粗顆粒填土地基處理與變形機(jī)理探討

胡 源，陸 新，周培岳

(1．解放軍后勤工程學(xué)院，重慶401311;2．巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶401311;3．重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，重慶400041;4．92608部隊(duì)，上海200083)

在城鄉(xiāng)建設(shè)中，面臨著大量諸如廢棄混凝土埋入地下的填土地基處理問題。由于回填土是由各種不同的物質(zhì)組成，所以其分布特征和工程性質(zhì)均較為復(fù)雜。如何對(duì)大規(guī)模進(jìn)行粗顆粒填土地基處理成為工程地質(zhì)工作一個(gè)較為棘手的難題。

由于填土地基承載力低，沉降變形大，一般不能作為建筑物的天然地基，必須進(jìn)行加固處理才能使用［2］。如重慶地區(qū)，新建在回填土地基上的建筑物出現(xiàn)了不同程度的損傷，究其原因主要是回填土地基沉降引起的工程損傷［3］。因此，開展粗顆粒填土地基處理技術(shù)的研究，對(duì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)和理論意義。正確評(píng)價(jià)和摸清土的工程性質(zhì)，為建筑物地基的設(shè)計(jì)和施工提供可靠的依據(jù)和參數(shù)，是至關(guān)重要的。而這些依據(jù)與參數(shù)都需經(jīng)過必要的土工試驗(yàn)來獲得;因此，粗粒徑土固結(jié)試驗(yàn)，對(duì)于粗顆粒填土地基處理是非常重要的。

1 填土的分類、工程特性和影響因素研究

1.1 填土的分類

填土指人類活動(dòng)而堆積的土。根據(jù)其物質(zhì)組成和堆填方式分為素填土、雜填土和沖填土3類。經(jīng)分層壓實(shí)的，稱為壓實(shí)填土。而最常見的填土是素填土、雜填土。

素填土是指由碎石、砂或粉土、黏性土等一種或幾種材料組成的填土，其中不含雜質(zhì)或含雜質(zhì)很少。按主要組成物質(zhì)分為:碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土、牯性素填土。雜填土指含有大量建筑垃圾、工業(yè)廢料或生活垃圾等雜物的填土。按其組成物質(zhì)成分和特征分為:建筑垃圾土、工業(yè)廢料土、生活垃圾土。沖填土是由水力充填泥砂經(jīng)沉淀排水后形成的填土，主要是砂、粉土和黏性土，厚度變化較大，是我國沿海一帶常見的人工填土之一，上海的黃浦江、天津的海河、塘沽等河流兩岸及濱海地段不同程度的分布著這類土。

1.2 填土的工程地質(zhì)特性

(1)性質(zhì)不均、厚度及密度變化大。由于堆積條件、堆積時(shí)間，特別是物質(zhì)來源和組成成分的復(fù)雜和差異，造成填土的性質(zhì)很不均勻，尤其沖填土還會(huì)呈透鏡體狀或薄層狀出現(xiàn)。密度變化大，分布范圍及厚度變化缺乏規(guī)律性，帶有極大的隨意性，往往在很小范圍內(nèi)變化很大。(2)變形大。填土堆積時(shí)間短，密實(shí)度較差(除分層壓實(shí)填土)，有些填土只是在表層形成約1m厚的“硬殼”(主要由于上部堆載或機(jī)械通過碾壓造成)，是一種欠壓密土，在自重壓力下，很難達(dá)到完全固結(jié)。一般具有較高的壓縮性。除正常荷載作用下的沉降外，還存在自重壓力下沉降的特點(diǎn)，對(duì)生活垃圾土還存在因進(jìn)一步分解腐殖質(zhì)而引起的變形。(3)浸水振動(dòng)濕陷性。填土堆積時(shí)間短、結(jié)構(gòu)疏松，浸水和振動(dòng)后，土體會(huì)產(chǎn)生濕陷變形。尤其在干旱和半干旱地區(qū)，稍濕的雜填土場(chǎng)地會(huì)產(chǎn)生大量濕陷變形。(4)承載力低。填土的成分、堆積方式、堆積環(huán)境和堆積年限等因素決定了它的地基承載力較低。此外有些填土還具有侵蝕性、觸變性。

