秘魯某港口堆場(chǎng)干燥粉細(xì)砂地基壓實(shí)工藝研究

岳祥，張璟泓

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510290）

1 前言

港口工程中后方陸域有大面積的道路及堆場(chǎng)區(qū)域，這些區(qū)域通常采用碾壓壓實(shí)的方式進(jìn)行表層的地基處理，確保后續(xù)路面及堆場(chǎng)的順利施工。但干燥的粉細(xì)砂在壓實(shí)時(shí)常出現(xiàn)陷車、壓實(shí)不均勻、最終壓實(shí)度不達(dá)標(biāo)等問題，其壓實(shí)效果與所采用的壓實(shí)施工工藝及當(dāng)?shù)胤奂?xì)砂的工程性質(zhì)有著較大的關(guān)系。王峰等[1]對(duì)粉細(xì)砂的物理力學(xué)性質(zhì)和粉細(xì)砂壓實(shí)的合理施工工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了最佳的壓實(shí)厚度為30cm。張浩等[2]針對(duì)新疆干燥粉細(xì)風(fēng)積砂進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，得出最優(yōu)含水率狀態(tài)下，干燥粉細(xì)風(fēng)積沙可被壓實(shí)。張猛[3]采用室內(nèi)試驗(yàn)的方式對(duì)不同壓實(shí)方式的壓實(shí)效果進(jìn)行了試驗(yàn)，得出了壓實(shí)過程中土體位移、密實(shí)度的演化特征。袁建等[4]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出，粉細(xì)砂填筑宜采用“靜載+振動(dòng)”的壓實(shí)組合且壓實(shí)遍數(shù)存在最優(yōu)值。孫天洲[5]對(duì)粉細(xì)砂壓實(shí)時(shí)的含水率影響進(jìn)行了研究，得出碾壓施工的最優(yōu)含水率大于室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)的最優(yōu)含水率。尹文華等[6]對(duì)粉細(xì)風(fēng)積砂采用不同形式的補(bǔ)水方法并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，得出了當(dāng)?shù)胤奂?xì)砂適用的壓實(shí)施工工藝。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，依托秘魯某港口工程地基處理項(xiàng)目，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干燥粉細(xì)砂壓實(shí)效果不佳的情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干燥粉細(xì)砂進(jìn)行了補(bǔ)水碾壓試驗(yàn)，得到了適宜的施工參數(shù)及檢測(cè)要求，能夠?yàn)楹罄m(xù)一帶一路上類似工程的順利開展提供工程經(jīng)驗(yàn)參考。

2 工程概況

秘魯某港口工程地基處理地處南美洲西岸，港口堆場(chǎng)區(qū)域中有約10 萬m2的地基為干燥粉細(xì)砂，設(shè)計(jì)采用碾壓的方式進(jìn)行地基處理。由于當(dāng)?shù)貙贌釒衬畾夂?，氣候干燥，常年無雨，地下水深度較深，表層粉細(xì)砂處于干燥狀態(tài)，天然含水率低，設(shè)計(jì)要求表層壓實(shí)度須達(dá)到96%以上。采用室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)確定現(xiàn)場(chǎng)粉細(xì)砂最優(yōu)含水率為13%，最大干密度為1.732g/cm3，現(xiàn)場(chǎng)粉細(xì)砂土工參數(shù)如下表1 所示。

3 施工工藝對(duì)碾壓效果的影響

3.1 試驗(yàn)段概況

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干燥粉細(xì)砂直接壓實(shí)效果不佳的情況，設(shè)計(jì)了三個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究含水率、碾壓方式及碾壓遍數(shù)對(duì)碾壓效果的影響，三個(gè)試驗(yàn)段分別采用灌水法、灑水法和灌水+灑水法進(jìn)行補(bǔ)水，每個(gè)試驗(yàn)段長(zhǎng)度為50×15m，試驗(yàn)段粉細(xì)砂的厚度均設(shè)定為30cm[2]，虛鋪系數(shù)為1.10。采用同1 臺(tái)26t 雙驅(qū)振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)，行進(jìn)速度為 3～6km/h，第一遍采用靜壓，后續(xù)均采用高頻率低振幅度模式進(jìn)行碾壓，振動(dòng)采用45～55Hz的高頻率，振幅控制在0.1～0.4mm的低振幅。三個(gè)試驗(yàn)段的試驗(yàn)流程分別如下：

