的流动状态，从而引发地基失稳、塌陷等严重问题。我国是地震多发国家，众多地区的高速公路建设面临着液化地基的挑战。例如，在2008年汶川地震中，部分高速公路路段因地基液化出现了路面开裂、路基塌陷等严重破坏，导致交通中断，不仅给救援工作带来极大困难，也对震后地区的经济恢复和社会稳定造成了严重影响。又如，在一些沿海地区，由于地下水位较高，砂土和粉土分布广泛，在台风、海浪等动力作用下，也容易出现地基液化现象，威胁高速公路的安全运营。高速公路作为重要的交通基础设施，其安全与稳定直接关系到交通运输的顺畅和人民生命财产的安全。液化地基的存在严重威胁着高速公路的正常使用和运营安全，一旦发生液化破坏，可能导致路面变形、桥梁移位、涵洞坍塌等一系列问题，不仅维修成本高昂，还会造成交通拥堵、中断，给社会经济带来巨大损失。因此，寻找一种经济、有效、可靠的液化地基处理方法，对于保障高速公路的安全与稳定具有至关重要的意义。强夯法作为一种常用的地基处理方法，具有设备简单、施工速度快、适用范围广、成本相对较低等优点，在处理液化地基方面具有独特的优势。通过强夯法对液化地基进行处理，可以有效地提高地基土的密实度和抗剪强度，降低土体的压缩性，增强地基的承载能力和稳定性，从而满足高速公路对地基的要求。然而，目前强夯法在高速公路液化地基处理中的应用仍存在一些问题和挑战，如强夯参数的合理选择、加固效果的准确评估等，这些问题制约了强夯法在高速公路建设中的进一步推广和应用。因此，开展强夯法处理高速公路液化地基的现场试验研究，深入探讨强夯法的加固机理、优化强夯施工参数、建立科学的质量控制和检测方法，对于提高强夯法处理液化地基的效果和可靠性，推动高速公路建设的发展具有重要的理论和实践意义。1.2国内外研究现状地基液化分析与处理一直是土动力学的重要研究课题。液化现象最早于1920年被Hazen.A在《动力冲填坝》中提及，用以解释卡拉弗拉斯冲填坝的毁坏。1936年，Casagrande首次提出砂土液化的判别方法——临界孔隙比法，开启了砂土液化研究的新篇章。此后，上世纪50年代，各国学者围绕砂土液化展开了广泛而深入的研究，内容涵盖砂土液化的机理、预估方法以及地基处理等多个关键领域。在砂土液化地基处理方面，强夯法凭借其设备简易、施工高效、适用范围广泛、成本经济等突出优势，受到了各国工程界的高度关注。强夯法由Menard技术公司于20世纪60年代末创立，该方法通过将80-400kN的重锤从6-40m的落距自由落下，对地基施加强大的冲击和振动，促使地基土强度提升、压缩性降低。经过长期的工程实践与理论探索，强夯法在处理各类地基土，如碎石土、砂土、粘性土、杂填土以及湿陷性黄土等方面，均取得了显著成效，积累了丰富的经验。在国内，强夯法处理液化地基的研究与应用也取得了长足发展。我国《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ11-78）在1971年以前8次大地震数据的基础上，参考美日等国的研究成果，给出了以临界标准贯入击数为指标的砂土液化判别公式。现行的《建筑抗震设计规范》（GBJ11-89）在对海城、唐山地震进行系统研究，并结合国外大量资料的基础上，对原规范进行了修订，采用两步评判原则，进一步优化了临界标贯击数公式，使其更贴合实际工程情况。此外，《岩土工程勘察规范》（GB50021-94）也对液化判别进行了补充，给出了液化比贯入阻力临界值和液化剪切波速临界值公式，为工程实践提供了更为全面的判别依据。在公路工程领域，虽然强夯法处理液化地基的研究起步相对较晚，但近年来也取得了不少成果。例如，缪林昌、刘松玉、方磊针对高速公路粉土液化地基开展强夯法加固处理试验研究，提出拟静力法确定强夯有效加固深度的公式，经与强夯处理效果的SPT检测结果对比，验证了该公式具有较好的实用价值。方磊通过对现场试验资料的分析，提出适合工程的强夯施工参数，并对施工中出现的现象进行总结分析。焦郑高速公路结合工程地质情况，对可液化地基采用强夯法处理，效果显著，为强夯法处理高速公路可液化地基积累了宝贵经验。然而，当前强夯法处理高速公路液化地基的研究仍存在一些不足之处。在强夯加固机理方面，尽管已有动力密实、动力固结等理论解释，但对于强夯过程中土体微观结构变化、孔隙水压力消散规律以及颗粒间相互作用机制等方面的研究还不够深入，尚未形成一套完整且普适的理论体系。在强夯参数确定方面，目前主要依靠经验和现场试验，缺乏科学、系统的理论计算方法，导致强夯参数的选择存在一定的盲目性和主观性，难以确保在各种复杂地质条件下都能达到最佳加固效果。在加固效果检测与评估方面，现有的检测方法如标准贯入试验、重型动力触探试验等虽能在一定程度上反映地基加固后的物理力学性质变化，但对于强夯加固深度范围内土体整体均匀性、加固效果长期稳定性等方面的评估还缺乏有效的手段和方法。在不同地质条件下的应用研究方面，高速公路穿越的地质条件复杂多样，而目前针对特殊地质条件，如深厚软土、膨胀土、岩溶地区等与液化地基共存时的强夯处理技术研究相对较少，难以满足实际工程需求。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本文主要聚焦于强夯法处理高速公路液化地基的现场试验研究，具体涵盖以下关键内容：强夯参数确定：通过现场试验，系统研究强夯法处理高速公路液化地基的关键参数，包括有效加固深度、单击夯击能、最佳夯击能、夯击遍数、间歇时间、夯点布置和夯点间距等。结合试验段的地质条件和工程要求，深入分析各参数对加固效果的影响规律，运用理论分析和数值模拟等手段，建立科学合理的强夯参数计算模型，为工程实践提供准确的参数依据。加固效果评估：采用多种检测手段，如标准贯入试验、重型动力触探试验、静力触探试验、载荷试验等，对强夯处理后的地基进行全面检测。获取地基土的物理力学性质指标，如密实度、承载力、压缩性等，评估强夯法对液化地基的加固效果。运用数理统计方法，对检测数据进行分析处理，建立加固效果评价体系，明确强夯法处理液化地基的适用范围和局限性。加固机理研究：基于现场试验和室内试验结果，结合土动力学、岩土力学等相关理论，深入探讨强夯法处理液化地基的加固机理。研究强夯过程中土体微观结构的变化规律，分析孔隙水压力的产生、发展和消散机制，揭示颗粒间相互作用的变化对土体力学性质的影响。通过数值模拟，建立强夯加固过程的力学模型，进一步验证和深化对加固机理的认识。施工工艺优化：总结强夯法处理高速公路液化地基的施工经验，分析施工过程中可能出现的问题，如夯锤偏斜、地表隆起、橡皮土等。提出相应的预防措施和处理方法，优化强夯施工工艺。制定详细的施工质量控制标准和检测流程，确保强夯施工的质量和安全。经济技术分析：对强夯法处理高速公路液化地基的经济技术指标进行全面分析，包括施工成本、工期、材料消耗等。与其他常用的液化地基处理方法，如振冲碎石桩法、砂桩法等进行对比，评估强夯法的经济合理性和技术优势。从全寿命周期的角度，综合考虑地基处理后的运营维护成本，为工程决策提供科学的经济技术依据。1.3.2研究方法本文综合运用多种研究方法，以确保研究的科学性和可靠性，具体如下：现场试验：在高速公路建设现场选取具有代表性的液化地基试验段，按照不同的强夯参数进行分区试夯。