沙漠淺水湖區(qū)礫石土公路路基強夯試驗研究

何麗平，梁狄，譚慶波

(1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230;2.中交四航局第二工程有限公司)

在中國新疆、甘肅等西部地區(qū)存在大量的風(fēng)積沙和戈壁礫石土，在這些地區(qū)修建公路時可以選擇風(fēng)積沙和戈壁礫石土作為路基的填料，研究表明：風(fēng)積沙的機械組成很細(xì)，沙粒過于均勻，級配不良，不是良好的天然路基回填料，在路基回填時需慎重選用；而戈壁礫石土作為路基填料有強度高、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，是一種良好的天然回填材料，被廣泛地運用在西部地區(qū)路基填筑中。

目前中國學(xué)者對礫石土回填路基進(jìn)行了一些有效的研究，結(jié)果表明：礫石土路基地基處理目前主要集中在路基的淺表層，而實際工程建設(shè)中往往會遇到湖區(qū)或低洼積水等水域需穿越，存在礫石土水下填筑體深層處理的問題。對于礫石土水下填筑體深層處理，研究發(fā)現(xiàn)，水下填筑的礫石土具有散粒結(jié)構(gòu)，孔隙大，透水性強，孔隙水容易消散的工程特點，在強夯沖擊荷載作用下礫石土壓密過程很快，超靜孔隙水壓力消散也快，土體容易變得密實，從而提高其強度，故可采用強夯法對礫石土水下填筑體進(jìn)行深層處理，但目前未發(fā)現(xiàn)有對戈壁礫石土水下填筑體強夯處理的相關(guān)研究。

該文結(jié)合新疆35團至若羌高速公路工程臺特瑪湖(沙漠淺水湖)段戈壁礫石土水下填筑的試驗段路基，研究戈壁礫石土基本工程特性，并采用強夯法對其進(jìn)行深層處理試驗研究，對不同夯擊能下戈壁礫石土的夯沉量、隆起量、超靜孔隙水壓力大小及消散進(jìn)行監(jiān)測，分析強夯的加固效果，為沙漠淺水湖區(qū)強夯法處理水下戈壁礫石土填筑路基的適宜性提供依據(jù)。

1 基本工程特性

在新疆35團至若羌高速公路工程臺特碼湖區(qū)里程K333+640～K333+690段戈壁礫石土回填料選取礫石土試驗樣品，試驗所選取的礫石土來源于拉克拉瑪干沙漠邊緣戈壁灘的戈壁料。

為獲得戈壁礫石土路基回填料的基本物理特性參數(shù)，對回填料按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》要求進(jìn)行顆粒分析、天然含水率、天然密度、土粒相對密度、滲透及擊實等室內(nèi)試驗。

1.1 基本物理特性

對選取的戈壁礫石土試驗樣品采用篩分法進(jìn)行3組顆粒分析試驗，試驗結(jié)果見表1。

根據(jù)試驗結(jié)果計算礫石土的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

戈壁礫石土填料的天然含水率、天然密度、土粒相對密度及平均滲透系數(shù)等基本物理參數(shù)測試結(jié)果(3組試樣的平均值)見表3。

由表2、3可知：戈壁礫石土不均勻系數(shù)遠(yuǎn)大于5，曲率系數(shù)為1～3，可知戈壁礫石土顆粒級配好，易于壓實，屬于良好回填料；礫石土在天然狀態(tài)下含水率為0～1%，含水率極低；天然密度為1.9～2.1 g/cm3，土粒相對密度為2.6～2.7；平均滲透系數(shù)為2.0×10-2cm/s左右，滲透性很好，有利于超靜孔隙水壓力的消散。

表1 戈壁礫石土顆粒分析試驗結(jié)果

表2 戈壁礫石土級配指標(biāo)計算結(jié)果

表3 戈壁礫石土其他基本物理參數(shù)

1.2 擊實特性

為研究戈壁礫石土的壓實性能，對選取的1組(5種不同含水率)礫石土回填料試樣進(jìn)行擊實試驗，以確定回填料的最大干密度以及最優(yōu)含水率，擊實試驗結(jié)果見圖1。