（1）灌水法試驗(yàn)段流程：測(cè)量→粉細(xì)砂攤鋪→壓實(shí)度檢測(cè)→提前一天灌水密實(shí)→壓實(shí)度檢測(cè)→刮去表層泥皮→精平→碾壓→壓實(shí)度檢測(cè)。

（2）灑水法試驗(yàn)段流程：測(cè)量→粉細(xì)砂攤鋪→壓實(shí)度檢測(cè)→精平→工前2 小時(shí)灑水→壓實(shí)度檢測(cè)→碾壓→壓實(shí)度檢測(cè)。

（3）灌水+灑水法試驗(yàn)段流程：測(cè)量→粉細(xì)砂攤鋪→壓實(shí)度檢測(cè)→提前一天灌水密實(shí)→刮去表層泥皮→精平→工前2 小時(shí)灑水→壓實(shí)度檢測(cè)→碾壓→壓實(shí)度檢測(cè)。

3.2 碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)效果的影響

為對(duì)比不同碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)效果的影響，三個(gè)試驗(yàn)段在每遍碾壓后均進(jìn)行了壓實(shí)度檢測(cè)，壓實(shí)度檢測(cè)采用灌砂法進(jìn)行，試坑深度為15cm，表層測(cè)試一組，15cm深度以下測(cè)試一組，每組測(cè)試三個(gè)試點(diǎn)以避免異常情況，試驗(yàn)結(jié)果如下圖1 所示。

圖1 碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)效果的影響圖

由上圖1 可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）現(xiàn)場(chǎng)粉細(xì)砂在第一遍靜壓及第一遍振動(dòng)碾壓的作用下壓實(shí)度迅速變大，在第二遍和第三遍振動(dòng)碾壓后緩慢增加，而后逐漸趨于穩(wěn)定，粉細(xì)砂碾壓宜采用1遍靜壓加3～4 遍振動(dòng)碾壓的方式，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)對(duì)提升壓實(shí)效果的影響不大。

（2）粉細(xì)砂壓實(shí)度存在一個(gè)條件極大值，不同補(bǔ)水方法的粉細(xì)砂地基極大值壓實(shí)度也不相同，采用水量最多的灌水+灑水法所得到的壓實(shí)度極大值也相對(duì)較大，含水率對(duì)該極大值存在較大影響。

（3）灌水及灑水對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干燥粉細(xì)砂有一定的水力密實(shí)效果，水力密實(shí)效果與水量存在直接的關(guān)系。

（4）15cm 以下土層相對(duì)表層的壓實(shí)效果更好，15cm 以下土層壓實(shí)度在初始狀態(tài)相較表層小，經(jīng)過1 遍靜壓及1 遍振動(dòng)碾壓后壓實(shí)度逐漸增大并超過表層，相同試驗(yàn)段，15cm 以下壓實(shí)度最大值相比表層大0.5%～1%。

（5）采用水量最少的灑水法碾壓的試驗(yàn)段在第二遍振動(dòng)碾壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)表層砂推移以及陷車現(xiàn)象，顯著降低壓實(shí)效果，可能是由以下幾種因素所造成：

1）現(xiàn)場(chǎng)粉細(xì)砂黏粒含量較小，土體自身粘聚力較小，呈現(xiàn)松散顆粒狀，且采用灑水法施工時(shí)，試驗(yàn)段粉細(xì)砂含水率低，“假粘聚力”較小，因此不易被壓實(shí)。

2）灑水法施工時(shí)碾壓效果相對(duì)較差，碾壓時(shí)頂層15cm 的壓實(shí)度相對(duì)15cm 以下深度的壓實(shí)度提升緩慢，表層15cm 與下部15cm 出現(xiàn)分層，表層15m 土隨壓路機(jī)滾筒移動(dòng)并在局部形成小土堆增大壓路機(jī)前進(jìn)阻力，導(dǎo)致壓路機(jī)輪胎抓地力不足，發(fā)生陷車。

3.3 粉細(xì)砂含水率對(duì)壓實(shí)效果的影響

對(duì)灌水及灑水后試驗(yàn)段各深度初始土樣進(jìn)行采樣測(cè)試其含水率，結(jié)果如下圖2 所示，統(tǒng)計(jì)不同工況下粉細(xì)砂達(dá)到壓實(shí)度時(shí)所對(duì)應(yīng)的含水率，分析粉細(xì)砂含水率對(duì)壓實(shí)效果的影響，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下圖3 所示。