详细记录试夯过程中的各项数据，包括夯锤落距、夯击次数、夯沉量、孔隙水压力变化等。在试夯前后，对地基土进行原位测试和室内土工试验，获取地基土的物理力学性质指标，为后续研究提供第一手资料。理论分析：运用土动力学、岩土力学等相关理论，对强夯法处理液化地基的加固机理进行深入分析。推导强夯有效加固深度、单击夯击能等参数的理论计算公式，结合试验数据进行验证和修正。建立强夯过程中土体的力学模型，分析土体在强夯作用下的应力-应变关系和变形规律。数值模拟：利用有限元软件，如ANSYS、ABAQUS等，建立强夯法处理液化地基的数值模型。模拟强夯过程中土体的动力响应，包括孔隙水压力分布、土体位移和应力变化等。通过数值模拟，直观地展示强夯加固效果，分析不同参数对加固效果的影响，为强夯参数优化提供参考。对比分析：将强夯法处理液化地基的试验结果与其他相关研究成果进行对比分析，验证本文研究结果的准确性和可靠性。对比不同强夯参数下的加固效果，总结出适合高速公路液化地基处理的最佳强夯参数组合。对强夯法与其他液化地基处理方法进行技术经济对比分析，明确强夯法的优势和适用范围。二、强夯法处理液化地基的理论基础2.1液化地基的形成机理与危害液化地基通常由饱和砂土或粉土构成，其形成主要源于地震、动力荷载等外力作用。在正常状态下，饱和砂土或粉土中的土颗粒通过相互接触传递有效应力，土体具备一定的抗剪强度和承载能力。然而，当受到强烈地震或其他动力荷载时，土体颗粒会发生相对位移，原本的排列结构趋于紧密。由于饱和土体孔隙中充满了水，在短时间内，孔隙水无法迅速排出，导致孔隙水压力急剧上升。根据有效应力原理，有效应力等于总应力减去孔隙水压力，随着孔隙水压力的增大，有效应力逐渐减小。当孔隙水压力上升到与总应力相等时，有效应力降为零，此时土颗粒之间的摩擦力和咬合力丧失，土体抗剪强度大幅降低，呈现出类似液体的流动状态，即发生了液化现象。从微观角度来看，液化过程中土体颗粒的排列和相互作用发生了显著变化。砂土颗粒在振动作用下，从原本相对稳定的排列状态转变为更紧密的堆积方式，颗粒间的接触点减少，接触力重新分布。而粉土中的黏粒含量相对较高，黏粒与水形成的结合水膜在振动作用下被破坏，导致颗粒间的黏聚力减弱，进一步促进了液化的发生。液化地基对高速公路的危害是多方面的，严重威胁着高速公路的安全与稳定。在路基稳定性方面，地基液化会使路基土体的抗剪强度大幅降低，无法承受上部结构传来的荷载，从而导致路基失稳。具体表现为路基出现不均匀沉降，路面产生裂缝，甚至可能引发路基坍塌。不均匀沉降会使路面的平整度遭到破坏，车辆行驶时会产生颠簸，影响行车的舒适性和安全性。裂缝的出现不仅会降低路面的使用寿命，还可能导致雨水渗入路基，进一步软化土体，加剧路基的损坏。而路基坍塌则会直接中断交通，造成严重的经济损失和社会影响。在桥梁基础方面，地基液化可能使桥梁基础的承载力下降，导致桥梁墩台发生倾斜、沉降。桥梁墩台的倾斜会改变桥梁的受力状态，增加结构的内力，可能引发桥梁结构的破坏。沉降则会使桥梁的梁体与桥台之间的连接出现问题，影响桥梁的正常使用。此外，地基液化还可能导致桥梁桩基础的负摩阻力增大，使桩身受到额外的拉力，降低桩基础的承载能力。在涵洞结构方面，液化地基会使涵洞周围土体产生位移和变形，对涵洞的结构产生挤压和破坏作用。涵洞的破坏会影响排水功能，导致积水，进一步危害路基和路面的稳定性。在实际工程中，许多案例都充分展示了液化地基对高速公路的严重危害。1995年日本阪神大地震中，部分高速公路路段由于地基液化，出现了路面严重开裂、路基大面积塌陷的情况，交通陷入瘫痪，修复工作耗费了巨大的人力、物力和时间。在我国，2008年汶川地震也给当地的高速公路带来了重创，液化地基致使大量路段受损，不仅修复成本高昂，还对震后救援和物资运输造成了极大阻碍。这些案例警示我们，必须高度重视液化地基的处理，采取有效的措施确保高速公路的安全稳定。2.2强夯法的加固原理强夯法作为一种高效的地基处理方法，其加固原理基于动力密实、动力固结和动力置换三个主要理论。这些理论从不同角度解释了强夯法如何改善地基土的物理力学性质，提高地基的承载能力和稳定性。2.2.1动力密实动力密实理论主要适用于多孔隙、粗颗粒、非饱和土的加固。在强夯过程中，重锤从高处自由落下，产生强大的冲击能量。这一冲击能量以压缩波的形式在土中传播，使土颗粒受到强烈的振动和冲击。土颗粒在冲击力的作用下，克服颗粒间的摩擦力和咬合力，发生相对位移，重新排列组合。原本紊乱的土颗粒逐渐趋于紧密堆积，孔隙体积减小，土体密实度增加。以砂土为例，砂土颗粒之间的孔隙较大，在强夯的冲击作用下，砂土颗粒重新排列，填充孔隙，使得砂土的孔隙比减小，密实度提高。通过现场试验和理论分析可知，强夯作用下砂土的孔隙比可降低10%-30%，密实度显著增加。在非饱和土中，土中的气相（空气）被挤出，进一步促进了土体的密实化。这一过程类似于机械压实，但强夯的冲击力更为强大，作用深度更深，能够有效提高地基土的强度和承载能力。2.2.2动力固结动力固结理论由Menard提出，主要用于解释强夯法对饱和细粒土的加固作用。在饱和细粒土中，土颗粒之间的孔隙被水充满，且存在微小气泡。强夯时，巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结构。在冲击应力波的作用下，土体局部发生液化，孔隙水压力急剧上升。同时，土体产生许多裂隙，这些裂隙为孔隙水的排出提供了通道，增加了土的透水性。随着孔隙水的排出，超孔隙水压力逐渐消散，土体开始固结。饱和细粒土具有触变性，在强夯过程中，土体结构被破坏，强度降低，但静置一段时间后，土的触变性会恢复，强度逐渐提高。通过现场孔隙水压力监测和室内试验研究发现，强夯后孔隙水压力在短时间内迅速上升，随后逐渐消散。土体的强度在强夯后初期有所降低，但随着时间的推移，强度不断增长，最终达到稳定状态。动力固结过程使得饱和细粒土的物理力学性质得到显著改善，地基的承载能力和稳定性得到提高。2.2.3动力置换动力置换是强夯法处理软弱地基的另一种重要方式，主要包括整体置换和桩式置换两种形式。整体置换是采用强夯将碎石等粗颗粒材料整体挤入淤泥等软弱土体中，形成密实的垫层。其作用机理类似于换土垫层法，通过将软弱土层置换为强度较高的材料，提高地基的承载能力和稳定性。在一些软土地基处理中，采用强夯整体置换法，将碎石等材料夯入软土中，形成厚度为2-3m的碎石垫层，有效提高了地基的承载能力。桩式置换是通过强夯将碎石等材料填筑土体中，部分碎石墩间隔地夯入土中，形成桩式或墩式的碎石桩。碎石桩主要依靠碎石的内摩擦角和墩间土的侧限来维持桩体的平衡，并与墩间土共同组成复合地基。碎石桩的存在增加了地基的竖向排水通道，加速了土体的排水固结，同时也提高了地基的整体强度和承载能力。在实际工程中，桩式置换法常用于处理深厚软土地基，通过合理设计碎石桩的间距、直径和长度，能够有效提高地基的承载能力和稳定性。例如，在某高速公路软土地基处理中，采用桩式置换法，设置直径为0.8m的碎石桩，桩间距为2m，处理后地基的承载力提高了1-2倍。三、现场试验方案设计3.1试验场地选择与工程概况试验场地位于[具体高速公路名称]的[具体路段]，该路段穿越了典型的液化地基区域。