何麗平，劉志軍，王雪剛，滕超

（中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州 510230）

0 引言

中國(guó)是一個(gè)多沙漠分布的國(guó)家，沙漠面積約71.29 萬km2，占國(guó)土面積的7.4%，主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、青海、甘肅、寧夏及陜西等地。為改善西部地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，近年來中國(guó)加大了對(duì)西部省份的公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)等公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。在公路、鐵路等線性工程建設(shè)中經(jīng)常穿越沙漠腹地或沙漠邊緣，由于沙漠地區(qū)良好的筑路材料相對(duì)匱乏，且運(yùn)距較遠(yuǎn)，造成筑路成本太大，延緩了沙漠地區(qū)公共交通的發(fā)展。然而在沙漠地區(qū)存在豐富的天然風(fēng)積沙，這些風(fēng)積沙如能用在線路工程路基填筑上，將大大節(jié)省工程造價(jià)，加快西部沙漠地區(qū)交通建設(shè)的發(fā)展。

關(guān)于風(fēng)積沙在工程填筑材料應(yīng)用方面，中國(guó)學(xué)者對(duì)新疆、內(nèi)蒙古、陜西等地區(qū)風(fēng)積沙的基本工程特性及地基處理施工工藝進(jìn)行了研究。許多學(xué)者［1-8］通過大量的室內(nèi)外試驗(yàn)，對(duì)沙漠地區(qū)風(fēng)積沙工程特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙具有機(jī)械組成細(xì)、沙粒均勻、級(jí)配不良、松散性強(qiáng)、不易壓實(shí)等特性；還有學(xué)者［9-16］對(duì)陜西毛素烏沙漠地區(qū)、新疆烏準(zhǔn)鐵路穿越古爾班通古特、榆靖沙漠高速公路、陜蒙沙漠高速公路（半幅）及靖王高速公路（沙漠段）等風(fēng)積沙路基進(jìn)行了風(fēng)積沙振動(dòng)碾壓處理研究，得出其最佳壓實(shí)含水率、壓實(shí)頻率及施工工藝。

從現(xiàn)有風(fēng)積沙研究及工程應(yīng)用來看，目前不少學(xué)者對(duì)風(fēng)積沙工程特性進(jìn)行了研究，并已成功應(yīng)用在部分公路和鐵路上，為風(fēng)積沙可作為筑路材料提供了一定的理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)，但目前對(duì)風(fēng)積沙地基處理方法主要集中在風(fēng)積沙路基振動(dòng)碾壓的淺表層處理，而對(duì)風(fēng)積沙填筑路基的深層或水下地基處理研究目前還較少見。本文結(jié)合新疆烏尉高速公路工程臺(tái)特瑪湖（沙漠淺水湖）段風(fēng)積沙路基，采用強(qiáng)夯法對(duì)湖區(qū)水下風(fēng)積沙進(jìn)行深層處理試驗(yàn)研究，并對(duì)不同夯擊能下風(fēng)積沙的夯沉量、隆起量、超靜孔隙水壓力大小及消散進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析強(qiáng)夯的加固效果，為沙漠淺水湖區(qū)風(fēng)積沙路基填筑的適宜性提供理論依據(jù)，也可為類似工程提供參考。

1 風(fēng)積沙基本工程特性

在新疆烏尉高速公路工程臺(tái)特瑪湖區(qū)里程K328+90～K328+140 選取風(fēng)積沙試驗(yàn)樣品，試驗(yàn)選取風(fēng)積沙屬于塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙。風(fēng)積沙試樣室內(nèi)試驗(yàn)按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）進(jìn)行。

1.1 基本物理特性

在風(fēng)積沙回填之前，對(duì)選取的取土場(chǎng)中風(fēng)積沙進(jìn)行了大量的顆粒分析試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)臺(tái)特瑪湖附近風(fēng)積沙的顆粒級(jí)配基本一致，都屬于顆粒均勻的細(xì)沙。由于試驗(yàn)區(qū)面積有限，試驗(yàn)場(chǎng)地回填的風(fēng)積沙基本取自同一取土場(chǎng)，風(fēng)積沙的顆粒級(jí)配接近，無需再大量取樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)，只在試驗(yàn)區(qū)左、中、右3 個(gè)部位風(fēng)積沙回填層的中部取3 組試樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)（篩分法），試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)積沙顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算風(fēng)積沙的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)積沙級(jí)配指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

