津港高速公路生活垃圾土強(qiáng)夯置換試驗(yàn)路段的試驗(yàn)研究

王雪松，王 剛

(1. 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院，天津 300074；2. 中國中鐵一局集團(tuán)有限公司，西安 710054)

1 工程概況

津港高速公路樁號(hào) K1＋500～K4＋500范圍內(nèi)分布有幾個(gè)大型取土坑，坑內(nèi)有大量生活垃圾．垃圾土的成份復(fù)雜，有機(jī)物及可腐爛物多，力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性較差．同時(shí)，具有分布范圍相對(duì)集中、覆蓋厚度大的特點(diǎn)，增加了地基處理的難度．由于工程選址無法繞避該場(chǎng)地，若徹底清除坑內(nèi)垃圾，再分層回填優(yōu)質(zhì)填料，工程量巨大，耗時(shí)費(fèi)工，工程費(fèi)用高，工程的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行性差．因此，需要結(jié)合該場(chǎng)地范圍內(nèi)垃圾土的特點(diǎn)采取切實(shí)可行的方法對(duì)地基進(jìn)行處理，以滿足工程建設(shè)的需要．

在以往的工程實(shí)踐中，對(duì)類似場(chǎng)地主要采用分揀有機(jī)物后進(jìn)行強(qiáng)夯、強(qiáng)夯置換等處理方法．該場(chǎng)地水域面積寬，垃圾土分布厚度大，地下水位高，不能圍堰降水，不能為挖掘機(jī)提供工作平臺(tái)，不具備將垃圾土全部清除的條件．綜合各種因素，可采用強(qiáng)夯置換法對(duì)地基進(jìn)行處理．

為合理確定施工方案和技術(shù)參數(shù)，選取具有代表性的 K2＋425～K2＋653路段做為強(qiáng)夯置換處理方案的試驗(yàn)路段．該試驗(yàn)區(qū)域以前是取土坑，后被大量生活垃圾和建筑垃圾填埋，垃圾最大埋深達(dá)7.0 m．根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)結(jié)果，生活垃圾的基本土性參數(shù)如下：天然密度為0.79～1.34 g/cm3；天然含水量為32.6%～124.0%；比重為 1.55～2.46；有機(jī)質(zhì)含量為 43.6%～10.8%；壓縮系數(shù)變化范圍較大，屬于高壓縮性土；α1-2在0.72～3.2范圍內(nèi)變化；壓縮模量在0.88～3.28 MPa之間．

考慮公路等級(jí)、交通組成、路面結(jié)構(gòu)及路基工作狀態(tài)等綜合因素的影響，要求該區(qū)段路基進(jìn)行地基處理后，地基承載力不小于150 kPa，路基土的回彈模量不小于30 MPa．

2 地基處理方案及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 強(qiáng)夯置換的基本原理

強(qiáng)夯置換法是20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用處理軟土地基的有效方法之一．一般是通過重錘提升一定距離后使其自由下落形成夯坑，并不斷夯擊坑內(nèi)回填的砂石、礦渣等物理力學(xué)性能較好的粗粒料，使其形成密實(shí)墩體，以此來達(dá)到加固地基的目的[1-3]．

2.2 試驗(yàn)方案

首先，清除該區(qū)域 3.5 m 左右的生活垃圾，在其頂面鋪筑拆房土至水面以上 80 cm左右以提供施工工作面并測(cè)定強(qiáng)夯置換前的地基承載力；然后，進(jìn)行強(qiáng)夯置換試驗(yàn)，通過測(cè)定不同能級(jí)、不同夯擊次數(shù)下的夯沉量，確定強(qiáng)夯置換的施工工藝，在達(dá)到了預(yù)期的置換效果后，測(cè)定強(qiáng)夯置換試驗(yàn)后復(fù)合地基的承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求．承載力檢測(cè)滿足設(shè)計(jì)要求后，埋設(shè)沉降板，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定的最佳松鋪厚度和碾壓遍數(shù)分層填筑山皮土至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并用沖擊壓路機(jī)碾壓補(bǔ)強(qiáng)．路基施工完畢，采用貝克曼梁法進(jìn)行路基回彈模量試驗(yàn)，驗(yàn)證處理后的路基是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求并為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)[4-6]．

