強(qiáng)夯法消除風(fēng)積粉細(xì)砂濕陷性研究*

毛洪運(yùn) 朱江鴻 喻 小 畢俊翔 李忠民

(①中冶成都勘察研究總院有限公司 成都 610023)(②蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 蘭州 730000)(③成都理工大學(xué)， 環(huán)境與土木工程學(xué)院 成都 610059)

0 引 言

我國的西北部及中亞南亞地區(qū)有不少地域?qū)儆谏衬孛?。隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，越來越多的重大工程項(xiàng)目在沙漠地區(qū)修建，比如交通道路工程、能源管道、電廠電站等。風(fēng)積粉細(xì)砂是沙漠地區(qū)的典型地層，早前，人們認(rèn)為沙漠地區(qū)不宜修筑建筑物，對(duì)于這一地層的研究甚少。不少研究表明，風(fēng)積粉細(xì)砂在遇水后會(huì)發(fā)生濕陷變形，導(dǎo)致地基土發(fā)生不均勻沉降，對(duì)各種工程建設(shè)造成破壞，許多建筑工程和交通工程不得不面臨這一問題。

濕陷性是指在上覆土層的自重應(yīng)力作用下或者在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下，土體因浸水后土的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生的顯著變形，其顯著特點(diǎn)是突變型、非連續(xù)性和不可逆性(陳正漢等， 1986)。長期以來，工程地質(zhì)界對(duì)于黃土的濕陷性進(jìn)行了廣泛的研究，有了較多的認(rèn)識(shí)(謝定義等， 1999； 吳光輝等， 2016； 張婉等， 2017； 朱景汕等， 2017)。但對(duì)于沙漠區(qū)風(fēng)積粉細(xì)砂的濕陷性研究尚處于摸索階段，風(fēng)積粉細(xì)砂濕陷性的規(guī)律認(rèn)識(shí)也比較少(韓永強(qiáng)等， 2015)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)域性風(fēng)積粉細(xì)砂的濕陷性進(jìn)行了一些研究。曾正中等(2001)對(duì)騰格里沙漠風(fēng)積極細(xì)砂進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)和現(xiàn)場原位實(shí)驗(yàn)，均表明該區(qū)段砂土中的風(fēng)洪積壤土類土和風(fēng)積極細(xì)砂均具有濕陷性，細(xì)粒含量越多越具濕陷性且濕陷程度越高，為風(fēng)積粉細(xì)砂濕陷性研究奠定了理論基礎(chǔ)。周平等(2005)對(duì)武昌地區(qū)含黏性土粉細(xì)砂的承載力進(jìn)行了研究，分析其物理力學(xué)指標(biāo)，得出在工程性質(zhì)上更接近于黏性土而非粉細(xì)砂。武立波等(2007)對(duì)陜西神木縣石窯店的粉土、粉細(xì)砂進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)粉土、粉細(xì)砂具有弱可塑性、低黏結(jié)性、濕陷性及強(qiáng)度較低的特征，研究成果說明了粉細(xì)砂的細(xì)顆粒特性使得其工程性質(zhì)兼具砂土和粉土的特性。武立波等(2012)研究了在水化作用下，寧夏寧東地區(qū)粉細(xì)砂的物理力學(xué)和水理性質(zhì)規(guī)律，認(rèn)為濕陷性是寧東粉細(xì)砂水敏感性的重要表現(xiàn)，其濕陷性主要受土體含水率、孔隙比、埋藏深度和干密度的影響。前人的研究為本文提供了方法和思路，對(duì)本文的研究具有指導(dǎo)意義，在研究風(fēng)積粉細(xì)砂的濕陷因素時(shí)著重考慮了含水率和密實(shí)度的影響，統(tǒng)計(jì)分析了濕陷變形與總變形的關(guān)系。

