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【摘 要】强夯法及冲击碾压法是消除液化地基常用的两种地基处理技术,由于加固特点和施工工艺等方面的差异,两者在实际工程的应用中各有利弊。文章结合淮安涟水民用机场的实际工程地质条件和工程设计要求,针对浅层液化地基,进行了两种工法现场试验的对比研究。根据监测、检测结果,从两种工法在消除浅层粉土液化和加固粉土地基的施工特点、加固效果、冲击力及经济效益等几个方面进行了定性定量的对比分析。最后,为淮安民用机场浅层液化地基加固处置提出了最优施工方案。
【关键词】强夯;冲击碾压;浅层液化;现场试验;监测检测;对比分析
近几年来,随着国家大规模建设的推进,许多重大工程不得不建在不良地基土上。其中以机场建设占地面积大,安全性要求高最为突出。而机场建设中难免会遇到不良地基土如易液化的粉土、砂土,需要通过有效的地基处置技术手段来提高地基土的工程性能,事先消除液化问题,为机场道面结构提供一个密实稳定的地基。虽然处置液化地基的技术方法有多种,但根据已有的相关工程理论和实际工程经验,考虑到工程费用、施工工期等因素,强夯密实法和冲击碾压密实法在机场工程液化地基处理中应用较为广泛,能够达到消除液化的目的。地基的强夯加固法是一种比较传统的加固方法,常用于处置填土地基、粗颗粒土地基和粉土、砂土液化地基及湿陷性黄土地基等。采用强夯加固浅层砂土地基,消除场地的液化问题,已有许多成功的案例,如广州白云机场南航停机坪等。冲击碾压地基加固法则是近几年发展起来的浅层与表层地基处理技术,兼具强夯处理和普通振动压实处理技术的优点。在近几年的机场建设中,冲击碾压技术因其费用低且效率高受到人们的青睐,曾被用于浦东国际机场二期工程中、太原武宿机场改建工程和新疆且末机场跑道工程的浅层地基处理。本文结合淮安涟水民用机场的实际工程地质条件和工程设计要求,针对浅层液化地基,进行了两种工法现场试验的对比研究,根据监测、检测结果,从两种工法的施工特点、加固效果、冲击力及经济效益等几个方面进行了定性定量的对比分析,为淮安民用机场浅层液化地基加固处置提出了最优施工方案。此次研究结合现场,更加细致地探讨了两种工法在消除浅层液化地基时的差异及优劣,可以为类似工程提供参考依据。
一、工程概况
淮安涟水民用机场建设项目位于江苏省淮安市涟水县陈师镇及蒋庵镇。一期工程包括机场跑道、站坪、候机楼、停车场等,该机场飞行区按4C等级建设,其中跑道长度为2400m。
场区地处黄河决口扇形平原,地势西北高东南低,地形平坦开阔,地面标高为8 ~ 10m。根据淮安涟水民用机场飞行区工程地质勘察报告,机场飞行区场区6.0m深度内为①层粉土,按场地设防烈度7度考虑为可液化土层,综合判定场地液化等级为轻微~中等,地基土承载力特征值为lOOkPa。场区6m以下为②、④层黏土,硬塑状态,地基土承载力特征值大于220kPa,其间夹有③层粉土。因此,机场飞行区场区面临的主要工程地质问题是浅层粉土液化问题,其次场地地基的密实度和变形特性等工程地质不能满足机场建设的要求。
二、试验区地基处理方案设计
根据相关工程理论和实际经验,提出采取强夯或冲击碾压进行液化地基处理。为验证强夯和冲击碾压在淮安民用机场飞行区地基处理工程中的适用性,并为随后大面积地基处理方法的选择提供设计依据和技术参数,故预先开展强夯和冲击碾压地基处理试验工作。
(一)强夯地基处理试验方案设计
强夯试验区选择站坪中部,勘察表明该区域的①层粉土为中等液化土层,总面积为3300m2(66m×50m),根据单击夯能的不同,设置3个试验分区,其中A区1100m2(22m×50m),B区1100m2(22m×50m),C 区 1100m2(22m ×50m)。
试验区的强夯工艺参数见表1,强夯地基处理试验的技术要求如下:
(1)夯锤锤底静压力:33kPa。
