土石混合料填方地基高效夯實技術(shù)研究

何勇 賀瑞 鄧麗君

摘 要：依托云貴互聯(lián)通道±500 kV祿勸換流站工程，以理論計算和現(xiàn)場試驗為主要手段，研究了以強夯結(jié)合沖擊碾壓為核心的高效夯實技術(shù).研究結(jié)果表明，針對土石混合料填方地基，在強夯擾動層深度范圍內(nèi)，25 kJ沖擊碾壓（試驗A區(qū)），2 000 kN·m滿夯（試驗B區(qū)）后平均超重型動探擊數(shù)提高值均為2擊左右，即兩者加固強夯擾動層的效果基本相當(dāng)；25 kJ沖擊碾壓的施工效率則是2 000 kN·m滿夯的5倍.表明沖擊碾壓具有代替滿夯的技術(shù)可行性.

關(guān)鍵詞：土石混合料；填方地基；高效夯實；沖擊碾壓；滿夯；亞層厚度

中圖分類號：TU472.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

土石混合料是由巨（粗）粒石料和細(xì)粒土組成的復(fù)合體，是山區(qū)高填方工程的主要填料形式，具有組成成分多樣、顆粒分選性差與不均勻程度高等特點^[1-3].土石混合料高填方地基要解決的首要核心問題是沉降和穩(wěn)定，而其實質(zhì)則是地基強度和變形.研究表明^[4]，填料的力學(xué)特性與壓實度正比例相關(guān)，即壓實度越高，地基強度越高，壓縮系數(shù)越低；而壓實度又與壓實功正相關(guān).根據(jù)安明等^[5]的研究，強夯的單位壓實功是重型擊實試驗的2倍以上，因此，強夯是高質(zhì)量處理土石混合料高填方地基的首選技術(shù)方式.

強夯加固非飽和粗粒土地基的主要機(jī)制是動力密實，即強夯震動產(chǎn)生的沖擊波和高應(yīng)力破壞土體結(jié)構(gòu)，減小土體孔隙，從而提高密實程度和地基強度.在強夯產(chǎn)生的沖擊波中，壓縮波（縱波）的質(zhì)點振動方向和傳播方向一致，是動力密實作用的主要能量波；而剪切波（橫波）的質(zhì)點振動方向則和傳播方向垂直，導(dǎo)致地基表層松動，形成強夯擾動層.強夯實踐中一般采用低能級滿夯加固該擾動層，即采用點夯與滿夯組合的強夯工藝.但由于采用逐行逐點與錘印搭接的夯擊方式，滿夯施工效率較低，以±800 kV昆北換流站強夯工程為例^[6]，6 000 kN·m點夯與2 000 kN·m滿夯的臺班產(chǎn)量相當(dāng)，均為500 m²左右，按虛填厚度8 m計算，強夯效率為250 m³/h，僅與普通壓路機(jī)的壓實效率相當(dāng)^[7].可以認(rèn)為，采用點夯與滿夯組合工藝大幅降低了強夯施工效率，使得強夯在高強度與短周期的大規(guī)模高填方工程中無法實現(xiàn)高質(zhì)量與高效率的統(tǒng)一.

沖擊碾壓技術(shù)的主要加固機(jī)制是利用非圓形沖擊輪對地基連續(xù)施加的沖擊、滾壓和揉搓作用，減小土體孔隙，并提高地基密實程度^[8].其兼具強夯和普通碾壓的優(yōu)點，有效壓實深度可達(dá)2 m左右^[7-9]，理想情況下的最高壓實臺班產(chǎn)量^[8]超過6 000 m²，約為滿夯施工效率的10倍以上.這表明，在高填方強夯工程中，沖擊碾壓具有代替滿夯的可能性.在滿夯替代技術(shù)方面，已有研究成果不多，張慧萍^[10]曾在某機(jī)場飛行區(qū)填方工程中提出采用沖擊碾壓作為滿夯的替代手段，但并未深入研究.本研究依托云貴互聯(lián)通道±500 kV祿勸換流站工程，以理論計算和現(xiàn)場試驗等為主要手段，探索研究了以強夯結(jié)合沖擊碾壓為核心的高效夯實技術(shù)，為高強度與短周期下的大規(guī)模土石混合料高填方工程實施提供科學(xué)依據(jù).