选择此场地进行试验，主要基于以下几方面原因：其一，该场地的地质条件复杂，砂土和粉土分布广泛，地下水位较高，具有典型的液化地基特征，能够为研究强夯法处理液化地基提供丰富的试验数据；其二，该高速公路路段对地基的承载能力和稳定性要求较高，通过在此进行现场试验，可为工程实际应用提供直接的技术支持；其三，场地周边交通便利，便于试验设备和材料的运输，同时也有利于试验人员的现场操作和监测。根据地质勘察报告，试验场地的地质条件如下：场地表层为0-2m厚的填土，主要由粉质粘土和碎石组成，结构松散，承载力较低。填土以下为8-10m厚的饱和砂土和粉土，其中砂土的颗粒级配良好，以中粗砂为主，粉土的粘粒含量相对较低。该土层是主要的液化土层，在地震或动力荷载作用下容易发生液化现象。再往下是5-6m厚的粉质粘土，土质较为均匀，具有一定的强度和承载能力。最下层为基岩，埋深约18-20m。地下水位埋深较浅，一般在地面以下1-2m。由于地下水位较高，使得饱和砂土和粉土处于饱水状态，进一步增加了地基液化的可能性。在勘察过程中，通过标准贯入试验、静力触探试验等原位测试方法，获取了各土层的物理力学性质指标。其中，饱和砂土和粉土的标准贯入击数较低，平均值在6-8击之间，远低于液化判别标准贯入击数，表明该土层具有较高的液化敏感性。场地的地震基本烈度为[X]度，根据《公路工程抗震设计规范》的相关规定，在该地震烈度下，场地内的饱和砂土和粉土存在液化风险，需对地基进行处理，以满足高速公路工程对地基稳定性和承载能力的要求。3.2强夯设备与材料在强夯施工中，选用合适的设备是确保施工质量和效率的关键。本试验采用的主要强夯设备包括夯锤和起重机。夯锤作为直接作用于地基的关键部件，其质量、形状和尺寸对强夯效果有着重要影响。试验选用的夯锤为铸钢材质，锤重20t，底面为圆形，直径2.5m。铸钢材质具有较高的强度和耐磨性，能够承受强夯过程中的巨大冲击力，保证夯锤在长期使用过程中的稳定性和可靠性。圆形底面设计可以使夯击力均匀分布，避免因应力集中而导致地基局部破坏，有利于提高地基加固的均匀性。夯锤底面对称设置了若干个直径为250mm的排气孔，这些排气孔的作用至关重要。在夯锤着地时，坑底空气能够迅速通过排气孔排出，减少空气阻力对夯击效果的影响；而起锤时，排气孔又能减小坑底的吸力，使夯锤能够顺利提升，提高施工效率。起重机是提升夯锤并使其获得自由下落动能的重要设备，本试验选用的是50t履带式起重机。该起重机具有起吊能力强、稳定性好、操作灵活等优点，能够满足本试验对夯锤提升高度和起吊重量的要求。50t的起吊能力可以轻松将20t的夯锤提升至所需高度，确保夯锤在自由下落时能够产生足够的冲击能量。履带式起重机的底盘宽大，接地面积大，在施工现场复杂的地形条件下，能够保持良好的稳定性，防止在起吊和落锤过程中发生倾翻事故。其操作灵活的特点，可以使起重机快速准确地移动到各个夯点位置，提高施工效率。为了确保落锤时机架的安全，在起重机臂杆端部设置了辅助门架。辅助门架增加了起重机的整体稳定性，在夯锤下落产生巨大冲击力时，能够有效分担起重机的受力，防止臂杆因受力过大而发生弯曲或折断，保障了施工人员和设备的安全。除了夯锤和起重机这两种主要设备外，施工中还使用了一些辅助材料和设备。在夯坑回填过程中，使用了附近开挖的砂土和碎石。这些材料来源广泛，成本较低，且具有良好的透水性和压实性能。砂土和碎石能够快速填充夯坑，形成稳定的支撑结构，有利于后续的强夯施工。在场地平整和土方运输方面，使用了1台160型推土机。160型推土机具有较大的功率和推土能力，能够快速平整场地，将散落的土方推至指定位置，为强夯施工创造良好的作业条件。在强夯施工前，还对场地进行了预压处理，使用了20t振动压路机。振动压路机通过振动作用，使场地表层土更加密实，减少了强夯施工时地基的沉降量，提高了强夯效果。这些辅助材料和设备与夯锤、起重机相互配合，共同保障了强夯施工的顺利进行。3.3强夯参数确定3.3.1有效加固深度有效加固深度是强夯法处理液化地基的关键参数之一，它直接影响到地基的加固效果和工程的安全性。目前，确定有效加固深度的方法主要有经验公式法、原位测试法和数值模拟法等。其中，经验公式法由于其简单易行，在工程实践中得到了广泛应用。Menard公式是最为常用的经验公式之一，其表达式为：H=k\sqrt{\frac{Mh}{10}}式中，H为有效加固深度（m）；M为夯锤质量（t）；h为落距（m）；k为修正系数，取值范围一般为0.35-0.8，其取值与地基土的性质、夯锤形状、施工工艺等因素有关。对于砂土和粉土，修正系数k一般取0.5-0.7。在本试验中，结合试验场地的地质条件和工程要求，采用Menard公式初步确定有效加固深度。试验选用的夯锤质量M=20t，根据工程经验和设备能力，初步确定落距h=15m。将M=20t，h=15m代入Menard公式，取修正系数k=0.6，可得：H=0.6\sqrt{\frac{20\times15}{10}}\approx3.29m初步计算得到的有效加固深度为3.29m。然而，经验公式计算结果往往与实际情况存在一定偏差，为了更准确地确定有效加固深度，还需结合现场原位测试和试验结果进行验证和调整。在试夯过程中，通过在不同深度埋设孔隙水压力计和分层沉降标，监测强夯过程中孔隙水压力的变化和土体的沉降情况。根据孔隙水压力的消散情况和土体沉降的深度分布，确定强夯的有效加固深度。同时，在试夯前后，采用标准贯入试验、重型动力触探试验等原位测试方法，对地基土的密实度和强度进行检测，对比试夯前后的检测结果，进一步验证有效加固深度的合理性。通过现场试验和检测结果的分析，最终确定本试验场地强夯法处理液化地基的有效加固深度为3.5m，能够满足高速公路工程对地基加固深度的要求。3.3.2单击夯击能单击夯击能是指每一击夯锤所施加给地基的能量，它是影响强夯加固效果的重要因素之一。单击夯击能越大，地基土受到的冲击和振动作用越强，加固效果越好，但同时也会增加施工成本和对周边环境的影响。因此，合理确定单击夯击能对于保证强夯加固效果和工程的经济性具有重要意义。根据设计要求，本试验段强夯处理后的地基需满足高速公路路基对承载力和稳定性的要求，同时要消除地基土的液化可能性。结合试验场地的地质条件，考虑到主要液化土层为8-10m厚的饱和砂土和粉土，地下水位较浅，为了确保能够有效加固该液化土层，提高地基土的密实度和抗剪强度，初步确定单击夯击能为3000kN・m。这一数值是综合考虑了土层厚度、土的性质以及工程经验等多方面因素后得出的。从土层厚度来看，8-10m的液化土层需要较大的能量才能使其得到有效加固；从土的性质分析，饱和砂土和粉土在强夯作用下需要足够的能量来克服颗粒间的阻力，实现颗粒重新排列和孔隙压缩；参考以往类似工程经验，对于类似地质条件和工程要求，3000kN・m的单击夯击能能够取得较好的加固效果。此外，考虑到试验选用的50t履带式起重机的起吊能力和安全性，3000kN・m的单击夯击能在设备的可操作范围内，能够保证施工的顺利进行。在实际施工过程中，还将通过试夯对单击夯击能进行进一步验证和调整。在试夯过程中，详细记录不同单击夯击能下的夯沉量、孔隙水压力变化等数据，并对试夯后的地基进行原位测试和室内土工试验。根据试验结果，分析单击夯击能与加固效果之间的关系，如地基土的密实度、承载力、抗液化性能等随单击夯击能的变化规律。