(2)点夯分两遍完成,隔点不隔行,单点击数一次完成,推平后进行满夯。
(3)夯机预留通道为两列夯点,通道两侧两遍夯击均结束后,再对预留通道进行夯击。
(4)点夯停夯标准:满足击数要求的同时,最后一击夯沉量不大于5cm。
(5)试验区结束2周后,对场地的①层粉土进行液化判定,以检验地基处理的效果。勘探孔宜布置在原有勘探孔附近。
(二)冲击碾压地基处理试验方案设计
冲击碾压地基处理试验区选择在跑道的南端,详勘表明该区域的①层粉土为中等液化土层。试验区应有足够的长度以满足冲击碾压机械能够达到的最佳工作速度,试验区总面积为6000m2。
(250m×24m)0冲击碾压地基处理试验的技术要求如下:
(1)采用三边形冲击式碾压机3YCT32(32kJ)。
(2)冲击碾压遍数20~40遍(10~12km/h)。
(3)停止冲击碾压的条件是最后5遍碾压的沉降量小于1cm。
(4)试验区结束2周后,对场地的①层粉土进行液化判定,以检验地基处理的效果。勘探孔宜布置在原有勘探孔附近。
(5)试验区结束2周后,对场地的①层粉土进行压实度检测,检测频率为1组/1000m2,每组检测深度为3m,每一组沿深度方向每50cm做一点。
(三)井点降水设计及监测检测
强夯及冲击碾压试验区正式施工之前,分别在强夯C区进行试夯及冲击碾压夯击通道上进行试碾。在强夯试夯过程中出现了拔锤困难、沉降量过大、缩坑、夯坑周围土体隆起较大、强夯机易陷人等问题。冲击碾压试碾过程中,①层粉土也呈现明显液化状态,使机械行走困难,易陷人地基土中,施工无法正常进行。另外,实际施工过程中由于正值雨季,导致地下水位持续升高,给施工造成较大困难,故在施工之前及施工过程中采用降水措施。 在试验区施工作业前,布置监测组件和监测设施,包括地表沉降观测、地表位移观测、深层位移量测、分层沉降观测、地下水位与孔隙水压力监测、土中应力量测、地表振动监测等,施工过程中及施工结束后进行监测。在施工前后进行标准贯人试验及静力触探试验等,通过标准贯人试验及静力触探试验进行土的液化判别及得到强度指标,评价地基处理效果。
三、强夯及冲击碾压法现场试验对比分析
(一)施工特点对比
强夯法加固地基适用各类土层,特别适宜加固一般处理方法难以加固的大块碎石类土以及建筑、生活垃圾或工业废料等组成的杂填土,结合其它技术措施也可用于加固软土地基。强夯加固效果显着,地基经强夯处理后,可明显提高地基承载力、增加场地均匀性,消除湿陷性、膨胀性,防止振动液化,除含水量过高的软黏土外,一般均可在夯后投人使用。强夯法的应用范围较冲击碾压法广,加固深度比冲击碾压法深,但强夯法较冲击碾压法施工噪声及振动大,施工速度慢,施工工艺较难控制,且施工机具移动较慢。冲击碾压法特别适宜于公路、机场跑道,在公路机场施工中具有广泛的前景。对浅层(3m左右)地基处理的应用效果较好。冲击碾压法具有施工工序简单、压实速度快、机械移动速度快、工程效率显着、工期短等的优点。另外,冲击碾压法施工干扰小、工程造价低,但冲击压路机也存在对牵引设备的要求高,驾驶员工作时极不舒适,工作时间最多不超过2小时等弊端。如果地下水位过高,则冲击压实机行走过程中很容易使表层土体产生液化,导致施工过程难以进行,故需要降水处理或增加垫层。另外,在浦东机场的工程实践表明,冲击碾压法处理表面有硬壳层的软土地基的工后沉降要远小于强夯法。
(二)加固效果对比
1.监测结果对比
通过强夯及冲击碾压的监测结果对比可得:由表2可知,强夯B区的地表沉降量约为冲击碾压的2倍,A区、C区的地表沉降也都远大于冲击碾压试验区,这说明强夯的压实效果和处理深度都要大于冲击碾压。从测斜管孔口的位移来看,冲击碾压引起的侧向位移约为强夯A区的5%、B区的9%、C区(已去除试夯产生的侧向位移)的16%,即冲击碾压相对强夯来说能量较小,对周围环境的影响不大。强夯试验区由于隔水夹层及井点降水施工工艺的不当,地下水位在2.5m左右,而冲击碾压地下水位在3m左右。故强夯及冲击碾压试验区的实际地质条件不是完全相同的,加固效果分析中应该考虑到地层及水位的差异。
