粉粒及黏粒含量對強夯加固粉細砂土層效果的影響

李 富 春，張 璟 泓，周 紅 星，王 婧，梁 小 叢

(1.中交四航局廣州南沙工程有限公司，廣東 廣州 510230； 2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230)

0 引 言

吹填粉細砂中的細粒(粒徑小于0.075 mm的土顆粒)會對強夯加固的效果存在顯著影響。但國內(nèi)的相關規(guī)范[1]并未直接給出相應的細粒含量界限，這使得實際工程中常常通過經(jīng)驗進行判定，造成了一定的不確定性。針對粉細砂中的細粒影響問題，國內(nèi)外眾多學者做出了相關研究。劉雪珠等[2]通過液化試驗測得黏粒含量10%時粉細砂試驗的抗液化強度最低。王勇等[3]通過三軸試驗得出，同樣的應變水平下，細粒含量對砂土的動彈模量影響較大，隨細粒含量的增加，砂土動彈性模量先減小后增加，30%細粒含量為轉(zhuǎn)折點。畢昇等[4]通過共振柱試驗對飽和砂土的動剪切模量進行了測試，結(jié)果表明隨著細粒含量的增加，飽和砂土的動剪切模量先減小后增大，10%為細粒含量的界限。陳筱竹等[5]通過固結(jié)不排水三軸試驗測得細粒含量對土樣內(nèi)摩擦角的影響。王海波等[6]對不同細粒含量的粉細砂進行了雙向振動三軸試驗，結(jié)果表明，隨著細粒含量的增加，相同相對密實度的粉細砂CBR值逐漸減小。李濤等[7]對3種不同細粒配比的試樣進行靜力與動力三軸試驗，得出了細粒中粉粒與黏粒含量占比對砂土抗液化強度的影響。

已有研究表明，細粒中粉粒(土顆粒粒徑小于0.075 mm且大于0.005 mm)及黏粒(土顆粒粒徑小于0.005 mm)的占比情況會對粉細砂的性質(zhì)造成較大的影響，但目前關于粉細砂中細粒的影響情況大多集中于砂土抗液化方面，而關于細粒含量及細粒中粉粒及黏粒占比情況對強夯加固效果的影響方面研究較少。本文選用2種不同粉粒及黏粒占比的細粒配置試驗土樣進行室內(nèi)強夯模型試驗，測量強夯所產(chǎn)生的夯沉量、孔隙水壓力及加固后的效果，分析細粒中粉粒及黏粒的含量對強夯加固效果產(chǎn)生的影響，為相關工程提供參考。

1 試驗方案

1.1 工程背景

本次試驗基于沙特吉贊一處工程地基處理項目。該項目地基土主要由原始地基與吹填地基組成。原始地基地質(zhì)以粉細砂為主，平均細粒含量為3%～21%，細粒中黏粒含量較少，滲透系數(shù)較高。吹填地基以吹填粉細砂為主，細粒含量分布不均且其中摻有黏?！，F(xiàn)場地基處理方式初步選用強夯法進行，由于現(xiàn)場地質(zhì)情況較為復雜，各區(qū)域平均細粒含量不同，為減小現(xiàn)場試驗的成本，提高現(xiàn)場試驗效率，采用模型試驗的方法模擬現(xiàn)場工程情況，為后續(xù)的現(xiàn)場試驗及大規(guī)模地基處理提供參考。

1.2 試驗設計

通過相似原理及量綱分析設計模型各參數(shù)的相似系數(shù)，根據(jù)試驗條件確定落距比尺Ch=20，錘重比尺Cw=8 000。確定相似比后，根據(jù)π定理及相似方程確定各參數(shù)相似比[8]。最后，根據(jù)所需模擬的現(xiàn)場施工參數(shù)設計模型試驗夯錘的落距及夯錘尺寸，模型試驗所采用的強夯參數(shù)如表1所列。

表1 模型試驗強夯參數(shù)Tab.1 Dynamic compaction parameters of model test

1.3 試驗裝置及儀器布置

試驗模型箱長×寬×高為1 400 mm×1 200 mm×1 200 mm。微型孔隙水壓力計分為橫向與縱向埋設，縱向埋設于距夯點中心線100 mm處，每150 mm深度布置一個探頭，共布置5個探頭，埋深為150～750 mm；橫向埋設埋深為150 mm，每100 mm布置一個探頭，共布置4個探頭，距離夯點中心100～400 mm，具體布置位置如圖1～2所示。夯擊完成后對夯點中心進行靜力觸探試驗。

