高含水量黏土壓實特性與填筑試驗研究

何 勇，賀 瑞，肖 鯤，余 波，楊印旺，萬增勇

（1.西南電力設計院有限公司，成都610021；2.電力規(guī)劃設計總院，北京100120；3.國家電網(wǎng)有限公司，北京100031；4.山西機械化建設集團公司，太原030009）

引言

典型的細粒土全壓實曲線是一單駝峰曲線，即在一定的壓實功作用下，越接近填料的最優(yōu)含水量ωop，則壓實度越高。袁俊平等［1］的研究表明，壓實度又與填土的力學特性呈正比例相關，即壓實度越高，填土的強度越高、壓縮系數(shù)越低。因此，從這一意義上來說，細粒土的含水量對于場平填方工程至關重要?，F(xiàn)行國家標準《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB 50007-2011規(guī)定，壓實填土的含水量應控制在ωop±2%。但在我國南方多雨潮濕地區(qū)，由于雨量充沛，地下水位常年較高，形成了天然含水量遠高于最優(yōu)含水量的高含水量黏土。而有時工程建設不得不利用這樣的高含水量黏土作為填料。

公路行業(yè)在含水量較高的高液限土壓實方面開展了大量的研究工作，劉鑫等［2］提出高液限黏土可以用于直接填筑，壓實度按0.88控制，但填筑厚度不宜大于8 m；程濤等［3］也提出高液限土可降低壓實度回填，但同時指出此舉對其強度、壓縮性能均產生不利影響，應通過自密沉降量計算控制填筑高度；田見效［4］對高液限土改良壓實開展了研究，指出摻加砂石可以提高改良土的最大干密度、降低最優(yōu)含水量，而摻加石灰、水泥則可以提高最優(yōu)含水量；張志偉［5］在過濕土的改良研究中指出，摻加石灰、水泥、NCS固化劑均可以降低土的含水量，提高土的強度和壓縮性能。需要說明的是，他們研究的高液限土的天然含水量均不超過35%。楊世基［6］在天然含水量高達50%以上的高含水量殘積黏性土的壓實研究中提出改變壓實衡量標準，采用最佳干密度（而非最大干密度）控制壓實，此時雖然壓實土的含水量高，但是強度較好。劉寶興［7］在高含水量土高密實度壓實研究中提出，采用臨界含水量代替最優(yōu)含水量控制壓實，但僅能將壓實含水量放寬3%左右。遲銀波［8］、周建岐［9］、馬希勇［10］等均提到超過某一含水量時，填土則不能壓實到規(guī)定的壓實度，需要采取摻加石灰、水泥等進行改良處理，但未定量研究。

本文要研究的是平均天然含水量高達58%，超出最優(yōu)含水量30%以上的高含水量黏土的填筑。顯然，它已不是典型的高液限土［4］；同時，也不是楊世基［6］研究的具有原巖殘余結構的殘積黏土。本文依托±800 kV布拖換流站工程，采取了室內土工試驗、現(xiàn)場壓實試驗、現(xiàn)場強夯置換試驗等方式，分別研究了高含水量黏土的壓實特性、填筑方式和處理效果，同時對高含水量黏土填方地基的沉降變形進行了探討，旨在指導工程的高填方地基設計，也為類似高含水量黏土的壓實研究提供參考。

1 高含水量黏土特性

白鶴灘-江蘇、白鶴灘-浙江兩回特高壓直流輸電工程送端同址合建為±800 kV布拖換流站，站址位于四川省涼山彝族自治州布拖縣，站址總用地面積63.96 hm2，是目前全世界規(guī)模最大的特高壓換流站。站址位于布拖盆地西南部邊緣，地形地貌屬山前洪積扇前緣與布拖盆地堆積階地結合部位，場地上覆第四系全新統(tǒng)沖洪積黏土、上更新統(tǒng)～全新統(tǒng)沖洪積卵石和湖相沉積黏土，下伏下更新統(tǒng)～中更新統(tǒng)湖相沉積黏土。