强夯施工所引起的超孔压明显要大于冲击碾压所引起的超孔压。强夯试验区24h超孔压消散基本上能够达到90%,而冲击碾压试验区24h超孔压消散只能达到70%左右。分析认为,强夯使地基土产生裂缝,利于孔压消散,而冲击碾压由于地基土较为完整,无明显裂缝,故超孔压消散较慢。另一方面也说明淮安民用机场地基土的超孔压消散较快,施工间隔时间可以相对较短。强夯的施工间隔可以为24h,冲击碾压施工的间隔时间最好大于24h。从深层位移来看,强夯的影响深度在6m左右,冲击碾压的影响在3m左右,这与强夯及冲击碾压的冲击力对比较为吻合。从施工产生的超孔隙水压力来看,强夯A、B区的影响深度大于9m,C区的影响深度为6m左右;冲击碾压的影响深度大于6m。
2.检测结果对比
经过地基处理后,强夯试验区在5m深度内的标贯击数增加较为明显,而冲击碾压试验区在5m深度内的标贯击数增加最为明显。如图1所忝,冲击碾压法在1.5m深度内的加固效果要优于强夯法。1.5m ~5m深度的加固效果远低于强夯法。强夯试验区B区、C区的6m深度内的平均锥尖阻力增长幅度比冲击碾压都要大一倍多。静探曲线也表明冲击碾压法在2m深度内的加固效果要优于强夯法。标准贯入试验及静力触探试验液化判别计算表明,强夯试验区经处理后a、b区完全消除液化,C区也基本消除液化。第五次冲碾后标贯及静力触探检测均有个别检测孔未消除液化,第八次冲击碾压后已消除液化。
3.冲击力对比
冲击碾压的竖向冲击力与强夯的竖向冲击力的对比如表4所示。冲击碾压的竖向冲击力相当于强夯A、B、C区产生的竖向冲击力的0.45、0.52、0.71。这也在一定程度上表明了强夯与冲击碾压加固效果差异的根源。
4.经济效益对比
从经济效益上来讲,“强夯+井点降水”方案的平均单价约为70元/m2,且施工周期长。而“冲击碾压+井点降水”方案的平均单价约为30元/m2,施工周期相对较短。若按24万m2的地基处理面积计算,结果如表3所示。计算结果表明“冲击碾压+井点降水”方案比“强夯+井点降水”方案可以节省费用960万元左右,前者约为后者的43%。另外,前者还能节省工期,进而降低造价。
四、结语
本文结合淮安民用机场强夯及冲击碾压处置浅层液化(①层粉土)地基的现场试验,通过埋设监测仪器、施工前后检测,从两种工法在消除浅层粉土液化和加固粉土地基的施工特点、加固效果、冲击力及经济效益等几个方面进行了定性定量的对比分析。研究结果表明,强夯加固深度比冲击碾压深,加固效果比冲击碾压效果好,但强夯法较冲击碾压法施工噪声及振动大,施工速度慢,施工工艺较难控制,施工机具移动较慢。“冲击碾压+井点降水”方案比“强夯+井点降水”方案可以节省费用960万元左右,前者约为后者的43%。而冲击碾压法也基本能消除浅层液化问题,且对1.5 ~2m深度内的土层效果比强夯好,对周围环境的影响小。通过经济、技术等多方面的评价后认为淮安民用机场可采用“冲击碾压+井点降水”方案。
参考文献
[1] 何光武,周虎鑫.机场工程特殊土处理技术[M].北京:人民交通出版社,2003.
[2] 叶观宝,叶书鳞.地基处理与托换技术(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
[3] Al,T.Nakaoka et al.Evaluation of Results ofImprovement of Ground by Dynamic Compaction Method[J].Soils and Foundations,1992,40(5).
[4] LEONARD GA,et al.Dynamic Compaction of GranularSoils [J].Journal of Geotechnical Engineering,ASCE,1980, 106(4).
