某機場原狀濕陷性黃土地基強夯試驗分析

牛得草 NIU De-cao；柴傳政 CHAI Chuan-zheng

（①中國人民解放軍95538 部隊，成都 611436；②空軍成都工程設(shè)計室，成都 611041）

0 引言

濕陷性黃土的沉降問題一直是困擾工程技術(shù)人員的世界性難題。某西北黃土高原機場，場址區(qū)域位于黃土溝壑地帶，地形地質(zhì)條件復(fù)雜。前期勘察發(fā)現(xiàn)該區(qū)域黃土為自重濕陷黃土，濕陷等級為Ⅱ~Ⅳ級，地基存在嚴(yán)重濕陷風(fēng)險（Ⅲ級）。根據(jù)勘探結(jié)果，勘探深度內(nèi)自上而下揭露的土層為植物層（約0.5m）、坡面沖積粉質(zhì)粘土（顏色表現(xiàn)為黃褐色或黃色，可塑~硬塑，揭露層厚約4.4~7.50m）、上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（揭露層厚約2.5~16.6m，遍布于試驗場地梁卯山脊）、殘積古土壤（硬塑，具有大孔隙及蟲孔，含少量白色鈣質(zhì)條紋及云母片，揭露層層厚4.4~15m）、中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（硬塑，具有大孔隙及蟲孔，最大暴露層厚度為488m）和殘積古土壤（最大暴露厚度為5.0m，中強風(fēng)化）。

黃土遇水濕陷的特征致使本工程地基處理面臨著消除其濕陷性、提高地基的壓縮模量和地基承載力的重要問題。如此厚的黃土地基處理問題，在國內(nèi)外極為罕見，既沒有成熟的技術(shù)作支持，也無成功的經(jīng)驗可借鑒。因此選擇和確定合理的地基處理、填筑方案及質(zhì)量控制體系成為亟待解決的工程技術(shù)問題。

強夯法作為常用的原位土體壓實方法，其施工設(shè)備簡單，工藝成熟，施工效率高，得到了廣泛的應(yīng)用。但利用該方法處理濕陷性黃土高填方工程尚無成熟的經(jīng)驗可供借鑒，因而需要在工程施工前進(jìn)行相關(guān)的試驗，以確定相關(guān)施工技術(shù)參數(shù)，并提出相應(yīng)的技術(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件和施工狀況，原狀土地基強夯試驗共分為2000kN·m、4000kN·m 和6000kN·m 三個小區(qū)進(jìn)行，各試驗小區(qū)內(nèi)先以單點夯試驗確定主夯時每遍的夯擊遍數(shù)，主夯時夯點采用正方形布置，夯擊2 遍，每遍根據(jù)單點夯試驗結(jié)果夯擊10~18 次；最后再以1000kN·m 的夯擊能進(jìn)行滿夯1 遍，其試驗工況設(shè)計如表1 和表2 所示。

表1 主夯試驗工況設(shè)計

表2 滿夯試驗工況設(shè)計

滿夯時夯擊能量均取1000kN·m，夯點間距采用1/3錘印搭接，夯擊3 遍。

強夯施工程序：場地清理—根據(jù)場地條件布設(shè)方格網(wǎng)—測量場地標(biāo)高—單點夯試驗—主夯第一遍—場地平整—復(fù)測標(biāo)高—主夯第二遍—場地平整—滿夯—平整場地—標(biāo)高復(fù)測—施工驗收—進(jìn)入下一道工序。

試驗過程：

強夯試驗前，分別在小區(qū)內(nèi)挖探井在不同深度上取土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗，測得其干密度和濕陷系數(shù)。

1.1 單點夯試驗

夯擊之前在夯錘上設(shè)置4 個觀測點，用于沉降量和隆起觀測，在設(shè)定夯點周邊的原地面上設(shè)置相互垂直的觀測點，各點距夯錘邊緣距離分別為2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m。夯擊開始后，對每一擊隆起和沉降量分別觀測記錄，并計算最后兩擊的平均夯沉量直至達(dá)到收夯標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 強夯小區(qū)試驗

根據(jù)單點夯試驗所得的參數(shù)，在選定的原地面試驗小區(qū)進(jìn)行試驗，經(jīng)清表平整后，測量夯前標(biāo)高，第一遍和第二遍點夯后分別平整復(fù)測標(biāo)高（第二遍強夯夯點位于第一遍正方形夯點中心），第三遍滿夯后平整測量標(biāo)高，剔除異常點，計算試驗小區(qū)平均沉降值。

1.3 載荷試驗

強夯完成后，采用面積為0.5m2的圓形鋼制承載板（直徑800mm）進(jìn)行相對穩(wěn)定試驗測得各試驗小區(qū)的p-s曲線，以確定其地基承載力特征值和變形模量。