1.3 影響填土性質(zhì)的因素

(1)堆積年限。粗顆粒填土堆積時(shí)間的長短是影響填土密實(shí)度的主要因素，時(shí)間越長人類活動(dòng)對(duì)土體的壓實(shí)作用越大，土的自重固結(jié)性能越好。經(jīng)長期的雨浸，地表水滲透作用，土體已經(jīng)多次濕陷，孔隙比減小，密度增大。所以規(guī)范規(guī)定，堆積年限不足10 a可認(rèn)為自重固結(jié)過程尚未完成，一般不宜作為建筑物的天然地基［4］。(2)填料及其組合性質(zhì)。粗顆粒填土的性質(zhì)及組合結(jié)構(gòu)直接影響土體的強(qiáng)度及均勻程度，填土中碎石含量多能起到骨架作用，并在附加壓力下土體壓縮變形時(shí)，骨料成份隨之密集，其中的充填土壓密于碎石之間，使承載力提高。碎石填土的變形一般在施工期間大部分完成，變形速度快慢取決于碎石的含量及充填土的性質(zhì)。一般認(rèn)為碎石含量越多，壓縮變形完成的越快。(3)密實(shí)程度。密實(shí)程度直接牽涉到承載力指標(biāo)與沉降量大小，密實(shí)的填土常常是堆積年代長、填料級(jí)配相對(duì)均勻、充填良好、不含或含少量生活垃圾，不僅承載力較高，在附加壓力作用下沉降變形與不均勻沉降變形差相對(duì)較小。

(4)地下水的侵蝕影響。在地下水的影響下，充填物浸水軟化便會(huì)降低承載力，在建筑物附加壓力作用下，就會(huì)增大壓縮變形。因此在低洼區(qū)的雜填土穩(wěn)定性相對(duì)較差。

(5)下臥層巖性的影響。以粗顆粒填土作為持力層的地基，下臥層土質(zhì)的強(qiáng)弱起到一定的制約作用。填土下為低壓縮性的土，當(dāng)荷載傳遞到該層時(shí)壓力相對(duì)較小，其變形值很小，對(duì)受力后的填土持力層起到一定的支撐作用。如果為軟弱土層，在附加壓力作用下產(chǎn)生較大的壓縮變形，勢(shì)必牽制到上部土層，使填土也產(chǎn)生較大變形，增大變形量，同時(shí)降低承載力。

2 粗顆粒填土地基處理方法選擇

地基處理方法的分類多種多樣。如按時(shí)間可分為臨時(shí)處理和永久處理;按處理深度可分為淺層處理和深層處理;按土性對(duì)象可分為砂性土處理和黏性土處理、飽和土處理和非飽和土處理;也可按照地基處理的作用機(jī)理進(jìn)行分類，包括:換土墊層法、深層密實(shí)法、排水固結(jié)法、化學(xué)加固法、加筋法、熱學(xué)法。

填土地基處理技術(shù)，除換土外，主要是通過物理化學(xué)措施，以提高地基土的強(qiáng)度，改善土的變形性質(zhì)，消除地基的不均勻沉降，保證建筑物的安全使用。地基處理不局限于基礎(chǔ)持力層，而是整個(gè)基礎(chǔ)下影響范圍內(nèi)的壓縮層。因此地基處理時(shí)應(yīng)尋找合理的加固深度，簡捷的施工方法以達(dá)到經(jīng)濟(jì)快速合理。通常物理加固法由于經(jīng)濟(jì)簡便易行，采用較為普遍。目前山區(qū)粗顆粒填土地基改良的常用方法有［5］:強(qiáng)夯法、壓實(shí)法和樁基法。

2.1 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法是利用夯錘自由落下的巨大沖擊能和所產(chǎn)生的沖擊波反復(fù)夯擊地基土，將夯面以下一定深度的土層夯實(shí)，以提高地基的承載力和土體的穩(wěn)定性，降低壓縮性。由于夯擊能力大，加固深度也大。根據(jù)學(xué)者的分析，強(qiáng)夯與其它加固方法比較，其造價(jià)較低，因此適于強(qiáng)夯的土層上有較大的優(yōu)越性。采用強(qiáng)夯加固地基也存在一些問題，對(duì)粘粒含量較高的軟土加固效果還不理想，施工振動(dòng)和噪音大，對(duì)周圍建筑物和環(huán)境帶來不利影響。

2.2 壓實(shí)法

振動(dòng)壓實(shí)法適用于含少量黏性土的建筑垃圾、工業(yè)廢料和爐灰填土地基。該方法就是利用雜填土無凝聚性、透水性好、密度小的特點(diǎn)，采用振動(dòng)的方法破壞原有的松散狀態(tài)，使土體在一定深度內(nèi)達(dá)到緊密狀態(tài)，以提高地基土的強(qiáng)度。使用該方法，需注意振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)壓密的深度及土質(zhì)的均勻性。根據(jù)學(xué)者研究，振動(dòng)時(shí)間與雜填土的種類有關(guān)。

2.3 樁基法

加固較大深度內(nèi)的地基土，提高地基的承載力，常采用擠密樁法。它是通過沖擊或振動(dòng)先往土中打入一尖端封閉的樁管成孔將樁管周圍的土擠密，拔出樁管后向孔中填入土或其它材料并分層搗實(shí)而成樁。其作用是將周圍松散土擠密外，還使樁和擠密后的地基土共同組成基礎(chǔ)下的復(fù)合地基，從而提高地基的強(qiáng)度和減小地基變形。擠密樁按所填充的材料分為砂樁、灰土樁及土樁，按成孔方式分為打入或振入擠密樁和爆破擠密樁。

