墊層強(qiáng)夯法在巖溶地貌地基處理中的試驗(yàn)研究

，

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，廣州 510640；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430010)

我國(guó)的巖溶不良地質(zhì)分布廣泛，隨著基礎(chǔ)工程建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)需要在巖溶地區(qū)[1-3]修建。為確保巖溶區(qū)地段的安全和工程的順利實(shí)施，往往需要對(duì)巖溶地區(qū)不良地質(zhì)進(jìn)行地基處理，目前采用的方法主要有碎石樁法[4]、壓力注漿[5]等。在新建機(jī)場(chǎng)工程中，強(qiáng)夯法以其工價(jià)低廉、施工簡(jiǎn)便而被廣泛應(yīng)用于加固碎石土、砂土、低飽和度的黏性土、素填土、雜填土、濕陷性土等地基[6-8]。對(duì)于巖溶地基，盡管已經(jīng)做了一些工程施工項(xiàng)目，積累了一些經(jīng)驗(yàn)[9]，但巖溶地基處理方面的設(shè)計(jì)研究仍較少，采用墊層強(qiáng)夯法處理巖溶地基是否有效，能夠借鑒的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不多，因此在工程設(shè)計(jì)前一般都需要先做典型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[10]。

1 場(chǎng)地地質(zhì)情況

神龍架新機(jī)場(chǎng)位于神農(nóng)架林區(qū)將軍寨獨(dú)立的狹長(zhǎng)山脊之上，由5個(gè)高程2 600 m左右的山包組成，山頂高程2 641.4～2 560.0 m，屬構(gòu)造侵蝕溶蝕中山區(qū)，巖溶較發(fā)育，巖溶地貌明顯，以垂直巖溶為主，發(fā)育深度較大。場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖體強(qiáng)度高，水文地質(zhì)總體較復(fù)雜，未發(fā)現(xiàn)大的活動(dòng)性斷裂構(gòu)造，區(qū)域地質(zhì)環(huán)境處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g，地震基本烈度為Ⅵ度。場(chǎng)地地層主要為黏土層：①-1褐黃色粉質(zhì)黏土，稍濕，中密，可塑，標(biāo)貫擊數(shù)為2.4～7.0；①-2褐黃色粉質(zhì)黏土，稍濕，密實(shí)，硬塑，標(biāo)貫擊數(shù)為5.5～12.5；①-3灰綠色粉質(zhì)黏土，稍濕，密實(shí)，硬塑，標(biāo)貫擊數(shù)為7.5～18.2；下伏基巖為隱晶質(zhì)白云巖。典型的工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示,圖中0.07,0.10和0.04均表示鉆孔地面的相對(duì)標(biāo)高(m)。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

鉆孔資料表明：

(1) 試驗(yàn)段巖溶洼地和巖溶漏斗軟土分布厚度較大，其中巖溶洼地鉆孔揭露軟土厚度為11.9～31.2 m。

(2) 軟土在空間分布上不均勻，洼地中心軟土分布較厚，周邊軟土分布較薄(現(xiàn)場(chǎng)周邊分布有基巖出露)，巖溶洼地QH1,QH2,QH3和巖溶漏斗A46，A61軟土分布如表1所示。

表1 粉質(zhì)黏土層厚特征

2 試驗(yàn)基本情況

為解決巖溶穩(wěn)定性及處理問(wèn)題，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的地基沉降與不均勻沉降問(wèn)題，在選定的地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)條件下，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地基處理試驗(yàn)，提出合理的地基處理方案[11]，為工程的順利實(shí)施提供保障。

2.1 巖溶洼地

本次試驗(yàn)的巖溶洼地采用墊層強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理，對(duì)試驗(yàn)區(qū)全范圍進(jìn)行地基處理試驗(yàn)研究，地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，每個(gè)分區(qū)處理面積1 800 m2，墊層厚度1.5 m。