圖2 各試驗(yàn)段初始含水率結(jié)果圖

圖3 含水率對(duì)壓實(shí)效果的影響圖

由上圖2 可知，采用不同補(bǔ)水方法的試驗(yàn)段在不同深度的含水率不同，灑水法僅能增加表層20cm 深度范圍內(nèi)的粉細(xì)砂，所增加的含水率由淺至深逐漸減小且含水率增加不高。灌水法能夠增加30cm 深度范圍內(nèi)的粉細(xì)砂，但表層水會(huì)隨時(shí)間下滲造成含水率降低。灌水+灑水法對(duì)干燥粉細(xì)砂的補(bǔ)水效果最好，能夠在灌水法的基礎(chǔ)上及時(shí)補(bǔ)充表層砂水分，能使30cm 范圍內(nèi)砂層平均含水率達(dá)到13%左右。

由上圖3 結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）現(xiàn)場(chǎng)滿足96% 要求的粉細(xì)砂含水率在13%～16%之間，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)最優(yōu)含水率在15%附近，相比室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率增大2%。

（2）由于表層15cm 范圍內(nèi)的砂會(huì)隨壓路機(jī)滾筒移動(dòng)造成一定程度的壓實(shí)度降低，相比表層15cm 的砂層，15cm 以下的砂層壓實(shí)效果更好。

（3）含水率對(duì)壓實(shí)度的影響曲線相比室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)曲線所得的最優(yōu)含水率更大，但所達(dá)到的相對(duì)壓實(shí)度更小，造成的原因有以下幾點(diǎn)：

1）圍壓對(duì)粉細(xì)砂壓實(shí)效果有明顯影響[8]，室內(nèi)試驗(yàn)采用剛性容器進(jìn)行，粉細(xì)砂所受側(cè)向圍壓更大，更加易于被壓實(shí)。

2）現(xiàn)場(chǎng)碾壓相比室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)在單位面積所施加的壓力更小，需要更多水分填滿空隙以減小土顆粒間的摩擦。

3）現(xiàn)場(chǎng)碾壓采用振動(dòng)碾壓方式，土顆粒間往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦阻力更大。

4 壓實(shí)后檢測(cè)質(zhì)量控制

由于當(dāng)?shù)貧夂蚋稍锴覠o地下水，表層粉細(xì)砂水分流失迅速，表層砂壓實(shí)度會(huì)出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，為確保后續(xù)檢測(cè)工作的可靠性，對(duì)壓實(shí)完成后的試驗(yàn)段進(jìn)行間隔1d、3d、5d、7d、14d、28d 進(jìn)行壓實(shí)度和含水率檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如下圖4、5 所示。

圖4 含水率隨時(shí)間變化圖

由上圖4 可知，試驗(yàn)段砂層含水率隨時(shí)間推移逐漸減小，減小速率先快后慢，14 天后減小速率趨于平穩(wěn)，表層砂在28 天左右降低至天然含水率左右。另一方面，由于風(fēng)干、下滲等作用的影響，表層15cm 砂層相比15cm 以下砂層含水率減小程度更大，減小速率更快。

由上圖5 可知，表層15cm 砂層在14 天開始出現(xiàn)壓實(shí)度降低的現(xiàn)象，15cm 以下砂層壓實(shí)度在28 天內(nèi)沒有明顯改變。因此，后續(xù)檢測(cè)應(yīng)盡量在施工完成14 天內(nèi)進(jìn)行，以確保壓實(shí)度無明顯降低。

圖5 壓實(shí)度隨時(shí)間變化圖

5 結(jié)論

（1）現(xiàn)場(chǎng)粉細(xì)砂在第一遍靜壓及第一遍振動(dòng)碾壓的作用下壓實(shí)度迅速變大，在第二遍和第三遍振動(dòng)碾壓后緩慢增加，而后逐漸趨于穩(wěn)定，粉細(xì)砂碾壓宜采用1遍靜壓加3～4 遍振動(dòng)碾壓的方式，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)對(duì)提升壓實(shí)效果的影響不大。

（2）含水率對(duì)碾壓效果有著顯著的影響，當(dāng)砂層含水率在13%～16%之間時(shí)，壓實(shí)效果能夠滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)粉細(xì)砂含水率高于室內(nèi)最優(yōu)含水率2%，即現(xiàn)場(chǎng)含水率在15%時(shí)，壓實(shí)效果最好。

（3）表層15cm 范圍內(nèi)砂層會(huì)隨時(shí)間逐漸風(fēng)干含水率逐步降低，14 天后壓實(shí)度會(huì)開始出現(xiàn)一定程度的降低，壓實(shí)度檢測(cè)應(yīng)在壓實(shí)后14 天內(nèi)進(jìn)行。