黃 達(dá) ，金華輝

（1. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2. 重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；3. 浙江省水利河口研究院，杭州 310020）

1 引 言

1969年merard首次提出強(qiáng)夯法并應(yīng)用于地基加固工程以來，強(qiáng)夯法廣泛應(yīng)用于各種碎塊石土、砂土、低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等[1－2]。但至今為止，針對(duì)山區(qū)碎塊石土強(qiáng)夯地基的相關(guān)研究并不多。水偉厚等[3－4]、王鐵宏等[5]、年廷凱等[6]基于一系列高能級(jí)碎塊石土回填地基強(qiáng)夯現(xiàn)場試驗(yàn)及檢測，研究了地基承載力、標(biāo)準(zhǔn)貫入數(shù)、地面變形及孔隙水壓力與強(qiáng)夯能量級(jí)間的相關(guān)規(guī)律，為高能級(jí)碎塊石土強(qiáng)夯的設(shè)計(jì)、監(jiān)測提供了參考依據(jù)。張峰[7]基于室內(nèi)物理模型試驗(yàn)研究了碎石土的變形特征，分析了粗粒無黏性土的強(qiáng)夯機(jī)制，給出了考慮能量和夯擊次數(shù)的有效加固深度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。也有較多學(xué)者[8－10]利用某一具體工程檢測及測試數(shù)據(jù)，對(duì)山區(qū)碎塊石土強(qiáng)夯加固效果及變形規(guī)律進(jìn)行分析。國內(nèi)外也有部分學(xué)者[11－13]通過合理的變形假設(shè)及能量原理等，從理論層面上對(duì)砂性粒狀填土的強(qiáng)夯機(jī)制及評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究，并通過數(shù)值手段實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)夯過程的模擬。

通過上述分析表明，國內(nèi)外對(duì)于不同土石比條件下碎塊石土的強(qiáng)夯效果及較大粒徑塊石對(duì)其的影響規(guī)律至今還沒有較為深入地探討。本文基于3種不同土石比條件下山區(qū)碎塊石土強(qiáng)夯地基瑞利波檢測數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，并結(jié)合探槽揭露情況，探討了不同土石比條件下強(qiáng)夯前后波速的變化規(guī)律，揭示了大粒徑塊石與夯后波速曲線突變段的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析了大粒徑塊石埋藏深度對(duì)強(qiáng)夯加固深度的影響規(guī)律。研究成果對(duì)山區(qū)碎塊石填土強(qiáng)夯地基的設(shè)計(jì)及施工有一定參考價(jià)值。

2 場地概況及強(qiáng)夯設(shè)計(jì)

2.1 場地概況

重慶市開縣某移民安置點(diǎn)場地主要為開山碎塊石土填土。3個(gè)研究標(biāo)段場地的地層特征基本一致，如圖1所示典型的鉆孔柱狀圖。地層分為4層：第①層為人工填土，主要由砂質(zhì)泥巖碎塊石，砂巖碎塊石及粉質(zhì)黏土等組成，塊石粒徑大多在 0.2～0.7 m之間，級(jí)配不均，最大甚至達(dá)到1.5～2.0 m，碎塊石呈強(qiáng)～中等風(fēng)化，為場地平整時(shí)隨意性推填，回填時(shí)間已3年；第②層為粉質(zhì)黏土（坡積層），含約20%～25%的泥巖及砂巖碎石；第③層為沖洪積層粉砂，成分以石英、長石砂粒為主，含約10%～20%的砂巖碎石和礫石，呈松散～稍密狀態(tài)；第④層為基巖，巖層為砂巖、砂質(zhì)泥巖。

2.2 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)

整個(gè)場地分為 10個(gè)標(biāo)段，根據(jù)鉆孔中土和巖塊的進(jìn)尺比，選取3個(gè)不同土石比標(biāo)段進(jìn)行分析：標(biāo)段a場地土石比為6:4，土、石分布較均勻；標(biāo)段b土石比為5:5，土、石分布不均勻；標(biāo)段c土石比為 3:8，土、石分布極不均勻。由于該地基為原場地開山爆破碎塊石土回填，塊石分布較廣泛。特別是標(biāo)段c大粒徑塊石在不同深度均有較多分布。

本文測定的土石比定義為某一代表區(qū)域內(nèi)黏土或填土（包括粒徑小于1 cm的碎石）與粒徑大于1 cm以上的石塊的體積比。測定方法是通過場地勘察鉆孔巖芯及探槽斷面統(tǒng)計(jì)估算方法綜合確定。文中所談土石比是指如圖1所示的人工素填土層土石含量比例。

工程場地地基全部先后采用2次點(diǎn)夯和2次滿夯共4次強(qiáng)夯工序加固，其中2次點(diǎn)夯夯點(diǎn)互相穿插呈梅花形布置。各標(biāo)段夯實(shí)施工參數(shù)及工序一致，如表1所示。