1.1 性狀特征

①1層黏土：主要為黏土，局部為粉質黏土、粉土；褐黃～褐色，稍濕～濕，呈可塑狀，局部硬塑狀，有機質含量為6.5%～8.4%，多屬有機質土。

①2層黏土：褐～灰色，局部灰黑色，流塑～軟塑狀，局部含腐朽木質，含少量角礫及碎石，有機質含量為5%～15.4%，屬有機質土～弱泥炭質土。

②3層黏土：主要為黏土，少量為粉質黏土、粉土，灰色、青灰色、深灰色，呈可塑狀，局部硬塑狀，有機質含量5.9%～7.6%，多屬有機質土。

②4層黏土：主要為黏土，少量為粉質黏土，灰色、青灰色、深灰色，呈軟塑狀，有機質含量為7%～9.4%，多屬有機質土。

③1層黏土：灰色、深灰色，以硬塑狀為主，偶呈可塑狀，部分巖芯斷口處可見不規(guī)則光滑“鏡面”，有機質含量為3.5%～8.1%，屬有機質土。

1.2 物理力學性質

根據(jù)室內土工試驗，經(jīng)統(tǒng)計處理，各層黏土的物理力學指標見表1。分析表中數(shù)據(jù)指標，結合性狀特征，可知±800 kV布拖換流站場地的黏土具有如下特性。

表1 物理力學指標表

（1）天然含水量高。各層平均天然含水量均超過40%；①2層、②4層更分別高達68%、66%，大于或接近其液限。

（2）液限高。各層的平均液限均大于50%，根據(jù)公路行業(yè)關于細粒土的工程分類標準［11］，均可定名為高液限土。

（3）塑指高。各層的平均塑性指數(shù)均在20以上，②3層更超過27，屬于高塑性黏土，具有優(yōu)良的適應大變形的特性［12］，但開挖后卸車、攤鋪工作較為困難。

（4）孔隙比高、飽和度高。各層的平均孔隙比均在1.1以上，①2層、②3層、②4層更超過1.6，孔隙比特別高，表明為多（大）孔隙結構；各層的飽和度均在96%以上，幾已飽和。從孔隙比、飽和度來看，它具有軟土的結構特征［13］。

（5）滲透系數(shù)低。各層的滲透系數(shù)均在10-7cm/s～10-8cm/s之間。滲透系數(shù)低意味著土體中含水量不易變化，晾曬等方式不易降低含水量；同時，垂直、水平排水固結十分困難［14］。

2 壓實特性研究

從工程利用的角度來看，①2層、②4層黏土在性質上已經(jīng)接近淤泥，回填處理的難度和代價特別大，應作棄方處理。在余下的①1層、②3層、③1層黏土中，②3層黏土天然含水量最高，其壓實研究最具代表性，因此將②3層黏土作為主要研究對象。

2.1 擊實試驗

隨著施工裝備的發(fā)展進步，特高壓換流站建設期間交通運輸量越來越大；而安全運行對場地沉降變形的要求也越來越高，因此填方工程施工一般都采用重型機械。原國家標準《土工試驗方法標準》GB/T 50123-1999曾規(guī)定，黏土應采用輕型擊實試驗，但事實上，擊實試驗的擊實功應與現(xiàn)場壓實的壓實功接近，其得到的最大干密度和最優(yōu)含水量才有工程意義。因此，本文采用重型擊實試驗，其取得壓實參數(shù)見表2。

表2 最大干密度和最優(yōu)含水量

由表2可以看出，②3層的天然含水量高出最優(yōu)含水量36%，這意味著在不采取措施或者改變壓實衡量標準的情況下，其很難被壓實。

2.2 理論壓實計算

實踐證明，一般的機械碾壓不能將黏土中的非自由水排出，因此，其被壓實的本質是短時機械壓實作用迫使空氣排出，土粒由松散排列趨于緊密排列，孔隙率減小，密實度提高。但由于土粒和水分對空氣的包裹作用，壓實不可能將黏土中的空氣完全排出［15］，其殘留的密閉空氣體積率約為2%［5］。根據(jù)土的三相關系，可以推算出壓實系數(shù)與容許最大含水量之間的關系如下：