同時(shí)對(duì)選取的3 組風(fēng)積沙樣品進(jìn)行其他基本物理特性試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 風(fēng)積沙其他基本物理參數(shù)

由表2、3 可知：風(fēng)積沙不均勻系數(shù)小于5，粒徑均勻，顆粒級(jí)配不良，不易壓實(shí)，屬于不良填筑材料；風(fēng)積沙在天然狀態(tài)下含水率為0～1%，含水率極低，主要是由于地處新疆塔克拉瑪干沙漠南段，氣候干旱少雨造成；天然密度為1.4～1.5 g/cm3；平均滲透系數(shù)為3.0×10-3cm/s 左右，滲透性好，有利于超靜孔隙水壓力的消散。

1.2 擊實(shí)特性

為研究試驗(yàn)區(qū)風(fēng)積沙的壓實(shí)性能，在試驗(yàn)區(qū)選取1 組風(fēng)積沙試樣（11 種不同含水率）進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，以確定回填料的最大干密度及最優(yōu)含水率。由于本試驗(yàn)區(qū)只進(jìn)行了1 組擊實(shí)試驗(yàn)，而對(duì)于同一種填料而言每組試驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)存在一定波動(dòng)，故本試驗(yàn)組與現(xiàn)場(chǎng)其他區(qū)域風(fēng)積沙的擊實(shí)試驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本試驗(yàn)組結(jié)果與其他區(qū)域試驗(yàn)組結(jié)果趨勢(shì)一致，試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)在可接受的范圍內(nèi)。本試驗(yàn)組擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4 可知：風(fēng)積沙最佳含水率約為16%，最大干密度為1.632 g/cm3。

表4 風(fēng)積沙擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

1.3 下臥粉砂層滲透性及壓實(shí)特性

為了解風(fēng)積沙回填料下臥土層粉砂層在夯擊作用下土層的壓實(shí)特性及超靜孔隙水壓力的消散能力，從現(xiàn)場(chǎng)取回下臥土層試樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)及滲透試驗(yàn)。

選取粉砂層試樣（5 種不同含水率）進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，以確定粉砂層的最大干密度以及最優(yōu)含水率，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 粉砂層擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表5 可知：粉砂層試樣的最佳含水率約為11.5%，最大干密度為1.739 g/cm3。粉砂層壓實(shí)效果較好，較易密實(shí)。

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，分別測(cè)試粉砂層在93%、95%、97%共3 種壓實(shí)度下的平均滲透系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 粉砂層滲透試驗(yàn)平均滲透系數(shù)

由表6 可知：粉砂層的平均滲透系數(shù)在8.48×10-4～8.82×10-4cm/s 范圍，其滲透性能較好，超靜孔隙水壓力消散較快，但比風(fēng)積沙的滲透性能差。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)區(qū)選取及地層分布

沙漠湖區(qū)風(fēng)積沙路基存在水下回填，同時(shí)路基的地基處理深度達(dá)5 m，常規(guī)分層碾壓處理方法無法適用，而風(fēng)積沙具有散粒結(jié)構(gòu)、孔隙大、透水性強(qiáng)、孔隙水容易消散的工程特點(diǎn)，在強(qiáng)夯沖擊荷載作用下壓密過程快，超靜孔隙水壓力消散快，土體容易變得密實(shí)，從而提高其強(qiáng)度，故試驗(yàn)區(qū)采用強(qiáng)夯法對(duì)風(fēng)積沙水下路基進(jìn)行深層處理。風(fēng)積沙的強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)選取在臺(tái)特瑪湖里程為K328+90～K328+140 路段進(jìn)行。

試驗(yàn)區(qū)地層分布上部為風(fēng)積沙回填層，試驗(yàn)區(qū)1平均厚度約3.7 m，試驗(yàn)區(qū)2 平均厚度約4.2 m，下部為原地層粉砂層。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)首先采用風(fēng)積沙回填路基至湖面以上1 m，采用強(qiáng)夯法對(duì)地基進(jìn)行處理，水面1 m 以上采用分層碾壓方法回填至路基頂面。此次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要對(duì)水面以下路基（含水面以上0～1 m 的回填層）進(jìn)行強(qiáng)夯地基處理的研究，水面以下處理深度約5 m，試驗(yàn)段路基結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 湖區(qū)風(fēng)積沙試驗(yàn)段路基結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 夯點(diǎn)平面布置及施工參數(shù)