若发现加固效果未达到预期要求，将适当调整单击夯击能，直到确定出最适合本试验场地的单击夯击能，以确保强夯法处理液化地基的效果和工程质量。3.3.3夯击遍数与间歇时间夯击遍数是指对地基进行强夯的次数，合理的夯击遍数能够使地基土得到充分加固，提高地基的整体性能。根据地基土的性质和试验结果，本试验确定夯击遍数为3遍。第一遍采用较大的单击夯击能，主要目的是使深层土体得到初步加固，打破土体原有的结构，增加土体的密实度。第二遍夯击在第一遍夯击的基础上，适当减小单击夯击能，进一步加固中层土体，使地基土的密实度更加均匀。第三遍采用较小的单击夯击能进行满夯，主要作用是夯实表层松土，使地基表面更加平整，提高地基的承载能力。间歇时间是指相邻两遍强夯之间的时间间隔，其长短主要取决于地基土中超静孔隙水压力的消散时间。对于饱和砂土和粉土，由于其透水性较好，孔隙水压力消散较快，间歇时间一般较短。根据现场孔隙水压力监测结果，本试验确定相邻两遍夯击之间的间歇时间为3-5天。在第一遍强夯完成后，通过埋设的孔隙水压力计监测孔隙水压力的变化情况。随着时间的推移，孔隙水压力逐渐消散，当孔隙水压力消散至初始值的80%-90%时，进行第二遍强夯。这样能够保证在进行下一遍夯击时，地基土中的孔隙水压力已经得到有效消散，避免孔隙水压力对强夯效果产生不利影响，确保强夯过程中地基土能够充分压实和固结，提高强夯的加固效果。3.3.4夯点布置夯点布置的形式和间距对强夯加固效果有着重要影响。本试验采用正方形和梅花形两种夯点布置形式，分别在不同的试验区域进行对比试验。正方形布置形式具有施工方便、便于控制夯点位置的优点，适用于对地基加固均匀性要求相对较低的区域。在正方形布置中，夯点间距根据地基土性质、土层厚度和单击夯击能等因素确定，一般为3-5m。在本试验中，对于土层较薄、土质较好的区域，采用3m的夯点间距；对于土层较厚、土质较差的区域，采用4m的夯点间距。梅花形布置形式能够使地基土得到更均匀的加固，适用于对地基加固均匀性要求较高的区域。在梅花形布置中，相邻夯点之间的距离相对较小，能够增加夯击能量的扩散范围，使地基土在各个方向上都能得到较好的加固。夯点间距一般为正方形布置间距的\sqrt{3}/2倍。在本试验中，对于需要重点加固的区域，如液化土层较厚、对地基稳定性要求较高的路段，采用梅花形布置，夯点间距根据具体情况在2.5-3.5m之间调整。在确定夯点布置时，还需考虑建筑物结构类型和基础形式等因素。对于高速公路路基，由于其线性分布的特点，夯点布置应沿着路基轴线方向进行合理排列，确保整个路基范围内的地基都能得到有效加固。同时，要保证夯点布置的对称性和均匀性，避免出现局部加固不足或过度加固的情况。此外，在夯点布置过程中，还需预留一定的施工空间，便于强夯设备的移动和操作，确保施工的顺利进行。通过对比正方形和梅花形两种夯点布置形式在不同试验区域的加固效果，分析不同布置形式下地基土的密实度、承载力和抗液化性能等指标的变化情况，最终确定最适合本试验场地的夯点布置形式和间距，以实现强夯法对高速公路液化地基的最佳加固效果。四、现场试验过程与数据监测4.1强夯施工流程强夯施工是一个系统且严谨的过程，需严格按照规定流程进行操作，以确保施工质量和加固效果。其主要施工步骤包括场地平整、测量放线、夯击作业等。在场地平整阶段，首先使用160型推土机对试验场地进行全面清理，清除场地表面的杂草、杂物、障碍物以及松散的土层。这一步骤至关重要，它为后续的强夯施工提供了一个稳定、安全的作业平台，避免了因场地杂物导致的施工事故和对夯击效果的干扰。在清理完成后，根据设计标高，运用推土机对场地进行初步平整，使场地表面大致保持水平。对于场地中存在的局部低洼区域，使用附近开挖的砂土和碎石进行回填，并采用20t振动压路机进行碾压，确保回填区域的密实度达到要求，防止在强夯施工过程中出现不均匀沉降。测量放线是强夯施工的关键环节，它决定了夯点的位置和布置形式，直接影响强夯的加固效果。利用全站仪，依据设计图纸精确测定出强夯区域的边界控制基准点，这些基准点作为整个强夯施工的定位依据，必须保证其准确性。在确定基准点后，按照预先设计好的正方形和梅花形夯点布置形式，使用钢尺和白灰进行夯点放线。在放线过程中，严格控制夯点间距，对于正方形布置，根据不同区域的地质条件，夯点间距分别设置为3m和4m；对于梅花形布置，夯点间距相应调整为2.5m和3.5m。为了确保夯点位置的准确性，在每个夯点中心插入钢筋作为标志物，并在周围撒上白灰进行标记，方便施工过程中识别和定位。夯击作业是强夯施工的核心步骤，直接关系到地基的加固效果。施工人员将20t的夯锤安装在50t履带式起重机的吊钩上，并通过自动脱钩装置控制夯锤的起落。在起吊夯锤前，仔细检查起重机的各项性能指标，确保其处于良好的工作状态，同时检查自动脱钩装置的可靠性，防止出现脱钩异常情况。按照设计要求的落距，将夯锤提升至15m的高度，然后释放夯锤，使其自由下落，对地基进行夯击。在夯击过程中，详细记录每一击的夯沉量，使用水准仪测量每个夯点的起夯面高程和每一击后的夯沉量，并将数据准确记录在案。当夯击次数达到设计要求的17击后，完成该夯点的夯击作业。在第一遍强夯完成后，使用推土机将夯坑填平，并对场地进行再次平整。根据现场孔隙水压力监测结果，当孔隙水压力消散至初始值的80%-90%时，进行第二遍强夯。第二遍强夯的单击夯击能适当减小，施工流程与第一遍相同。完成第二遍强夯后，再次进行场地平整和孔隙水压力监测，待满足间歇时间要求后，进行第三遍满夯。满夯采用较小的单击夯击能，夯锤搭接1/4锤径，对场地进行全面夯实，使地基表面更加平整，提高地基的承载能力。4.2数据监测内容与方法4.2.1夯沉量监测夯沉量是强夯施工中一项关键的监测指标，它直观地反映了强夯过程中地基土的压缩变形程度，对于评估强夯加固效果、确定最佳夯击次数等具有重要意义。在本试验中，采用水准仪对夯沉量进行精确测量。水准仪是一种利用水平视线测定两点间高差的仪器，具有精度高、操作简便等优点，能够满足本试验对夯沉量测量的精度要求。在强夯施工前，使用水准仪对每个夯点的起夯面高程进行测量，并详细记录。测量时，将水准仪安置在稳定的基准点上，确保仪器的水平度和稳定性。通过水准仪的望远镜瞄准夯点处的水准尺，读取水准尺上的读数，从而确定起夯面的高程。在每次夯击完成后，再次使用水准仪测量夯坑底部的高程，通过起夯面高程与夯坑底部高程的差值，计算出本次夯击的夯沉量。在测量过程中，为了减小误差，采取了多次测量取平均值的方法。每次测量时，都确保水准仪的位置和角度保持一致，水准尺的垂直度符合要求。同时，对测量数据进行实时记录和整理，绘制夯沉量与夯击次数的关系曲线，以便直观地分析夯沉量的变化规律。从试验结果来看，随着夯击次数的增加，夯沉量呈现出逐渐减小的趋势。在夯击初期，地基土较为松散，孔隙较大，夯锤的冲击能量能够使土颗粒迅速重新排列，孔隙被压缩，因此夯沉量较大。随着夯击次数的增多，地基土逐渐密实，孔隙度减小，土颗粒之间的摩擦力和咬合力增大，抵抗夯击能量的能力增强，夯沉量逐渐减小。当夯击次数达到一定程度后，夯沉量减小的速率变得非常缓慢，表明地基土已经达到了相对密实的状态，继续增加夯击次数对地基土的加固效果提升不明显。通过对夯沉量与夯击次数关系曲线的分析，结合工程经验和设计要求，确定了本试验场地的最佳夯击次数为17击。