2.3 試驗(yàn)過程、結(jié)果與分析

試驗(yàn)首先選用500 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯機(jī)械在試驗(yàn)段附近進(jìn)行試夯，為大面積試驗(yàn)提供可靠的參數(shù)依據(jù)．夯錘形狀為正方形，重 50 kN，底面長 1.0 m、寬1.0 m、高1.0 m，落距為10.0 m．夯點(diǎn)采用梅花型布置，間距2.0米；采用隔孔分序跳打的方式，每個(gè)夯點(diǎn)停夯的標(biāo)準(zhǔn)為最后單擊夯沉量小于5.0 cm．夯擊點(diǎn)夯沉量與夯擊次數(shù)的關(guān)系曲線如圖1-4所示．

圖1 500,kN·m能級(jí)夯點(diǎn)1夯沉量與夯擊次數(shù)關(guān)系曲線

圖2 500,kN·m能級(jí)夯點(diǎn)2夯沉量與夯擊次數(shù)關(guān)系曲線

圖3 500,kN·m能級(jí)夯點(diǎn)3夯沉量與夯擊次數(shù)關(guān)系曲線

圖4 500,kN·m能級(jí)夯點(diǎn)4夯沉量與夯擊次數(shù)關(guān)系曲線

由圖1-4可見：采用500 kN·m能級(jí)進(jìn)行試夯，當(dāng)單擊夯沉量小于 5 cm 時(shí)的最佳夯擊遍數(shù)為 7～9遍，累計(jì)夯沉量為 571～848 mm，平均夯沉量為677 mm．試驗(yàn)結(jié)果表明，累計(jì)夯沉量較小，未能達(dá)到預(yù)期的置換效果．

這個(gè)茶壺與普通水壺的不同之處在于它的壺嘴有個(gè)過濾管，茶葉放入過濾管中，水燒開后，一壺香茶便出來了。從外形看上去挺時(shí)尚的，不過總覺得有點(diǎn)像古時(shí)候的尿壺，不知道使用它喝茶會(huì)不會(huì)感到惡心。

由于 500 kN·m能級(jí)試夯的試驗(yàn)結(jié)果未達(dá)到預(yù)期的置換效果，增大強(qiáng)夯置換能級(jí)至1 300 kN·m重新進(jìn)行試驗(yàn)．夯錘錘重130 kN，落距10 m．夯點(diǎn)間距4.0 m，采用隔孔分序跳打的方式，夯基遍數(shù)為3遍．第一遍夯擊次數(shù)為 8～10次；第二遍夯擊次數(shù)為 6～9次；第三遍夯擊次數(shù)為5～7次．為掌握各測(cè)點(diǎn)夯擊次數(shù)與夯沉量之間的關(guān)系，選取6個(gè)有代表性的點(diǎn)記錄累積沉降量與夯基次數(shù)的關(guān)系，如圖5-10所示．

圖5 1,300 kN·m能級(jí)夯點(diǎn)1夯沉量與夯擊次數(shù)之間的關(guān)系曲線

圖6 1,300 kN·m能級(jí)夯點(diǎn)2夯沉量與夯擊次數(shù)之間的關(guān)系曲線

圖7 1,300,kN·m能級(jí)夯點(diǎn)3夯沉量與夯擊次數(shù)之間的關(guān)系曲線

圖8 1,300,kN·m能級(jí)夯點(diǎn)4夯沉量與夯擊次數(shù)之間的關(guān)系曲線

圖9 1,300,kN·m能級(jí)夯點(diǎn)5夯沉量與夯擊次數(shù)之間的關(guān)系曲線

圖10 1,300,kN·m能級(jí)夯點(diǎn)6夯沉量與夯擊次數(shù)之間的關(guān)系曲線

由圖5-10可見：在滿足最后單擊夯沉量小于5 cm的情況下，第一遍夯坑深度在1.2 m左右；第二遍夯坑深度在 1.0 m左右；第三遍夯坑深度在 0.8 m左右．現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)垃圾土形成了良好的置換效果．