強(qiáng)夯法，又名動(dòng)力固結(jié)法，是由法國Menard技術(shù)公司于20世紀(jì)60年代末首創(chuàng)的一種軟弱地基處理方法(Menard， 1975)。強(qiáng)夯法是指反復(fù)將重錘提到一定高度使其自由落下，給地基土以沖擊能量和振動(dòng)，使得地基土加固的軟地基處理方法(中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)， 2010)，該方法因施工方便、設(shè)備簡單、處理效果明顯、費(fèi)用低廉而得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外許多學(xué)者通過理論分析、相似模型試驗(yàn)、現(xiàn)場原位測試、室內(nèi)土工試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方法對(duì)強(qiáng)夯法進(jìn)行了大量的研究。Gu et al.(2002)采用二維有限元數(shù)值模擬研究了強(qiáng)夯激勵(lì)下干砂的應(yīng)力響應(yīng)問題。賈敏才等(2009)通過自行設(shè)計(jì)的可視室內(nèi)強(qiáng)夯模型試驗(yàn)儀，分析夯擊作用下砂性土的宏細(xì)觀機(jī)制，認(rèn)為在單擊夯擊能一定時(shí)，砂性土的加固存在一個(gè)最佳夯擊數(shù)。張興元等(2011)通過對(duì)蘭州黃土的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，認(rèn)為低能級(jí)強(qiáng)夯加固地基以剪切波為主，高能級(jí)加固地基以壓縮波為主。王松江等(2012)指出采用不同的能級(jí)，夯點(diǎn)間距，錘擊次數(shù)等不同施工工藝消除黃土濕陷性的厚度差異較大。高鵬等(2014)分析研究了沙漠地區(qū)不同地基處理方法的加固效果，探究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)夯法效果突出。上述成果表明了強(qiáng)夯法加固軟弱土地基具有顯著效果，對(duì)于消除黃土濕陷性也成效明顯。但強(qiáng)夯法消除風(fēng)積粉細(xì)砂濕陷性的研究較少，有待于系統(tǒng)展開研究。

表 1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical indices of soil with different depths

本文結(jié)合某工程實(shí)例，通過研究該工程場地風(fēng)積粉細(xì)砂強(qiáng)夯前后的物理力學(xué)特性變化，結(jié)合室內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場原位實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)強(qiáng)夯法消除風(fēng)積粉細(xì)砂濕陷性效果，總結(jié)風(fēng)積粉細(xì)砂濕陷性的規(guī)律及影響因素。該研究為風(fēng)積粉細(xì)砂的濕陷性進(jìn)一步研究，可以為同類型工程場地處理提供一些參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 地層巖性

某工程場地位于沙漠地區(qū)，地層結(jié)構(gòu)為第四系風(fēng)積土，地層巖性單一，均為風(fēng)積粉細(xì)砂。場地土層從上到下分述如下： ①層為黃色稍密風(fēng)積粉細(xì)砂，主要成分以石英、長石為主，厚度約0.5～3.5im； ②層為中密稍濕風(fēng)積粉細(xì)砂，厚度為1.0～4.9im，成分以石英、長石為主； ③層為密實(shí)稍濕風(fēng)積粉細(xì)砂，成分以石英、長石為主，局部膠結(jié)，含有多量姜結(jié)石。在勘察深度范圍內(nèi)未見地下水，夯前原狀土的土工試驗(yàn)結(jié)果顯示，濕陷系數(shù)均大于0.015，多分布為0.017～0.069，濕陷性為輕微濕陷至中等濕陷。風(fēng)積粉細(xì)砂地層相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值見表 1。

1.2 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)及施工

表 2 強(qiáng)夯地基處理參數(shù)Table 2 Treatment parameters of dynamic compaction foundation

1.3 夯沉量與錘擊數(shù)關(guān)系圖

場地地基土為典型的風(fēng)積粉細(xì)砂，含水率低，施工前平整場地，測量場地標(biāo)高。為改善強(qiáng)夯加固效果，每遍點(diǎn)夯前向場地灑水壓實(shí)，灑水量宜使土體含水率達(dá)到最優(yōu)含水率，本工程場地位于沙漠地區(qū)，水量供應(yīng)不足，采用灑水車運(yùn)水并沿場地灑水，灑水量約為0.16im3·m-2。標(biāo)好夯點(diǎn)位置后施工，施工時(shí)按照“隔排隔點(diǎn)”的方式依次夯擊，滿夯后平整場地，測量場地標(biāo)高。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了填方區(qū)和挖方區(qū)的強(qiáng)夯夯沉量與錘擊數(shù)的關(guān)系曲線，分析場地地基土對(duì)于強(qiáng)夯激勵(lì)下的宏觀反映。

填方區(qū)填土材料為挖方區(qū)挖出的風(fēng)積粉細(xì)砂，經(jīng)分層灑水壓實(shí)后強(qiáng)夯加固，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了4遍點(diǎn)夯各5個(gè)夯點(diǎn)的夯沉量與錘擊數(shù)數(shù)據(jù)，繪制成關(guān)系曲線圖(圖 1)。

