沙漠淺水湖區(qū)風(fēng)積沙公路路基強夯試驗研究

何麗平，劉志軍，王雪剛，滕超

（中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州 510230）

0 引言

中國是一個多沙漠分布的國家，沙漠面積約71.29 萬km2，占國土面積的7.4%，主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、青海、甘肅、寧夏及陜西等地。為改善西部地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，近年來中國加大了對西部省份的公路、鐵路、機場等公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。在公路、鐵路等線性工程建設(shè)中經(jīng)常穿越沙漠腹地或沙漠邊緣，由于沙漠地區(qū)良好的筑路材料相對匱乏，且運距較遠，造成筑路成本太大，延緩了沙漠地區(qū)公共交通的發(fā)展。然而在沙漠地區(qū)存在豐富的天然風(fēng)積沙，這些風(fēng)積沙如能用在線路工程路基填筑上，將大大節(jié)省工程造價，加快西部沙漠地區(qū)交通建設(shè)的發(fā)展。

關(guān)于風(fēng)積沙在工程填筑材料應(yīng)用方面，中國學(xué)者對新疆、內(nèi)蒙古、陜西等地區(qū)風(fēng)積沙的基本工程特性及地基處理施工工藝進行了研究。許多學(xué)者［1-8］通過大量的室內(nèi)外試驗，對沙漠地區(qū)風(fēng)積沙工程特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙具有機械組成細、沙粒均勻、級配不良、松散性強、不易壓實等特性；還有學(xué)者［9-16］對陜西毛素烏沙漠地區(qū)、新疆烏準(zhǔn)鐵路穿越古爾班通古特、榆靖沙漠高速公路、陜蒙沙漠高速公路（半幅）及靖王高速公路（沙漠段）等風(fēng)積沙路基進行了風(fēng)積沙振動碾壓處理研究，得出其最佳壓實含水率、壓實頻率及施工工藝。

從現(xiàn)有風(fēng)積沙研究及工程應(yīng)用來看，目前不少學(xué)者對風(fēng)積沙工程特性進行了研究，并已成功應(yīng)用在部分公路和鐵路上，為風(fēng)積沙可作為筑路材料提供了一定的理論和現(xiàn)實依據(jù)，但目前對風(fēng)積沙地基處理方法主要集中在風(fēng)積沙路基振動碾壓的淺表層處理，而對風(fēng)積沙填筑路基的深層或水下地基處理研究目前還較少見。本文結(jié)合新疆烏尉高速公路工程臺特瑪湖（沙漠淺水湖）段風(fēng)積沙路基，采用強夯法對湖區(qū)水下風(fēng)積沙進行深層處理試驗研究，并對不同夯擊能下風(fēng)積沙的夯沉量、隆起量、超靜孔隙水壓力大小及消散進行監(jiān)測，分析強夯的加固效果，為沙漠淺水湖區(qū)風(fēng)積沙路基填筑的適宜性提供理論依據(jù)，也可為類似工程提供參考。

1 風(fēng)積沙基本工程特性

在新疆烏尉高速公路工程臺特瑪湖區(qū)里程K328+90～K328+140 選取風(fēng)積沙試驗樣品，試驗選取風(fēng)積沙屬于塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙。風(fēng)積沙試樣室內(nèi)試驗按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）進行。

1.1 基本物理特性

在風(fēng)積沙回填之前，對選取的取土場中風(fēng)積沙進行了大量的顆粒分析試驗，發(fā)現(xiàn)臺特瑪湖附近風(fēng)積沙的顆粒級配基本一致，都屬于顆粒均勻的細沙。由于試驗區(qū)面積有限，試驗場地回填的風(fēng)積沙基本取自同一取土場，風(fēng)積沙的顆粒級配接近，無需再大量取樣進行顆分試驗，只在試驗區(qū)左、中、右3 個部位風(fēng)積沙回填層的中部取3 組試樣進行顆粒分析試驗（篩分法），試驗結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)積沙顆粒分析試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果計算風(fēng)積沙的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)積沙級配指標(biāo)計算結(jié)果