圖1 戈壁礫石土擊實試驗曲線

由圖1可知：礫石土試樣的最佳含水率約為4.4%，最大干密度為2.221 g/cm3。礫石土壓實效果好，易密實，最佳含水率只有4.4%，用水量少，對于沙漠干旱少雨地區(qū)戈壁礫石土是很好的路基填料。

1.3 下臥粉砂層滲透性及壓實特性

為了解礫石土回填料下臥土層粉砂層在夯擊作用下土層的壓實特性及超靜孔隙水壓力的消散能力，從現(xiàn)場取回下臥土層試樣進(jìn)行擊實試驗及滲透試驗。

選取1組(5種不同含水率)粉砂層試樣進(jìn)行擊實試驗，結(jié)果見圖2。

圖2 粉砂層擊實試驗曲線

由圖2可知：粉砂層試樣的最佳含水率約為11.5%，最大干密度為1.739 g/cm3。粉砂層壓實效果較好，較易密實。

根據(jù)擊實試驗結(jié)果，分別測試粉砂層在93%、95%、97%3種壓實度下的平均滲透系數(shù)，結(jié)果見表4。

由表4可知：粉砂層的平均滲透系數(shù)為8.48×10-4～8.82×10-4cm/s，其滲透性能較好，超靜孔隙水壓力在其中消散也較快，但總體比礫石土的滲透性能差。

表4 粉砂層平均滲透系數(shù)

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗區(qū)選取及地層分布

戈壁礫石土的強夯試驗區(qū)選取在臺特碼湖區(qū)里程K333+640～K333+690路段。

試驗區(qū)地層分布：上部為礫石土回填層，平均厚度約2.5 m；下部為原地層的粉砂層?，F(xiàn)場試驗區(qū)對回填至湖水面以上1 m后路基進(jìn)行強夯地基處理，水面1 m以上采用分層碾壓方法回填至路基頂面，現(xiàn)場試驗主要對水面以下路基(含水面以上0～1 m的回填層)進(jìn)行強夯地基處理的研究，該試驗的處理深度約為5 m。試驗段路基剖面示意圖見圖3。

圖3 湖區(qū)戈壁礫石土試驗段路基剖面示意圖

2.2 夯點平面布置及施工參數(shù)

試驗采用1 500 kN·m和2 500 kN·m兩種能量進(jìn)行試夯，并對其加固效果進(jìn)行對比。強夯所用錘重15 t，直徑2.0 m，根據(jù)經(jīng)驗，強夯點間距一般為夯錘直徑的1.5～2.5倍，即3.0～5.0 m，此次試驗采用3.5 m和4.5 m兩種夯點間距進(jìn)行試驗，分2個試驗區(qū)進(jìn)行，其施工參數(shù)如表5所示。

表5 試驗區(qū)施工參數(shù)

(1)點夯夯點布置。試驗區(qū)1、2夯點布置見圖4。

圖4 試驗區(qū)夯點正三角形布置單元圖(單位：mm)

(2)滿夯夯點。完成點夯后，進(jìn)行一遍滿夯，滿夯所用錘重15 t，直徑2.0 m，滿夯的夯擊能為1 000 kN·m，每點夯擊數(shù)為2擊，夯擊1遍，夯點間距按1/4倍錘印搭接。

2.3 監(jiān)測及測點布置

(1)夯沉量及地表隆起量觀測。選取A3、B3測點觀測單擊夯沉量，通過觀測確定每個強夯點的合理夯擊數(shù)；在A3和B3測點距夯坑中心2、3、4和5 m的位置布置測點測量每擊夯坑周邊地表隆起，隆起量和夯坑體積增大量相等時停止強夯試驗。當(dāng)超靜孔隙水壓力消散后繼續(xù)夯擊，繼續(xù)觀測地表隆起。