圖 1 填方區(qū)夯沉量與錘擊數(shù)關(guān)系曲線Fig. 1 Curvilinear figure of settlement with tamping mount in filled site

從圖 1中可以得出，隨著錘擊數(shù)的增加，累計(jì)夯沉量增長趨勢(shì)逐漸減緩，表明風(fēng)積粉細(xì)砂強(qiáng)夯存在最佳錘擊數(shù)。圖 1中a、b、c、d圖分別表示4遍點(diǎn)夯，可以看出第1遍和第2遍點(diǎn)夯累計(jì)沉降量均在105icm左右，第3遍和第4遍分別在90icm和80icm左右，第1擊夯沉量也比第1遍和第2遍小，表明夯點(diǎn)加固范圍為蘋果形(王桂堯等， 2008)。

隨著錘擊數(shù)的增加，單擊夯沉量逐漸減少，采用異數(shù)曲線擬合填方區(qū)單擊夯沉量與錘擊數(shù)的關(guān)系圖(圖 2)，可以得出最佳錘擊數(shù)為10擊。

圖 2 填方區(qū)單擊夯沉量擬合曲線Fig. 2 Settlement with every tamping in filled site

挖方區(qū)挖方厚度為1～3im，強(qiáng)夯設(shè)計(jì)、施工均與填方區(qū)相同，統(tǒng)計(jì)分析了第1遍點(diǎn)夯5個(gè)夯點(diǎn)的夯沉量與錘擊數(shù)關(guān)系曲線(圖 3)。對(duì)比分析填方區(qū)夯沉量與錘擊數(shù)關(guān)系曲線，可以得出挖方區(qū)累計(jì)夯沉量較填方區(qū)少，在85icm左右，第1擊夯沉量均小于25icm，在22icm左右。根據(jù)挖方區(qū)單擊夯沉量與錘擊數(shù)的曲線圖(圖 4)，可以得出挖方區(qū)最佳錘擊數(shù)為8擊。

圖 3 挖方區(qū)夯沉量與錘擊數(shù)曲線Fig. 3 Curvilinear figure of settlement with tamping mount in excavated site

圖 4 挖方區(qū)單擊夯沉量與錘擊數(shù)的曲線Fig. 4 Settlement with every tamping in excavated site

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

強(qiáng)夯施工完成后間歇1周時(shí)間，使夯后土體靜置穩(wěn)定，土體中殘存應(yīng)力得以消散，間歇期結(jié)束后對(duì)強(qiáng)夯效果檢測采用淺層平板載荷試驗(yàn)及室內(nèi)土工試驗(yàn)的方式。靜載荷試驗(yàn)主要檢測夯后土體的承載力，測試時(shí)將載荷板放置于基礎(chǔ)以上50icm，相當(dāng)于夯后面以下50icm。室內(nèi)試驗(yàn)取樣布點(diǎn)按照橫向間距為20im，深度每隔1im取一次樣，室內(nèi)試驗(yàn)取樣要求取不擾動(dòng)的Ⅰ級(jí)土樣，為保持原狀土的性狀，試驗(yàn)中采取現(xiàn)場環(huán)刀取樣加取土柱相結(jié)合的方式，取樣完成后隨即送往試驗(yàn)室做土工試驗(yàn)，測定夯后土體的物理力學(xué)指標(biāo)和濕陷變形量。風(fēng)積粉細(xì)砂試樣見圖 5。濕陷試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)采用單線法(南京水利科學(xué)研究院， 1999)，同一土層取5個(gè)樣對(duì)比分析。

圖 5 風(fēng)積粉細(xì)砂試樣Fig. 5 Sample of eolian deposit find sand

表 3 強(qiáng)夯前后各土層相關(guān)參數(shù)Table 3 Parameters of foundation soil before and after dynamic compaction

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 靜載荷試驗(yàn)

本次試驗(yàn)分為現(xiàn)場淺層載荷試驗(yàn)及室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，現(xiàn)場載荷試驗(yàn)典型曲線見圖 6，載荷試驗(yàn)結(jié)果表明P-S曲線一般沒有出現(xiàn)極限荷載，比例界限也不明顯(張志田等， 2012)，載荷試驗(yàn)檢測承載力為240ikPa，比夯前地基土提高了一倍，承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖 6 風(fēng)積粉細(xì)砂典型靜載荷試驗(yàn)p-s曲線Fig. 6 Typical p-s curvilinear of eolian deposit fine sand

2.2.2 室內(nèi)試驗(yàn)