同時對選取的3 組風(fēng)積沙樣品進行其他基本物理特性試驗，結(jié)果見表3。

表3 風(fēng)積沙其他基本物理參數(shù)

由表2、3 可知：風(fēng)積沙不均勻系數(shù)小于5，粒徑均勻，顆粒級配不良，不易壓實，屬于不良填筑材料；風(fēng)積沙在天然狀態(tài)下含水率為0～1%，含水率極低，主要是由于地處新疆塔克拉瑪干沙漠南段，氣候干旱少雨造成；天然密度為1.4～1.5 g/cm3；平均滲透系數(shù)為3.0×10-3cm/s 左右，滲透性好，有利于超靜孔隙水壓力的消散。

1.2 擊實特性

為研究試驗區(qū)風(fēng)積沙的壓實性能，在試驗區(qū)選取1 組風(fēng)積沙試樣（11 種不同含水率）進行擊實試驗，以確定回填料的最大干密度及最優(yōu)含水率。由于本試驗區(qū)只進行了1 組擊實試驗，而對于同一種填料而言每組試驗結(jié)果可能會存在一定波動，故本試驗組與現(xiàn)場其他區(qū)域風(fēng)積沙的擊實試驗組進行對比，發(fā)現(xiàn)本試驗組結(jié)果與其他區(qū)域試驗組結(jié)果趨勢一致，試驗結(jié)果波動在可接受的范圍內(nèi)。本試驗組擊實試驗結(jié)果見表4。由表4 可知：風(fēng)積沙最佳含水率約為16%，最大干密度為1.632 g/cm3。

表4 風(fēng)積沙擊實試驗結(jié)果

1.3 下臥粉砂層滲透性及壓實特性

為了解風(fēng)積沙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行擊實試驗及滲透試驗。

選取粉砂層試樣（5 種不同含水率）進行擊實試驗，以確定粉砂層的最大干密度以及最優(yōu)含水率，擊實試驗結(jié)果見表5。

表5 粉砂層擊實試驗結(jié)果

由表5 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%共3 種壓實度下的平均滲透系數(shù)，試驗結(jié)果見表6。

表6 粉砂層滲透試驗平均滲透系數(shù)

由表6 可知：粉砂層的平均滲透系數(shù)在8.48×10-4～8.82×10-4cm/s 范圍，其滲透性能較好，超靜孔隙水壓力消散較快，但比風(fēng)積沙的滲透性能差。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗區(qū)選取及地層分布

沙漠湖區(qū)風(fēng)積沙路基存在水下回填，同時路基的地基處理深度達5 m，常規(guī)分層碾壓處理方法無法適用，而風(fēng)積沙具有散粒結(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壓密過程快，超靜孔隙水壓力消散快，土體容易變得密實，從而提高其強度，故試驗區(qū)采用強夯法對風(fēng)積沙水下路基進行深層處理。風(fēng)積沙的強夯試驗區(qū)選取在臺特瑪湖里程為K328+90～K328+140 路段進行。

試驗區(qū)地層分布上部為風(fēng)積沙回填層，試驗區(qū)1平均厚度約3.7 m，試驗區(qū)2 平均厚度約4.2 m，下部為原地層粉砂層?，F(xiàn)場試驗區(qū)首先采用風(fēng)積沙回填路基至湖面以上1 m，采用強夯法對地基進行處理，水面1 m 以上采用分層碾壓方法回填至路基頂面。此次現(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）進行強夯地基處理的研究，水面以下處理深度約5 m，試驗段路基結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 湖區(qū)風(fēng)積沙試驗段路基結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 夯點平面布置及施工參數(shù)

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012）推薦的強夯有效加固深度與單擊夯擊能的對應(yīng)關(guān)系來預(yù)估強夯試驗的夯擊能，由于本次試驗強夯處理有效加固深度約5 m，故試驗采用1 500 kN · m 和2 500 kN · m 兩種能量進行試夯，并對其加固效果進行對比分析。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，采用3.5 m 和4.5 m兩種夯點間距進行試驗，分2 個試驗區(qū)進行，具體施工參數(shù)見表7。