1.4 浸水載荷試驗

為了檢測強夯方法處理后地基土體濕陷性消除情況，取一點進(jìn)行現(xiàn)場浸水載荷試驗。載荷試驗所用承載板為0.5m2的圓形鋼制承載板（直徑800mm），釆用穩(wěn)定法進(jìn)行試驗，0~200kPa，每級加載50kPa，至200kPa 穩(wěn)定后浸水，觀測200kPa 應(yīng)力下土體浸水濕陷沉降直至沉降穩(wěn)定。

1.5 地基土物理力學(xué)性質(zhì)試驗

強夯完成后，在小區(qū)內(nèi)挖探井取土樣測定其干密度和濕陷系數(shù)，以檢測強夯處理地基效果。

2 結(jié)果分析

2.1 單點夯試驗

不同夯擊能下每一擊的沉降量如圖1 所示，各強夯小區(qū)達(dá)到收夯標(biāo)準(zhǔn)時的夯擊次數(shù)分別為12、10 和12 次。

圖1 單點夯試驗結(jié)果

2.2 強夯小區(qū)試驗

經(jīng)第一遍、第二遍點夯和第三遍滿夯后分別平整復(fù)測標(biāo)高，剔除異常點，計算得到各試驗小區(qū)累計沉降值如圖2 所示，每遍夯擊的沉降量如表3 所示。

圖2 各試驗小區(qū)的累積沉降曲線

表3 各試驗小區(qū)的單次沉降量

由試驗數(shù)據(jù)可知：不同夯擊能下的沉降量均在第一次夯擊時達(dá)到最大，其累積沉降量占最終沉降量的55%以上；隨著夯擊能的增加，每次夯擊完成后的沉降量也逐漸增加，夯擊能由2000kN·m 升至6000kN·m 時，第一遍夯擊產(chǎn)生的沉降差僅為0.21m，而第三遍夯擊完成后的最終沉降差則達(dá)到了0.43m，夯擊能為6000kN·m 的累計沉降接近1m。

2.3 載荷試驗

強夯后各試驗小區(qū)荷載試驗結(jié)果如圖3 所示。由圖可知：各試驗小區(qū)內(nèi)，當(dāng)加載量達(dá)到400kPa 時，載荷試驗ps 曲線沒有出現(xiàn)明顯的拐點或突然下降，即地基沒有破壞，可以確定地基承載力特征值均為200kPa。

圖3 強夯后各試驗小區(qū)載荷試驗結(jié)果

p-s 曲線在200kPa 時的累計沉降量、變形模量如表4所示。由表中數(shù)據(jù)可知：隨著夯擊能量的增加，p-s 曲線在200kPa 時的累計沉降量逐漸減小，變形模量逐漸增加，表明夯擊效果隨著夯擊能量的增加而增加。

表4 200kPa 時載荷試驗結(jié)果

2.4 浸水載荷試驗

強夯后各試驗小區(qū)浸水荷載試驗結(jié)果如圖4 所示，加載至200kPa 后浸水至濕陷穩(wěn)定時的附加濕陷變形如表5所示。由試驗數(shù)據(jù)可知：隨著夯擊能量的增加，地基土體在200kPa 壓力下浸水后附加濕陷變形量逐漸減小，但都遠(yuǎn)小于《巖體工程勘察規(guī)范》（GB50021—2001）規(guī)定的濕陷性土的判定標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)為各試驗小區(qū)的夯擊試驗已消除地基土體濕陷性。

表5 不同夯擊能處理后的附加濕陷變形

2.5 強夯前后地基土物理力學(xué)性質(zhì)對比

強夯前后各試驗小區(qū)內(nèi)不同深度處土樣的干密度和濕陷系數(shù)如表6-表8 所示。

表6 強夯前后地基土的干密度

表7 強夯前后地基土的孔隙比

表8 強夯前后地基土的濕陷系數(shù)

由表可知：不同夯擊能量的地基處理深度不同，經(jīng)6000kN·m 強夯處理后，地基在9.0m 深度范圍內(nèi)各項力學(xué)指標(biāo)均大幅度優(yōu)化，干密度提高15.1%，孔隙比降低26.6%；4000kN·m 夯擊能量的地基處理深度為8.0m，干密度提高14.9%，孔隙比降低26.3%，而2000kN·m 夯擊能量的地基處理深度僅為5.0m，干密度提高15.1%，孔隙比降低22.9%。在地基處理深度范圍內(nèi)，三個試驗小區(qū)的濕陷系數(shù)均降至0.015 以下，濕陷性全部消除，有效承載力均達(dá)到200kPa，地基處理效果顯著。

3 結(jié)論

采用強夯法進(jìn)行原狀濕陷性黃土地基處理時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗確定夯擊能量、夯擊遍數(shù)和每遍夯擊次數(shù)等相關(guān)參數(shù)，以獲得最佳施工參數(shù)；試驗中應(yīng)根據(jù)上部工程結(jié)構(gòu)所需的處置深度合理選定夯擊能量，以確保地基擁有足夠的處置深度。在取得理想處理效果的同時最大限度地發(fā)揮施工機具的施工效率。