1 沖擊碾壓有效壓實深度

有效壓實深度是指經(jīng)過壓實處理后，壓實系數(shù)或地基強度等物理力學(xué)指標(biāo)能夠滿足設(shè)計要求的深度.盡管沖擊碾壓在填方處理與補強加固等方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但其理論研究相對滯后，尚未形成統(tǒng)一的壓實理論計算方法.從加固機(jī)制來看，沖擊碾壓的加固作用主要為沖擊、滾壓和揉搓，其中，又以沖擊為主，而沖擊作用產(chǎn)生的沖擊波具有與強夯沖擊波相同的特性，因此，可以采用強夯加固深度計算方法予以估算.梅納提出了強夯加固影響深度經(jīng)驗公式為，

式中，H為加固影響深度，m；W為夯錘重量，t；h為夯錘下落高度，m.

科研人員在強夯加固影響深度方面開展的大量研究證明，式（1）計算的加固影響深度明顯偏大，并提出了修正式為，

式中，α為加固深度修正系數(shù)，主要與巖土性質(zhì)與夯錘特征等有關(guān).

陳忠清等^[11]在必要的假定和簡化基礎(chǔ)上，根據(jù)式（2）提出了沖擊碾壓有效壓實深度經(jīng)驗公式為，

式中，n為能量比，是在重力沖擊勢能基礎(chǔ)上，考慮的沖擊輪轉(zhuǎn)動動能.

根據(jù)葉觀寶等^[12]的研究，沖擊碾壓加固粗粒土?xí)r加固深度修正系數(shù)α大于1，其推薦值為1.3～1.6，本研究取下限.以25 kJ沖擊壓路機(jī)，牽引速度12.5 km/h，按式（3）估算的沖擊碾壓處理土石混合料填方的有效壓實深度見表1.

可以看出，沖擊碾壓處理土石混合料填方的有效壓實深度約為2.6 m，已接近強夯擾動層厚度（1～3 m）的上限值.表明根據(jù)理論估算，在壓實深度方面，沖擊碾壓可以代替滿夯.

2 方 案

2.1 填 料

±500 kV祿勸換流站位于云南省昆明市祿勸彝族苗族自治縣，工程場地上覆第四系殘坡積（Q^el+dl₄）紅粘土（②層），下伏奧陶系中統(tǒng)大箐組地層（O₂d）薄至厚層狀白云巖和灰質(zhì)白云巖（③層全風(fēng)化、④層中風(fēng)化）.試驗用填料采用工程場地挖方巖土組成的土石混合料，土石體積比例（③層全風(fēng)化巖按土考慮）按5.5∶4.5確定.場地原巖土層的基本物理力學(xué)性質(zhì)見表2，混合料的擊實（重型）試驗結(jié)果見表3.

2.2 方 案

本次試驗將重點研究沖擊碾壓代替滿夯用以加固強夯擾動層的可行性與技術(shù)效果.結(jié)合工序工效分析，試驗關(guān)鍵要素為強夯擾動層加固方式、強夯能級、夯點間距和亞層厚度.

強夯能級與加固深度并非線性相關(guān)，能級越高，加固深度增幅越小，因此，高填方地基分層強夯一般不采用（超）高能級.根據(jù)±800 kV昆北換流站工程關(guān)于中等能級強夯技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析^[6]，相比4 000 kN·m方案，6 000 kN·m方案效率更高，并且費用更低，因此，本研究采用6 000 kN·m強夯方案.盡管已有試驗研究表明^[6]，對于6 000 kN·m強夯，夯點間距為5 m時，地基的均勻性更好，但6 m間距下的地基物理力學(xué)指標(biāo)亦能滿足要求，更重要的是，施工效率理論上可以提高44%，因此，本次試驗夯點間距采用6 m.亞層厚度方面，工程實踐表明，亞層厚度越薄夯實質(zhì)量越好，但亞層過薄必然導(dǎo)致堆填工序多而效率低^[13]，本次試驗將亞層厚度作為研究變量，分別采用0.8 m和0.4 m，以便對比分析.