[5] 周健,曹宇,贾敏才,等.强夯-降水联合加固饱和软黏土地基试验研究[J].岩土力学,2003,24(3).
[6] 李福民.排水固结处理后地基强夯加固的试验研究[J].岩土工程学报,2002,24(4).
[7] 郑颖人,李学志,冯遗兴,等.软黏土地基的强夯机理及其工艺研究[J].岩土力学与工程学报,1998,17(5).
[8] 王吉利,刘怡林,沈兴付,等.冲击碾压法处理黄土地基的试验研究[J].岩土力学,2005 ,26(5).
[9] 缪林昌,刘松玉,朱志铎.高速公路液化土与软土交互地基强夯法处理研究[J].岩土工程学报,2000,22(4).
【关键词】强夯;冲击碾压;浅层液化;现场试验;监测检测;对比分析
近几年来,随着国家大规模建设的推进,许多重大工程不得不建在不良地基土上。其中以机场建设占地面积大,安全性要求高最为突出。而机场建设中难免会遇到不良地基土如易液化的粉土、砂土,需要通过有效的地基处置技术手段来提高地基土的工程性能,事先消除液化问题,为机场道面结构提供一个密实稳定的地基。虽然处置液化地基的技术方法有多种,但根据已有的相关工程理论和实际工程经验,考虑到工程费用、施工工期等因素,强夯密实法和冲击碾压密实法在机场工程液化地基处理中应用较为广泛,能够达到消除液化的目的。地基的强夯加固法是一种比较传统的加固方法,常用于处置填土地基、粗颗粒土地基和粉土、砂土液化地基及湿陷性黄土地基等。采用强夯加固浅层砂土地基,消除场地的液化问题,已有许多成功的案例,如广州白云机场南航停机坪等。冲击碾压地基加固法则是近几年发展起来的浅层与表层地基处理技术,兼具强夯处理和普通振动压实处理技术的优点。在近几年的机场建设中,冲击碾压技术因其费用低且效率高受到人们的青睐,曾被用于浦东国际机场二期工程中、太原武宿机场改建工程和新疆且末机场跑道工程的浅层地基处理。本文结合淮安涟水民用机场的实际工程地质条件和工程设计要求,针对浅层液化地基,进行了两种工法现场试验的对比研究,根据监测、检测结果,从两种工法的施工特点、加固效果、冲击力及经济效益等几个方面进行了定性定量的对比分析,为淮安民用机场浅层液化地基加固处置提出了最优施工方案。此次研究结合现场,更加细致地探讨了两种工法在消除浅层液化地基时的差异及优劣,可以为类似工程提供参考依据。
一、工程概况
淮安涟水民用机场建设项目位于江苏省淮安市涟水县陈师镇及蒋庵镇。一期工程包括机场跑道、站坪、候机楼、停车场等,该机场飞行区按4C等级建设,其中跑道长度为2400m。
场区地处黄河决口扇形平原,地势西北高东南低,地形平坦开阔,地面标高为8 ~ 10m。根据淮安涟水民用机场飞行区工程地质勘察报告,机场飞行区场区6.0m深度内为①层粉土,按场地设防烈度7度考虑为可液化土层,综合判定场地液化等级为轻微~中等,地基土承载力特征值为lOOkPa。场区6m以下为②、④层黏土,硬塑状态,地基土承载力特征值大于220kPa,其间夹有③层粉土。因此,机场飞行区场区面临的主要工程地质问题是浅层粉土液化问题,其次场地地基的密实度和变形特性等工程地质不能满足机场建设的要求。
二、试验区地基处理方案设计
根据相关工程理论和实际经验,提出采取强夯或冲击碾压进行液化地基处理。为验证强夯和冲击碾压在淮安民用机场飞行区地基处理工程中的适用性,并为随后大面积地基处理方法的选择提供设计依据和技术参数,故预先开展强夯和冲击碾压地基处理试验工作。
(一)强夯地基处理试验方案设计
强夯试验区选择站坪中部,勘察表明该区域的①层粉土为中等液化土层,总面积为3300m2(66m×50m),根据单击夯能的不同,设置3个试验分区,其中A区1100m2(22m×50m),B区1100m2(22m×50m),C 区 1100m2(22m ×50m)。