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，最終確定強(qiáng)夯置換的施工工藝為：采用 1 300 kN·m 能量級(jí)強(qiáng)夯大面積施工時(shí)，第一遍夯擊10次；上料填平后，第二遍夯擊9次；再次上料填平后，第三遍夯擊7次．

2.4 地基承載力和回彈模量的測(cè)定

采用1 300 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯置換處理后，在地基表面選取4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行地基承載力試驗(yàn)[7]．試驗(yàn)結(jié)果如圖11-14所示．

圖11 強(qiáng)夯后載荷1#測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

圖12 強(qiáng)夯后載荷2#測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

圖13 強(qiáng)夯后載荷3#測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

圖14 強(qiáng)夯后載荷4#測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由圖11-14可見，p?s關(guān)系為緩和變化曲線，可用相對(duì)沉降法來確定地基土的承載力．得出各測(cè)點(diǎn)的最終的地基容許承載力分別為 157.0，158.0，170.0，164.0 kPa，其平均值為：162.3 kPa，達(dá)到了預(yù)期的效果并滿足了設(shè)計(jì)要求．

山皮土填筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，在路基頂面選擇 10個(gè)測(cè)點(diǎn)采用貝克曼梁法測(cè)定其回彈模量．檢測(cè)結(jié)果為：平均值=129.2(0.01mm)；標(biāo)準(zhǔn)差 s=56.1(0.10 mm)，高速公路保證率系數(shù)取 Za=2.0．

彎沉代表值的公式為

回彈模量值的公式為

式中：E1為土基回彈模量，MPa；p為測(cè)定車輪的平均垂直荷載，MPa；δ為測(cè)定用標(biāo)準(zhǔn)車雙圓荷載單輪傳壓面當(dāng)量圓的半徑，cm；u為測(cè)定層材料的泊松比；a為彎沉系數(shù)．

檢測(cè)結(jié)果整理得路基回彈模量E1＝38.6 MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范大于30 MPa的要求．

3 結(jié) 論

結(jié)合津港高速公路工程中垃圾土強(qiáng)夯置換試驗(yàn)路段的整個(gè)試驗(yàn)過程及相關(guān)的檢測(cè)結(jié)果，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論．

(1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及檢測(cè)結(jié)果表明，強(qiáng)夯置換的處理方法對(duì)于改善生活垃圾土的工程性質(zhì)是切實(shí)可行的，運(yùn)用該方法處理后，路基的承載力及回彈模量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足了工程的實(shí)際需要．

(2)在整個(gè)試驗(yàn)過程中，夯錘的能級(jí)選擇、夯點(diǎn)布置、夯擊次序、夯擊次數(shù)等參數(shù)的選取是控制整個(gè)試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵；合理的確定這些技術(shù)參數(shù)，不僅能形成良好的置換效果同時(shí)也會(huì)避免施工過程中因夯坑過深而造成提錘困難等情況的發(fā)生．

(3)強(qiáng)夯置換方法對(duì)地基處理的深度較大，能有效地消除垃圾土覆蓋厚度大對(duì)于復(fù)合地基處理效果的不利影響．

(4)置換填充材料為滲透性較好的碎石材料，能在復(fù)合地基上部形成良好的排水通道，改善了垃圾土的滲透、排水性能，路基土中的孔隙水壓力也能得以消散，從而能有效地改善路基土的工作性狀．

(5)強(qiáng)夯置換方法具有處理效果明顯、施工簡(jiǎn)單、施工速度快、施工成本低的特點(diǎn)．實(shí)踐證明處理垃圾土是切實(shí)可行的，具有良好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益．對(duì)于類似工程的設(shè)計(jì)和施工具有借鑒、指導(dǎo)和推廣意義．

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