表7 各試驗區(qū)施工參數(shù)

（1）點夯夯點布置

夯點均采用正三角形布置，其夯點布置單元圖見圖2。

圖2 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 錘印搭接。

2.3 監(jiān)測及檢測布置及數(shù)量

（1）夯沉量及地表隆起量觀測

選取A3、B3 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)；在點A3 和B3 距夯坑中心2 m、3 m、4 m、5 m 的位置布置測點測量每擊夯坑周邊地表隆起。如周邊地表隆起量和夯坑體積增量相等，停止夯擊，當(dāng)超靜孔隙水壓力消散后繼續(xù)夯擊。

（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、水平方向影響范圍以及土中孔隙水壓力的消散情況；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，各試驗區(qū)的孔壓編號（編號KY1-1：KY 是“孔壓”首字母，第一個“1”表示試驗區(qū)1，第二個“1”表示該試驗區(qū)第1 個孔壓計）、埋設(shè)深度及距夯點距離見圖3。

圖3 孔壓計埋設(shè)布置圖（單位：mm）

（3）地基檢測

對強夯后的地基進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 個夯點中心連線中點，最后1 個位于3 個夯點幾何中心。

3 試驗結(jié)果分析

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4 所示。

圖4 單擊夯沉量與累計夯沉量隨擊數(shù)變化過程線

由圖4 可知：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，累計夯沉量曲線變化平緩。觀測結(jié)果顯示，點夯過程中1 500 kN · m 能量單點夯擊數(shù)至9 擊時滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）規(guī)定的最后兩擊平均 夯 沉 量 不 大 于50 mm 的 收 錘 標(biāo) 準(zhǔn)，2 500 kN · m 能量單點夯擊數(shù)至8 擊時滿足最后兩擊平均夯沉量不大于100 mm 的收錘標(biāo)準(zhǔn)。

在點夯試驗點A3、B3 夯擊完成后，采用相同能量完成其余夯點的夯擊，剩余夯點無需量測每擊下的沉降量，只需量測后期夯擊快收斂時的夯沉量，直至滿足相應(yīng)的收錘標(biāo)準(zhǔn)，最后統(tǒng)計試驗區(qū)各夯點滿足收錘標(biāo)準(zhǔn)的夯擊數(shù)，試驗區(qū)內(nèi)夯點的夯擊數(shù)基本處在（8～9）±1 擊范圍內(nèi)，可知兩種夯擊能下夯點最佳夯擊數(shù)為8～9 擊。

（2）點夯地表隆起量

在1 500 kN · m 能 量A3 和2 500 kN · m 能 量B3兩點單點夯過程中分別測量每擊作用下的地表隆起量，觀測點分別距夯點中心2 m、3 m、4 m、5 m，夯點周圍隆起量觀測結(jié)果見圖5。圖5 中0～1 m 范圍所測為每擊作用下夯坑的夯沉量，以負值表示，夯坑周邊的地表隆起值以正值表示。

圖5 距夯點中心不同距離地面隆起量變化過程線

由圖5 可知：在1 500 kN ·m 及2 500 kN ·m 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 處分別埋設(shè)2 組（4 個）孔隙水壓力計，分析強夯在深度、水平向影響范圍和超靜孔隙水壓力的消散時間，其布置如圖3 所示。每組內(nèi)各孔隙水壓力計測頭的埋設(shè)見表8。

表8 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，因此在對超靜孔隙水壓力進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

分別取夯擊點A3 和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，見圖6。

圖6 超靜孔隙水壓力隨夯擊數(shù)變化過程線

由圖6 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增量較大，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變化規(guī)律

分別取夯擊點A3 和B3 的監(jiān)測結(jié)果，繪制埋深3.0 m 和5.0 m 的孔壓計單點夯超靜孔隙水壓力隨時間變化的過程線，由于相鄰兩夯擊時間間隔為3～5 min，施工時保持連續(xù)夯擊，待夯擊完成后開始觀測完整的超靜孔壓消散過程，結(jié)果如圖7 所示。圖中橫坐標(biāo)“相對時間”是指相對于第一次夯擊的時間，超靜孔隙水壓力達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。