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012）推薦的強(qiáng)夯有效加固深度與單擊夯擊能的對(duì)應(yīng)關(guān)系來預(yù)估強(qiáng)夯試驗(yàn)的夯擊能，由于本次試驗(yàn)強(qiáng)夯處理有效加固深度約5 m，故試驗(yàn)采用1 500 kN · m 和2 500 kN · m 兩種能量進(jìn)行試夯，并對(duì)其加固效果進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)夯點(diǎn)間距一般為夯錘直徑的1.5～2.5 倍，即3.0～5.0 m，采用3.5 m 和4.5 m兩種夯點(diǎn)間距進(jìn)行試驗(yàn)，分2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行，具體施工參數(shù)見表7。

表7 各試驗(yàn)區(qū)施工參數(shù)

（1）點(diǎn)夯夯點(diǎn)布置

夯點(diǎn)均采用正三角形布置，其夯點(diǎn)布置單元圖見圖2。

圖2 試驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)正三角形布置單元圖（單位：mm）

（2）滿夯夯點(diǎn)

完成點(diǎn)夯后，進(jìn)行一遍滿夯，滿夯所用錘重15 t，直徑2.0 m，滿夯的夯擊能為1 000 kN · m，每點(diǎn)夯擊數(shù)為2 擊，夯擊1 遍，夯點(diǎn)間距按1/4 錘印搭接。

2.3 監(jiān)測(cè)及檢測(cè)布置及數(shù)量

（1）夯沉量及地表隆起量觀測(cè)

選取A3、B3 觀測(cè)單擊夯沉量，通過觀測(cè)確定每個(gè)強(qiáng)夯點(diǎn)的合理夯擊數(shù)；在點(diǎn)A3 和B3 距夯坑中心2 m、3 m、4 m、5 m 的位置布置測(cè)點(diǎn)測(cè)量每擊夯坑周邊地表隆起。如周邊地表隆起量和夯坑體積增量相等，停止夯擊，當(dāng)超靜孔隙水壓力消散后繼續(xù)夯擊。

（2）孔隙水壓力監(jiān)測(cè)

強(qiáng)夯過程中孔壓可以反映強(qiáng)夯的處理深度、水平方向影響范圍以及土中孔隙水壓力的消散情況；在試驗(yàn)區(qū)1 夯點(diǎn)A3，試驗(yàn)區(qū)2 夯點(diǎn)B3 處分別埋設(shè)2組（4 個(gè)）孔隙水壓力計(jì)，各試驗(yàn)區(qū)的孔壓編號(hào)（編號(hào)KY1-1：KY 是“孔壓”首字母，第一個(gè)“1”表示試驗(yàn)區(qū)1，第二個(gè)“1”表示該試驗(yàn)區(qū)第1 個(gè)孔壓計(jì)）、埋設(shè)深度及距夯點(diǎn)距離見圖3。

圖3 孔壓計(jì)埋設(shè)布置圖（單位：mm）

（3）地基檢測(cè)

對(duì)強(qiáng)夯后的地基進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，以研究其加固前后的效果。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)測(cè)試強(qiáng)夯前、后重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)點(diǎn)3 個(gè)，其中1 個(gè)位于夯點(diǎn)中心，1個(gè)位于2 個(gè)夯點(diǎn)中心連線中點(diǎn)，最后1 個(gè)位于3 個(gè)夯點(diǎn)幾何中心。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 夯沉量及地表隆起量

（1）點(diǎn)夯夯沉量

分 別 選 取1 500 kN · m 能 量 的 夯 點(diǎn)A3、2 500 kN · m 能量的夯點(diǎn)B3 進(jìn)行單擊夯沉量分析，其單點(diǎn)夯沉量與累計(jì)夯沉量隨擊數(shù)關(guān)系曲線如圖4 所示。

圖4 單擊夯沉量與累計(jì)夯沉量隨擊數(shù)變化過程線

由圖4 可知：隨著夯擊數(shù)的增加，累計(jì)夯沉量逐漸增大，單擊夯沉量逐漸減小，至一定夯擊數(shù)后，累計(jì)夯沉量曲線變化平緩。觀測(cè)結(jié)果顯示，點(diǎn)夯過程中1 500 kN · m 能量單點(diǎn)夯擊數(shù)至9 擊時(shí)滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）規(guī)定的最后兩擊平均 夯 沉 量 不 大 于50 mm 的 收 錘 標(biāo) 準(zhǔn)，2 500 kN · m 能量單點(diǎn)夯擊數(shù)至8 擊時(shí)滿足最后兩擊平均夯沉量不大于100 mm 的收錘標(biāo)準(zhǔn)。

