孫 艷

（南昌市水利綜合服務(wù)中心,江西 南昌 330039）

0 引言

我國南方地區(qū)因雨量充沛,地下水位常年較高,故而形成天然含水量高出最優(yōu)含水量的高含水量黏土,此類黏土因過濕結(jié)團(tuán)而工程性能不良,不宜直接作為填筑材料使用。本文以前湖水庫為背景,采取室內(nèi)土工試驗(yàn)、現(xiàn)場壓實(shí)試驗(yàn)及強(qiáng)夯置換試驗(yàn)等方式,進(jìn)行其高含水量黏土壓實(shí)特性、填筑方式及治理效果的對比分析,為工程高填方地基設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)的同時(shí),也為高含水量黏土的壓實(shí)施工提供借鑒參考。

1 工程背景

前湖水庫是前湖區(qū)城防洪治澇工程體系的重要規(guī)劃部分,前湖水庫總庫容16.16×106m3,根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2000）及《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-94）確定本工程為IV等工程,根據(jù)本工程等級,確定大壩泄水閘等主要建筑物為四級建筑物,臨時(shí)建筑物為5 級建筑物,本工程項(xiàng)目為紅谷灘新區(qū)前湖壩工程約1.19 km新建防洪壩工程。

擬建場地處贛撫沖積平原及低丘剝蝕崗阜的結(jié)合部位。工程區(qū)內(nèi)地層主要分布有第四系全新統(tǒng)沖積相（alQ4）松散堆積層。部分地段為人工填土,下伏基巖為早第三系（E）紫紅色泥質(zhì)粉砂巖。崗阜區(qū)地形高25 m～50 m左右,相對高差30 m左右,庫存底原高程約17 m。前湖壩址下游地勢平坦低洼,地面高程17.0 m～19.0 m,場地地層結(jié)構(gòu)由第四系人工填土層（rQ）、第四系全新統(tǒng)湖積層（IQ4）、第四系上更新統(tǒng)沖積層（aIQ3）及第三系新余群（Exn）組成。按其巖性及工程特性,自上而下可依次劃分為：①1層黏土、①2層黏土、②3層黏土和②4層黏土、③1層黏土。根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn),各層黏土物理力學(xué)性能見表1。

表1 前湖水庫各層黏土物理力學(xué)性能

通過表1中所分析的前湖水庫各層黏土物理力學(xué)性能可以看出,其各層土體天然含水量高,液限平均值較大,根據(jù)公路行業(yè)細(xì)粒土工程分類標(biāo)準(zhǔn),屬于高液限土；各土層塑性指數(shù)均值較高,適應(yīng)變形性能優(yōu)良,但是存在一定的卸車和攤鋪困難；各土層孔隙比也較大,表明其為大孔隙結(jié)構(gòu),且各層飽和度高,軟土結(jié)構(gòu)特性十分明顯；各土層滲透系數(shù)低,表明土體內(nèi)含水量變化小,通過晾曬也無法使實(shí)際含水量降低,存在較大的垂直及水平排水固結(jié)難度。

2 填筑方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上對前湖水庫高含水量黏土壓實(shí)特性的分析發(fā)現(xiàn),②3層土體含水量過高,直接分層壓實(shí)后的地基物理力學(xué)性能很難達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),為此,必須進(jìn)行改性處理。當(dāng)前較為常見的高含水量黏土地基改良方式主要有晾曬、換填、物理化學(xué)改良等?？紤]到本水利工程實(shí)際,應(yīng)進(jìn)行物理化學(xué)改良,雖然化學(xué)改良處理后室內(nèi)試驗(yàn)效果優(yōu)良,但是因高含水量黏土具有過濕結(jié)團(tuán)特性,無法均勻拌和,所以,采用化學(xué)改良措施的處理效果仍有待完善。在此基礎(chǔ)上,復(fù)合地基填筑的構(gòu)想便在工程實(shí)踐中應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)有的高壓旋噴樁、深層攪拌樁等均針對既有地基的復(fù)合地基加固措施并不能有效解決高含水黏土填筑問題,而強(qiáng)夯置換則能通過分層填筑,在一定程度上有效解決這一問題。