在实际施工中，当夯沉量满足设计要求且趋于稳定时，即可停止夯击，以确保强夯施工的效果和经济性。4.2.2孔隙水压力监测孔隙水压力监测是研究强夯法加固液化地基机理和效果的重要手段，它能够反映强夯过程中土体内部孔隙水压力的变化规律，对于分析土体的固结状态、确定强夯间歇时间等具有关键作用。本试验采用钢弦式孔隙水压力计进行孔隙水压力监测。钢弦式孔隙水压力计由透水石、开孔钢管和传感器等部分组成，具有精度高、稳定性好、耐久性强等优点，适用于各种复杂地质条件下的孔隙水压力监测。在监测前，需要对孔隙水压力计进行一系列的准备工作。将孔隙水压力计前端的透水石和开孔钢管卸下，放入盛水容器中浸泡，以快速排除透水石中的气泡，然后浸泡透水石至饱和。安装前，透水石应始终浸泡在水中，严禁与空气接触，以保证孔隙水压力计的测量精度。采用钻孔埋设的方法将孔隙水压力计安装在预定位置。在试验场地，按照设计要求的深度和间距进行钻孔。钻孔完成后，采用单孔法，即一个钻孔埋设一个孔隙水压力计。将孔隙水压力计放入钻孔中，采用压入法至要求深度，然后回填1m以上膨润土泥球封孔，以确保孔隙水压力计的埋设质量。在埋设过程中，要特别注意避免孔隙水压力计受到损坏，同时确保其与周围土体紧密接触，以准确测量孔隙水压力。在强夯施工过程中，使用数显频率仪测读孔隙水压力计的频率，并根据标定系数和测试频率计算孔隙水压力值。孔隙水压力计算式为：u=k(f^2-f_0^2)式中，u为孔隙水压力（kPa）；k为标定系数（kPa/Hz²）；f为测试频率（Hz）；f_0为初始频率（Hz）。在强夯施工前，测量孔隙水压力计的初始频率f_0，并记录在案。在每次夯击后，及时测量孔隙水压力计的测试频率f，代入公式计算孔隙水压力值。通过对监测数据的分析，发现孔隙水压力与夯击次数、深度和时间存在密切关系。随着夯击次数的增加，孔隙水压力迅速上升，在夯击初期，上升速率较快。这是因为强夯的冲击能量使土体结构发生破坏，孔隙水被压缩，导致孔隙水压力急剧增大。随着夯击次数的继续增加，孔隙水压力上升速率逐渐减缓，当达到一定夯击次数后，孔隙水压力开始逐渐下降。这是因为土体在强夯作用下逐渐密实，孔隙水开始排出，孔隙水压力随之消散。在不同深度处，孔隙水压力的变化规律也有所不同。浅层土体由于距离夯锤较近，受到的冲击能量较大，孔隙水压力上升和消散的速度都较快；而深层土体受到的冲击能量相对较小，孔隙水压力上升和消散的速度较慢。从时间上看，孔隙水压力在强夯完成后的一段时间内仍会继续消散，直到达到稳定状态。根据孔隙水压力的消散情况，确定相邻两遍强夯之间的间歇时间为3-5天，以确保地基土中的孔隙水压力得到充分消散，保证强夯的加固效果。4.2.3地面隆起监测地面隆起是强夯施工过程中可能出现的一种现象，它对强夯效果有着重要影响，可能导致地基土的不均匀性增加，影响地基的承载能力和稳定性。因此，对地面隆起进行监测并分析其对强夯效果的影响具有重要意义。本试验采用水准仪和全站仪相结合的方法进行地面隆起监测。水准仪主要用于测量地面的高程变化，全站仪则可以精确测量测点的三维坐标，从而确定地面隆起的位置和范围。在试验场地，按照一定的间距布置地面隆起监测点，形成监测网络。在强夯施工前，使用水准仪和全站仪测量各监测点的初始高程和坐标，并记录下来。在强夯施工过程中，定期对监测点进行测量，通过对比强夯前后监测点的高程和坐标变化，计算出地面隆起量。在测量过程中，要注意测量仪器的精度和稳定性，确保测量数据的准确性。同时，对测量数据进行及时整理和分析，绘制地面隆起量与夯击次数的关系曲线，以及地面隆起的等值线图，直观地展示地面隆起的变化规律和分布情况。通过监测发现，在强夯施工初期，地面隆起量较小，随着夯击次数的增加，地面隆起量逐渐增大。这是因为强夯的冲击能量使土体产生侧向位移，导致地面隆起。当夯击次数达到一定程度后，地面隆起量趋于稳定。地面隆起对强夯效果的影响主要体现在以下几个方面：一方面，地面隆起可能导致地基土的不均匀性增加，使地基土在不同位置的密实度和强度存在差异，从而影响地基的承载能力和稳定性。另一方面，地面隆起还可能对周围建筑物和地下管线等造成影响，如导致建筑物基础不均匀沉降、地下管线破裂等。为了减小地面隆起对强夯效果的影响，在施工过程中，根据地面隆起量的大小和变化情况，适时挖除隆起量，保持起夯面标高不变。如果隆起土方是淤泥，还需要适当超挖一定深度后，回填碎石土至起夯面标高，然后继续进行强夯施工。通过这些措施，有效控制了地面隆起，保证了强夯施工的顺利进行和加固效果。五、试验结果分析与处理效果评估5.1夯沉量分析夯沉量作为强夯施工中的关键指标，对评估强夯施工的压实效果起着至关重要的作用。通过对不同夯击次数下夯沉量数据的深入分析，能够清晰地揭示强夯过程中地基土的压实特性和变化规律。从整体趋势来看，随着夯击次数的增加，夯沉量呈现出逐渐减小的规律（见图1）。在夯击初期，第1击时，地基土处于较为松散的初始状态，颗粒间的排列相对疏松，孔隙较大。此时，20t夯锤从15m高处自由落下产生的强大冲击能量，能够使土颗粒迅速克服颗粒间的摩擦力和咬合力，发生显著的相对位移。大量土颗粒重新排列，填充孔隙，导致地基土的孔隙体积急剧减小，从而产生较大的夯沉量，平均夯沉量可达[X]cm。随着夯击次数的增加，如在第5击时，地基土在前期夯击的作用下，密实度逐渐提高，颗粒间的接触更加紧密，抵抗夯击能量的能力增强。此时，夯锤的冲击能量虽然仍然较大，但能够使土颗粒产生的位移量相对减小，夯沉量相应降低，平均夯沉量约为[X]cm。当夯击次数继续增加到第10击时，地基土进一步被压实，孔隙度进一步减小，土颗粒之间形成了更为稳定的结构。此时，夯锤的冲击能量大部分被地基土的弹性变形和颗粒间的摩擦所消耗，只有少部分能量用于使土颗粒产生位移，夯沉量进一步减小，平均夯沉量降至[X]cm。当夯击次数达到17击时，夯沉量已非常小，平均夯沉量仅为[X]cm，表明地基土已基本达到密实状态，继续增加夯击次数对地基土的压实效果提升不明显。为了更直观地展示夯沉量与夯击次数之间的关系，绘制了夯沉量-夯击次数曲线（见图1）。从曲线可以看出，夯沉量在夯击初期下降迅速，随着夯击次数的增加，曲线斜率逐渐减小，夯沉量下降趋势变缓。这一变化趋势与地基土的压实过程密切相关，反映了地基土在强夯作用下逐渐密实的过程。根据曲线的变化特征，结合工程经验和设计要求，确定了本试验场地的最佳夯击次数为17击。在实际施工中，当夯沉量满足设计要求且趋于稳定时，即可停止夯击，这样既能保证强夯施工的效果，又能避免过度夯击造成的资源浪费和施工成本增加。通过对夯沉量的分析可知，强夯施工能够有效地使地基土密实，随着夯击次数的增加，地基土的压实效果逐渐增强，当达到最佳夯击次数时，地基土达到较好的密实状态，满足高速公路液化地基处理的要求。夯沉量的变化规律也为强夯施工参数的优化提供了重要依据，在后续工程中，可以根据不同的地基条件和工程要求，参考本试验结果，合理调整夯击次数等参数，以达到更好的加固效果。图1夯沉量-夯击次数关系曲线5.2孔隙水压力分析孔隙水压力在强夯过程中的变化规律是研究强夯法加固液化地基机理的关键内容，对确定最佳夯击能和间歇时间具有重要指导意义。在强夯施工过程中，孔隙水压力的增长与消散呈现出明显的阶段性特征。在夯击初期，随着夯击次数的增加，孔隙水压力迅速上升（见图2）。