式中：ωm為容許最大含水量（%）；ρw為水的密度，取1 g/cm3；k為壓實系數(shù)；ρdmax為土的最大干密度（g/cm3）。

根據(jù)式（1），規(guī)定壓實系數(shù)下的容許最大含水量和天然含水量下的理論壓實系數(shù)分別見表3。

表3 壓實系數(shù)與容許最大含水量

由表3可以看出，若嚴格執(zhí)行行業(yè)標準《變電站總布置設計技術規(guī)程》DL/T 5056-2007要求填方場地壓實系數(shù)不小于0.94的規(guī)定，則需將②3層的含水量降至28.3%，較天然含水量降低約30%；即使將壓實系數(shù)放寬至0.90，亦需將含水量降低約27%。而我國南方地區(qū)，土壤含水量的蒸發(fā)速率一般為，夏季晴日每天1%，春秋季0.7%，冬季0.5%以下［5］。照此計算，如采用晾曬方式，夏季至少晾曬27天，春秋冬則更長，且一旦遇雨，還需重新晾曬。因此，這對于挖方量達250×104m3的±800 kV布拖換流站工程而言，無論施工工期還是晾曬場地，均是不可行的。而若將②3層開挖后直接回填，其理論壓實系數(shù)僅有0.64，按現(xiàn)行壓實標準來衡量，這是完全不可接受的。

2.3 現(xiàn)場壓實試驗

現(xiàn)場壓實試驗采用激振力500 kN（光輪）壓路機，虛鋪厚度為30 cm，壓實遍數(shù)為4、6、8遍。為了排除原場地對試驗的影響，在原場地上設置了50 cm厚壓實碎石土墊層，其壓實系數(shù)為0.93，滿足劉寶興［7］提出的填土壓實系數(shù)不小于0.95時其下臥層壓實系數(shù)不小于0.93的要求。需要說明的是，現(xiàn)場試驗前未采取措施降低②3層含水量。試驗結果見表4，由此可以看出：

表4 壓實遍數(shù)與壓實系數(shù)

（1）隨著壓實遍數(shù)的增加，土的含水量卻幾乎沒有變化，這也證明了一般機械碾壓不能將黏土中的非自由水排出。

（2）在壓實4遍時干密度、壓實系數(shù)已經(jīng)基本穩(wěn)定，即機械碾壓的有效壓實遍數(shù)為4遍，這與楊世基［6］在高含水量殘積黏性土的壓實研究中得到的結論一致。

（3）各遍的壓實系數(shù)平均值穩(wěn)定徘徊在0.70～0.71之間，與0.64的理論壓實系數(shù)較為接近，遠小于0.94。

3 填筑試驗設計

壓實特性研究表明，②3層天然含水量過高，直接將其分層壓實而成的填方地基是不符合現(xiàn)行技術標準的質量規(guī)定的，因而必須采取處理措施。

當前，工程界常用的成熟的高含水量土處治技術主要有晾曬、廢棄換填和物理化學改良［4-5，15-16］。其中，晾曬方式已經(jīng)在2.2節(jié)中論證，實不可行；而廢棄換填則需面對布拖縣“九分高山一分溝”的地形情況和總挖方量高達250×104m3的工程實際，其取、棄土的場址選擇和治理問題顯得更為棘手，該方式事實上既不科學也不經(jīng)濟?？雌饋?，在高液限土處治方面具有大量工程經(jīng)驗的物理化學改良是僅有的方法，但萬智［15］指出，雖然高含水量土化學改良處理的室內試驗效果較好，但由于其過濕結團特性，現(xiàn)場施工要達到均勻拌和非常困難，容易引發(fā)不均勻沉降等病害。因此，亟需新的處治技術?！疤钪秃系鼗钡臉嬒霊\而生。考慮到深層攪拌樁、高壓旋噴樁等復合地基技術均為針對既有地基，無法解決高含水量黏土的填筑問題，而強夯置換則可以分層填筑分層處理，因此本文提出采用強夯置換法，探索解決高含水量黏土填方地基問題。