圖1 儀器布置側(cè)視圖(尺寸單位：mm)Fig.1 Side view of test instrument layout

圖2 儀器布置俯視圖(尺寸單位：mm)Fig.2 Top view of test instrument layout

1.4 試驗土樣

試驗土樣選擇2種細粒進行配置，為減小粗骨料的影響，基于實際工程土樣級配，重塑砂樣均選用石英砂(0.075～0.250 mm)作為粗骨料，SY試驗組選擇無黏粒石英粉(0.005～0.075 mm)作為細粒，YN試驗組選擇含黏粒淤泥(0～0.075 mm，黏粒含量48%)作為細粒，配置0%、10%及20%細粒含量的重塑砂樣。淤泥的主要礦物成分及含量為石英43.5%、長石6.9%、伊利石20.6%、高嶺石29.0%，重塑砂樣的級配曲線如圖3所示，重塑砂樣的基本參數(shù)如表2所列。

圖3 重塑砂樣級配曲線Fig.3 Gradation curves of remolded sand 表2 試驗土樣基本參數(shù)

試驗土樣細粒含量/%粉粒含量/%黏粒含量/%類別干密度/(g·cm-3)最大最小滲透系數(shù)k/(cm·s-1)黏聚力C內(nèi)摩擦角φ/(°)塑性指數(shù)IPSY-0000細砂1.661.407.82×10-30.329.51.2SY-101010.00細砂1.801.272.81×10-31.129.13.4SY-202020.00粉砂1.851.209.07×10-41.828.25.5YN-10105.24.8細砂1.781.256.73×10-41.928.35.6YN-202010.49.6粉砂1.801.198.42×10-52.727.59.3

從重塑砂樣的基本土工參數(shù)可以看出：相同細粒種類的重塑砂樣隨著細粒含量的增加，土體的滲透系數(shù)和內(nèi)摩擦角減小，黏聚力和塑性指數(shù)增大，重塑砂樣的工程性質(zhì)逐漸變差。另一方面，相同細粒含量下，黏粒含量對土體的性質(zhì)影響更大，YN-10試驗土體的工程性質(zhì)相較SY-20更差。

2 試驗結(jié)果

2.1 夯沉量分析

強夯過程中土體因為夯擊而產(chǎn)生的沉降量被稱作夯沉量。因其測量方便且能直觀反映夯擊效果，在工程實際中經(jīng)常通過控制夯沉量來控制施工效果。通過對強夯夯沉量的分析，能夠很好地得出細粒含量對強夯夯擊時土體變形的影響情況。試驗夯沉量結(jié)果如圖4～5所示。

圖4 夯沉量對比Fig.4 Comparison of dynamic compaction settlement

由圖4可以看出，不同試驗土體的單擊夯沉量變化規(guī)律大致相同，隨著夯擊的進行，單擊夯沉量逐漸減小。細粒對單擊夯沉量的影響主要體現(xiàn)在前幾擊夯沉量上，細粒含量越高，前幾擊夯沉量越大。對比最后兩擊夯沉量可以發(fā)現(xiàn)，3組SY試驗組與YN-10組次最后兩擊的夯沉量基本相同，均為2 mm，YN-20組次的最后兩擊平均夯沉量3.5 mm，明顯大于其它試驗組，實際施工中，其完成單遍夯擊所需的夯擊次數(shù)更多。

圖5 細粒含量對累計夯沉量的影響Fig.5 Influence of fine particle content on cumulative dynamic compaction settlement

由圖5可知：不同細粒種類試驗土體的累計夯沉量隨細粒含量的變化規(guī)律基本相同，均表現(xiàn)為隨細粒含量增加，累計夯沉量逐漸增大，且隨著細粒含量的逐步增加，累計夯沉量的增幅也逐漸增大。這是由細粒對土體性質(zhì)的影響所導致的，隨著細粒含量增加，土體的工程性質(zhì)逐漸變差，且隨著細粒在土體中的占比提升，細粒對土體性質(zhì)的影響程度逐漸增強。另一方面，不同細粒種類的試驗土體變化程度差異較大，含黏粒的淤泥細粒影響顯著大于石英粉粒。相同細粒含量下，YN試驗組相比SY試驗組的累計夯沉量更大，且隨著總細粒含量的增加，兩者的差異越大。當細粒含量為10%時，YN試驗組的累計夯沉量相較SY試驗組大17.6%，當細粒含量為20%時，YN試驗組的累計夯沉量相較SY試驗組大37.8%。這是由于黏粒具有更強的親水性，YN試驗組表層土體含水量更高，強度更低，夯擊時土體變形程度更大，沉降量更大。