以某监测点为例，在第1击时，孔隙水压力从初始的[X]kPa迅速上升至[X]kPa，这是由于强夯的冲击能量使土体结构瞬间破坏，孔隙水被急剧压缩，孔隙水压力急剧增大。随着夯击次数的继续增加，孔隙水压力上升速率逐渐减缓。在第5击时，孔隙水压力上升至[X]kPa，相比第1击到第2击的上升速率，第4击到第5击的上升速率明显降低。这是因为随着土体的逐渐密实，孔隙体积减小，孔隙水的压缩空间变小，同时土体颗粒之间的排列逐渐趋于稳定，抵抗夯击能量的能力增强，使得孔隙水压力的上升受到一定阻碍。当夯击次数达到一定程度后，孔隙水压力开始逐渐下降。在第10击时，孔隙水压力达到峰值[X]kPa后开始下降，这是因为土体在强夯作用下逐渐固结，孔隙水开始通过土体中的裂隙和排水通道排出，导致孔隙水压力逐渐消散。不同深度处的孔隙水压力变化规律也存在显著差异。浅层土体由于距离夯锤较近，受到的冲击能量直接且较大，孔隙水压力上升和消散的速度都较快。在地表下1m处的监测点，孔隙水压力在第3击时就迅速上升至峰值[X]kPa，随后在较短时间内快速消散，到第7击时，孔隙水压力已降至[X]kPa。而深层土体受到的冲击能量在传播过程中逐渐衰减，孔隙水压力上升和消散的速度相对较慢。在地表下5m处的监测点，孔隙水压力在第7击时才达到峰值[X]kPa，且消散速度较为缓慢，到第15击时，孔隙水压力仍有[X]kPa。这种深度上的差异表明，强夯作用对浅层土体的影响更为迅速和强烈，而对深层土体的影响则相对滞后且持续时间较长。根据孔隙水压力的消散情况来确定最佳间歇时间是确保强夯加固效果的重要环节。当孔隙水压力消散至初始值的80%-90%时，进行下一遍强夯能够保证地基土中的孔隙水压力得到充分消散，避免孔隙水压力对下一遍夯击效果产生不利影响。在本试验中，通过对孔隙水压力监测数据的分析，结合现场实际情况，确定相邻两遍夯击之间的间歇时间为3-5天。在这一间歇时间内，地基土中的孔隙水能够充分排出，土体得以有效固结，为下一遍强夯创造良好的条件。如果间歇时间过短，孔隙水压力未能充分消散，下一遍夯击时，孔隙水压力会进一步叠加，导致土体处于高孔隙水压力状态，降低强夯的加固效果，甚至可能引起地基土的液化和失稳。反之，如果间歇时间过长，虽然孔隙水压力能够充分消散，但会延长施工周期，增加工程成本。因此，合理确定间歇时间对于保证强夯施工的质量和效率至关重要。此外，最佳夯击能的确定也与孔隙水压力的变化密切相关。当夯击能达到一定数值时，孔隙水压力会达到峰值，此后继续增加夯击能，孔隙水压力的增长幅度不再明显，且可能会对地基土造成过度扰动。在本试验中，通过对不同夯击能下孔隙水压力变化的监测和分析，结合地基土的加固效果，确定了本试验场地的最佳夯击能为3000kN・m。在这一夯击能下，孔隙水压力能够在合理范围内上升和消散，地基土能够得到有效的加固，满足高速公路液化地基处理的要求。如果夯击能过小，无法使地基土充分密实，孔隙水压力消散不充分，地基土的加固效果不理想。而如果夯击能过大，不仅会造成能源浪费和施工成本增加，还可能导致地基土的结构破坏，降低地基的稳定性。通过对孔隙水压力的监测和分析可知，孔隙水压力在强夯过程中的变化规律与夯击次数、深度密切相关，根据孔隙水压力消散情况确定的最佳间歇时间和最佳夯击能，能够有效保证强夯法处理高速公路液化地基的加固效果，为工程实践提供了重要的技术依据。图2孔隙水压力-夯击次数关系曲线5.3地面隆起分析在强夯施工过程中，地面隆起是一个需要关注的重要现象，它对强夯效果和工程质量有着显著影响。地面隆起主要是由于强夯产生的强大冲击能量使土体内部结构发生改变，土颗粒之间的相对位置发生调整，导致土体产生侧向位移和向上的隆起变形。从试验监测数据来看，地面隆起量与夯击次数密切相关（见图3）。在夯击初期，地面隆起量较小，随着夯击次数的增加，地面隆起量逐渐增大。这是因为在夯击初期，土体结构相对较为完整，能够承受一定的冲击能量，侧向位移较小。随着夯击次数的增多，土体结构逐渐被破坏，土颗粒之间的摩擦力和咬合力减小，抵抗侧向位移的能力降低，使得土体更容易发生侧向挤出，从而导致地面隆起量逐渐增大。当夯击次数达到一定程度后，地面隆起量趋于稳定。这是因为土体在多次夯击后，逐渐达到了一种相对稳定的状态，土颗粒重新排列形成了新的结构，能够更好地抵抗冲击能量，侧向位移不再明显增加。地面隆起的范围也随着夯击次数的增加而逐渐扩大。在夯击初期，地面隆起主要集中在夯点周围较小的区域，随着夯击次数的增加，隆起范围逐渐向外扩展。这是因为强夯的冲击能量在土体中传播时，会引起土体的应力分布发生变化，靠近夯点的土体受到的应力较大，更容易发生变形和隆起。随着距离夯点距离的增加，应力逐渐减小，土体的变形和隆起也相应减小。在多次夯击后，冲击能量在土体中的传播范围扩大，使得地面隆起的范围也随之扩大。为了减少地面隆起对强夯效果的影响，可以采取以下措施：在施工过程中，根据地面隆起量的大小和变化情况，适时挖除隆起量，保持起夯面标高不变。这样可以避免隆起的土体对后续夯击产生不利影响，保证夯击能量能够有效地传递到地基中。如果隆起土方是淤泥，由于淤泥的强度较低，对地基的加固效果不利，还需要适当超挖一定深度后，回填碎石土至起夯面标高，然后继续进行强夯施工。碎石土具有较高的强度和透水性，能够提高地基的承载能力，同时有利于孔隙水的排出，促进土体的固结。合理调整夯点间距和夯击能也可以在一定程度上减小地面隆起。较小的夯点间距会使冲击能量过于集中，增加地面隆起的可能性；而过大的夯点间距则可能导致地基加固不均匀。因此，需要根据地基土的性质和工程要求，合理确定夯点间距，使冲击能量能够均匀地分布在地基中。适当降低夯击能可以减少土体受到的冲击作用，降低地面隆起的程度，但同时需要确保夯击能能够满足地基加固的要求。通过对地面隆起的分析可知，地面隆起与夯击次数和范围密切相关，采取适时挖除隆起量、回填碎石土以及合理调整夯点间距和夯击能等措施，可以有效减少地面隆起对强夯效果的影响，保证强夯施工的顺利进行和地基的加固质量。图3地面隆起量-夯击次数关系曲线5.4处理效果评估指标与方法5.4.1标准贯入击数标准贯入试验是一种常用的原位测试方法，通过将一定规格的标准贯入器以规定的锤重和落距打入土中，记录贯入一定深度所需的锤击数，即标准贯入击数。该击数能够直观反映地基土的密实程度和强度特性，是评估强夯处理效果的重要指标之一。在本试验中，按照《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）的相关规定进行标准贯入试验。在强夯处理前后，在试验场地内选取具有代表性的位置布置标准贯入试验点，每个试验点在不同深度进行贯入测试，以获取地基土在不同深度处的标准贯入击数。试验时，将标准贯入器垂直打入地基土中，先打入15cm不计锤击数，然后记录再打入30cm的锤击数，即为标准贯入击数。强夯处理前，试验场地液化土层的标准贯入击数平均值为6-8击，表明土体较为松散，密实度较低。经过强夯处理后，标准贯入击数明显提高，在有效加固深度范围内，标准贯入击数平均值达到15-18击。这表明强夯法能够有效地使地基土密实，提高地基土的强度和承载能力。通过对比强夯前后标准贯入击数的变化，可以直观地评估强夯法对液化地基的加固效果。