綜上，現(xiàn)場填筑試驗的3個主要方向分別是物理改良、化學改良和強夯置換，具體的試驗方案如下。

3.1 物理改良

物理改良考慮摻加碎石，以改良土的性質，使其由細粒土向粗粒土轉變。研究表明，黏性土中碎石組分的質量超過25%時才能起到改善土的工程性質的作用［17］，因此，試驗中碎石摻量（為便于實際施工操作，本文均采用體積比：即外摻料體積/待改良土方自然體積）按照大于25%進行控制。壓實工藝采用振動碾壓、沖擊碾壓。振動碾壓采用激振力500 kN壓路機，每個試驗小區(qū)尺寸為15 m×10 m；沖擊碾壓采用25 kJ沖擊壓路機，每個試驗小區(qū)尺寸為25 m×12 m。具體方案見表5。

表5 物理改良方案一覽表

3.2 化學改良

化學改良常用的外加劑主要有石灰、水泥等，其改良填料的主要作用包括降低含水量、黏土粗?；?。劉鑫［2］、張志偉［5］的研究均證明，生石灰的單位摻量吸水率最高可達1%以上，而水泥則僅有0.3%左右，即生石灰的吸水效率約為水泥的3倍；并且，石灰改良可以提高最優(yōu)含水量，而水泥改良則會降低。因此，本文采用生石灰作為化學改良的外加劑。具體方案見表6。

表6 化學改良方案一覽表

3.3 強夯置換

在強夯加固飽和黏土地基方面，梅納提出了動力固結理論，但由于缺乏排水通道或者孔隙水壓消散時間過長，在很長的時間里并沒有實際意義。直至20世紀80年代，強夯置換技術發(fā)展成型，其以動力置換和壓密作用加固飽和黏土，并為動力固結建立排水通道，才使得強夯加固飽和黏土地基具有應用價值。目前，強夯置換在既有填土地基加固方面已經(jīng)得到廣泛應用。本文主要利用強夯置換的動力置換和壓密作用構筑復合地基，以解決高含水量黏土填方地基壓實質量差、物理力學性質差的問題。置換料因故就地取材，采用碎石土（碎石含量60%）。試驗區(qū)尺寸為28 m×25 m，初步擬定的主要技術參數(shù)見表7。

表7 強夯置換主要技術參數(shù)一覽表

除拋石填海和拋石擠淤地基外，強夯填土地基應采用分層堆填。根據(jù)工程經(jīng)驗，分層堆填質量越好，強夯效果越好。協(xié)會標準《強夯地基處理技術規(guī)程》CECS 279：2010規(guī)定，分層堆填的亞層厚度可取0.8 m～1.2 m；±800 kV昆北換流站工程高填方地基強夯甚至采用了更薄的0.4 m［18］。但是由于高含水量黏土可壓實性差而極易導致陷車；同時，由于其過濕結團特性造成攤鋪整平困難，因此，過薄的亞層厚度必然導致堆填工序多且耗時長，這兩方面都決定了亞層堆填方案在工程中無法實施。為此，試驗采用直接堆填的方式，即卸車時將土堆連續(xù)堆放，將其簡單整平至3.2 m高后再鋪筑0.8 m厚碎石（用于行走機械），如圖1所示。

圖1 堆填方式示意圖（單位：mm）

4 試驗結果分析

4.1 擊實試驗

表8 改良土的最大干密度和最優(yōu)含水量

4.2 壓實系數(shù)檢測

根據(jù)現(xiàn)行有關技術標準的規(guī)定，壓實填土的質量以壓實系數(shù)控制，因此，本文將壓實系數(shù)作為物理、化學改良兩類試驗方案的主要質量評判指標。每個試驗方案在每次達到預定壓實遍數(shù)后隨機抽檢3點。