為此,文本分別對物理改良、化學(xué)改良、強(qiáng)夯置換等三種措施進(jìn)行現(xiàn)場填筑試驗(yàn)過程分析及效果對比[1]。

2.1 物理改良方案

此處采用摻加碎石料的方式進(jìn)行前湖水庫高含水量黏土性質(zhì)的改良,使其從細(xì)粒土轉(zhuǎn)變?yōu)榇至Ｍ?根據(jù)相關(guān)試驗(yàn),為達(dá)到較好的改良效果,黏土中碎石組分質(zhì)量必須至少為25%,本試驗(yàn)碎石摻量體積應(yīng)按照＞待改良高含水量黏土體積的25%確定。壓實(shí)工藝采用振壓和沖擊碾壓兩種,振壓時(shí)使用500 kN激振力的壓路機(jī)械,試驗(yàn)單元尺寸為15 m×10 m；沖擊碾壓則使用25 kJ沖擊壓路機(jī),試驗(yàn)單元尺寸為25 m×12 m。物理改良方案參數(shù)設(shè)計(jì)見表2。

表2 前湖水庫高含水量黏土物理改良方案參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2 化學(xué)改良方案

主要以石灰、水泥等為改良劑,通過改良達(dá)到降低填料含水量,并使黏土粗?；哪康?。根據(jù)相關(guān)成果,摻加石灰后吸水率可提升1%以上,而水泥吸水率僅為0.3%,也就是說石灰的吸水率是同體積水泥的3 倍,同時(shí),摻加石灰改良還能提升待改良高含水量黏土的最優(yōu)含水量,而摻加水泥反而會(huì)降低最優(yōu)含水量。所以,本試驗(yàn)主要以石灰為化學(xué)改良劑進(jìn)行前湖水庫高含水量黏土改性處理,參數(shù)設(shè)計(jì)見表3。

表3 前湖水庫高含水量黏土化學(xué)改良方案參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3 強(qiáng)夯置換

在早期的研究過程中有學(xué)者提出強(qiáng)夯加固飽和黏土地基的動(dòng)力固結(jié)理論[2],但是因孔隙水壓消散時(shí)間太長并缺乏排水通道,所以很難應(yīng)用于工程實(shí)踐。此后,采用動(dòng)力置換技術(shù)及壓密作用進(jìn)行飽和性黏土加固,并構(gòu)建起排水通道,從而使飽和黏土地基強(qiáng)夯加固技術(shù)具有了工程應(yīng)用的可行性。當(dāng)前,強(qiáng)夯置換技術(shù)在填土地基加固方面的應(yīng)用已十分廣泛。本試驗(yàn)也主要借助動(dòng)力強(qiáng)夯置換及壓密作用進(jìn)行復(fù)合地基構(gòu)建,從而有效解決前湖水庫高含水量黏土地基物理力學(xué)性能差、壓實(shí)難的問題。置換料主要選用的是工程所在地碎石含量60%的碎石土,試驗(yàn)單元尺寸為28 m×25 m,強(qiáng)夯置換方案參數(shù)設(shè)計(jì)見表4。

表4 前湖水庫高含水量黏土強(qiáng)夯置換方案參數(shù)設(shè)計(jì)

本水庫工程強(qiáng)夯置換試驗(yàn)中填土地基分層填筑,且結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),分層堆填質(zhì)量的好壞直接影響強(qiáng)夯效果。根據(jù)《強(qiáng)夯地基處理技術(shù)規(guī)程》（CECS 279-2010）的相關(guān)規(guī)定,分層堆填亞層厚度應(yīng)控制在0.8 m～1.2 m,該水庫高含水量黏土地基強(qiáng)夯如果采用0.8 m的較薄分層堆填亞層厚度,則會(huì)因高含水量黏土可壓實(shí)性差及過濕結(jié)團(tuán)特性,而增加攤鋪整平難度,延長堆填工序耗時(shí)[3]。所以,本試驗(yàn)采用直接堆填處理,卸車后連續(xù)堆放土堆,并按3.2 m的設(shè)計(jì)高度簡單整平后再填筑厚度0.8 m的碎石,具體處理見圖1。

圖1 強(qiáng)夯置換堆填處理示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)對②3層高含水黏土改良土所進(jìn)行的重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可以看出,摻加生石灰改性后含水量提高,壓實(shí)難度降低,但摻加碎石改良后情況正好相反,具體見表5。

表5 高含水黏土改良土重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 壓實(shí)系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合現(xiàn)行規(guī)定及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)以壓實(shí)系數(shù)指標(biāo)進(jìn)行壓實(shí)填土質(zhì)量控制,本文也主要以該指標(biāo)為評判物理化學(xué)改良土性能的標(biāo)準(zhǔn),每種改良試驗(yàn)方案達(dá)到預(yù)定壓實(shí)遍數(shù)后隨機(jī)選擇3 個(gè)抽檢點(diǎn)檢查改良土性能。前湖水庫高含水量黏土物理、化學(xué)改良后壓實(shí)系數(shù)分布情況見圖2、圖3。