(2)孔隙水壓力監(jiān)測

強夯過程中孔壓可以反映強夯的處理深度大小、水平方向影響范圍及土中孔隙水壓力消散情況；在試驗區(qū)1夯點A3，試驗區(qū)2夯點B3處分別埋設(shè)2組(4個)孔隙水壓力計，其布置見圖5。

圖5 孔壓計布置圖(單位：mm)

(3)地基檢測。對強夯后的地基進(jìn)行重型動力觸探試驗，以研究其加固前后的效果。每個試驗區(qū)測試強夯前、后重型動力觸探試驗點3個，其中1個位于夯點中心，1個位于2個夯點中心連線的中點，最后1個位于3個夯點的幾何中心。

3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗設(shè)計方案在選取的湖區(qū)戈壁礫石土路基試驗段進(jìn)行現(xiàn)場強夯試驗。

3.1 夯沉量及地表隆起量

(1)點夯夯沉量

分別選取1 500 kN·m能量的夯點A3；2 500 kN·m能量的夯點B3進(jìn)行單擊夯沉量分析，其單點夯沉量與累計夯沉量隨擊數(shù)關(guān)系曲線如圖6所示。

由圖6可知：總體規(guī)律為隨著夯擊數(shù)的增加，累計夯沉量逐漸增大，單擊夯沉量逐漸減小，至一定夯擊數(shù)后，累計夯沉量曲線逐漸變緩。觀測結(jié)果顯示，點夯過程中單點夯擊數(shù)至9擊時滿足收錘標(biāo)準(zhǔn)，1 500、2 500kN·m夯擊能最佳夯擊數(shù)大致為9擊。

圖6 單擊夯沉量與累計夯沉量隨擊數(shù)變化曲線

(2)點夯地表隆起量

在1 500 kN·m能量A3和2 500 kN·m能量B3兩點單點夯擊過程中分別測量每擊作用下的地表隆起量，分別距夯點中心2、3、4和5 m的位置布置測點觀測。夯點周圍隆起量觀測結(jié)果如圖7所示。

圖7 距夯點中心不同距離地面隆起量變化曲線

圖7中0～1 m范圍所測為每擊作用下夯坑的夯沉量，以負(fù)值表示，夯坑周邊的地表隆起值以正值表示。由圖7可知：在1 500、2 500 kN·m能量夯擊能作用下夯點周圍地面以下沉為主，地表隆起量小。

3.2 孔隙水壓力

在夯點A3、B3處埋設(shè)2組(4個)孔隙水壓力計，分析強夯加固影響深度、水平向范圍和超靜孔隙水壓力的消散時間，每組內(nèi)各孔隙水壓力計測頭的埋設(shè)詳見表6。

表6 孔隙水壓力計測頭埋設(shè)情況

強夯加固期間沙漠湖區(qū)地下水位幾乎無變動，水位變動不會對孔隙水壓力的監(jiān)測產(chǎn)生影響，因此在對超靜孔隙水壓力進(jìn)行分析時不再考慮地下水位變動的影響。

(1)超靜孔隙水壓力隨夯擊數(shù)的變化規(guī)律

取夯擊點A3、B3的監(jiān)測結(jié)果，繪制超靜孔隙水壓力隨夯擊數(shù)變化過程線，如圖8所示。

圖8 超靜孔隙水壓力隨夯擊數(shù)變化曲線

由圖8可知：隨著夯擊數(shù)的增加超靜孔隙水壓力累計上升，初期每擊作用下超靜孔隙水壓力的增量比較大，后期增量減小，至夯點滿足收錘標(biāo)準(zhǔn)時超靜孔隙水壓力的變化過程線呈平緩狀態(tài)。

(2)超靜孔隙水壓力在不同能量不同水平距離下的變化規(guī)律

取夯擊點A3、B3的監(jiān)測結(jié)果，繪制埋深2.5、5 m的孔壓計單點夯超靜孔隙水壓力隨時間變化的過程線，如圖9所示。

圖9 在不同水平向距離下單點夯超靜孔隙水壓力隨時間變化曲線

圖中橫坐標(biāo)“相對時間”是指相對于第1次夯擊的時間，超靜孔隙水壓力達(dá)到峰值時夯擊滿足收錘標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)曲線為超靜孔壓的消散過程。