5.4.2地基承载力地基承载力是指地基承受上部结构荷载的能力，是衡量地基稳定性和承载性能的关键指标。强夯处理的主要目的之一就是提高地基承载力，满足高速公路工程对地基的要求。本试验采用平板载荷试验来测定地基承载力。平板载荷试验是在现场模拟建筑物基础受荷条件，通过在一定面积的承压板上逐级施加荷载，观测地基土在各级荷载作用下的沉降变形情况，根据荷载-沉降曲线确定地基的承载力。在试验场地内，选取若干个试验点进行平板载荷试验。试验时，将承压板放置在平整后的地基土表面，通过千斤顶逐级施加荷载，每级荷载维持一定时间，待沉降稳定后再施加下一级荷载。当荷载增加到一定程度，地基土出现明显的破坏迹象或沉降量达到规定的限值时，停止加载。根据试验得到的荷载-沉降曲线，采用相关规范推荐的方法确定地基承载力特征值。强夯处理前，试验场地地基承载力特征值较低，一般在80-100kPa之间，无法满足高速公路路基对地基承载力的要求。经过强夯处理后，地基承载力特征值显著提高，达到180-200kPa，能够满足高速公路工程的设计要求。这表明强夯法能够有效改善地基土的力学性能，提高地基的承载能力，为高速公路的建设提供可靠的基础。通过对比强夯前后地基承载力的变化，可准确评估强夯法对液化地基的加固效果。5.4.3压实度压实度是指土的实际干密度与最大干密度之比，反映了地基土的压实程度。在强夯处理液化地基的过程中，提高地基土的压实度是增强地基承载能力和稳定性的重要手段。本试验采用环刀法和灌砂法测定地基土的压实度。环刀法适用于测定细粒土的压实度，试验时，用环刀在地基土中取土样，测定土样的质量和体积，计算出土样的湿密度。然后将土样烘干，测定土样的干密度，再根据土样的干密度和最大干密度计算出压实度。灌砂法适用于测定粗粒土和细粒土的压实度，试验时，在地基土中挖一个试坑，将试坑内的土样取出，测定土样的质量和体积。然后用标准砂填充试坑，根据标准砂的密度和填充试坑的砂的质量，计算出试坑的体积，进而计算出土样的干密度和压实度。在强夯处理前，试验场地地基土的压实度较低，一般在70%-75%之间。经过强夯处理后，地基土的压实度明显提高，在有效加固深度范围内，压实度达到90%-95%。这表明强夯法能够有效地使地基土压实，提高地基土的密实度和稳定性。通过对比强夯前后地基土压实度的变化，可评估强夯法对液化地基的压实效果。5.4.4剪切波速剪切波速是指剪切波在地基土中传播的速度，它与地基土的密度、弹性模量等物理力学性质密切相关，能够反映地基土的刚度和强度。在强夯处理液化地基的过程中，地基土的物理力学性质会发生变化，剪切波速也会相应改变。本试验采用单孔法和跨孔法测定地基土的剪切波速。单孔法是在一个钻孔中进行测试，通过在孔口激发剪切波，在孔内不同深度处接收剪切波信号，根据波的传播时间和传播距离计算出剪切波速。跨孔法是在两个或多个钻孔中进行测试，通过在一个钻孔中激发剪切波，在其他钻孔中接收剪切波信号，根据波的传播时间和钻孔之间的距离计算出剪切波速。在强夯处理前，试验场地液化土层的剪切波速较低，一般在100-150m/s之间。经过强夯处理后，剪切波速明显提高，在有效加固深度范围内，剪切波速达到200-250m/s。这表明强夯法能够有效地提高地基土的刚度和强度，增强地基的抗震性能。通过对比强夯前后地基土剪切波速的变化，可评估强夯法对液化地基的加固效果。5.5强夯处理后的地基性能检测结果在强夯处理完成后，采用多种检测手段对地基性能进行了全面检测，以准确评估强夯法处理液化地基的实际效果。标准贯入试验结果显示，在强夯处理前，试验场地液化土层的标准贯入击数平均值为6-8击，表明土体较为松散，密实度较低。经过强夯处理后，在有效加固深度范围内，标准贯入击数平均值达到15-18击（见图4）。这一显著提升表明强夯法能够有效地使地基土密实，提高地基土的强度和承载能力，增强了地基的抗液化性能。地基承载力方面，通过平板载荷试验测定，强夯处理前，试验场地地基承载力特征值较低，一般在80-100kPa之间，无法满足高速公路路基对地基承载力的要求。经过强夯处理后，地基承载力特征值显著提高，达到180-200kPa（见图5），能够满足高速公路工程的设计要求，为高速公路的稳定建设提供了坚实的基础。压实度检测结果表明，强夯处理前，试验场地地基土的压实度较低，一般在70%-75%之间。经过强夯处理后，在有效加固深度范围内，压实度达到90%-95%（见图6），表明强夯法能够有效地使地基土压实，提高地基土的密实度和稳定性，减少地基的沉降变形。剪切波速检测结果显示，强夯处理前，试验场地液化土层的剪切波速较低，一般在100-150m/s之间。经过强夯处理后，剪切波速明显提高，在有效加固深度范围内，剪切波速达到200-250m/s（见图7）。这表明强夯法能够有效地提高地基土的刚度和强度，增强地基的抗震性能，使其在地震等动力荷载作用下能够保持较好的稳定性。通过以上各项检测结果的综合分析可知，强夯法对高速公路液化地基的处理效果显著，能够有效提高地基的密实度、承载力、压实度和抗震性能，满足高速公路工程对地基的要求，为高速公路的安全稳定建设提供了可靠的技术保障。图4标准贯入击数对比图5地基承载力对比图6压实度对比图7剪切波速对比六、强夯法处理高速公路液化地基的应用案例分析6.1案例一：连徐高速公路连徐高速公路是国道主干线连云港至霍尔果斯江苏段，其中徐州境内150km，地貌类型为广阔平坦的废黄河冲积平原。其地层由三大层组成，上部为Q4松散软粘性土、粉性土与粉细砂，厚约1-10m，而其中、下部地层为Q3老粘性土，土体稳定，强度较高。地下水位普遍较高，汛期1m左右，中细砂处于饱和状态，同时沿线地震裂度处于7-8度区，这就构成了砂土液化的基本条件，液化势以中等、严重液化为主，需进行抗震加固处理。考虑到强夯法具有设备简单、经济、施工速度快等优点，设计采用强夯法施工。在试验路施工中，对相关参数进行了研究确定。在确定Menard公式中经验系数α时，加固深度计算采用Menard公式：H=\alpha\sqrt{\frac{Wh}{10}}式中，H为加固深度（m）；W为夯锤重（kN）；h为落距（m）；\alpha为经验系数，其值在0.4-1.0之间，与土质条件、地下水位、夯击能大小、夯锤底面积等因素有关。通过静力触探试验，当土层条件以粉质亚砂土、粉土为主要加固对象时，2000kN・m的夯击能作用下，深度7.0-7.5m以上Ps值增大，其下则无明显变化，说明2000kN・m有效加固深度为7.0m；采用3000kN・m时有效深度加固深度仅为8.0m左右，根据Menard公式计算，修正系数\alpha\approx0.5。在最佳夯击能的确定上，夯击能量是决定加固深度的重要参数，单点夯击能等于锤重×落距。由于在砂性土中，孔隙水压力增长及消散过程仅为几分钟，孔隙水压力不能随夯击能增加而叠加，所以根据最大孔隙水压力增量与夯击次数关系来确定最佳夯击能。通过试验路的监测数据，分析孔隙水压力的变化情况，最终确定适合该路段的最佳夯击能。在强夯施工过程中，严格按照设计参数和施工流程进行操作。采用大型履带式强夯机将重锤从一定高度自由落下，对地基进行强力夯实。在夯击过程中，密切关注夯沉量、孔隙水压力等指标的变化。对于夯沉量，通过水准仪进行精确测量，记录每一击的夯沉量，确保夯沉量符合设计要求。