圖7 在不同水平向距離下單點夯超靜孔隙水壓力隨時間變化的過程

由圖7 可知：從整體上看，兩種能量下相同埋深處距夯點中心4.5 m 處超靜孔隙水壓力比3.5 m 處的大；在相同埋深相同距離處，2 500 kN · m 能量下超靜孔隙水壓力比1 500 kN · m 能量的大，可知2 500 kN · m 夯 能、4.5 m 夯點間距進行強夯更合理。由超靜孔隙水壓力消散曲線可知：風(fēng)積沙回填層及原地質(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，而后消散緩慢，3 h 后消散超80%，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變化規(guī)律

分別取夯擊點A3 和B3 的監(jiān)測結(jié)果，繪制距夯點中心3.5 m 和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8 所示。

圖8 在不同深度單點夯超靜孔隙水壓力隨時間變化的過程

由圖8 可知：在距夯點3.5 m 和4.5 m 處，兩種能量下路基處理有效深度都可達5 m，且埋深3 m 位置超靜孔隙水壓力比埋深5 m 位置的大，可知上部風(fēng)積沙加固效應(yīng)比下部粉砂加固效應(yīng)更好。

3.3 檢測結(jié)果

試夯區(qū)在夯前、后分別進行了3 組重型動力觸探試驗檢測，以對比強夯加固效果，加固前、后動探擊數(shù)隨著深度變化對比見圖9。

圖9 試驗區(qū)加固前、后動探擊數(shù)隨著深度變化圖

設(shè)計要求處理后路基的重型動探擊數(shù)不小于6擊。由圖9 可知：1 500 kN · m 能量、夯點間距3.5 m強夯處理后風(fēng)積沙動探擊數(shù)平均值為5.9～6.8 擊，下臥層粉砂平均值為7.4～7.9 擊，上部回填層風(fēng)積沙動探擊數(shù)有部分深度小于6 擊，不滿足設(shè)計要求；而2 500 kN · m 能 量、夯 點 間 距4.5 m 強 夯 處 理 后 風(fēng) 積沙動探擊數(shù)平均值為6.7～8.1 擊，下臥層粉砂平均值為7.1～8.0 擊，兩者各測試深度動探擊數(shù)基本大于6擊，能滿足設(shè)計要求，此強夯施工參數(shù)能用于試驗區(qū)風(fēng)積沙的加固。同時發(fā)現(xiàn)在相同能量及夯點間距強夯后，風(fēng)積沙加固效果呈現(xiàn)如下規(guī)律：夯點中心＞2夯點中心＞3 夯點中心。

4 結(jié)論

（1）風(fēng)積沙屬于細沙，顆粒均勻，級配不良，不易壓實；天然狀態(tài)下含水率極低，本身滲透性能好，有利于土體加固時超靜孔隙水壓力的消散；風(fēng)積沙最佳含水率約16%，最大干密度約1.63 g/cm3。

（2）風(fēng)積沙在2 500 kN · m 夯擊能下單點最佳夯擊數(shù)為8～9 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。

（3）風(fēng)積沙在2 500 kN · m 夯擊能下加固有效深度可達5 m，在深度方向上部加固效應(yīng)比下部好；水平方向4.5 m 處加固效應(yīng)比3.5 m 處好。

（4）風(fēng)積沙及原地層粉砂超靜孔隙水壓力在夯擊完成后消散迅速，3 h 后消散程度超80%，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。

（5）在2 500 kN · m 夯擊能、夯點間距4.5 m、單點夯擊數(shù)8 擊強夯后，風(fēng)積沙地基強度能滿足設(shè)計要求，強夯法適用于沙漠淺水湖區(qū)風(fēng)積沙路基的水下深層處理，風(fēng)積沙可作為沙漠淺水湖區(qū)公路路基的回填料。