表2 巖溶洼地和巖溶漏斗地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 巖溶漏斗

本次試驗(yàn)選取巖溶洼地內(nèi)的A46和A61兩處巖溶漏斗進(jìn)行地基處理試驗(yàn)研究，地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，墊層厚度1.5 m。A46的漏斗直徑為20 m，深度為4 m；A61漏斗直徑為15～25 m，深度為3 m。

檢測(cè)項(xiàng)目為：每個(gè)巖溶洼地試驗(yàn)區(qū)各選取2組、每個(gè)巖溶漏斗試驗(yàn)區(qū)各選取1組進(jìn)行處理后的密度、顆粒級(jí)配試驗(yàn)分析和處理前后的夯沉量、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、波速測(cè)試和載荷試驗(yàn)分析。試驗(yàn)平面布置如圖2所示。

圖2 巖溶地基處理試驗(yàn)平面布置圖

巖溶洼地和巖溶漏斗采用2遍點(diǎn)夯加1遍滿(mǎn)夯進(jìn)行處理，單點(diǎn)夯強(qiáng)夯能級(jí)分別為1 500，2 000，2 500，3 000，2 500 (kN·m)，滿(mǎn)夯能級(jí)均為1 000 (kN·m)，單點(diǎn)夯夯點(diǎn)間距分別為4.5，4.5，4.5，4.0，4.0 m，墊層厚度1.5 m。夯錘直徑2.2 m，錘質(zhì)量17.5 t，夯錘落距按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)夯擊能確定。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 墊層料密度及級(jí)配檢測(cè)

試驗(yàn)區(qū)墊層厚度1.5 m，采用挖方區(qū)開(kāi)采的碳酸鹽類(lèi)巖石，粒徑要求不大于40 cm，不均勻系數(shù)Cu≥5，曲率系數(shù)Cc=1～3，大于300 mm的顆粒含量不超過(guò)土體總質(zhì)量的30%，含泥量不超過(guò)7%。試驗(yàn)段墊層料采自跑道北段山頂?shù)暮湎瞪辖y(tǒng)三游洞組的灰色白云巖。

在巖溶洼地和巖溶漏斗強(qiáng)夯處理施工完成后進(jìn)行密度檢測(cè)和級(jí)配分析。密度檢測(cè)采用灌水法，鋼環(huán)直徑2 m，試坑直徑1.0～1.5 m，試坑深度1.0～1.4 m，鋼環(huán)內(nèi)水位采用水位測(cè)針測(cè)量。巖溶漏斗和巖溶洼地密度檢測(cè)成果如表3，級(jí)配參數(shù)(QH1，QH2，QH3各取2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn))如表4，級(jí)配曲線如圖3所示。

表3 密度檢測(cè)成果

表4 級(jí)配數(shù)據(jù)

表5 夯沉量成果

圖3 級(jí)配曲線

測(cè)試結(jié)果表明巖溶墊層料強(qiáng)夯處理后的不均勻系數(shù)Cu范圍值為11.84～19.43；曲率系數(shù)Cc范圍值為0.67～3.54；巖溶漏斗墊層料強(qiáng)夯后巖溶漏斗的不均勻系數(shù)Cu范圍值為15.39～16.03；曲率系數(shù)Cc范圍值為0.89～1.19。測(cè)試表明強(qiáng)夯后的墊層料級(jí)配良好，墊層采料能滿(mǎn)足要求。

3.2 強(qiáng)夯夯沉量

試驗(yàn)區(qū)起夯面位于墊層頂面，在強(qiáng)夯施工過(guò)程中，對(duì)QH1，QH2，QH3，A46，A61五區(qū)選取夯點(diǎn)進(jìn)行夯沉量觀測(cè)。由于在強(qiáng)夯施工過(guò)程中，第1遍點(diǎn)夯和第2遍點(diǎn)夯完成以后需要外運(yùn)石料填平夯坑，外運(yùn)進(jìn)來(lái)的石料不易準(zhǔn)確計(jì)量，因此按照單個(gè)夯坑體積除以單個(gè)夯點(diǎn)作用的面積進(jìn)行換算得到作用面積上的平均夯沉量。