圖1 研究場地典型鉆孔柱狀圖Fig.1 Typical subsoil profile of researched area

表1 強(qiáng)夯施工參數(shù)表Table 1 Construction parameters of dynamic compaction

3 強(qiáng)夯前、后瑞利波檢測對(duì)比分析

瑞利波法是一種新興的巖土原位測試方法。其利用瑞利波在非均勻介質(zhì)中的頻散性以及傳播速度與巖層物理力學(xué)性的相關(guān)性，可對(duì)強(qiáng)夯加固深度、加固范圍以及場地的整體性進(jìn)行評(píng)價(jià)[14－15]。此次瑞利波檢測采用北京水電物探所 SWS-3多波數(shù)字圖像工程勘探與工程檢測儀，采用瞬態(tài)法進(jìn)行測試，信號(hào)擊振采用8.17 kg人工錘擊，本次強(qiáng)夯加固深度按規(guī)范估算在7～8 m，故瑞利波信號(hào)采集分析深度在10 m左右，都小于第①層素填土回填的深度，檢測土層較單一，不存在不同土層及層面對(duì)檢測的影響。檢測時(shí)間為第4遍滿夯完成后14 d左右。

3.1 波速突變特征

波速曲線突變段的出現(xiàn)，是由土層的不均勻性決定的。根據(jù)現(xiàn)場開挖探槽揭示：在測線附近，波速曲線突變段對(duì)應(yīng)深度內(nèi)往往存在較大粒徑塊石，這表明突變段出現(xiàn)與大粒徑塊石存在的位置具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖2 不同土石比條件下瑞利波檢測曲線Fig.2 Curves for Rayleigh wave under different soil-rock ratios

圖2為3個(gè)典型標(biāo)段強(qiáng)夯前、后瑞利波速檢測曲線（圖中測量 ai、bi、ci（i=1、2、3）表示對(duì)應(yīng)標(biāo)段檢測線編號(hào)。），由圖2可知：

（1）3個(gè)標(biāo)段強(qiáng)夯前波速隨深度呈較光滑的曲線變化，且隨土石比減?。ㄋ閴K石含量增大）非線性特性略有增強(qiáng)。表明在重力固結(jié)的情況下土石比對(duì)瑞利波速的影響相對(duì)較小。

（2）強(qiáng)夯后的檢測曲線均在某一深度發(fā)生明顯突變特征，在大塊石出現(xiàn)的部位波速突然減小。表明較大的塊石對(duì)其下方巖土體的加固效果有較大的影響。

（3）隨著土石比減小，強(qiáng)夯后檢測曲線突變性的變化強(qiáng)度越大，即波速突然減小量越大。在土石比為3:8時(shí)突變段深度下方土體在夯實(shí)前、后波速增加很小，表明過多的石塊含量嚴(yán)重影響了強(qiáng)夯的加固深度。

3.2 波速分區(qū)特征

根據(jù)文獻(xiàn)[10]按強(qiáng)夯地基變形規(guī)律及強(qiáng)度理論，得到其加固效果的分區(qū)模式如圖3所示。圖4為3個(gè)標(biāo)段強(qiáng)夯后各個(gè)測線瑞利波波速增強(qiáng)百分比統(tǒng)計(jì)曲線。由圖4可知，增加比例曲線也出現(xiàn)較明顯地分區(qū)現(xiàn)象，與強(qiáng)夯加固分區(qū)模式有較好的相似性。為了較好地分析增加規(guī)律，根據(jù)夯后波速檢測曲線，結(jié)合密實(shí)度測試，統(tǒng)計(jì)確定可將夯后波速增加比例ΔVR=0%、15%、10%分別作為如圖 3所示的強(qiáng)加密區(qū)、加密區(qū)、影響區(qū)的分區(qū)上限。

圖3 地基強(qiáng)夯加固模式F ig.3 Consolidation mode for foundation by dynamic compaction

土石比6:4與5:5標(biāo)段波速增加比例曲線在檢測末端一般大于10%，但通過圖2、圖4比較分析表明，在加固影響區(qū)及其以下檢測曲線與深度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，因此，可通過末端波速數(shù)據(jù)的線性擬合來估算加固區(qū)及影響區(qū)的對(duì)應(yīng)深度。

根據(jù)圖4及相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析，得到3種土石比條件下的垂直分區(qū)及波速增加特征如下：