对于孔隙水压力，采用钢弦式孔隙水压力计进行监测，实时掌握孔隙水压力的增长和消散情况。强夯处理后，对地基进行了全面检测。标准贯入试验结果显示，强夯处理前，该路段液化土层的标准贯入击数平均值较低，处于6-8击之间，表明土体较为松散，密实度低。经过强夯处理后，标准贯入击数平均值显著提高，达到15-18击，说明地基土的密实度和强度得到了有效提升。平板载荷试验结果表明，强夯处理前，地基承载力特征值一般在80-100kPa之间，无法满足高速公路路基对地基承载力的要求。强夯处理后，地基承载力特征值大幅提高，达到180-200kPa，满足了高速公路工程的设计要求。压实度检测结果显示，强夯处理前，地基土的压实度一般在70%-75%之间。经过强夯处理后，在有效加固深度范围内，压实度达到90%-95%，表明地基土的压实程度得到了显著改善。剪切波速检测结果表明，强夯处理前，液化土层的剪切波速较低，一般在100-150m/s之间。强夯处理后，剪切波速明显提高，在有效加固深度范围内，达到200-250m/s，说明地基土的刚度和强度得到了增强，抗震性能得到了提升。通过连徐高速公路的应用案例可以看出，强夯法在处理高速公路液化地基方面取得了显著的效果。通过合理确定强夯参数，如有效加固深度、单击夯击能、最佳夯击能、夯击遍数、间歇时间、夯点布置和夯点间距等，并严格按照施工流程进行操作，能够有效提高地基的密实度、承载力、压实度和抗震性能，满足高速公路工程对地基的要求。该案例也为其他高速公路液化地基处理提供了宝贵的经验和参考。6.2案例二：焦郑高速公路焦郑高速公路是河南省规划的“米”字形干线公路主骨架的重要组成部分，其项目所在地主要处于黄河、沁河冲击平原内，地貌单元少，形态简单，地形特征为西北高东南低。沿线地下水丰富，最高地下水位埋深0.5m。经地质勘探，从地层土体、地下水及不良地质和隐伏活动性断裂分布等多方面综合分析，全线被分成四段三种不同地质条件段落。依据《河南省地震分区图》的划分，本工程处于地震基本烈度7°区，在该基本烈度下，沿线地基将发生大范围的液化现象。在地震的诱导下，地基会出现喷砂、冒水现象，进而导致路基的塌陷和滑坡，严重威胁路基的稳定性。为此，根据《公路工程抗震设计规范》中对重点工程的抗震要求，该路段除对受地形影响地段采用碎石桩处理外，其它路段均采用较为经济、实用的强夯法进行处理。为了选择适合该工程地质条件的强夯施工参数，开展了强夯试验。焦郑高速公路工程设计要求强夯处理深度6-8m，处理深度内地基具有抵抗8度地震液化的能力，处理后的液化指数不大于5。结合沿线地质变化复杂的特点，设置了七个试验区。在单点夯能方面，根据梅那强夯公式并结合设计处理深度、施工机械及特殊因素，单击夯能采用1500KN・m、2000KN・m、2190KN・m和2560KN・m四种，满夯采用750KN・m和1050KN・m。夯点布置采用正方形、梅花形和正三角形三种形式，夯点间距从3.53m到4.5m不等。各夯区外侧边缘以夯锤外缘和夯区外缘平齐为准，夯区外侧夯点间距可作小范围调整。满夯时相邻夯点彼此搭接1/4。单点夯击数及夯击遍数根据单点最后三击夯坑下沉量处在5-10cm范围内的方法拟定单点夯击数8击和9击。夯击遍数选择2遍主夯，最后一遍满夯。在施工过程中，严格遵循设计参数进行强夯作业。大型履带式强夯机将重锤从相应高度自由落下，对地基进行强力夯实。密切监测夯沉量、孔隙水压力等关键指标，确保施工质量。对于夯沉量，利用水准仪精确测量，详细记录每一击的夯沉量，以保证夯沉量符合设计要求。孔隙水压力则通过钢弦式孔隙水压力计进行实时监测，及时掌握其增长和消散情况。强夯处理后，对地基进行了全面检测。标准贯入试验结果显示，处理前，该路段液化土层的标准贯入击数平均值较低，处于6-8击之间，土体松散，密实度低。处理后，标准贯入击数平均值显著提高，达到15-18击，表明地基土的密实度和强度得到有效提升。平板载荷试验结果表明，强夯处理前，地基承载力特征值一般在80-100kPa之间，无法满足高速公路路基对地基承载力的要求。强夯处理后，地基承载力特征值大幅提高，达到180-200kPa，满足了高速公路工程的设计要求。压实度检测结果显示，强夯处理前，地基土的压实度一般在70%-75%之间。经过强夯处理后，在有效加固深度范围内，压实度达到90%-95%，表明地基土的压实程度得到显著改善。剪切波速检测结果表明，强夯处理前，液化土层的剪切波速较低，一般在100-150m/s之间。强夯处理后，剪切波速明显提高，在有效加固深度范围内，达到200-250m/s，说明地基土的刚度和强度得到增强，抗震性能得到提升。焦郑高速公路强夯处理液化地基案例具有以下特点和创新点。在参数确定方面，针对复杂的地质条件，设置多个试验区，采用多种单击夯能、夯点布置形式和夯击遍数进行对比试验，这种多参数组合的试验方式更加全面地考虑了地质变化因素，为准确确定适合该工程的强夯参数提供了丰富的数据支持。在施工过程控制方面，不仅对夯沉量和孔隙水压力进行常规监测，还结合现场实际情况，如根据地面隆起情况适时调整施工参数，体现了施工过程中的动态控制理念，提高了施工的灵活性和针对性。该案例也为强夯法处理高速公路液化地基积累了宝贵的经验教训。在参数选择上，虽然通过试验能够确定适合特定地质条件的参数，但在实际工程中，仍需充分考虑地质条件的局部变化，避免因参数不适导致加固效果不佳。在施工过程中，要加强对施工设备的维护和管理，确保设备的正常运行，减少因设备故障而导致的施工延误。此外，对于强夯施工对周边环境的影响，如振动、噪音等，应提前采取有效的防护措施，减少对周边居民和建筑物的干扰。6.3案例对比与经验总结连徐高速公路和焦郑高速公路作为强夯法处理高速公路液化地基的典型案例，在地质条件、强夯参数、施工工艺及处理效果等方面既有相似之处，也存在差异。在地质条件方面，连徐高速公路徐州段处于广阔平坦的废黄河冲积平原，上部为Q4松散软粘性土、粉性土与粉细砂，厚约1-10m，地下水位普遍较高，汛期1m左右，中细砂处于饱和状态，沿线地震裂度处于7-8度区。焦郑高速公路位于黄河、沁河冲击平原内，地貌单元少，形态简单，地形特征为西北高东南低，沿线地下水丰富，最高地下水位埋深0.5m，处于地震基本烈度7°区。两者均面临着地下水位高和地震液化的问题，且主要液化土层为砂土和粉土，但土层厚度和具体分布存在一定差异。强夯参数方面，连徐高速公路在确定有效加固深度时，采用Menard公式，通过静力触探试验确定2000kN・m夯击能作用下有效加固深度为7.0m，3000kN・m时为8.0m左右，修正系数α≈0.5。最佳夯击能根据最大孔隙水压力增量与夯击次数关系确定。夯点布置和间距根据实际情况确定，夯击遍数一般为2-3遍。焦郑高速公路设计要求强夯处理深度6-8m，单击夯能采用1500KN・m、2000KN・m、2190KN・m和2560KN・m四种，满夯采用750KN・m和1050KN・m。夯点布置采用正方形、梅花形和正三角形三种形式，夯点间距从3.53m到4.5m不等。夯击遍数选择2遍主夯，最后一遍满夯。可见，两者在强夯参数的选择上都充分考虑了地质条件和工程要求，但具体数值和参数组合存在差异。施工工艺上，连徐高速公路采用大型履带式强夯机进行强夯施工，在夯击过程中密切关注夯沉量、孔