在點(diǎn)夯試驗(yàn)點(diǎn)A3、B3 夯擊完成后，采用相同能量完成其余夯點(diǎn)的夯擊，剩余夯點(diǎn)無需量測(cè)每擊下的沉降量，只需量測(cè)后期夯擊快收斂時(shí)的夯沉量，直至滿足相應(yīng)的收錘標(biāo)準(zhǔn)，最后統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)區(qū)各夯點(diǎn)滿足收錘標(biāo)準(zhǔn)的夯擊數(shù)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)夯點(diǎn)的夯擊數(shù)基本處在（8～9）±1 擊范圍內(nèi)，可知兩種夯擊能下夯點(diǎn)最佳夯擊數(shù)為8～9 擊。

（2）點(diǎn)夯地表隆起量

在1 500 kN · m 能 量A3 和2 500 kN · m 能 量B3兩點(diǎn)單點(diǎn)夯過程中分別測(cè)量每擊作用下的地表隆起量，觀測(cè)點(diǎn)分別距夯點(diǎn)中心2 m、3 m、4 m、5 m，夯點(diǎn)周圍隆起量觀測(cè)結(jié)果見圖5。圖5 中0～1 m 范圍所測(cè)為每擊作用下夯坑的夯沉量，以負(fù)值表示，夯坑周邊的地表隆起值以正值表示。

圖5 距夯點(diǎn)中心不同距離地面隆起量變化過程線

由圖5 可知：在1 500 kN ·m 及2 500 kN ·m 夯擊能作用下夯點(diǎn)周圍地面以下沉為主，地表隆起量小。

3.2 孔隙水壓力

在夯點(diǎn)A3、B3 處分別埋設(shè)2 組（4 個(gè)）孔隙水壓力計(jì)，分析強(qiáng)夯在深度、水平向影響范圍和超靜孔隙水壓力的消散時(shí)間，其布置如圖3 所示。每組內(nèi)各孔隙水壓力計(jì)測(cè)頭的埋設(shè)見表8。

表8 孔隙水壓力計(jì)測(cè)頭埋設(shè)情況

強(qiáng)夯加固期間沙漠湖區(qū)地下水位幾乎無變動(dòng)，因此在對(duì)超靜孔隙水壓力進(jìn)行分析時(shí)不再考慮地下水位變動(dòng)的影響。

（1）超靜孔隙水壓力隨夯擊數(shù)的變化規(guī)律

分別取夯擊點(diǎn)A3 和B3 的監(jiān)測(cè)結(jié)果，繪制超靜孔隙水壓力隨夯擊數(shù)變化過程線，見圖6。

圖6 超靜孔隙水壓力隨夯擊數(shù)變化過程線

由圖6 可知：隨著夯擊數(shù)的增加超靜孔隙水壓力累計(jì)上升，初期每擊作用下超靜孔隙水壓力增量較大，后期增量減小至夯點(diǎn)滿足收錘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)超靜孔隙水壓力的變化過程線呈平緩狀態(tài)。

（2）超靜孔隙水壓力在不同能量不同水平距離下變化規(guī)律

分別取夯擊點(diǎn)A3 和B3 的監(jiān)測(cè)結(jié)果，繪制埋深3.0 m 和5.0 m 的孔壓計(jì)單點(diǎn)夯超靜孔隙水壓力隨時(shí)間變化的過程線，由于相鄰兩夯擊時(shí)間間隔為3～5 min，施工時(shí)保持連續(xù)夯擊，待夯擊完成后開始觀測(cè)完整的超靜孔壓消散過程，結(jié)果如圖7 所示。圖中橫坐標(biāo)“相對(duì)時(shí)間”是指相對(duì)于第一次夯擊的時(shí)間，超靜孔隙水壓力達(dá)到峰值時(shí)夯擊滿足收錘標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)曲線為超靜孔壓的消散過程。

圖7 在不同水平向距離下單點(diǎn)夯超靜孔隙水壓力隨時(shí)間變化的過程

由圖7 可知：從整體上看，兩種能量下相同埋深處距夯點(diǎn)中心4.5 m 處超靜孔隙水壓力比3.5 m 處的大；在相同埋深相同距離處，2 500 kN · m 能量下超靜孔隙水壓力比1 500 kN · m 能量的大，可知2 500 kN · m 夯 能、4.5 m 夯點(diǎn)間距進(jìn)行強(qiáng)夯更合理。由超靜孔隙水壓力消散曲線可知：風(fēng)積沙回填層及原地質(zhì)粉砂層的超靜孔隙水壓力在夯擊完成后大部分迅速消散，而后消散緩慢，3 h 后消散超80%，在強(qiáng)夯存在多遍點(diǎn)夯時(shí)可連續(xù)夯擊施工，不需中間等待時(shí)間。