本研究設(shè)置2個試驗區(qū)，A區(qū)采用沖擊碾壓，亞層厚度0.8 m；B區(qū)采用滿夯，亞層厚度0.4 m，試驗的主要技術(shù)參數(shù)詳見表4和表5.試驗區(qū)平面尺寸均為28 m×25 m（不含超寬堆填寬度），夯點布置方式與夯擊順序如圖1所示.

3 結(jié)果分析

3.1 超孔隙水壓力測試

試驗采用超孔隙水壓力測試研究強夯夯擊影響深度，確定夯擊間歇時間.試驗A區(qū)和B區(qū)各設(shè)2個超孔隙水壓力監(jiān)測孔，每孔埋設(shè)4個孔壓監(jiān)測應(yīng)力計，埋設(shè)深度分別為-2、-4、-6和-7 m（自起夯面）.圖2和圖3分別是A區(qū)和B區(qū)超孔隙水壓力—時程曲線.可以看出，B區(qū)在第1遍點夯后產(chǎn)生最大約為4.5 kPa的微弱超孔隙水壓力，并在2 h后基本消散，第2遍點夯（與第1遍間歇時間為4 h）后則基本沒有產(chǎn)生超孔隙水壓力；A區(qū)的2遍點夯則均未引起有工程意義的超孔隙水壓力.結(jié)合試驗時的天氣，判斷B區(qū)的超孔隙水壓力應(yīng)為陣雨在填筑體中形成滯水所致.試驗結(jié)果分析表明，由于碎（塊）石組分的改善作用，土石混合料具有平均含水量不高，地基滲透性較好的工程性質(zhì)，2遍強夯之間無需間歇，可以連續(xù)夯擊，這對提高地基夯實效率十分重要.

3.2 圓錐動力觸探試驗

試驗采用超重型圓錐動力觸探試驗檢驗地基的密實程度，并根據(jù)夯前與夯后的對比確定有效加固深度.試驗A區(qū)和B區(qū)各設(shè)3個夯前與夯后對比測點（見圖1），試驗結(jié)果分別如圖4和圖5所示.試驗結(jié)果表明，1～8 m深度范圍內(nèi)，夯前平均動探擊數(shù)，A區(qū)約5.7擊，B區(qū)約6.8擊，反映填土處于稍密—密實狀態(tài)；橫向?qū)Ρ?，B區(qū)動探擊數(shù)稍高，表明采用較薄亞層厚度可以有效提高夯前填土密實程度.沿深度范圍內(nèi)，夯后動探擊數(shù)均有不同程度提高，A區(qū)平均約7.8擊，B區(qū)平均約8.7擊，反映填土夯后處于密實狀態(tài)，夯前與夯后對比表明，強夯有效加固深度達(dá)到8 m.1～3 m深度范圍內(nèi)，A區(qū)夯后平均動探擊數(shù)約7.5擊，較夯前提高約1.9擊，B區(qū)夯后平均動探擊數(shù)約8.1擊，較夯前提高約2.1擊.試驗結(jié)果證明，在加固強夯擾動層方面，A區(qū)采用的沖擊碾壓與B區(qū)采用的滿夯，其加固效果在工程意義上基本相當(dāng).

3.3 平板載荷試驗

采用淺層平板載荷試驗檢測地基承載力和變形參數(shù)，試驗A區(qū)和B區(qū)各設(shè)3個試驗點，其位置均為夯間（見圖1），試驗采用面積2.25 m²圓形承壓板.根據(jù)工程需要，各點最大試驗荷載不超過400 kPa.

圖6和圖7分別為A區(qū)和B區(qū)載荷試驗壓力—位移（p-s）曲線.各試驗點A-Z1、A-Z2、A-Z3和B-Z1、B-Z2、B-Z3均達(dá)到最大試驗荷載而終止加載，其p-s曲線平緩，無明顯比例界限，因此，地基承載力特征值按最大試驗荷載的1/2和相對變形值s/d=0

.01對應(yīng)的試驗荷載的最小值確定，即A區(qū)和B區(qū)地基承載力特征值均為200 kPa，其地基變形模量計算平均值則分別為18.9和21.4 MPa.試驗結(jié)果表明，A區(qū)和B區(qū)的地基強度和變形特性基本相當(dāng).