由圖9可知：① 從整體上看，在相同埋深處兩種能量下距夯點中心4.5、3.5 m處超靜孔隙水壓力大小基本一致，可知兩處土體都有較好的加固效果，在考慮施工成本的情況下，建議采用4.5 m的夯點間距；② 礫石土回填層及原地質(zhì)粉砂層的超靜孔隙水壓力在夯擊完成后大部分迅速消散，而后消散變慢，礫石土約1 h、粉砂約3 h后消散程度都已超80%，故在強夯存在多遍點夯時可連續(xù)夯擊施工，不需中間等待時間。

(3)超靜孔隙水壓力在不同能量不同深度下的變化規(guī)律

取夯擊點A3、B3的監(jiān)測結(jié)果，繪制距夯點中心3.5、4.5 m處孔壓計單點夯超靜孔隙水壓力隨時間變化的過程線，如圖10所示。

由圖10可知:在距夯點3.5、4.5 m處，兩種能量下埋深2.5 m位置超靜孔隙水壓力與埋深5 m位置的超靜孔隙水壓力大小基本一致(除2 500 kN·m能量3.5 m處超靜孔隙水壓力之外)。從不同深度的超靜孔隙水壓力來看，在兩種能量下深度5 m處土體與2.5 m處的土體有相同的加固效果，有效加固效果隨著深度增加幾乎無遞減，在2 500 kN·m能量3.5 m處甚至有所增加，說明5 m深度范圍內(nèi)地基都能得到有效的加固。

圖10 在不同深度單點夯超靜孔隙水壓力隨時間變化曲線

3.3 檢測結(jié)果

試夯區(qū)在夯前、后分別進(jìn)行了3組重型動力觸探試驗檢測，以對比強夯加固效果，試夯前、后土層重型動力觸探擊數(shù)對比分析結(jié)果見表7。

由表7可知：兩種能量下礫石土回填層及原粉砂層強夯加固后效果都有提高，由于礫石土層是回填層，初始動探值較小，所以礫石土提升效果最明顯，而粉砂層屬于原地層，初始動探值相比較而言更大，所以粉砂加固效果沒有礫石土明顯；在相同動探孔位處，2 500 kN·m能量、夯點間距4.5 m強夯處理后礫石土動探擊數(shù)比1 500 kN·m能量、夯點間距3.5 m強夯處理后動探擊數(shù)要大，加固效果提升更明顯，底部粉砂亦如此。礫石土和粉砂加固后的動探平均值都大于8擊，密實程度達(dá)到中密及以上。

4 結(jié)論

(1)戈壁料礫石土顆粒級配好，屬于良好的填筑材料，在天然狀態(tài)下含水率極低，滲透性較好；礫石土在含水率4%左右最容易壓實。隨著夯擊數(shù)的增加，累計夯沉量逐漸增大，單擊夯沉量逐漸減小，至一定夯擊數(shù)后，累計夯沉量曲線逐漸變平緩，兩種夯擊能的最佳夯擊數(shù)約為9擊；夯擊時夯點周圍地面以下沉為主，地表隆起量小，夯擊加固有效。

表7 試夯前、后土層重型動力觸探擊數(shù)對比

(2)礫石土選取2 500 kN·m夯能、4.5 m夯點間距進(jìn)行加固更合理，且整個地基處理深度范圍內(nèi)加固效果幾乎無遞減。礫石土及原地質(zhì)粉砂層的超靜孔隙水壓力在夯擊完成后消散迅速，在強夯存在多遍點夯時可連續(xù)夯擊作業(yè)，不需中間等待時間。

(3)礫石土回填層及原粉砂層強夯加固后效果都有較大提高，礫石土加固效果比粉砂加固效果提升更明顯，礫石土和粉砂加固后的動探平均值都大于8擊，密實程度達(dá)到中密及以上。