對(duì)于堆積年限較長的素填土、沖填土以及由建筑垃圾和性能穩(wěn)定的工業(yè)廢料組成的雜填土，當(dāng)較均勻和較密實(shí)時(shí)，可考慮作為天然地基。如遼寧省本溪地區(qū)分布的堆填10 a以上的高爐渣回填地基，承載力達(dá)到500 kPa［6］。密實(shí)的建筑垃圾回填地基，承載力達(dá)到200 kPa。對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量較多的生活垃圾和對(duì)基礎(chǔ)有腐蝕性的工業(yè)廢料組成的雜填土，不宜作為天然地基;新近堆積結(jié)構(gòu)松散不均勻的素填土、沖填土，不宜作為天然地基。

3 粗顆粒填土變形機(jī)理研究

3.1 粗顆粒土及其分類

粗粒料一般是指砂礫石、砂卵石、石渣、爆破開采的石料等粗顆粒土石混合材料［7］?！锻凉ぴ囼?yàn)規(guī)程》(SL 237－1999)［8］具體的指:“粗顆粒土是指粒徑大于5mm土的質(zhì)量大于總質(zhì)量50%的粗粒土”。粗粒土在自然界的分布十分廣泛，儲(chǔ)量豐富，廣泛應(yīng)用于土石壩、公路、鐵路、飛機(jī)跑道、房屋基礎(chǔ)、護(hù)岸拋石體、江堤、海灣防波堤等建筑工程。

根據(jù)粗粒土中黏性細(xì)粒的含量和土體滲透的滲透系數(shù)的大小，可把粗粒土分為自由排水無黏性粗粒土(簡稱無黏性粗粒土)和非自由排水黏性粗粒土(簡稱黏性粗粒土)。

無黏性粗粒土主要包括砂礫石、砂卵石、石渣、堆石料等粗顆粒土石料，顆粒中沒有或只有微量的細(xì)粒土，粗粒含量較高，透水性強(qiáng)，顆粒間粘結(jié)力很小甚至趨近于零，由顆粒間的咬合和摩擦阻力來決定抗剪強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)，其本質(zhì)上屬于摩擦性材料。無黏性粗粒土具有透水性強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度高、壓實(shí)密度大、沉陷變形小、承載能力高等工程特性，是良好的填方材料。如用于填筑土石壩、鐵路路基、橋梁墩臺(tái)及處理軟弱地基的砂石墊層等。

黏性粗粒土既含有無黏性砂、礫石及卵石顆粒，又含有黏性的粉粒和粘粒，是無黏性粗顆粒和黏性細(xì)粒土的混合料。黏性粗粒土在土石壩中應(yīng)用較多的是礫質(zhì)土，一般作為心墻防滲料。礫質(zhì)土是一種黏性土與大于5mm的礫石組成的混合料，其中礫石含量一般在20%以上，屬于黏性粗粒土的范疇［9］。

3.2 粗顆粒土試驗(yàn)及其變形特性研究

粗粒料的變形特性受許多因素的影響。研究表明:孔隙比對(duì)粗粒料變形模量的影響起支配作用，圍壓影響處于次要地位［10］。變形特性受應(yīng)力路徑與應(yīng)力歷史的影響較強(qiáng)。試驗(yàn)表明:應(yīng)力路徑相差較大時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系、塑性應(yīng)變及塑性應(yīng)變?cè)隽糠较蛞蚕嗖钶^大，在建立彈塑性本構(gòu)模型時(shí)應(yīng)考慮洛德角及應(yīng)力歷史的影響［11］。這些研究成果對(duì)粗粒料研究都有著重要的借鑒意義。王朝東等人研究了粗粒料在6種不同應(yīng)力路徑下的變形及強(qiáng)度特性，推導(dǎo)出了試驗(yàn)過程中軸向荷載計(jì)算公式［12］。學(xué)者們還研究了復(fù)雜應(yīng)力條件下粗粒料的工程特性;堆石料在高壓及等主應(yīng)力比狀態(tài)下，各因素對(duì)應(yīng)力－體變－軸向應(yīng)變的影響。