巖溶洼地和巖溶漏斗強(qiáng)夯夯沉量統(tǒng)計(jì)成果如表5所示，夯擊數(shù)與夯沉量關(guān)系曲線如圖4所示。

夯沉曲線數(shù)據(jù)表明：

(1) 由于下部軟土分布較厚，采用墊層強(qiáng)夯法處理巖溶洼地和巖溶漏斗，2遍點(diǎn)夯加1遍滿(mǎn)夯后總的夯沉量較大，在1 150～1 550 mm范圍內(nèi)。

(2) 不同夯擊能級(jí)強(qiáng)夯引起的夯沉量存在一定的差別但不明顯，主要是與軟土分布不均勻、測(cè)點(diǎn)的選取有關(guān)。

(3) 對(duì)于墊層強(qiáng)夯法處理巖溶洼地及巖溶漏斗來(lái)說(shuō)，夯擊擊數(shù)在12以上時(shí)最后2擊平均夯沉量方能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(4) 考慮施工質(zhì)量控制，對(duì)于采用墊層強(qiáng)夯處理巖溶洼地和巖溶漏斗,夯擊擊數(shù)應(yīng)采用夯擊擊數(shù)和最后2擊平均夯沉量雙指標(biāo)進(jìn)行控制。

圖4 夯擊數(shù)與夯沉量關(guān)系曲線

3.3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

巖溶洼地和巖溶漏斗處理前后的標(biāo)貫貫入試驗(yàn)成果見(jiàn)表6，標(biāo)貫擊數(shù)與深度關(guān)系如圖5所示。

表6 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果

圖5 標(biāo)貫擊數(shù)與深度關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表明：

(1) 處理后的地基標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)較處理前有一定幅度的增加。QH1區(qū)處理前平均標(biāo)貫擊數(shù)為6.50～6.85，處理后擊數(shù)為9.40～10.55；QH2區(qū)處理前平均標(biāo)貫擊數(shù)為6.50～8.29，處理后擊數(shù)為9.09～9.65；QH3區(qū)處理前平均標(biāo)貫擊數(shù)為6.13～8.40，處理后擊數(shù)為7.91～8.67；A46漏斗區(qū)處理前平均標(biāo)貫擊數(shù)為15.81，處理后平均標(biāo)貫擊數(shù)為16.63；A61漏斗處理前平均標(biāo)貫擊數(shù)為6.22，處理后擊數(shù)為9.45。

(2) 軟土上部經(jīng)處理后標(biāo)貫擊數(shù)較處理前有較明顯的提高，下部軟土提高不明顯，說(shuō)明強(qiáng)夯處理的加固深度有限，有效加固深度大致在4～5 m范圍內(nèi)。

由上可見(jiàn)，強(qiáng)夯法對(duì)軟土地基上部加固效果明顯，下部效果不明顯。因此，采用強(qiáng)夯法對(duì)軟土分布厚度較大的下部土層處理效果不明顯，采用強(qiáng)夯處理本工程場(chǎng)區(qū)軟土需結(jié)合功能分布和沉降要求經(jīng)綜合分析后確定。

3.4 波速測(cè)試

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，采用表7的土層的等效剪切波速劃分場(chǎng)地類(lèi)別。處理前后等效剪切波速成果如表8所示。

表7 場(chǎng)地類(lèi)型劃分

表8 等效剪切波速成果

數(shù)據(jù)表明處理后軟土層的等效剪切波速較處理前有所增加，上部土層的增加幅度較大，下部土層變化不明顯，說(shuō)明強(qiáng)夯處理對(duì)上部土層的加固作用較明顯，下部土層加固效果不明顯，與標(biāo)貫擊數(shù)測(cè)試結(jié)果一致。