试验区的强夯工艺参数见表1,强夯地基处理试验的技术要求如下:
(1)夯锤锤底静压力:33kPa。
(2)点夯分两遍完成,隔点不隔行,单点击数一次完成,推平后进行满夯。
(3)夯机预留通道为两列夯点,通道两侧两遍夯击均结束后,再对预留通道进行夯击。
(4)点夯停夯标准:满足击数要求的同时,最后一击夯沉量不大于5cm。
(5)试验区结束2周后,对场地的①层粉土进行液化判定,以检验地基处理的效果。勘探孔宜布置在原有勘探孔附近。
(二)冲击碾压地基处理试验方案设计
冲击碾压地基处理试验区选择在跑道的南端,详勘表明该区域的①层粉土为中等液化土层。试验区应有足够的长度以满足冲击碾压机械能够达到的最佳工作速度,试验区总面积为6000m2。
(250m×24m)0冲击碾压地基处理试验的技术要求如下:
(1)采用三边形冲击式碾压机3YCT32(32kJ)。
(2)冲击碾压遍数20~40遍(10~12km/h)。
(3)停止冲击碾压的条件是最后5遍碾压的沉降量小于1cm。
(4)试验区结束2周后,对场地的①层粉土进行液化判定,以检验地基处理的效果。勘探孔宜布置在原有勘探孔附近。
(5)试验区结束2周后,对场地的①层粉土进行压实度检测,检测频率为1组/1000m2,每组检测深度为3m,每一组沿深度方向每50cm做一点。
(三)井点降水设计及监测检测
强夯及冲击碾压试验区正式施工之前,分别在强夯C区进行试夯及冲击碾压夯击通道上进行试碾。在强夯试夯过程中出现了拔锤困难、沉降量过大、缩坑、夯坑周围土体隆起较大、强夯机易陷人等问题。冲击碾压试碾过程中,①层粉土也呈现明显液化状态,使机械行走困难,易陷人地基土中,施工无法正常进行。另外,实际施工过程中由于正值雨季,导致地下水位持续升高,给施工造成较大困难,故在施工之前及施工过程中采用降水措施。 在试验区施工作业前,布置监测组件和监测设施,包括地表沉降观测、地表位移观测、深层位移量测、分层沉降观测、地下水位与孔隙水压力监测、土中应力量测、地表振动监测等,施工过程中及施工结束后进行监测。在施工前后进行标准贯人试验及静力触探试验等,通过标准贯人试验及静力触探试验进行土的液化判别及得到强度指标,评价地基处理效果。
三、强夯及冲击碾压法现场试验对比分析
(一)施工特点对比
强夯法加固地基适用各类土层,特别适宜加固一般处理方法难以加固的大块碎石类土以及建筑、生活垃圾或工业废料等组成的杂填土,结合其它技术措施也可用于加固软土地基。强夯加固效果显着,地基经强夯处理后,可明显提高地基承载力、增加场地均匀性,消除湿陷性、膨胀性,防止振动液化,除含水量过高的软黏土外,一般均可在夯后投人使用。强夯法的应用范围较冲击碾压法广,加固深度比冲击碾压法深,但强夯法较冲击碾压法施工噪声及振动大,施工速度慢,施工工艺较难控制,且施工机具移动较慢。冲击碾压法特别适宜于公路、机场跑道,在公路机场施工中具有广泛的前景。对浅层(3m左右)地基处理的应用效果较好。冲击碾压法具有施工工序简单、压实速度快、机械移动速度快、工程效率显着、工期短等的优点。另外,冲击碾压法施工干扰小、工程造价低,但冲击压路机也存在对牵引设备的要求高,驾驶员工作时极不舒适,工作时间最多不超过2小时等弊端。如果地下水位过高,则冲击压实机行走过程中很容易使表层土体产生液化,导致施工过程难以进行,故需要降水处理或增加垫层。另外,在浦东机场的工程实践表明,冲击碾压法处理表面有硬壳层的软土地基的工后沉降要远小于强夯法。
(二)加固效果对比
1.监测结果对比
通过强夯及冲击碾压的监测结果对比可得:由表2可知,强夯B区的地表沉降量约为冲击碾压的2倍,A区、C区的地表沉降也都远大于冲击碾压试验区,这说明强夯的压实效果和处理深度都要大于冲击碾压。从测斜管孔口的位移来看,冲击碾压引起的侧向位移约为强夯A区的5%、B区的9%、C区(已去除试夯产生的侧向位移)的16%,即冲击碾压相对强夯来说能量较小,对周围环境的影响不大。强夯试验区由于隔水夹层及井点降水施工工艺的不当,地下水位在2.5m左右,而冲击碾压地下水位在3m左右。故强夯及冲击碾压试验区的实际地质条件不是完全相同的,加固效果分析中应该考虑到地层及水位的差异。