2.2 超靜孔隙水壓力分析

2.2.1超靜孔隙水壓力隨細粒含量變化

強夯產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力隨夯擊進行逐漸減小，后續(xù)夯擊時超靜孔隙水壓力會被之前夯擊時未消散的超靜孔隙水壓力所影響。故選取強夯第一擊時不同試驗土體代表孔壓計位置(埋深15 cm，距離夯點中心10 cm)的超靜孔隙水壓力峰值進行對比，如圖6所示，以反映細粒含量對超靜孔壓的影響規(guī)律。

圖6 超靜孔隙水壓力峰值隨細粒含量變化Fig.6 Peak value of excess pore water pressure changes with fine particle content

由圖6可知：隨著細粒含量的增加代表孔壓計位置處的超靜孔隙水壓力峰值逐漸減小，且隨著細粒含量的增加，減小幅度逐漸增大。比較SY試驗組可知，當無黏粒含量時，細粒含量從0增加到10%時，超靜孔隙水壓力的變化程度較??；當細粒含量從10%增加到20%時，細粒的影響逐漸增大，土體超靜孔隙水壓力峰值減小14.2%。比較YN試驗組可以發(fā)現(xiàn)，細粒中的黏粒會對強夯所產(chǎn)生的超靜孔壓產(chǎn)生更加顯著的影響，相同細粒含量下，YN試驗組的超靜孔隙水壓力顯著小于SY試驗組。當細粒含量為10%時，YN-10試驗組的超靜孔隙水壓力峰值相較SY-10試驗組小18.9%，當細粒含量為20%時，YN-20試驗組的超靜孔隙水壓力峰值相較SY-20試驗組小45.6%。其主要原因可能是YN試驗組中的黏粒對土體滲透系數(shù)與表層土體強度的影響較大[9]，夯擊時局部易發(fā)生“橡皮土”現(xiàn)象，能量的損失較大，傳遞范圍小。導致YN試驗組的超孔壓峰值較小，超孔壓影響范圍小。

2.2.2超靜孔隙水壓力隨深度、距離變化

選取強夯第一擊時不同試驗土體不同埋深處及距離夯點中心不同距離處的超靜孔隙水壓力進行對比。超靜孔隙水壓力隨深度的變化如圖7所示，超靜孔隙水壓力峰值隨距離的變化如圖8所示。

圖7 超靜孔隙水壓力峰值隨深度變化Fig.7 Peak value of excess pore water pressure changes with depth

由圖7可知：不同試驗土體的超靜孔隙水壓力峰值隨深度方向逐漸減小，減小趨勢大致呈現(xiàn)出兩個區(qū)段，埋深15～30 cm處超靜孔隙水壓力迅速降低，埋深30～75 cm處超靜孔隙水壓力緩慢減小?？梢灶A估本次強夯加固有效作用深度在30 cm左右，30 cm以下深度的加固效果較弱。另一方面，由于黏粒含量的增加會導致滲透系數(shù)的明顯減小[9]，強夯對YN試驗組產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力明顯小于SY試驗組。相同細粒含量下，黏粒的影響效果顯著大于粉粒。

圖8 超靜孔隙水壓力峰值隨距離變化Fig.8 Peak value of excess pore water pressure changes with distances

由圖8可知：超靜孔隙水壓力峰值在水平方向上的分布也呈現(xiàn)為兩段式分布，但與深度方向不同的是，超靜孔隙水壓力在水平方向上先緩慢減小再迅速減小，細粒含量越高，緩慢減小的區(qū)段越小。推測夯點中心至轉(zhuǎn)折點的區(qū)域即為強夯加固效果較好的位置，轉(zhuǎn)折點范圍外的區(qū)域，強夯加固效果逐漸減弱。隨著細粒含量的增加，轉(zhuǎn)折點位置逐漸靠近夯點，由圖8可知，SY-0及SY-10試驗組的水平加固影響范圍在30 cm左右，SY-20及YN-10試驗組的水平加固影響范圍在20 cm左右，YN-10試驗組的水平加固影響范圍可能小于10 cm。