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)，對(duì)比分析強(qiáng)夯加固前后各土層的物理力學(xué)指標(biāo)，試驗(yàn)中同1層土取樣個(gè)數(shù)均大于5個(gè)，分析數(shù)據(jù)時(shí)，剔除異常的數(shù)據(jù)，取剩余數(shù)據(jù)的平均值分析，數(shù)據(jù)見表 3。

從表 3可以得出，強(qiáng)夯法基本消除了風(fēng)積粉細(xì)沙的濕陷性。強(qiáng)夯夯錘落地時(shí)產(chǎn)生巨大的沖擊力，并以沖擊波的形式向土層內(nèi)部傳播，攜帶了巨大能量的沖擊波迫使粉細(xì)砂顆粒重新排列，土體中的氣體被排出，空隙減少，土體壓密。以土體重度為參照指標(biāo)，強(qiáng)夯處理后重度均有較大幅度的提升，普遍提升了1.3倍左右，基本消除了濕陷性。根據(jù)各土層5個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)得出表層土體在各級(jí)上覆壓力下的壓縮變形、濕陷變形及總變形量(表 4)，低密實(shí)度高含水率的①土層以壓縮變形為主，濕陷變形很?。?高密實(shí)低含水率的②土層壓縮變形很小，濕陷變形較大，總變形集中，在0.6～0.7imm之間。

表 4 各土層土樣濕陷試驗(yàn)變形參數(shù)Table 4 Parameters of collapse test in defferent depth soil

這與謝定義(1999)關(guān)于黃土濕陷的觀點(diǎn)相符。表明風(fēng)積粉細(xì)砂的濕陷特性與密實(shí)度和含水率密切相關(guān)，其中水的含量對(duì)于風(fēng)積粉細(xì)砂的濕陷性起到了主要控制因素，強(qiáng)夯加速了灑水效應(yīng)的傳播。消除風(fēng)積粉細(xì)砂的濕陷性可以通過增加含水率再夯實(shí)的步驟，如果含水率不足不僅影響夯實(shí)效果，而且對(duì)于濕陷性的改善也很差。

風(fēng)積粉細(xì)砂在逐級(jí)增加的壓力下，變形量逐漸增加，但每級(jí)增量在減少(圖 7)。反映了土體在附加壓力下逐漸被壓實(shí)，風(fēng)積粉細(xì)砂顆粒相互接觸擠壓，空隙中氣體被排出，達(dá)到最大壓力200ikPa后穩(wěn)定一段時(shí)間，在相同壓力下浸水，土樣迅速下沉，但總變形卻變化不大，土體浸水后，水在風(fēng)積粉細(xì)砂顆粒間起到了潤滑作用，有效的降低了土顆粒之間的摩擦阻力。

圖 7 各級(jí)壓力下風(fēng)積粉細(xì)砂變形量Fig. 7 Deformation of eolian deposit fine sand at different press

圖 8 風(fēng)積粉細(xì)砂各級(jí)壓力下隨時(shí)間的變形量Fig. 8 Deformation of eolian deposit fine sand with loading time at different presses

根據(jù)現(xiàn)場滲透試驗(yàn)，風(fēng)積粉細(xì)砂的滲透系數(shù)在6.0×10-4～6.0×10-3之間，試驗(yàn)時(shí)按照間隔10imin、20imin、30imin、30imin記錄各壓力下的變形量，繪制成變形量與時(shí)間的關(guān)系圖(圖 8)，結(jié)果表明風(fēng)積粉細(xì)砂在施加各級(jí)壓力下前10imin變形量大，約占變形總量的90%，試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)幾乎在加載的瞬間產(chǎn)生極大變形，變形隨時(shí)間的增量較小。

3 灑水對(duì)強(qiáng)夯加固的效果評(píng)價(jià)