4 工序工效分析

表6是現(xiàn)場試驗各主要工序的施工效率參數(shù).可以看出，A區(qū)的回填施工效率是B區(qū)的1.4倍以上.究其原因，亞層厚度是主要因素.一方面，A區(qū)采用0.8 m亞層厚度，相比B區(qū)直接節(jié)省了約50%的亞層推平碾壓時間；另一方面，根據(jù)回填亞層厚度的不同，A區(qū)允許填料最大粒徑為0.6 m，B區(qū)則為0.3 m，使A區(qū)在石方破碎方面也節(jié)省了大量時間.在強夯擾動層加固方面，A區(qū)沖擊碾壓的施工效率則是B區(qū)滿夯的5倍.需要說明的是，由于試驗場地有限，沖擊碾壓施工效率尚未充分發(fā)揮.

5 結(jié) 論

1）根據(jù)理論估算，沖擊碾壓處理土石混合料填方的有效壓實深度約2.6 m，即在壓實深度方面，沖擊碾壓具有代替滿夯加固強夯擾動層的可行性.

2）A區(qū)采用強夯6 000 kN·m，夯點間距6 m，單點擊數(shù)≥12擊，亞層厚度0.8 m，25 kJ沖擊碾壓技術(shù)方案，其處理的土石混合料填方地基，有效加固深度達(dá)到8 m，地基承載力特征值和變形模量分別達(dá)200 kPa和18.9 MPa.

3）B區(qū)采用強夯6 000 kN·m，夯點間距6 m，單點擊數(shù)≥12擊，亞層厚度0.4 m，2 000 kN·m滿夯技術(shù)方案，其處理的土石混合料填方地基，有效加固深度達(dá)到8 m，地基承載力特征值和變形模量分別達(dá)200 kPa和21.4 MPa.

4）根據(jù)超重型圓錐動力觸探試驗結(jié)果，在強夯擾動層深度范圍內(nèi)，A區(qū)和B區(qū)夯后平均動探擊數(shù)提高值均為2擊左右，表明，A區(qū)采用的25 kJ沖擊碾壓與B區(qū)采用的2 000 kN·m滿夯加固強夯擾動層的效果在工程意義上基本相當(dāng).

5）A區(qū)采用亞層厚度0.8 m回填方案的施工效率是B區(qū)采用亞層厚度0.4 m回填方案的1.4倍以上；而在加固填方頂部強夯擾動層方面，A區(qū)采用25 kJ沖擊碾壓方案的施工效率則是B區(qū)采用2 000 kN·m滿夯方案的5倍.

6）試驗結(jié)果表明，A區(qū)采用的強夯結(jié)合沖擊碾壓為核心的高效夯實技術(shù)，在加固效果方面，不論是有效加固深度，或者是地基力學(xué)性質(zhì)，均與點夯結(jié)合滿夯的常用強夯技術(shù)基本相當(dāng)；但采用沖擊碾壓代替滿夯以后，強夯擾動層加固施工效率大幅度提高.因此，當(dāng)以土石混合料為主要填料時，在高強度與短周期的大規(guī)模高填方工程中，強夯結(jié)合沖擊碾壓為核心的夯實技術(shù)較單一強夯技術(shù)具有較大技術(shù)優(yōu)勢.

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（實習(xí)編輯：羅 媛）

Research on High Efficient Compaction Technology of Soil-Rock Mixture Filled Foundation

HE Yong¹， HE Rui²， DENG Lijun¹

（1.Southwest Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，China Power Engineering Consulting Group， Chengdu 610056， China;2.China Electric Power Planning ＆ Engineering Institute， Beijing 100120， China）

Abstract：By relying on the ± 500 kV Luquan Converter Station Project of Yunnan Guizhou interconnection channel and taking theoretical calculation and field test as the main means， the high efficient compaction technology with dynamic compaction combined with impact rolling as the core is studied.The results show that， for the soil-rock mixture filled foundation， within the depth range of dynamic compaction disturbed layer， the average increase of super heavy dynamic detection blow count after 25 kJ impact rolling （test area A） and 2 000 kN·m full compaction （test area B） is about 2.That is， the effect of strengthening dynamic compaction disturbed layer is basically the same.The construction efficiency of 25 kJ impact rolling is five times higher than that of 2 000 kN·m full compaction.That is， impact rolling has the technical feasibility of replacing full compaction.

Key words：soil-rack mixture;filled foundation;high efficient compaction;impact rolling;full compaction;sublayer thickness