綜上所述，隨著細粒含量的增加，強夯加固時產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力峰值越小，其影響范圍也越小，強夯加固效果越差。另外，細粒中的黏粒對強夯產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力的影響顯著大于粉粒，細粒中的黏粒占比越高，強夯效果越差。

2.3 靜力觸探結(jié)果分析

采用自制的室內(nèi)靜力觸探儀對試驗土體夯點中心、距離夯點中心10，20，30 cm及40 cm的位置進行靜力觸探試驗，測量不同深度試驗土體的靜力觸探端尖阻力大小，試驗結(jié)果如圖9所示。并將各試驗夯點處的靜力觸探結(jié)果進行對比，如圖10所示。

對比SY試驗組的結(jié)果可知，隨著細粒含量的增加，強夯加固的有效深度逐漸減小。豎直方向上，以靜力觸探端尖阻力大于0.3 MPa為標準，SY-0試驗組與SY-10試驗組的有效加固深度在30 cm左右，30 cm以下深度的強夯加固效果逐漸減弱，靜力觸探端尖阻力逐步減小。SY-20試驗組的有效加固深度為19 cm，相較SY-10試驗組減少36.7%，19～29 cm深度的強夯加固效果逐漸減弱，靜力觸探端尖阻力逐步減小至與初始狀態(tài)相同，29 cm以下則基本沒有加固效果。YN試驗組的加固深度則顯著小于SY試驗組，YN-10試驗組的有效加固深度僅為12 cm，相較SY-10試驗組減少60%，強夯影響深度僅為20 cm。YN-20試驗組的強夯加固效果較差，所有位置的靜力觸探端尖阻力值均小于0.3 MPa。水平方向上，單點夯能夠有效加固距離夯點中心10 cm范圍內(nèi)的土體，該范圍內(nèi)的加固效果基本相同，距離夯點中心10 cm以外的土體受到的加固效果逐漸減弱，至30 cm左右基本無加固效果。對比YN試驗組結(jié)果可知，YN試驗組的強夯加固效果明顯弱于SY試驗組，加固僅體現(xiàn)在夯點中心位置，夯點中心以外的土體受到的加固效果逐漸減弱，至距離夯點中心20 cm左右基本無加固效果。

圖9 不同試驗土體不同距離處CPT對比Fig.9 Comparison of CPT at different distances of different test soils

圖10 不同試驗土體夯點處CPT對比Fig.10 Comparison on CPT at dynamic compaction points of different test soils

對比圖10不同試驗土體夯點處的靜力觸探結(jié)果可知，SY試驗組中當細粒含量從0增加到10%時，細粒對吹填粉細砂強夯加固的影響效果影響不大，當細粒含量從10%增加到20%時，細粒含量的影響逐漸增大，隨著細粒含量的增加，強夯的加固效果逐漸變?nèi)酢＜毩Ｖ械酿ち姾患庸绦Чa(chǎn)生顯著影響，相同細粒含量下，YN試驗組的加固效果顯著小于SY試驗組，該種夯擊能下，YN試驗組的加固效果較差，后續(xù)工程中建議選用高能級強夯處理并增加排水措施。

3 結(jié) 論

(1) 無黏粒的情況下，粉細砂中的細粒會對強夯產(chǎn)生一定的影響：當細粒含量從0增加到10%時，細粒對粉細砂強夯加固的影響效果影響不大；當細粒含量從10%增加到20%時，細粒的影響逐漸增大，隨著細粒含量的增加，強夯的加固效果逐漸變?nèi)酢?/p>

(2) 粉細砂細粒中的黏粒占比會對采用強夯法處理粉細砂的效果造成較大影響，相同細粒含量下，黏粒的影響明顯大于粉粒，當黏粒含量達到5%左右時就已使強夯加固效果明顯減弱。

(3) 粉細砂采用強夯法進行處理時，不僅需要考慮細粒含量對加固效果的影響，還需要考慮細粒中黏粒占比的影響。當細粒含量小于10%且黏粒含量小于5%時，強夯法加固效果較好。