強(qiáng)夯法加固細(xì)顆粒土的原理為動(dòng)力壓密，動(dòng)應(yīng)力波在土體中傳播迫使風(fēng)積粉細(xì)砂土體顆粒密實(shí)，降低松散土的可壓縮性，從而提高承載力，消除風(fēng)積粉細(xì)砂的濕陷性。試驗(yàn)結(jié)果表明強(qiáng)夯法在有效加固深度內(nèi)基本消除了風(fēng)積粉細(xì)砂濕陷，不可忽視的是水的作用，由強(qiáng)夯前后各土層相關(guān)參數(shù)表(表 3)可知，高含水率濕陷改善效果顯著高于低含水率濕陷改善效果。在強(qiáng)夯設(shè)計(jì)與施工時(shí)都應(yīng)該把土體的含水率作為重要的因數(shù)考慮。土體的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特性決定了其力學(xué)性質(zhì)，風(fēng)積粉細(xì)砂顆粒物質(zhì)組成為石英、長石等細(xì)顆粒物質(zhì)，是長期風(fēng)化作用形成的，粒徑主要為粉粒。使得該類土兼具粉土和砂的特性，單粒排列的風(fēng)積粉細(xì)砂土具有空隙大、透水性強(qiáng)、土粒間沒有黏聚力，土粒相互依靠支承、內(nèi)摩擦力較大等特點(diǎn)。土粒中浸水時(shí)，砂礫間產(chǎn)生毛細(xì)水彎液面作用于土粒，土粒產(chǎn)生短暫的膠結(jié)，粒間的結(jié)合水膜使鄰近土顆粒連接起來，從而土體具有塑性性質(zhì)，表現(xiàn)出黏著特性，具有一定的黏聚力。土粒間的弱結(jié)合水減少了土粒的摩擦力，在自重和上覆附加壓力下產(chǎn)生沉降變形。這也是風(fēng)積粉細(xì)砂土濕陷的內(nèi)因和強(qiáng)夯法消除其濕陷性的技術(shù)措施。在增加其含水率的前提下夯擊壓密，風(fēng)積粉細(xì)砂結(jié)構(gòu)由松散單粒接觸連接變成緊密擠壓連接。

因此，強(qiáng)夯法能有效消除風(fēng)積粉細(xì)砂濕陷性； 其中，灑水是控制濕陷性的主要因素，強(qiáng)夯是次要因素。在加固土體的過程中，應(yīng)將浸水預(yù)壓融入強(qiáng)夯法中，保證土體有一定密實(shí)度的情況下，預(yù)先浸水使其濕陷變形再壓實(shí)，能夠取得很好的處理效果。

根據(jù)工程現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，由于風(fēng)積粉細(xì)砂顆粒無黏聚力，水理性質(zhì)中濕陷性及吸濕性很強(qiáng)，風(fēng)化作用強(qiáng)烈。進(jìn)行強(qiáng)夯法處理后的地基土不宜長時(shí)間擱置，更不能將基底位置地基土長期暴露，基礎(chǔ)施工完成后及時(shí)回填處理。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合工程實(shí)例及室內(nèi)試驗(yàn)分析了風(fēng)積粉細(xì)砂的濕陷性特點(diǎn)及強(qiáng)夯法的加固效果，主要的結(jié)論為：

(1)沙漠地區(qū)風(fēng)積粉細(xì)砂具有輕微至嚴(yán)重的濕陷性，濕陷性與含水率及密實(shí)度密切相關(guān)，含水率對(duì)于濕陷變形起主要控制作用。

(2)強(qiáng)夯法能有效消除風(fēng)積粉細(xì)砂濕陷性，顯著提高承載力，減少壓縮變形量。其中，灑水是控制濕陷性的主要因素，強(qiáng)夯是次要因素。

(3)在沙漠風(fēng)積粉細(xì)砂地區(qū)，強(qiáng)夯施工前應(yīng)對(duì)場地灑水充足，宜使土體含水率達(dá)到最優(yōu)含水率； 強(qiáng)夯加固時(shí)，填方區(qū)最佳錘擊數(shù)為10擊，挖方區(qū)最佳錘擊數(shù)為8擊，應(yīng)堅(jiān)持動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)信息化施工。

(4)強(qiáng)夯加固后，風(fēng)積粉細(xì)砂的承載力是強(qiáng)夯前的兩倍，在濕陷試驗(yàn)中，風(fēng)積粉細(xì)砂在上覆壓力下下沉變形，變形增量隨時(shí)間變化較少，在各級(jí)加載的前10imin基本完成變形量的90%。

對(duì)于風(fēng)積粉細(xì)砂的濕陷性研究還有許多問題沒有解決，風(fēng)積粉細(xì)砂的濕陷機(jī)理、強(qiáng)夯加固土體微觀結(jié)構(gòu)、強(qiáng)夯激勵(lì)下土體的動(dòng)力響應(yīng)等還有待于更進(jìn)一步的研究。本文的研究結(jié)果可為風(fēng)積粉細(xì)砂的濕陷性研究、同類型場地地基處理等提供一些借鑒。