强夯施工所引起的超孔压明显要大于冲击碾压所引起的超孔压。强夯试验区24h超孔压消散基本上能够达到90%,而冲击碾压试验区24h超孔压消散只能达到70%左右。分析认为,强夯使地基土产生裂缝,利于孔压消散,而冲击碾压由于地基土较为完整,无明显裂缝,故超孔压消散较慢。另一方面也说明淮安民用机场地基土的超孔压消散较快,施工间隔时间可以相对较短。强夯的施工间隔可以为24h,冲击碾压施工的间隔时间最好大于24h。从深层位移来看,强夯的影响深度在6m左右,冲击碾压的影响在3m左右,这与强夯及冲击碾压的冲击力对比较为吻合。从施工产生的超孔隙水压力来看,强夯A、B区的影响深度大于9m,C区的影响深度为6m左右;冲击碾压的影响深度大于6m。
2.检测结果对比
经过地基处理后,强夯试验区在5m深度内的标贯击数增加较为明显,而冲击碾压试验区在5m深度内的标贯击数增加最为明显。如图1所忝,冲击碾压法在1.5m深度内的加固效果要优于强夯法。1.5m ~5m深度的加固效果远低于强夯法。强夯试验区B区、C区的6m深度内的平均锥尖阻力增长幅度比冲击碾压都要大一倍多。静探曲线也表明冲击碾压法在2m深度内的加固效果要优于强夯法。标准贯入试验及静力触探试验液化判别计算表明,强夯试验区经处理后a、b区完全消除液化,C区也基本消除液化。第五次冲碾后标贯及静力触探检测均有个别检测孔未消除液化,第八次冲击碾压后已消除液化。
3.冲击力对比
冲击碾压的竖向冲击力与强夯的竖向冲击力的对比如表4所示。冲击碾压的竖向冲击力相当于强夯A、B、C区产生的竖向冲击力的0.45、0.52、0.71。这也在一定程度上表明了强夯与冲击碾压加固效果差异的根源。
4.经济效益对比
从经济效益上来讲,“强夯+井点降水”方案的平均单价约为70元/m2,且施工周期长。而“冲击碾压+井点降水”方案的平均单价约为30元/m2,施工周期相对较短。若按24万m2的地基处理面积计算,结果如表3所示。计算结果表明“冲击碾压+井点降水”方案比“强夯+井点降水”方案可以节省费用960万元左右,前者约为后者的43%。另外,前者还能节省工期,进而降低造价。
四、结语
本文结合淮安民用机场强夯及冲击碾压处置浅层液化(①层粉土)地基的现场试验,通过埋设监测仪器、施工前后检测,从两种工法在消除浅层粉土液化和加固粉土地基的施工特点、加固效果、冲击力及经济效益等几个方面进行了定性定量的对比分析。研究结果表明,强夯加固深度比冲击碾压深,加固效果比冲击碾压效果好,但强夯法较冲击碾压法施工噪声及振动大,施工速度慢,施工工艺较难控制,施工机具移动较慢。“冲击碾压+井点降水”方案比“强夯+井点降水”方案可以节省费用960万元左右,前者约为后者的43%。而冲击碾压法也基本能消除浅层液化问题,且对1.5 ~2m深度内的土层效果比强夯好,对周围环境的影响小。通过经济、技术等多方面的评价后认为淮安民用机场可采用“冲击碾压+井点降水”方案。
参考文献
[1] 何光武,周虎鑫.机场工程特殊土处理技术[M].北京:人民交通出版社,2003.
[2] 叶观宝,叶书鳞.地基处理与托换技术(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
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[9] 缪林昌,刘松玉,朱志铎.高速公路液化土与软土交互地基强夯法处理研究[J].岩土工程学报,2000,22(4).