3.5 載荷試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中承壓板采用1 m2方板，巖溶洼地QH1，QH2和QH3區(qū)地基處理前、后各進(jìn)行2點(diǎn)載荷試驗(yàn)，巖溶漏斗A46，A61區(qū)在地基處理前、后各進(jìn)行1點(diǎn)載荷試驗(yàn)。載荷試驗(yàn)成果如表9所示。

表9 載荷試驗(yàn)成果

各區(qū)的地基處理前、后的P-S曲線如圖6所示。表9和圖6表明：

圖6 P-S曲線

(1) QH1-QH3區(qū)處理前測(cè)點(diǎn)的極限荷載分別為320，360和360 kPa，平均值為347 kPa；地基承載力特征值分別為161，167和164 kPa，平均值為164 kPa，變形模量9.12～13.76 MPa，平均值為11.79 MPa。處理后墊層頂面測(cè)點(diǎn)的極限荷載為640 kPa，地基承載力特征值為400～480 kPa，平均值為447 kPa，為地基處理前的2.73倍。變形模量25.24～36.13 MPa，平均值為30.5 MPa。

(2) A46，A61區(qū)處理前測(cè)點(diǎn)的極限荷載分別為320和360 kPa，平均值為340 kPa；地基承載力特征值分別為158和156 kPa，平均值為157 kPa；變形模量為12.1和12.68 MPa，平均值為12.39 MPa。處理后墊層頂面測(cè)點(diǎn)的極限荷載為640 kPa，地基承載力特征值為320和445 kPa，平均值為382.5 kPa，為地基處理前的2.44倍；變形模量為27.44～35.43 MPa，平均值為31.44 MPa。

(3) 不同夯擊能量處理后的地基承載力與夯擊能量相關(guān)性不明顯，這與載荷試驗(yàn)僅能反映載荷板以下一定深度范圍內(nèi)的力學(xué)特征有關(guān)，同時(shí)也說(shuō)明不同夯擊能量的強(qiáng)夯對(duì)上部土層的加固效果均較明顯。

經(jīng)強(qiáng)夯處理后墊層頂面的地基承載力和變形模量明顯提高，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

采用墊層強(qiáng)夯法處理巖溶地基的試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 測(cè)試表明強(qiáng)夯后的墊層料級(jí)配良好，墊層采料能滿(mǎn)足要求。

(2) 2遍點(diǎn)夯加1遍滿(mǎn)夯后總的夯沉量較大，累計(jì)夯沉量在1 150～1 553 mm范圍內(nèi)；夯擊擊數(shù)在12以上時(shí)最后2擊平均夯沉量方能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此，對(duì)于墊層強(qiáng)夯處理巖溶洼地及巖溶漏斗夯擊擊數(shù)時(shí)，應(yīng)采用夯擊擊數(shù)和最后2擊平均夯沉量雙指標(biāo)進(jìn)行控制。

(3) 處理后的地基標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)較處理前有一定幅度的增加；軟土上部提高明顯，下部提高不明顯，說(shuō)明強(qiáng)夯處理的加固深度有限，有效加固深度大致在4～5 m范圍內(nèi)；采用強(qiáng)夯處理本場(chǎng)區(qū)軟土?xí)r，需結(jié)合功能分布和沉降要求經(jīng)綜合分析后確定。

(4) 處理后的軟土層的等效剪切波速較處理前有所增加，上部土層的增加幅度較大，下部土層變化不明顯，說(shuō)明強(qiáng)夯處理后對(duì)上部土層的加固效果較明顯，下部土層加固效果不明顯。

(5) 處理后墊層頂面的地基承載力特征值提高較大，地基承載力特征值達(dá)到400 kPa以上，滿(mǎn)足工程要求。

采用強(qiáng)夯墊層法進(jìn)行大面積巖溶地基處理是行之有效的，不但地基的承載力得到了較大的提高，同時(shí)還具有設(shè)備簡(jiǎn)單、效果顯著、經(jīng)濟(jì)和工效高等優(yōu)點(diǎn)，為神龍架新機(jī)場(chǎng)工程的順利實(shí)施提供了依據(jù)。

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