（1）土石比為6:4時(shí)強(qiáng)加密區(qū)、加密區(qū)以及影響區(qū)分區(qū)規(guī)律較明顯。強(qiáng)加密區(qū)一般分布在 0.7～8 m，相對(duì)較厚；加密區(qū)相對(duì)較薄，一般在6～8 m；影響區(qū)可達(dá)9 m以上。測線a1、a2、a3在強(qiáng)加密區(qū)波速增加 15%～54%、21%～111%、23%～57%。其中a2測線增加比例曲線較理想，在同一深度內(nèi)增加比例相對(duì)較高，8～8.75 m深度也可達(dá)40%以上。

（2）土石比為5:5時(shí)擾動(dòng)松弛區(qū)、強(qiáng)加密區(qū)和加密區(qū)分區(qū)規(guī)律較明顯。松弛區(qū)一般出現(xiàn)在淺層2 m以上；強(qiáng)加密區(qū)間較厚，一般分布在1～8 m；加密區(qū)一般出現(xiàn)在6 m以下，強(qiáng)夯影響區(qū)可達(dá)8.5 m以上。測線 b2、b3在擾動(dòng)區(qū)波速減小約 0%～16%、0%～31%。測線 b1、b2、b3強(qiáng)加密區(qū)波速增加約15%～70%、0%～70%、0%～40%。

圖4 不同土石比條件下瑞雷波速增加比例曲線Fig.4 Increasing proportion curve of Rayleigh wave velocities under different soil-rock ratios

（3）土石比為3:8時(shí)淺層2 m范圍內(nèi)檢測波速增加比例表現(xiàn)出非常強(qiáng)的波動(dòng)性。強(qiáng)加密區(qū)也一般出現(xiàn)在4 m深度以內(nèi)；加密區(qū)一般分布在3～5.5 m之間，4 m以下增加比例明顯下降；強(qiáng)夯影響區(qū)一般在4～5 m范圍內(nèi)。測線c1、c2、c3在強(qiáng)加密區(qū)波速增加約18%～111%、15%～152%、1%～115%。

夯后強(qiáng)加密區(qū)的加密強(qiáng)度及其規(guī)模是關(guān)系到強(qiáng)夯效果的關(guān)鍵因素，圖5為3個(gè)土石比條件下的加密區(qū)的平均波速及其平均厚度與深度柱狀圖。由圖5可知，強(qiáng)加密區(qū)夯后波速及增加比例差別不大，夯后波速度大小依次為土石比(5:5)>(6:4)>(3:8)，增加比例依次為土石比(6:4)>(3:8)>(5:5)；但不同土石比條件下的加固深度及厚度差別很大，其中土石比6:4和5:5較3:8時(shí)深或厚得多，深度大小依次為土石比(5:5)>(6:4)>(3:8)，厚度依次為土石比(6:4)>(5:5)>(3:8)。

圖5 不同土石比條件下夯后強(qiáng)加密區(qū)波速、厚度及深度柱狀圖Fig.5 Histogram of Rayleigh wave velocities, thickness and depth for strong encryption zone under different soil-rock ratios

土石比3:8時(shí)雖然強(qiáng)加密區(qū)的波速增加比例較大，但平均波速較小、深度較淺、厚度較薄；土石比6:4和5:5強(qiáng)加密區(qū)深度及厚度差不多，但5:5時(shí)夯后波速相對(duì)較大。故土石比5:5和6:4強(qiáng)夯效果相對(duì)較好（其中5:5略好），3:8較差。

4 大粒徑塊石對(duì)強(qiáng)夯效果影響探討

4.1 波速曲線突變段位置

在土石比3:8標(biāo)段不同深度內(nèi)均有較多大粒徑塊石分布，但僅僅在波速曲線淺層表現(xiàn)一定的突變性。對(duì)各個(gè)標(biāo)段曲線突變段對(duì)應(yīng)波速統(tǒng)計(jì)分析表明（見表2）：曲線的突變段一般分布在強(qiáng)加密區(qū)內(nèi)，并且在波速增加比例的峰值點(diǎn)以上；突變段波速增加比例變化幅度較大，統(tǒng)計(jì)樣本一般為30%～97%，其中測線 a2、c2、c3突變段波速增加比例較大，分別達(dá)72%、97%、95%。

綜合表2及強(qiáng)夯前、后波速圖對(duì)比分析表明：在波速增加比例峰值點(diǎn)以上，曲線的突變段和大粒徑塊石存在有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；突變段波速增加比例越大，其突變強(qiáng)度越大，只有當(dāng)波速增加比例達(dá)到一定值后，大塊石存在位置的夯后波速曲線才會(huì)表現(xiàn)較強(qiáng)的突變性。

表2 瑞雷波檢測曲線突變段位置及其波速統(tǒng)計(jì)Table 2 Location and velocity statistics of catastrophe section for Rayleigh wave test curve