圖2所示為物理改良方案的壓實系數(shù)圖，從中可以看出：（1）振動碾壓、沖擊碾壓的有效壓實遍數(shù)分別為8遍、25遍，相比素土壓實有所增加；（2）無論是振動碾壓還是沖擊碾壓，增加碎石摻量均可提高壓實系數(shù)，但增幅微??；（3）根據(jù)以上兩點，采用振動碾壓時方案1-3的壓實效果最好，采用沖擊碾壓時方案1-6效果最好，兩者的壓實系數(shù)低于0.94的比例分別為67%、33%；如將衡量標準降至0.90，則方案1-3和方案1-6均完全滿足要求；（4）達到有效壓實遍數(shù)時，振動碾壓與沖擊碾壓的壓實效果基本相當。

圖3所示為化學改良方案壓實系數(shù)圖，從中可以發(fā)現(xiàn)：（1）數(shù)據(jù)離散性大，這印證了萬智［15］的判斷；事實上，生石灰的拌和十分困難，原定的路拌方式無法實施，不得不采用挖掘機集中拌和，但從試驗數(shù)據(jù)來看，效果仍然很不理想；（2）振動碾壓和沖擊碾壓的有效壓實遍數(shù)分別為8遍和25遍；（3）無論是振動碾壓還是沖擊碾壓，增加生石灰摻量均可提高壓實系數(shù)，單位增幅高于物理改良方案；（4）采用振動碾壓時方案2-3的壓實效果最好，采用沖擊碾壓時方案2-6的效果最好，兩者的壓實系數(shù)低于0.94的比例分別為33%和67%；如將衡量標準降至0.90，則方案2-3完全滿足要求，方案2-6則仍有67%不滿足；（5）達到有效壓實遍數(shù)時，振動碾壓、沖擊碾壓的壓實效果大致相當，振動碾壓略好。

圖2 物理改良方案壓實系數(shù)圖

圖3 化學改良方案壓實系數(shù)圖

需要說明的是，強夯置換的加固原理不是簡單壓實，因此，現(xiàn)行有關技術標準未將壓實系數(shù)作為其質量評價指標，本文也未對強夯置換方案作壓實系數(shù)檢測。

4.3 平板載荷試驗

強夯置換方案采用淺層平板載荷試驗測定地基承載力和變形模量見表9，共計布置試驗點6點。由表9可以看出，夯點、夯間夯后的地基承載力分別達到200 kPa、127 kPa，按面積置換率（0.35）計算的復合地基承載力為152 kPa，已經(jīng)滿足特高壓換流站對于填方場地的基本要求。

表9 強夯置換平板載荷試驗結果

4.4 動力觸探試驗

采用重型圓錐動力觸探試驗檢測強夯置換復合地基夯點的密實度和均勻性，并判定夯墩的著底情況，試驗結果如圖4所示。由圖4可以得出：（1）夯點沿深度的重型圓錐動力觸探錘擊數(shù)（N63.5）每米平均值分別為6.8、7.4、7.8和8.8，均處于稍密狀態(tài)，均勻性較好；（2）以N63.5與地基承載力關系推算，夯點的地基承載力特征值應在240 kPa以上；（3）以動探擊數(shù)小于5擊作為置換深度判斷標準，可以判定夯墩已全著底。事實上，從夯后的直接開挖斷面來看，夯墩可測深度達到5.2 m，已穿透強夯填筑體。

4.5 標準貫入試驗

強夯置換復合地基夯間的標準貫入試驗結果見表10，可以看出，夯間沿深度的標貫擊數(shù)平均值在8～10擊之間，均勻性較好，表明強夯置換的壓密作用較好。

圖4 重型動力觸探試驗曲線圖

表10 夯間標準貫入試驗結果

4.6 強夯工藝分析

強夯置換方案的關鍵技術、經(jīng)濟數(shù)據(jù)指標見表11。由于高含水量黏土采用強夯置換填筑史無前例，沒有資料和經(jīng)驗可循，因此，試驗采用了多遍夯擊的方式，逐步探索強夯規(guī)律。試驗中，點夯采用4遍完成，第1～3遍每點5擊，第4遍3擊，共計18擊；平均單點累計夯沉量達到6.5 m，超過填筑體厚度的1.5倍。從夯后的檢測來看，夯墩已穿透填筑體約1.5 m，即夯擊能和置換料均有多余。此外，由于采用直接堆填方式，夯前的填筑體較為松散。以上兩個因素共同決定置換比例高達76%，但在進一步優(yōu)化強夯工藝后有望降低。