（3）超靜孔隙水壓力在不同能量不同深度下變化規(guī)律

分別取夯擊點(diǎn)A3 和B3 的監(jiān)測(cè)結(jié)果，繪制距夯點(diǎn)中心3.5 m 和4.5 m 處孔壓計(jì)單點(diǎn)夯超靜孔隙水壓力隨時(shí)間變化的過程線，如圖8 所示。

圖8 在不同深度單點(diǎn)夯超靜孔隙水壓力隨時(shí)間變化的過程

由圖8 可知：在距夯點(diǎn)3.5 m 和4.5 m 處，兩種能量下路基處理有效深度都可達(dá)5 m，且埋深3 m 位置超靜孔隙水壓力比埋深5 m 位置的大，可知上部風(fēng)積沙加固效應(yīng)比下部粉砂加固效應(yīng)更好。

3.3 檢測(cè)結(jié)果

試夯區(qū)在夯前、后分別進(jìn)行了3 組重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測(cè)，以對(duì)比強(qiáng)夯加固效果，加固前、后動(dòng)探擊數(shù)隨著深度變化對(duì)比見圖9。

圖9 試驗(yàn)區(qū)加固前、后動(dòng)探擊數(shù)隨著深度變化圖

設(shè)計(jì)要求處理后路基的重型動(dòng)探擊數(shù)不小于6擊。由圖9 可知：1 500 kN · m 能量、夯點(diǎn)間距3.5 m強(qiáng)夯處理后風(fēng)積沙動(dòng)探擊數(shù)平均值為5.9～6.8 擊，下臥層粉砂平均值為7.4～7.9 擊，上部回填層風(fēng)積沙動(dòng)探擊數(shù)有部分深度小于6 擊，不滿足設(shè)計(jì)要求；而2 500 kN · m 能 量、夯 點(diǎn) 間 距4.5 m 強(qiáng) 夯 處 理 后 風(fēng) 積沙動(dòng)探擊數(shù)平均值為6.7～8.1 擊，下臥層粉砂平均值為7.1～8.0 擊，兩者各測(cè)試深度動(dòng)探擊數(shù)基本大于6擊，能滿足設(shè)計(jì)要求，此強(qiáng)夯施工參數(shù)能用于試驗(yàn)區(qū)風(fēng)積沙的加固。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在相同能量及夯點(diǎn)間距強(qiáng)夯后，風(fēng)積沙加固效果呈現(xiàn)如下規(guī)律：夯點(diǎn)中心＞2夯點(diǎn)中心＞3 夯點(diǎn)中心。

4 結(jié)論

（1）風(fēng)積沙屬于細(xì)沙，顆粒均勻，級(jí)配不良，不易壓實(shí)；天然狀態(tài)下含水率極低，本身滲透性能好，有利于土體加固時(shí)超靜孔隙水壓力的消散；風(fēng)積沙最佳含水率約16%，最大干密度約1.63 g/cm3。

（2）風(fēng)積沙在2 500 kN · m 夯擊能下單點(diǎn)最佳夯擊數(shù)為8～9 擊；夯擊時(shí)夯點(diǎn)周圍地面以下沉為主，地表隆起量小，夯擊加固有效。

（3）風(fēng)積沙在2 500 kN · m 夯擊能下加固有效深度可達(dá)5 m，在深度方向上部加固效應(yīng)比下部好；水平方向4.5 m 處加固效應(yīng)比3.5 m 處好。

（4）風(fēng)積沙及原地層粉砂超靜孔隙水壓力在夯擊完成后消散迅速，3 h 后消散程度超80%，在強(qiáng)夯存在多遍點(diǎn)夯時(shí)可連續(xù)夯擊作業(yè)，不需中間等待時(shí)間。

（5）在2 500 kN · m 夯擊能、夯點(diǎn)間距4.5 m、單點(diǎn)夯擊數(shù)8 擊強(qiáng)夯后，風(fēng)積沙地基強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)夯法適用于沙漠淺水湖區(qū)風(fēng)積沙路基的水下深層處理，風(fēng)積沙可作為沙漠淺水湖區(qū)公路路基的回填料。