圖2 高含水量黏土物理改良后壓實(shí)系數(shù)

圖3 高含水量黏土化學(xué)改良后壓實(shí)系數(shù)

由圖2可知,實(shí)施物理改良后前湖水庫高含水量黏土振動(dòng)碾壓和沖擊碾壓下有效壓實(shí)遍數(shù)分別為8 遍和25 遍,均比素土壓實(shí)遍數(shù)大；且兩種碾壓方式下,通過碎石摻量的增加,壓實(shí)系數(shù)均有所提高,但是提升幅度不大。相對而言,振動(dòng)碾壓方式下方案1～3 以及沖擊碾壓方式下方案1～6 壓實(shí)效果較好,當(dāng)碾壓遍數(shù)達(dá)到有效遍數(shù)后,兩種碾壓方式的壓實(shí)效果相當(dāng)。

由圖3可知,進(jìn)行化學(xué)改良后前湖水庫高含水量黏土壓實(shí)系數(shù)離散性較大,實(shí)際上,生石灰拌和過程較為困難,原拌和方式無法順利實(shí)施的情況下只能改用挖掘機(jī)集中拌和,但拌和結(jié)果仍不理想。振動(dòng)碾壓和沖擊碾壓下有效壓實(shí)遍數(shù)分別為8 遍和25 遍,生石灰摻加量增大后壓實(shí)系數(shù)均有所提高,且壓實(shí)系數(shù)的增幅比物理改良方式高；振壓方式下方案2、3 壓實(shí)效果最佳,沖擊碾壓方式下方案2～6 效果最好；當(dāng)碾壓遍數(shù)達(dá)到有效遍數(shù)后,兩種碾壓方式的壓實(shí)效果大致相當(dāng),振壓略好。

3.3 平板載荷試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)在強(qiáng)夯置換中主要通過淺層平板載荷試驗(yàn)進(jìn)行地基土承載力及變形模量的測定,具體結(jié)果見表6。通過表6可知,經(jīng)強(qiáng)夯置換處理后夯點(diǎn)和夯間地基承載力試驗(yàn)值均值分別達(dá)到200 kPa和127 kPa,試驗(yàn)結(jié)果基本滿足該水庫高含水量黏土壓實(shí)特定方面的要求。

表6 前湖水庫高含水量黏土平板載荷試驗(yàn)結(jié)果

3.4 強(qiáng)夯置換工藝分析

考慮到高含水量黏土強(qiáng)夯置換填筑并無工程經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,所以,前湖水庫強(qiáng)夯置換試驗(yàn)采用多遍夯擊的方式探索強(qiáng)夯規(guī)律。在試驗(yàn)中,點(diǎn)夯4 遍,前3 遍5 擊/點(diǎn),最后一遍3 擊/點(diǎn),共計(jì)18 擊,且單點(diǎn)夯沉量累計(jì)值為6.5 m,比填筑體厚度的1.5 倍還要大,場地夯沉量0.355 m,置換料體積除以待處理土方自然體積的置換比例為75.8%。根據(jù)夯擊后的檢測結(jié)果,填筑體被夯墩穿透的深度為1.5 m,表明本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的夯擊能和置換料均較富余。而且由于進(jìn)行的是直接堆填,夯擊前填筑體松散,所以置換比較高。

4 結(jié)論

綜上所述,前湖水庫②3層高含水量黏土天然含水量比最優(yōu)含水量高,為保證工程施工效果,應(yīng)進(jìn)行改良處理。物理改良方案中通過摻加碎石料進(jìn)行改性,且無論在振壓還是沖擊碾壓方式下均有部分試驗(yàn)區(qū)域的壓實(shí)系數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)值；化學(xué)改良方案中主要摻加生石灰改性,也存在與物理改良方案相同的問題。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,高含水量黏土所具有的過濕結(jié)團(tuán)特性是造成分層前攤鋪整平困難、外摻料拌合困難及壓實(shí)施工困難的主要原因,所以拌合生石灰的改性方式效果也并不理想。采用夯擊能3000 kN·m、堆填厚度4.0 m的強(qiáng)夯置換復(fù)合地基后地基承載力特征值顯著提升,夯擊后均勻性良好,符合高含水量黏土改性壓實(shí)處理的工程要求。本文的分析既解決了前湖水庫高含水黏土工程性能較差的難題,也為高含水量黏土強(qiáng)夯置換填筑提供了工程經(jīng)驗(yàn)。