表11 強夯置換工藝數(shù)據(jù)

5 討論

前文已知含水量對于填方地基至關重要，采用含水量過高的黏土填筑的填方地基可能發(fā)生失水收縮、吸水膨脹、固結沉降等病害。本文提出采用強夯置換方案解決高含水量黏土填方地基的填筑問題，雖然在地基強度、壓縮性能等方面均已滿足工程使用要求，但從夯后檢測來看，夯間土的含水量并未明顯降低，這是否會引發(fā)高填方地基的大幅工后沉降，值得研究。

飽和黏土在外加荷載的作用下孔隙水排出、超靜孔隙水壓力消散、土體有效應力增加、土體骨架產生變形的過程即為固結。肖樹芳［13］指出，飽和黏土的固結特性與其自由水、結合水的行為密切相關。結合水又可分為吸附結合水、滲透結合水，吸附結合水依靠靜電和氫鍵連結，被土顆粒表面牢固吸附，它不流動、不傳遞靜水壓力、不具有滲透性，可視作為“固體顆?！保?9］；而滲透結合水受范德華力作用，受外力時可從水膜較厚處向較薄處轉移。李文平［20］提出了黏土的吸附結合水與塑限的經(jīng)驗關系公式：

式中：ωg為吸附結合水含量（%）；ωp為塑限（%）。式（2）已經(jīng)得到了張玉［19］、張銳［21］和李碩［22］等的證明。據(jù)此推算，本文研究的②3層黏土的吸附結合水含量為39.5%，結合液塑限法確定的滲透結合水為18.6%。根據(jù)李碩［22］開展的固結壓縮試驗，在1600 kPa壓力作用下，吸附結合水完全未排出；在200 kPa壓力作用下，僅約1/5的滲透結合水排出。據(jù)此推算，填土承受的壓力不超過200 kPa時，②3層黏土排出的孔隙水不大于3.7%，即不會發(fā)生大幅固結沉降。下一步可通過黏土礦物成分分析、結合水含量測定和固結沉降計算與模擬試驗等進一步研究高含水量黏土強夯置換高填方地基的沉降變形問題。

6 結論

（1）壓實特性研究表明，以②3層黏土為代表的高含水量黏土的天然含水量遠遠高于最優(yōu)含水量，直接將其分層壓實的壓實系數(shù)僅為0.64～0.70，遠低于現(xiàn)行技術標準的要求，因此，以其構筑填方地基時必須采取處理措施。

（2）物理改良方案中，碎石摻量分別為29%、38%、46%，無論振動碾壓還是沖擊碾壓，均有相當比例的壓實系數(shù)檢測結果低于0.94；如將壓實控制標準降至0.90，則摻量為46%的試驗組檢測結果均符合要求。

（3）化學改良方案中，生石灰摻量為19%、23%、29%，無論振動碾壓還是沖擊碾壓，同樣均有相當比例的壓實系數(shù)檢測結果低于0.94；如將壓實控制標準降至0.90，則僅摻量為29%的振動碾壓試驗組檢測結果符合要求。

（4）從試驗過程來看，高含水量黏土的過濕結團特性造成分層壓實施工困難，體現(xiàn)在一方面分層壓實前的攤鋪整平困難，施工效率很低；另一方面外摻料的拌和十分困難，尤其是生石灰拌和，效果很不理想。

（5）強夯置換方案中，采用3000 kN·m能級和4 m堆填厚度的強夯置換復合地基承載力特征值達到152 kPa，夯點沿深度的動探擊數(shù)N63.5平均值在6.8～8.8擊之間，夯間沿深度的標貫擊數(shù)平均值在8.3～9.5擊之間，均勻性較好，滿足工程使用要求。