相當(dāng)長一段時(shí)間，對(duì)填石料工程主要是憑經(jīng)驗(yàn)。自20世紀(jì)40年代才開始對(duì)填石料的工程性質(zhì)系統(tǒng)研究，經(jīng)數(shù)十年的積累，成果豐碩。1973年，日本土質(zhì)工學(xué)會(huì)成立了“粒狀體的力學(xué)特性研究委員會(huì)”，就粒狀材料開展了調(diào)查、研究，其研究成果反映在1982年10月正式出版的《堆石料的試驗(yàn)和設(shè)計(jì)強(qiáng)度》一書中。成立于1981年的“關(guān)于粗粒料試驗(yàn)的研究委員會(huì)”，其研究內(nèi)容是查明粗粒料的強(qiáng)度、變形試驗(yàn)值離散的實(shí)際狀態(tài)和原因。通過研究，在如何提高粗粒料試驗(yàn)精度方面得出了有益的見解。但前幾個(gè)委員會(huì)的不足之處在于開展粗粒料的研究時(shí)未能密切結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，針對(duì)這一點(diǎn)，1986年8月成立了“關(guān)于粗粒料現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)評(píng)價(jià)的研究委員會(huì)”，其研究課題是探討粗粒料試驗(yàn)室密度和現(xiàn)場(chǎng)密度及其關(guān)系，為達(dá)到系統(tǒng)評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)這一目的，收集、分析了大量數(shù)據(jù)，進(jìn)行了精心盡力的調(diào)查和研究。1990年10月，日本的巖片透先生及松井家孝先生在總結(jié)本國和世界其它國家在粗粒料方面研究成果的基礎(chǔ)上，出版了《粗粒土現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)》一書。在我國，粗粒土在工程中的應(yīng)用以后來居上的姿態(tài)，近年來得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。1998年8月，郭慶國先生編著的《粗粒土的工程特性及應(yīng)用》一書問世，這標(biāo)志著我國在粗粒土工程中的研究取得了顯著成果。

4 討論

粗顆粒填土地基處理技術(shù)與變形機(jī)理，至今尚未形成一整套成熟而完備的理論體系，主要是由于填土地基復(fù)雜，各影響因素頗多，難以歸納總結(jié)出科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)方法，對(duì)于填土地基處理技術(shù)的研究主要分散于各文獻(xiàn)之中，諸多學(xué)者專家各自提出自己的見解，難以統(tǒng)一，其中仍有不少問題需要進(jìn)一步的研究。

為滿足工程實(shí)際需要，應(yīng)從如何能夠滿足強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性的粗顆粒填土地基處理方法和技術(shù)及其變形機(jī)理著手，把技術(shù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上合理，又能滿足施工進(jìn)度要求的方法和技術(shù)歸納成理論，從而在理論的指導(dǎo)下更好的服務(wù)實(shí)踐。

目前粗顆粒土固結(jié)變形試驗(yàn)研究比較少，應(yīng)從憑經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變到試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上，測(cè)定相應(yīng)粗顆粒土變形和壓力的關(guān)系、變形和時(shí)間的關(guān)系，從而計(jì)算土的壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、體積壓縮系數(shù)、壓縮模量、固結(jié)系數(shù)等，同時(shí)對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中的參數(shù)進(jìn)行評(píng)述，從而建立加固效果與地基處理前土質(zhì)參數(shù)和施工參數(shù)之間的關(guān)系。

［1］ 李?。笠?guī)模填土地基基礎(chǔ)的勘察要點(diǎn)和性質(zhì)研究［J］．建筑設(shè)計(jì)管理，2010，27(12):64－65

［2］ 曾娟．雜填土地基處理技術(shù)研究［D］．株洲:湖南科技大學(xué)，2009

［3］ 劉光遠(yuǎn)，林文修，羅強(qiáng)，等．山區(qū)回填土地基加固工程實(shí)例剖析［J］．地下空間，2001，21(3):215－219

［4］ 黨改紅，丁伯陽，齊峰．山區(qū)雜填土地基工程特性及處理方法的探討［J］．巖土工程界，2001，12(9):24－27

［6］ 張宏偉．填土地基勘察與評(píng)價(jià)［J］．山西建筑，2008，34(18):113－114

［5］ 秦雨晴．填土地基的處理技術(shù)［J］．地質(zhì)與勘探，1998，34(6):53－55，58

［7］ 郭慶國．粗粒土的工程特性及應(yīng)用［M］．河南:黃河水利出版社，1998

［8］ SL 237－1999土工試驗(yàn)規(guī)程［S］

［9］ 劉振飛．水利水電工程設(shè)計(jì)與施工新技術(shù)全書(第一卷)［M］．海潮出版社，2001

［10］ 日本土質(zhì)工學(xué)會(huì)．粗粒料的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)［M］．郭熙靈，文丹，譯．中國水利水電出版社，1999

［11］ 劉祖德，陸士強(qiáng)，楊天林，等．應(yīng)力路徑對(duì)填土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響及應(yīng)用［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，1982，4(4):45－54

［12］ 王朝東，潘招湘，喻小生．在普通大三軸儀上進(jìn)行土的應(yīng)力路徑試驗(yàn)的探討［J］．巖土力學(xué)，1991，12(1):57－63