4.2 大粒徑塊石的擾動(dòng)特征

由圖2和表2可知，在測線b3、c1深度1～2 m、4～7 m范圍內(nèi)波速增加比例出現(xiàn)明顯的負(fù)值；其中b3突變段曲線出現(xiàn)在擾動(dòng)松弛區(qū)，c1在強(qiáng)加密區(qū)連續(xù)出現(xiàn)兩段突變段。測線b3擾動(dòng)區(qū)深度達(dá)2.25 m，大于夯坑深度，而曲線的突變段位于夯坑深度以下，其受夯錘作用力較明顯，對(duì)周邊土層的擾動(dòng)作用也較強(qiáng)，再加上其形狀以及大小的不利因素的疊加，使得周邊土層產(chǎn)生了明顯的擾動(dòng)松弛。測線c1在強(qiáng)加密區(qū)連續(xù)出現(xiàn)兩段曲線的突變段，并且突變程度依次遞減，表明兩大塊石存在位置較近，其對(duì)兩大塊石位置以下土層產(chǎn)生較強(qiáng)的疊加擾動(dòng)效應(yīng)，造成夯后波速的負(fù)增長。因此，當(dāng)大粒徑塊石位于夯后場地表層或較多大塊石距離較近時(shí)，對(duì)附近土體擾動(dòng)性較大。

4.3 大粒徑塊石埋藏深度對(duì)強(qiáng)夯加固深度的影響

由于碎塊石強(qiáng)夯影響因素較多，加固機(jī)制較復(fù)雜，難以建立比較符合實(shí)際的理論體系對(duì)強(qiáng)夯加固深度進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)，加固深度的確定往往依賴于檢測技術(shù)和類似工程經(jīng)驗(yàn)。因此，為了探討大粒徑塊石對(duì)強(qiáng)夯加固深度影響規(guī)律，擬定夯后瑞利波波速增加比例10%作為強(qiáng)夯加固深度的閾值，即圖3中加密區(qū)下限深度。

由圖2可知，a標(biāo)段各個(gè)檢測線的突變段，突變程度相似，b標(biāo)段突變程度不一，c標(biāo)段不同深度都有較多大塊石的存在。為了盡可能忽略由于大塊石大小、形狀、多塊疊加等因素的影響，選取a標(biāo)段進(jìn)行大塊石埋藏深度對(duì)加固深度影響分析有較好的可比較性。

按照前述擬定確定測線 a1、a2、a3的加固深度分別7.5、9.25、8.5 m。結(jié)合表2相關(guān)數(shù)據(jù)可知：當(dāng)大塊石位于強(qiáng)加密區(qū)內(nèi)或波速增加比例峰值點(diǎn)深度以上時(shí)，加固深度隨著大粒徑塊石埋深增加而減小；測線a1、a3大粒徑塊石的埋深接近其波速增加峰值點(diǎn)，大粒徑塊石的埋深位置越靠近波速增加峰值點(diǎn)時(shí)對(duì)周邊土體擾動(dòng)效應(yīng)越明顯，加固深度越淺。

5 結(jié) 論

（1）夯前波速呈一定線性，并隨著土石比的減小，非線性略有增強(qiáng)；夯后波速曲線具有明顯突變規(guī)律，其突變段與大粒徑塊石有較好的對(duì)應(yīng)性，并隨著土石比的減少其突變程度增強(qiáng)。

（2）夯后波速增加比例曲線具有垂直分區(qū)特征。土石比5:5、6:4標(biāo)段強(qiáng)加密區(qū)厚度較大，波速增加明顯，加固效果相對(duì)較好。土石比3:8標(biāo)段雖然強(qiáng)加密區(qū)波速增加顯著但其厚度很少，加固效果較差。

（3）大粒徑塊石對(duì)周邊土體擾動(dòng)影響顯著，夯后波速曲線上往往表現(xiàn)為較強(qiáng)的突變性減少，突變段一般分布在波速增加比例峰值點(diǎn)以上，突變程度隨著波速增加比例增加而增強(qiáng)。當(dāng)其位于夯后場地表層或較多大塊石距離較近時(shí)，對(duì)附近土體擾動(dòng)性較大。

（4）當(dāng)大塊石位于強(qiáng)加密區(qū)內(nèi)或波速增加比例峰值點(diǎn)深度以上時(shí)，加固深度隨著大粒徑塊石埋深增加而減小。大粒徑塊石的埋深位置越靠近波速增加峰值點(diǎn)時(shí)對(duì)周邊土體擾動(dòng)效應(yīng)越明顯，加固深度越淺。

（5）土石比6:4、5:5加固深度在7～9 m范圍內(nèi)，加固效果較好；而土石比3:8加固深度在3.5～6 m范圍內(nèi)，低于規(guī)范[1]給出的參考值6～8 m。說明合理的土石比以及嚴(yán)格控制大粒徑塊石回填對(duì)山區(qū)碎塊石土強(qiáng)夯地基甚為重要。

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